3深层讲解:电动车辆技术问题

4.需要解决的问题

　　对于纯燃料电池车或基于氢能源的其他类型车，怎样合理控制制氢成本和建立社会网络化的储氢站是一个重要工程;在行驶的汽车里怎样保存氢燃料也是一个重要课题。

　　储氢技术基本上有三种，一是在超低温-253°将氢呈液态保存，二是用高压(约5000磅/平方英寸)压缩气态氢，提高能量密度，三是用金属氢化合物在普通常温下储存氢;具体来说，燃料电池电动车普及化道路上尚需攻克的课题主要有：

　　(1)氢气燃料的供给

　　如前所述，燃料电池电动车以燃料的氢气与空气的氧气反应，以其产生的电力推动马达而得以行驶。相较于传统电动车，燃料电池电动车的燃料电池可视为小型发电厂，且燃料电池电动车可以改善传统电池过重、电能容量及长时间充电的缺点，燃料电池发电可视为水电解的逆反应，发电过程中只有水份的排放，是清净的动力能源。而这些都依赖于氢能源的充足供给。

　　以国外的情形为例：日本经济产业省原来预估2010年底，燃料电池电动车可以达到5万台，2020年达到500万台的目标，目前看来似乎有些过热，各个车厂开始以较务实的态度对应这件事情。Toyota预定2003年燃料电池电动车商品化，且希望将价格訂在日币1000万元以下才具产品竞争力。但短期内，燃料电池价格不易降至数百万日元内。同期从事研发工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等车厂都认为燃料电池电动车发展的难题是─氢气燃料的供给。特别是氢气供应站与氢气燃料的环境整备 (infrastructure)。燃料电池电动车可以纯氢气为燃料，抑或以碳氢系燃料如甲醇、天然气、汽油等经由重组取得富氢气燃料，其热值等性质虽各有所长，以储存性与管理而言，甲醇与高品质的汽油经由重组似乎较具优势。

　　(2)燃料重组

　　燃料重组，最大的问题在于重组过程中造成的高温现象，甲醇重组时温度约300℃，汽油重组时的温度则高达800℃(碳与氢分子键结强，不易打断)，已经在道路行驶测试(fleet test)的甲醇重组方式燃料电池电动车，因为高温而需要配置大型冷却风扇，产生令人不快的噪音问题，虽然静肃性 (如：马达运转等)仍较传统电动汽车优越，但燃料重组时大型冷却风扇噪音问题亦不得不重视。而且大型冷却风扇亦会造成能量消耗，燃料重组方式燃料电池电动车因兼顾能源效率与噪音问题，事实上、较Toyota 的Prius 的复合动力能源效率相异不大，看不出燃料电池电动车的显著优势。更何況燃料重组时并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2甚至NOx和SOx排出。以甲醇重组并完成日本道路行驶测试的Mazda认为“唯有以纯氢气作为燃料的燃料电池电动车才具有挑战性!”甲醇与汽油重组衍生的各种问题，特别是高温，是燃料电池电动车普及化的一大障碍。另外，高效率的重组器开发亦刻不容缓。

　　(3)纯氢气燃料储存方式

　　纯氢气燃料，似乎是燃料电池电动车未来可能普及化的燃料供应方式，然而氢气的储存却是另一问题点。目前即使是气密性最佳的燃料容器，充气后长时间放置很可能即漏失完毕!

　　氢气燃料储存方式有高压储氢(compressed hydrogen gas)，可能引发安全上的顾虑，理论上较高的压力储氢量越多，但高压储氢材料容器的价格昂贵，尤其是燃料电池电动车，这种移动式载具必须考虑碰撞的安全性;低温储氢，要储存氢气燃料于 -273℃环境，其所需低温储存处理的能量消耗亦不容忽视，且应考虑前述漏失问题;较安全且可行的方案是储氢合金(metal hydride，储存效率仍有极大的改善空间。

　　(4)纯氢气燃料的制备

　　依照日本经济产业省预估2020年达到500万台的燃料电池电动车目标，相当于一年需要37亿5000mm3的氢气，这样的消耗量单靠天然气提炼氢气是不可能符合需求，況且在精制氢气时亦会衍生一定数量的CO2排放，与降低CO2排放诉求的燃料电池电动车互为矛盾，其实只是CO2排放只是改变为燃料电池电动车以外发生的场所罢了。

　　为了不增加制造纯氢气燃料时所带来的环境污染，以太阳能发电的电力对水产生电解制造纯氢气似乎可行。实际上，Honda 在美国加州的研发中心即利用太阳能发电制造纯氢气，并由供应站供给氢气进行相关实验，每辆车单以太阳能发电制造纯氢气即可获得一年约7600L，相当于每天20.8L氢气，以目前供给氢气1.0L行驶1.8km的实验车为例，每天可行驶37.4km，一年可累积里程13,680km，基本上可以满足普通行驶要求。不过、配置在每台燃料电池电动车上的太阳电池面积是车辆平面投影面积的4倍，太阳电池的能源利用效率与如何小型化又是另一个课题!

　　(5)燃料电池价格

　　目前燃料电池因需要使用一定量的贵重金属(主要是铂)，燃料电池厂预计短期内不易降至量产化价格。除了膜组合体中贵重金属如何降低使用量之外，开发耐高温(200℃)与耐不纯物的质子交换膜等都是当前重要的课题。

　　现阶段燃料电池电动车普及化最大的课题是，氢气的储存方式与供给体制。如何增加氢气储存效率(开发高效率储氢合金材料)与氢气供应站的普及化都是燃料电池电动车技术能否普及化的因素。而欲促进燃料电池电动车普及化，现阶段与未来应朝下列几个方向发展：

　　1、增加重组过程中富氢气的比例

　　2、改善反应气体供应方式

　　3、改善氢气的使用效率

　　4、改善燃料系统对硫成分的抗性

　　5、缩短启动时间

　　6、动力系统的热管理

　　7、动力系统的最佳化设计

　　8、减少燃料电堆的容积与重量

　　三、混合动力汽车(HEV)

　　1.定义 目前，关于“混合动力”的定义比较多，一般比较通行的是：一辆汽车，同时拥有两种、或两种以上的动力装置(也有的用“能源装置”术语，但不够严谨)，其中有一种必须是电能动力。

　　而一般来说，除了电力之外的动力，另一种都是车用内燃机。所以“混合动力”又常被称作“油电混合”。

　　2.基本工作原理

　　与纯电动车和燃料电池车(以及单纯太阳能汽车等)方案相比，可以说混合动力采用的是一种不那么激进的“中庸之道”。

　　其全部能源归根结底还是来自车载燃油，燃油还是通过传统热力学过程由热机转化成机械能。

　　也就是说，混合动力整车的能源利用率不会高于车载内燃机的最佳热效率。

　　其节能减排的基本出发点是：优化发动机的工作区间。

　　(可以类比无级变速器。无级变速器可以在某功率下寻求燃油消耗率最小的工作点，而混合动力可以将发动机控制在整个万有特性图中的最经济点。)

　　例如，发动机的最经济工作点是：n=2000rpm，Pe=40Kw。

　　当车辆负荷较轻时，比如，仅需要20Kw的功率。此时，发动机仍工作在最经济点，输出40Kw功率;多余的20Kw由电系统回收，储存在电池中。(或者发动机完全关闭，单纯由电系工作。)

　　转速和车速的协调由传动系的传动比实现，所以很多HEV配置无级变速器。

　　当车辆负荷较大时，比如，需要60Kw的功率。此时，发动机仍工作在最经济点，输出40Kw功率;不足的20Kw由电系统提供，电池对外放电。(或者发动机完全关闭，单纯由电系工作。)

　　混合动力技术能够提高燃油经济性和排放性的具体原因，可参阅《汽车理论》第二章 第五节。

　　就目前技术水平而言，与常规动力车辆相比，混合动力车辆的油耗可以降低一半左右，排放污染物水平减少的幅度更大。

　　3.技术类型

　　混合动力车辆，根据“油”与“电”的不同组合方式，有串联、并联和混联之分。较常见的是前两者。

　　(1)所谓“串联”，就是发动机-发电机-电动机-车辆传动装置…成线形串成一列。在发电机和电动机之间是蓄电池端口，由控制器控制。能量基本流程：

　　①发动机工作在最经济点，燃油的化学能由内燃机转化成机械能(或者关闭发动机，完全由电池提供能源);

　　②带动发电机全部转化成电能;

　　③如果发电量不足，则由电池补充;如果发电量超过需求，则将多余的部分储存在电池中;

　　④电能经过电池的调节后传递给电动机，再次转化成机械能;

　　⑤机械能带动车辆传动系统，提供驱动轮驱动力…

　　由于所有能量都要经过发电-电动的反复转换，效率较差;而且由于串行布置，所有动力总成都要满足车辆最大功率的需求，体积和质量都难以控制。

　　但串联式方案由于发动机和驱动轮之间没有直接的联接，发动机工作不受行驶环境和驾驶员意图的影响，容易控制在理想工作点，整套控制系统也较简单(相对并联和混联)。

　　目前，如果选用效率较高的发电机和电动机，串联式混合动力车辆的效能还是可以接受的。

　　(2)所谓“并联”，指的是“油”和“电”都可以单独驱动汽车行驶。它的核心电系是一个在控制器控制下的电机，可以适时的充当电动机或者发电机。

　　①发动机工作在最经济点，燃油的化学能由内燃机转化成机械能(或者关闭发动机，完全由电池提供能源);

　　②如果该功率不足，则电池放电，电机对外输出机械功，在动力合成装置的协调下该机械功与来自内燃机的机械功汇合，共同驱动车辆;如果发动机功率过剩，那么动力合成装置将一部分功率分配给电机，电机发电，将剩余的能量储存起来;

　　③从动力合成装置输出的机械功驱动车辆…

　　很显然，并联式方案更复杂，而且发动机与驱动轮存在机械连接，对控制器的要求更高。

　　但其最大的优点是效率高。驱动轮输出功率中的很大一部分直接来自发动机，而不需要发电-电动的转换。另外，由于内燃机和电机的功率是相加后共同满足行驶需求，它们各自的额定功率都可以远小于整车的功率需求，可以做到小型化、轻量化，这对于许多小型车辆而言是必须的。

　　(3)还有一种“混联”。从理论上说，其综合性能最佳;但系统组成非常庞大，传动布置非常困难，对控制系统的要求也非常高。在此不多介绍。