需要解決的問題 - 深層講解:電動(dòng)車輛技術(shù)問題

　　對于純?nèi)剂想姵剀嚮蚧跉淠茉吹钠渌愋蛙嚕鯓雍侠砜刂浦茪涑杀竞徒⑸鐣?huì)網(wǎng)絡(luò)化的儲(chǔ)氫站是一個(gè)重要工程;在行駛的汽車?yán)镌鯓颖４鏆淙剂弦彩且粋€(gè)重要課題。

　　儲(chǔ)氫技術(shù)基本上有三種，一是在超低溫-253°將氫呈液態(tài)保存，二是用高壓(約5000磅/平方英寸)壓縮氣態(tài)氫，提高能量密度，三是用金屬氫化合物在普通常溫下儲(chǔ)存氫;具體來說，燃料電池電動(dòng)車普及化道路上尚需攻克的課題主要有：

　　(1)氫氣燃料的供給

　　如前所述，燃料電池電動(dòng)車以燃料的氫氣與空氣的氧氣反應(yīng)，以其產(chǎn)生的電力推動(dòng)馬達(dá)而得以行駛。相較于傳統(tǒng)電動(dòng)車，燃料電池電動(dòng)車的燃料電池可視為小型發(fā)電廠，且燃料電池電動(dòng)車可以改善傳統(tǒng)電池過重、電能容量及長時(shí)間充電的缺點(diǎn)，燃料電池發(fā)電可視為水電解的逆反應(yīng)，發(fā)電過程中只有水份的排放，是清凈的動(dòng)力能源。而這些都依賴于氫能源的充足供給。

　　以國外的情形為例：日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省原來預(yù)估2010年底，燃料電池電動(dòng)車可以達(dá)到5萬臺(tái)，2020年達(dá)到500萬臺(tái)的目標(biāo)，目前看來似乎有些過熱，各個(gè)車廠開始以較務(wù)實(shí)的態(tài)度對應(yīng)這件事情。Toyota預(yù)定2003年燃料電池電動(dòng)車商品化，且希望將價(jià)格訂在日幣1000萬元以下才具產(chǎn)品競爭力。但短期內(nèi)，燃料電池價(jià)格不易降至數(shù)百萬日元內(nèi)。同期從事研發(fā)工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等車廠都認(rèn)為燃料電池電動(dòng)車發(fā)展的難題是─氫氣燃料的供給。特別是氫氣供應(yīng)站與氫氣燃料的環(huán)境整備 (infrastructure)。燃料電池電動(dòng)車可以純氫氣為燃料，抑或以碳?xì)湎等剂先缂状?、天然氣、汽油等?jīng)由重組取得富氫氣燃料，其熱值等性質(zhì)雖各有所長，以儲(chǔ)存性與管理而言，甲醇與高品質(zhì)的汽油經(jīng)由重組似乎較具優(yōu)勢。

　　(2)燃料重組

　　燃料重組，最大的問題在于重組過程中造成的高溫現(xiàn)象，甲醇重組時(shí)溫度約300℃，汽油重組時(shí)的溫度則高達(dá)800℃(碳與氫分子鍵結(jié)強(qiáng)，不易打斷)，已經(jīng)在道路行駛測試(fleet test)的甲醇重組方式燃料電池電動(dòng)車，因?yàn)楦邷囟枰渲么笮屠鋮s風(fēng)扇，產(chǎn)生令人不快的噪音問題，雖然靜肅性 (如：馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)等)仍較傳統(tǒng)電動(dòng)汽車優(yōu)越，但燃料重組時(shí)大型冷卻風(fēng)扇噪音問題亦不得不重視。而且大型冷卻風(fēng)扇亦會(huì)造成能量消耗，燃料重組方式燃料電池電動(dòng)車因兼顧能源效率與噪音問題，事實(shí)上、較Toyota 的Prius 的復(fù)合動(dòng)力能源效率相異不大，看不出燃料電池電動(dòng)車的顯著優(yōu)勢。更何況燃料重組時(shí)并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2甚至NOx和SOx排出。以甲醇重組并完成日本道路行駛測試的Mazda認(rèn)為“唯有以純氫氣作為燃料的燃料電池電動(dòng)車才具有挑戰(zhàn)性!”甲醇與汽油重組衍生的各種問題，特別是高溫，是燃料電池電動(dòng)車普及化的一大障礙。另外，高效率的重組器開發(fā)亦刻不容緩。

　　(3)純氫氣燃料儲(chǔ)存方式

　　純氫氣燃料，似乎是燃料電池電動(dòng)車未來可能普及化的燃料供應(yīng)方式，然而氫氣的儲(chǔ)存卻是另一問題點(diǎn)。目前即使是氣密性最佳的燃料容器，充氣后長時(shí)間放置很可能即漏失完畢!

　　氫氣燃料儲(chǔ)存方式有高壓儲(chǔ)氫(compressed hydrogen gas)，可能引發(fā)安全上的顧慮，理論上較高的壓力儲(chǔ)氫量越多，但高壓儲(chǔ)氫材料容器的價(jià)格昂貴，尤其是燃料電池電動(dòng)車，這種移動(dòng)式載具必須考慮碰撞的安全性;低溫儲(chǔ)氫，要儲(chǔ)存氫氣燃料于 -273℃環(huán)境，其所需低溫儲(chǔ)存處理的能量消耗亦不容忽視，且應(yīng)考慮前述漏失問題;較安全且可行的方案是儲(chǔ)氫合金(metal hydride，儲(chǔ)存效率仍有極大的改善空間。

　　(4)純氫氣燃料的制備

　　依照日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省預(yù)估2020年達(dá)到500萬臺(tái)的燃料電池電動(dòng)車目標(biāo)，相當(dāng)于一年需要37億5000mm3的氫氣，這樣的消耗量單靠天然氣提煉氫氣是不可能符合需求，況且在精制氫氣時(shí)亦會(huì)衍生一定數(shù)量的CO2排放，與降低CO2排放訴求的燃料電池電動(dòng)車互為矛盾，其實(shí)只是CO2排放只是改變?yōu)槿剂想姵仉妱?dòng)車以外發(fā)生的場所罷了。

　　為了不增加制造純氫氣燃料時(shí)所帶來的環(huán)境污染，以太陽能發(fā)電的電力對水產(chǎn)生電解制造純氫氣似乎可行。實(shí)際上，Honda 在美國加州的研發(fā)中心即利用太陽能發(fā)電制造純氫氣，并由供應(yīng)站供給氫氣進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，每輛車單以太陽能發(fā)電制造純氫氣即可獲得一年約7600L，相當(dāng)于每天20.8L氫氣，以目前供給氫氣1.0L行駛1.8km的實(shí)驗(yàn)車為例，每天可行駛37.4km，一年可累積里程13,680km，基本上可以滿足普通行駛要求。不過、配置在每臺(tái)燃料電池電動(dòng)車上的太陽電池面積是車輛平面投影面積的4倍，太陽電池的能源利用效率與如何小型化又是另一個(gè)課題!

　　(5)燃料電池價(jià)格

　　目前燃料電池因需要使用一定量的貴重金屬(主要是鉑)，燃料電池廠預(yù)計(jì)短期內(nèi)不易降至量產(chǎn)化價(jià)格。除了膜組合體中貴重金屬如何降低使用量之外，開發(fā)耐高溫(200℃)與耐不純物的質(zhì)子交換膜等都是當(dāng)前重要的課題。

　　現(xiàn)階段燃料電池電動(dòng)車普及化最大的課題是，氫氣的儲(chǔ)存方式與供給體制。如何增加氫氣儲(chǔ)存效率(開發(fā)高效率儲(chǔ)氫合金材料)與氫氣供應(yīng)站的普及化都是燃料電池電動(dòng)車技術(shù)能否普及化的因素。而欲促進(jìn)燃料電池電動(dòng)車普及化，現(xiàn)階段與未來應(yīng)朝下列幾個(gè)方向發(fā)展：

　　1、增加重組過程中富氫氣的比例

　　2、改善反應(yīng)氣體供應(yīng)方式

　　3、改善氫氣的使用效率

　　4、改善燃料系統(tǒng)對硫成分的抗性

　　5、縮短啟動(dòng)時(shí)間

　　6、動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理

　　7、動(dòng)力系統(tǒng)的最佳化設(shè)計(jì)

　　8、減少燃料電堆的容積與重量

　　三、混合動(dòng)力汽車(HEV)

　　1.定義 目前，關(guān)于“混合動(dòng)力”的定義比較多，一般比較通行的是：一輛汽車，同時(shí)擁有兩種、或兩種以上的動(dòng)力裝置(也有的用“能源裝置”術(shù)語，但不夠嚴(yán)謹(jǐn))，其中有一種必須是電能動(dòng)力。

　　而一般來說，除了電力之外的動(dòng)力，另一種都是車用內(nèi)燃機(jī)。所以“混合動(dòng)力”又常被稱作“油電混合”。

　　2.基本工作原理

　　與純電動(dòng)車和燃料電池車(以及單純太陽能汽車等)方案相比，可以說混合動(dòng)力采用的是一種不那么激進(jìn)的“中庸之道”。

　　其全部能源歸根結(jié)底還是來自車載燃油，燃油還是通過傳統(tǒng)熱力學(xué)過程由熱機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

　　也就是說，混合動(dòng)力整車的能源利用率不會(huì)高于車載內(nèi)燃機(jī)的最佳熱效率。

　　其節(jié)能減排的基本出發(fā)點(diǎn)是：優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間。

　　(可以類比無級變速器。無級變速器可以在某功率下尋求燃油消耗率最小的工作點(diǎn)，而混合動(dòng)力可以將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在整個(gè)萬有特性圖中的最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)。)

　　例如，發(fā)動(dòng)機(jī)的最經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)是：n=2000rpm，Pe=40Kw。

　　當(dāng)車輛負(fù)荷較輕時(shí)，比如，僅需要20Kw的功率。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍工作在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，輸出40Kw功率;多余的20Kw由電系統(tǒng)回收，儲(chǔ)存在電池中。(或者發(fā)動(dòng)機(jī)完全關(guān)閉，單純由電系工作。)

　　轉(zhuǎn)速和車速的協(xié)調(diào)由傳動(dòng)系的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)，所以很多HEV配置無級變速器。

　　當(dāng)車輛負(fù)荷較大時(shí)，比如，需要60Kw的功率。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍工作在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，輸出40Kw功率;不足的20Kw由電系統(tǒng)提供，電池對外放電。(或者發(fā)動(dòng)機(jī)完全關(guān)閉，單純由電系工作。)

　　混合動(dòng)力技術(shù)能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性的具體原因，可參閱《汽車?yán)碚摗返诙?第五節(jié)。

　　就目前技術(shù)水平而言，與常規(guī)動(dòng)力車輛相比，混合動(dòng)力車輛的油耗可以降低一半左右，排放污染物水平減少的幅度更大。

　　3.技術(shù)類型

　　混合動(dòng)力車輛，根據(jù)“油”與“電”的不同組合方式，有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)之分。較常見的是前兩者。

　　(1)所謂“串聯(lián)”，就是發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)-車輛傳動(dòng)裝置…成線形串成一列。在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間是蓄電池端口，由控制器控制。能量基本流程：

　?、侔l(fā)動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，燃油的化學(xué)能由內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能(或者關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，完全由電池提供能源);

　　②帶動(dòng)發(fā)電機(jī)全部轉(zhuǎn)化成電能;

　?、廴绻l(fā)電量不足，則由電池補(bǔ)充;如果發(fā)電量超過需求，則將多余的部分儲(chǔ)存在電池中;

　?、茈娔芙?jīng)過電池的調(diào)節(jié)后傳遞給電動(dòng)機(jī)，再次轉(zhuǎn)化成機(jī)械能;

　　⑤機(jī)械能帶動(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)，提供驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力…

　　由于所有能量都要經(jīng)過發(fā)電-電動(dòng)的反復(fù)轉(zhuǎn)換，效率較差;而且由于串行布置，所有動(dòng)力總成都要滿足車輛最大功率的需求，體積和質(zhì)量都難以控制。

　　但串聯(lián)式方案由于發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間沒有直接的聯(lián)接，發(fā)動(dòng)機(jī)工作不受行駛環(huán)境和駕駛員意圖的影響，容易控制在理想工作點(diǎn)，整套控制系統(tǒng)也較簡單(相對并聯(lián)和混聯(lián))。

　　目前，如果選用效率較高的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的效能還是可以接受的。

　　(2)所謂“并聯(lián)”，指的是“油”和“電”都可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。它的核心電系是一個(gè)在控制器控制下的電機(jī)，可以適時(shí)的充當(dāng)電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)。

　　①發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，燃油的化學(xué)能由內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能(或者關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，完全由電池提供能源);

　?、谌绻摴β什蛔?，則電池放電，電機(jī)對外輸出機(jī)械功，在動(dòng)力合成裝置的協(xié)調(diào)下該機(jī)械功與來自內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械功匯合，共同驅(qū)動(dòng)車輛;如果發(fā)動(dòng)機(jī)功率過剩，那么動(dòng)力合成裝置將一部分功率分配給電機(jī)，電機(jī)發(fā)電，將剩余的能量儲(chǔ)存起來;

　?、蹚膭?dòng)力合成裝置輸出的機(jī)械功驅(qū)動(dòng)車輛…

　　很顯然，并聯(lián)式方案更復(fù)雜，而且發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪存在機(jī)械連接，對控制器的要求更高。

　　但其最大的優(yōu)點(diǎn)是效率高。驅(qū)動(dòng)輪輸出功率中的很大一部分直接來自發(fā)動(dòng)機(jī)，而不需要發(fā)電-電動(dòng)的轉(zhuǎn)換。另外，由于內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的功率是相加后共同滿足行駛需求，它們各自的額定功率都可以遠(yuǎn)小于整車的功率需求，可以做到小型化、輕量化，這對于許多小型車輛而言是必須的。

　　(3)還有一種“混聯(lián)”。從理論上說，其綜合性能最佳;但系統(tǒng)組成非常龐大，傳動(dòng)布置非常困難，對控制系統(tǒng)的要求也非常高。在此不多介紹。