混合動(dòng)力燃料電池汽車發(fā)展綜述

1、混合動(dòng)力燃料電池車輛發(fā)展綜述 張密科 （北京 中國(guó)公路車輛機(jī)械有限公司）摘 要： 混合動(dòng)力燃料電池汽車被普遍認(rèn)為是今后汽車發(fā)展的主要方向之一。本文介紹了燃料電池的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理及特點(diǎn)。闡述了混合動(dòng)力燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀。分析了燃料電池車輛的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞： PEMFC；FCV；動(dòng)力蓄電池；CAN總線；X-by-Wire；1 前言當(dāng)前，隨著世界石油資源的日益緊缺和地球環(huán)境的日益惡化，節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展是社會(huì)對(duì)科技的迫切要求。燃料電池汽車（FCV）以其突出的環(huán)保、節(jié)能、資源充足等優(yōu)點(diǎn)成為世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家大力研究的熱點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池（P

2、EMFC）以氫氣為燃料，氧氣或者空氣為氧化劑，產(chǎn)物僅僅是純凈水，噪音小，并且燃料不依賴于日益緊缺的石油資源。PEMFC是綠色環(huán)保的動(dòng)力源，其主要優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)化效率高，功率密度高，啟動(dòng)時(shí)間短，可靠性高，具有良好的抗震性能，非常適合作為汽車動(dòng)力源。燃料電池與蓄電池結(jié)合組成混合動(dòng)力可以有效提高汽車的整體性能和燃料效率，混合動(dòng)力燃料電池汽車被普遍認(rèn)為是可以同時(shí)解決能源與排放問(wèn)題的綠色環(huán)保汽車，代表今后汽車能源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。2 燃料電池簡(jiǎn)介 燃料電池不同于常規(guī)意義上的電池，它是一種電化學(xué)反應(yīng)裝置，把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它的基本結(jié)構(gòu)就是：電解質(zhì)層，陰極和陽(yáng)極，電極為多孔材

3、料，電解質(zhì)層位于電極之間，如圖1所示。典型的燃料電池模型的工作原理是：在陽(yáng)極(負(fù)極)連續(xù)吹入氣態(tài)燃料，如氫氣，而在陰極(正極) 連續(xù)吹入氧化劑，這樣就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。以氫氧反應(yīng)為例，燃料電池的電化學(xué)反映原理如下式所示： 圖1 燃料電池原理示意圖燃料電池的種類很多，應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的主要是PEMFC。因?yàn)镻EMFC能夠在室溫條件下快速啟動(dòng)，并可按負(fù)載要求快速改變輸出功率。燃料電池作為能量轉(zhuǎn)化裝置，具有效率高、噪音小、可靠性高，環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)。3 燃料電池電動(dòng)汽車介紹燃料電池電動(dòng)汽車就是指以燃料電池系統(tǒng)為主要供能裝置的電動(dòng)汽車（可簡(jiǎn)稱為燃料電池汽車）。其原理可簡(jiǎn)述為：由

4、燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電能供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。一般由于燃料電池功率方面限制，常使用動(dòng)力蓄電池組作為輔助動(dòng)力源，以提高燃料電池汽車加速、爬坡等性能，這種汽車也稱為混合動(dòng)力燃料電池汽車。燃料電池電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件是燃料電池系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)以PEMFC電池組為核心。絕大多數(shù)PEMFC電池組是將單體電池按壓濾機(jī)方式組裝的，而且大多采用內(nèi)共用管道形式，單體電池通過(guò)串連結(jié)構(gòu)形成大功率的燃料電池組。PEMFC電池組及其輔助控制系統(tǒng)構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)及原理示意圖如圖2所示：圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理示意圖從圖2可以看出燃料電池系統(tǒng)由以下五部分組成：（1）燃料電池組；（2）燃料供應(yīng)

5、系統(tǒng)氫氣貯存裝置，壓力調(diào)節(jié)器，管路，氫氣循環(huán)泵；（3）氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)（以空氣為氧化劑來(lái)源），空氣加濕器，管路；（4）冷卻系統(tǒng)冷卻器/熱交換器，冷卻水箱，冷卻風(fēng)扇，冷卻水循環(huán)管路，冷卻水循環(huán)泵； （5）燃料電池堆控制系統(tǒng)控制空氣流量，氫氣流量，燃料電池組溫度，數(shù)據(jù)采集，故障管理及與整車管理器通訊等； 燃料電池組工作時(shí)，需由電池外部的燃料及氧化劑貯存裝置向其提供反應(yīng)所需物質(zhì)，同時(shí)排出反應(yīng)終產(chǎn)物（一般為水）。從這個(gè)工作方式上看，它與常規(guī)電池不同，反而類似常規(guī)的汽、柴油內(nèi)燃機(jī)。所以，汽車上使用的燃料電池系統(tǒng)又稱作燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)（Fuel Cell Engine 縮寫FCE）?；旌蟿?dòng)力燃料電池

6、電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般由如下幾部分組成：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力蓄電池組、直流/交流逆變器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)橋。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：圖3 燃料電池電動(dòng)轎車的動(dòng)力系統(tǒng)就燃料電池汽車的整車結(jié)構(gòu)而言，主要在動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有著本質(zhì)差別，而其它部分與傳統(tǒng)汽車基本相同。在下坡、制動(dòng)時(shí)可以將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能充入輔助動(dòng)力蓄電池組儲(chǔ)存起來(lái)備用，這樣起到了節(jié)省燃料的作用。4 X-by-Wire技術(shù)及應(yīng)用燃料電池汽車的動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)可以全部采用電控系統(tǒng)，避免笨重的機(jī)械傳動(dòng)裝置，從而減輕了汽車重量，增加操縱靈活性。利用控制器局域網(wǎng)（CAN）總線技術(shù)可以很方便的實(shí)現(xiàn)下一代汽車設(shè)計(jì)理念X-by-Wi

7、re。X-by-Wire是從飛機(jī)電線控制系統(tǒng)Fly-by-Wire引進(jìn)的, 此控制方式引入到汽車駕駛上，就成為Drive-by-Wire，引入到制動(dòng)上就有Brake-by-Wire，引入到控制上就有Steering-by-Wire，因此統(tǒng)稱為X-by-Wire。采用X-by-Wire可以降低部件的復(fù)雜性，減少液壓與機(jī)械控制裝置，可以減少杠桿、軸承等金屬連接件，減輕重量，降低油耗和制造成本，相應(yīng)也提高了可靠性和安全性。還有重要的一點(diǎn)，由于電線走向布置的靈活性，因此汽車操縱部件的布置也具有靈活性，提高了汽車設(shè)計(jì)的自由空間。例如汽車方向機(jī)采用X-by-Wire技術(shù)，左置或右置就可以隨意變動(dòng)。通用汽車

8、2002年9月公開(kāi)了概念型燃料電池汽車“Hy-Wire”，其操縱系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)就采用了X-by-Wire形式，使其整車控制采用電子而不是傳統(tǒng)的機(jī)械方式進(jìn)行。另外，新添加的各種電控單元（ECU）可以方便地連接到CAN總線上，為以后功能升級(jí)擴(kuò)展留下空間。5 燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀自20世紀(jì)末，國(guó)際上形成了一個(gè)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及燃料電池電動(dòng)汽車的研究開(kāi)發(fā)熱潮。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界各大汽車公司繼續(xù)加大力度研制燃料電池汽車，紛紛推出了越來(lái)越接近商業(yè)化要求的產(chǎn)品。早在2002年，豐田公司推出了FCHV系列燃料電池汽車的最新產(chǎn)品，并獲得了日本國(guó)土交通省大臣頒發(fā)的認(rèn)定證書，準(zhǔn)許其限量銷售，豐田

9、FCHV燃料電池汽車技術(shù)數(shù)據(jù)汽車數(shù)據(jù)見(jiàn)下表1.1。表1.1 豐田FCHV燃料電池汽車技術(shù)數(shù)據(jù)車輛車長(zhǎng)/車寬/車高4,735 mm /1,815 mm /1,685 mm重量1,860 kg限乘人數(shù)5人性能連續(xù)行駛距離（1015工況）300km最高時(shí)速155 km/h燃料電池種類 固體高分子型功率90 KW驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類交流同步電機(jī)最大功率80 KW (109PS)最大扭矩260 N·m (26.5 Kg·m)燃料種類純氫貯藏方式高壓氫氣罐輔助能源種類鎳氫電池奔馳汽車公司開(kāi)發(fā)的燃料電池公共汽車已經(jīng)在我國(guó)北京清潔能源汽車示范線開(kāi)始載客運(yùn)營(yíng)。福特汽車公司在2002年紐約國(guó)際汽車展覽

10、會(huì)展出了全新?？怂梗‵ocus）燃料電池轎車。Focus FCV上采用了新型Ballard Mark 902燃料電池組，并配置有300伏三洋蓄電池組作為輔助能源，增加了電控制動(dòng)和電液再生制動(dòng)系統(tǒng)。福特公司計(jì)劃正式投產(chǎn)該型燃料電池轎車。在2008年下半年，福特公司宣布發(fā)展清潔動(dòng)力技術(shù)，以氫燃料電池作為最終目標(biāo)。我國(guó)現(xiàn)在也是非常重視燃料電池汽車研究，并取得一系列先進(jìn)成果。國(guó)家“863”計(jì)劃設(shè)立了燃料電池電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，并已經(jīng)有階段性成果。其中由同濟(jì)大學(xué)和上汽集團(tuán)等聯(lián)合研制的燃料電池轎車已經(jīng)走過(guò)3代，其中超越二號(hào)的性能接近國(guó)際領(lǐng)先水平，在上海舉行的世界清潔能源車大賽必比登挑戰(zhàn)賽中獲獎(jiǎng)。由中科院大連化學(xué)物理所和清華大學(xué)聯(lián)合研制的燃料電池客車已經(jīng)上路進(jìn)行試車試驗(yàn)。 5 燃料電池汽車展望燃料電池能從根本上解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的問(wèn)題，被公認(rèn)為是目前電動(dòng)汽車最重要的能源之一，采用PEMFC和蓄電池相結(jié)合的混合動(dòng)力被公認(rèn)為最有前途的一種混合動(dòng)力。隨著世界石油資源的日益緊缺和地球環(huán)境的日益惡化，燃料電池汽車以其突出的環(huán)保、節(jié)能、資源充足等優(yōu)點(diǎn)必將成為今后汽車發(fā)展的主要方向。參考文獻(xiàn)1 衣寶廉燃料電池原理技術(shù)及應(yīng)