燃料電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)的綜述研究

鄭磊　李戰(zhàn)勝

【摘 要】由于作為燃料電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)之一的電池技術(shù)，本文通過燃料電池的工作原理、分類及其特點(diǎn)的相關(guān)研究，同時(shí)對(duì)于汽車的電機(jī)、控制器等關(guān)鍵技術(shù)的分析，從整體上對(duì)燃料電池汽車有一個(gè)大致的研究，并且通過與純電動(dòng)汽車的比較，得出燃料電動(dòng)汽車非常可觀的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】燃料電池；燃料電動(dòng)汽車；電機(jī)技術(shù)；控制器技術(shù)

1 燃料電池的工作原理

燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極以及電解質(zhì)組成，其中電池的負(fù)極是燃料電極，正極是氧化劑電極。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。

燃料電池是一種使燃料與氧化劑中儲(chǔ)存的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。當(dāng)燃料和空氣一同被送進(jìn)燃料電池裝置中，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生以后被輸送出來的就是供給汽車提供動(dòng)能的電能。常用的是利用氫氣與氧氣的化合反應(yīng)產(chǎn)生的能量發(fā)電。如果將該燃料電池用來驅(qū)動(dòng)汽車，則成為燃料電池汽車。燃料電池從燃料的來源上看，有純氫氣和液化天然氣等幾種。其中液化天然氣的主要成份為甲烷，利用甲烷的氧化反應(yīng)產(chǎn)生的能量獲取電能。其反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生水和二氧化碳，相對(duì)來講還是比較“干凈”的。

2 燃料電池的分類

按燃料的處理方式不同，可分為直接式、間接式和再生式。直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型。間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池。再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學(xué)燃料電池等。按照電解質(zhì)類型的不同，可分為堿型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸鹽型、固體電解質(zhì)型燃料電池。

按照工作溫度的不同，又把堿性燃料電池、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池和磷酸型燃料電池稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池和固體氧化型燃料電池稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質(zhì)量排氣而進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池。另一種分類是按其開發(fā)早晚順序進(jìn)行的，共分為第一代、第二代和第三代燃料電池。這些電池均需用可燃?xì)怏w作為其發(fā)電用的燃料。

3 燃料電池汽車的概述

電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合國(guó)家道路交通、安全法規(guī)等各項(xiàng)要求的車輛。由于對(duì)環(huán)境影響相對(duì)傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，但當(dāng)前技術(shù)尚不成熟。電動(dòng)汽車的一般分為三種：純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車。其中燃料電池汽車是電動(dòng)汽車的一種，其核心部件燃料電池的電能是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用直接變成電能。

燃料電池汽車的工作原理是，使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生出電能發(fā)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)汽車中的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)汽車的前后萬象軸、后橋等行走機(jī)械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)車輪驅(qū)動(dòng)汽車。

4 燃料電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)

電動(dòng)汽車的關(guān)鍵能源動(dòng)力技術(shù)包括電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、控制器技術(shù)。電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和控制器技術(shù)是電動(dòng)汽車所特有的技術(shù)，這三項(xiàng)技術(shù)也是一直制約電動(dòng)汽車大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。

其中電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車用電池的主要性能指標(biāo)是比能量 、能量密度、比功率、循環(huán)壽命和成本等。要使電動(dòng)汽車能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)的高效電池。廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的燃料電池是一種稱為質(zhì)子交換膜的燃料電池，它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑，不經(jīng)歷熱機(jī)過程，不受熱力循環(huán)限制，因此能量的轉(zhuǎn)換效率高，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2～3倍。同時(shí)，它還具有噪音低、無污染、壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)迅速、比功率大和輸出功率可隨時(shí)調(diào)整等特性，使得燃料電池非常適合用作交通工具的動(dòng)力源。

而電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是所有電動(dòng)汽車必不可少的關(guān)鍵部件。使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應(yīng)和開關(guān)磁阻四種電機(jī)。這四種電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是對(duì)于電動(dòng)汽車而言，由于電能是由各類電池提供的，價(jià)格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對(duì)效率最高的永磁無刷電機(jī)是較為合理的，它已被廣泛應(yīng)用于功率小于100kW 的現(xiàn)代電動(dòng)汽車上。在國(guó)外已有越來越多的電動(dòng)汽車采用性能先進(jìn)的電動(dòng)輪（又稱輪轂電機(jī)），它用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，因此無傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋等復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)部件，汽車結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。但是它要求電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下有很大的轉(zhuǎn)矩， 特別是對(duì)于軍用越野車，要求電機(jī)基點(diǎn)轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速為1比10。近幾年，美、英、法、德等國(guó)紛紛將電動(dòng)輪技術(shù)應(yīng)用于軍用越野車和輕型坦克上，并取得了重大成果。

另外，控制器技術(shù)的變速和方向變換是靠電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置來完成的，其原理是通過控制電動(dòng)機(jī)的電壓和電流來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。目前電動(dòng)汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速，通過均勻改變電機(jī)的端電壓，控制電機(jī)的電流，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。在電子電力技術(shù)的不斷發(fā)展中，它也逐漸被其他電力晶體管斬波調(diào)速裝置所取代。從技術(shù)的發(fā)展來看，伴隨著新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用，電動(dòng)汽車的調(diào)速控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂孀兗夹g(shù)的應(yīng)用將成為必然的趨勢(shì)。

5 燃料電動(dòng)汽車與純電動(dòng)汽車比較

純電動(dòng)汽車就是用電力作為動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)的汽車。這里不包括混合動(dòng)力車，特指純粹使用電力來驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在行使過程中不需要隨時(shí)有線接通電源的汽車。與氫燃料電池汽車相比，從原理的角度講，氫燃料電池汽車的最終也是用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，因此，與電動(dòng)汽車相比僅僅是能量的載體有所不同；而從節(jié)能的角度講，盡量減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù)更加為理想；從工業(yè)發(fā)展的角度來講，“機(jī)械驅(qū)動(dòng)”向“電氣驅(qū)動(dòng)”符合科學(xué)技術(shù)發(fā)展的方向；從發(fā)展的眼光看，電動(dòng)汽車為將來無線傳送電力預(yù)留了發(fā)展的空間。因此，燃料電池汽車在成本和整體性能上，特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上明顯優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車，并且燃料電池所用的燃科來源廣泛，又可再生，并可實(shí)現(xiàn)無污染、零排放等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司21 世紀(jì)初激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)燃料電池汽車的研究，主要探討了燃料電動(dòng)汽車的三大關(guān)鍵技術(shù)：電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和控制器技術(shù)，其中著重論述了燃料電池的工作原理和分類，又通過與純電動(dòng)汽車的比較，從中得出燃料電動(dòng)汽車的未來發(fā)展前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]衣寶廉.燃料電池-原理.技術(shù).應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]何仁.燃料電池汽車研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].汽車工業(yè)研究，2001（2）：29-34.

[3]曹建國(guó)，廖然，楊利花.燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015（4）：59-63.

[4]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014，5（1）：1-16.

[5]陳清泉.電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電動(dòng)汽車的發(fā)展前景[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2011，02（1）：12-24.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]