燃料電池電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)

李晨

[摘? ? 要]傳統(tǒng)汽車存在排放污染等問(wèn)題，同時(shí)對(duì)石油的依賴較大，進(jìn)而加重了生態(tài)問(wèn)題和能源壓力。全球各國(guó)均加大了對(duì)新型節(jié)能環(huán)保汽車的研發(fā)力度。燃料電池電動(dòng)汽車具有無(wú)污染、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是新能源汽車研發(fā)的關(guān)鍵。燃料電池電動(dòng)汽車還能有效回收制動(dòng)能量，其中作為一種輔助動(dòng)力源，超級(jí)電容能夠在車輛爬坡或加速的時(shí)候提供功率輸出。從而促進(jìn)電動(dòng)汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及動(dòng)力性有效提升，并使燃料電池的使用壽命延長(zhǎng)。對(duì)此，文章主要對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，以供參考。

[關(guān)鍵詞]燃料電池;關(guān)鍵技術(shù);電動(dòng)汽車

[中圖分類號(hào)]TM911.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）04–00–03

Research on Key Technologies of Fuel Cell Electric Vehicles

Li Chen

[Abstract]In modern society， automobiles have become a necessity for people to travel， and they have played an extremely important role in promoting human progress. However， because traditional vehicles have problems such as emission and pollution， and at the same time rely heavily on oil， which aggravates ecological problems and energy pressure. Therefore， countries around the world have increased their research and development efforts on new energy-saving and environmentally friendly vehicles. Fuel cell electric vehicles have the advantages of no pollution and energy saving， and are the key to the research and development of new energy vehicles. Fuel cell electric vehicles can also effectively recover braking energy. As an auxiliary power source， supercapacitors can provide power output when the vehicle is climbing or accelerating. Thereby， the safety， economy and power performance of electric vehicles are effectively improved， and the service life of the fuel cell is prolonged. In this regard， the article mainly discusses the key technologies of fuel cell electric vehicles for reference.

[Keywords]fuel cell; key technology; electric vehicle

隨著汽車產(chǎn)量與保有量不斷增多，借助石油提供動(dòng)力的車輛所排放的廢棄對(duì)城市環(huán)境以及地球氣候造成了極大的影響，除此之外，能源短缺問(wèn)題也日益嚴(yán)重。環(huán)境與能源問(wèn)題是傳統(tǒng)汽車發(fā)展的重要制約因素，積極探索汽車新潔凈動(dòng)力源已成為現(xiàn)階段汽車領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。20世紀(jì)末，燃料電池汽車已成為電動(dòng)汽車的大勢(shì)所趨。

1 燃料電池電動(dòng)汽車的應(yīng)用前景

現(xiàn)階段，電動(dòng)汽車主要包括3種類型，即混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（hybrid electric vehicle，HEV）、純電動(dòng)汽車（battery electric vehicle，BEV）、燃料電池電動(dòng)汽車（fuelCell electric vehicle，F(xiàn)CEV）。

對(duì)于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車而言，電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)是動(dòng)力提供的關(guān)鍵，可以有效節(jié)省不可再生能源，同時(shí)尾氣排放量較少。然而，原先只需安裝一套系統(tǒng)的汽車，現(xiàn)在需要安裝兩個(gè)系統(tǒng)，既會(huì)促使汽車重量加大，同時(shí)對(duì)整體控制以及工藝等也提出了較高的要求。除此之外，其還使用了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，會(huì)消耗不可再生能源，仍會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染，能源利用率也不能得到有效改善。

電機(jī)是純電動(dòng)汽車動(dòng)力提供的關(guān)鍵，能源主要儲(chǔ)存在用電化學(xué)蓄電池中，其優(yōu)勢(shì)較多，如效率高、操作性能好、無(wú)振動(dòng)與噪聲、不依賴石油等。然而，電池存在功率密度低、能源密度低等缺陷，缺乏較強(qiáng)的續(xù)航能力，只能夠滿足短程行駛需求。盡管最近幾年，鋰離子電池等高性能電池得到了良好發(fā)展，但其需要投入較高的成本，進(jìn)而很難全面推廣純電動(dòng)汽車。

對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車而言，電機(jī)是其動(dòng)力來(lái)源，燃料電池積極發(fā)揮著轉(zhuǎn)換能源的作用，氫氣是主要燃料。不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，燃料電池電動(dòng)汽車無(wú)需熱機(jī)，也不會(huì)受到卡諾循環(huán)的制約，具有諸多內(nèi)燃機(jī)汽車所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如環(huán)保、能量轉(zhuǎn)化效率高等，同時(shí)也具備傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)所具備的諸多性能，如舒適、可以長(zhǎng)距離行駛、安全、速度快等，被視為21世紀(jì)運(yùn)輸工具中的最佳選擇。大部分國(guó)內(nèi)外專家認(rèn)為，21世紀(jì)汽車工業(yè)的核心便是燃料電池技術(shù)。

2 燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)

2.1 低排放

燃料電池采取電化學(xué)的方式，氧和氫有效融合，產(chǎn)生大規(guī)模的熱與電，只有加入水，不會(huì)產(chǎn)生煙塵微粒、二氧化硫、氮氧化合物、碳?xì)浠衔?、一氧化碳等副產(chǎn)物。

2.2 可以通過(guò)諸多途徑獲得燃料

燃料電池需要的氫氣可以通過(guò)電解水制氫、甲醇裂解制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、化石燃料制氫4個(gè)途徑獲得。對(duì)全生命周期碳排放、工藝實(shí)現(xiàn)的難易程度、制氫效率以及環(huán)境污染等因素進(jìn)行全面考慮，隨著今后氫能產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，電解水制氫將得到顯著發(fā)展。

2.3 系統(tǒng)效率高

一直以來(lái)，傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機(jī)的熱效率始終保持在40 %左右。但是我國(guó)主流汽車燃料電池系統(tǒng)技術(shù)路線規(guī)劃中提到，截至2025年，燃料電池系統(tǒng)使用率將高達(dá)50 %，相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，其效率高1.25～1.37倍，性能優(yōu)勢(shì)顯著。

2.4 加氫時(shí)間短，續(xù)航里程長(zhǎng)

燃料電池電動(dòng)汽車只需要不超過(guò)3 min的時(shí)間便能將氫氣加滿，續(xù)航里程超過(guò)500 km，如此純電汽車充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)航里程短等問(wèn)題便得到了有效解決，駕駛員的駕乘體驗(yàn)更好。

2.5 全壽命周期碳排放量少

燃料電池電動(dòng)汽車的碳排放量為200 g/km，同純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車而言，燃料電池每公里排放的碳量相對(duì)較少，在一定程度上可優(yōu)化環(huán)境。

3 燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和工作原理

3.1 燃料電池電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)

與普通汽車相比，燃料電池電動(dòng)汽車內(nèi)部空間、外形等區(qū)別不大，動(dòng)力系統(tǒng)是兩者最大的不同。燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃料電池組往往借助DC/AC逆變器將電力傳輸?shù)诫姍C(jī)，促使汽車正常行駛，也可使用DC/DC轉(zhuǎn)換器，將其視為蓄電池進(jìn)行充電。汽車行駛過(guò)程中，與燃料電視發(fā)電能力相比，其動(dòng)力要求更高，這時(shí)蓄電池便可運(yùn)行，通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器將電流傳輸?shù)诫姍C(jī)，為汽車的正常行駛提供動(dòng)力。

3.2 燃料電池的工作原理

燃料電池實(shí)質(zhì)上是一種電化學(xué)裝置，其主要組成部分為電解質(zhì)和正負(fù)兩個(gè)電極。在陽(yáng)極和陰極上分別提供氫氣與氧氣。因陽(yáng)極催化劑發(fā)揮了作用，氫迅速分化為電子與氫離子。電解液中進(jìn)入氫離子，這時(shí)電子便會(huì)沿著外部電路慢慢地移動(dòng)到陰極，用電負(fù)荷便可同外部電路相連接。在陰極上，受催化劑的影響，氧氣和電解液中的氫離子吸收抵達(dá)陽(yáng)極上的電子，促使水形成。由于電解質(zhì)中離子的運(yùn)行，電極上產(chǎn)生了大量電荷，接通外電路后便可產(chǎn)生直流電，同時(shí)可以持續(xù)不斷。電解質(zhì)選擇通過(guò)性特征比較明顯，

只有負(fù)極產(chǎn)生的質(zhì)子才能被允許通過(guò)，實(shí)現(xiàn)正極，電子、氣體要求不得通過(guò)。只有持續(xù)地輸入反應(yīng)物，不斷排出反應(yīng)產(chǎn)物，燃料電池就可以持續(xù)發(fā)電。

4 燃料電池電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)

燃料電池電動(dòng)汽車是新材料、新能源、計(jì)算機(jī)、化學(xué)電源、自動(dòng)控制、功率電子、電流拖動(dòng)、汽車等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。所以研發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車往往還需要妥善解決各種關(guān)鍵性技術(shù)，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 燃料電池技術(shù)

對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車而言，燃料電池是其動(dòng)力提供的主要來(lái)源，對(duì)燃料電池的基本要求有：①不會(huì)危害環(huán)境，具有良好的可回收性;②安全性好且成本不高;③比功率以及比能量較高。至今已經(jīng)研發(fā)的燃料電池類型多樣，如質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、堿性燃料電池（AFC）等。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，質(zhì)子交換膜是關(guān)鍵，是目前汽車運(yùn)用最廣泛的燃料電池。但現(xiàn)階段運(yùn)用的以氫為主的燃料電池，存在成本高以及攜帶和氫的充加、保管、儲(chǔ)存難度大等缺點(diǎn)。所以，在燃料電池電動(dòng)汽車的研發(fā)中，需要解決以下內(nèi)容：①盡可能少用價(jià)格貴的催化劑鉑，同時(shí)需廣泛研發(fā)投入成本較低的非貴金屬催化劑，從而有效控制制造成本;②借助重整技術(shù)，運(yùn)用甲醇燃料電池等改質(zhì)型燃料電池，確保能夠更加安全方便地?cái)y帶、充加、保管和儲(chǔ)存燃料;③適當(dāng)?shù)販p少燃料電池系統(tǒng)技術(shù)設(shè)施的質(zhì)量與體積，優(yōu)化其比能量。

4.2 電子控制技術(shù)

在燃料電池電動(dòng)汽車中，電子控制所發(fā)揮的作用極為重要。汽車各種操作系統(tǒng)可達(dá)到電子化、電動(dòng)化的要求，實(shí)現(xiàn)“線操控”，則是使用導(dǎo)線將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行替代，如“導(dǎo)線轉(zhuǎn)向”與“導(dǎo)線制動(dòng)”等。當(dāng)前，12 V動(dòng)力電源無(wú)法較好地滿足汽車各類電氣系統(tǒng)的需求，運(yùn)用42 V汽車電氣系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之后，可以對(duì)汽車電器零部件的整體設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行改變。與此同時(shí)，機(jī)械式繼電器、熔絲式保護(hù)電路等，則會(huì)被淘汰。燃料電池特點(diǎn)：①電流大，電壓低;②溫度越高，輸出電流越大，輸出電流增大，輸出電壓會(huì)降低;③從開(kāi)始輸出電流與電壓，狀態(tài)慢慢保持穩(wěn)定。正因?yàn)樯鲜鎏攸c(diǎn)，諸多電機(jī)與電器很難和其電壓特性相適應(yīng)，因此必須配合使用DCIAC逆變器和DGfDC變換器，同時(shí)調(diào)節(jié)燃料電池系統(tǒng)功率，以此使電壓的穩(wěn)定性得到保證。

4.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著重要作用，其正逐步朝著小型化、高效率、高轉(zhuǎn)速、大功率方向發(fā)展?，F(xiàn)階段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有兩類，分別為永磁無(wú)刷電機(jī)（PMBLM）和感應(yīng)電機(jī)（IM），尤其PMBLM，其具有響應(yīng)快、慣性低、體積小以及效率與功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車方面應(yīng)用前景較好。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與設(shè)計(jì)，應(yīng)和下述技術(shù)要求相符：①電機(jī)在轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速、整車負(fù)載特性方面，匹配性強(qiáng)，低速可以發(fā)出大轉(zhuǎn)矩、高速則為小轉(zhuǎn)矩。②電機(jī)轉(zhuǎn)矩具有良好的動(dòng)態(tài)性能，可以平滑以及以最快地速度對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，能夠較好地適應(yīng)電動(dòng)汽車啟動(dòng)、停車、減速、加速。③確保變工況、恒功率以及恒速的效率較高。④具有較高的功率密度，且自身在體積以及質(zhì)量方面偏小。⑤再生制動(dòng)的過(guò)程中，能量回收率較高。⑥對(duì)環(huán)境的適應(yīng)較強(qiáng)，不管處于什么樣的工作環(huán)境，工作可靠性均很強(qiáng)，同時(shí)溫度適應(yīng)性能較好。

4.4 測(cè)試技術(shù)

對(duì)于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)而言，應(yīng)對(duì)流量、扭矩、壓力、電流、轉(zhuǎn)速以及溫度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行全面采集，要想做到有效采集，需科學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的系統(tǒng)。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要涉及了兩個(gè)部分，即數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和加載裝置。同時(shí)，加載裝置應(yīng)將相關(guān)測(cè)試規(guī)范作為立足點(diǎn)，以此加載燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，保證其能夠在不同工況中維持正常的狀態(tài)，同時(shí)還要采用有效措施保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。要想保證發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)載以及測(cè)試工況方面與真實(shí)狀況相符，因比較合理的方式是運(yùn)用一套接近于實(shí)際動(dòng)力系統(tǒng)的加載裝置，可借助DC/DC變換器—電機(jī)—測(cè)功機(jī)。

借助分析數(shù)據(jù)采集處理軟件，明確軟件在功能方面的相關(guān)要求，然后對(duì)這些功能進(jìn)行整理，分解之后便能夠得到測(cè)試系統(tǒng)軟件功能。同時(shí)，功能要求復(fù)雜性強(qiáng)，屬于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的又一特點(diǎn)，立足于人們思維習(xí)慣建立對(duì)應(yīng)的問(wèn)題域模型，并運(yùn)用面向?qū)ο蟪绦蛏婕暗姆绞?，得到?wèn)題域求解的方法。數(shù)據(jù)封裝、繼承和類型等特點(diǎn)決定了軟件體系結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和重用性，擴(kuò)充和維護(hù)方便，促進(jìn)了軟件開(kāi)發(fā)效率顯著提升。

4.5 車身和底盤設(shè)計(jì)技術(shù)

燃料電池動(dòng)力包含動(dòng)力輸出系統(tǒng)、蓄電池、氫氣罐以及燃料電池堆總成等。儲(chǔ)氫罐通常放在后排座椅的下放空間或底盤的中間位置，分散存儲(chǔ)氫氣。同時(shí)，還需要對(duì)輪胎、汽車前后懸架以及制動(dòng)總成進(jìn)行全面測(cè)試。隨著輪轂電機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，電動(dòng)機(jī)在放置方面擁有了更多選擇，加大了汽車整體空間。并且能夠?qū)﹄妱?dòng)輪所具備的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行全面控制，讓汽車在惡劣路面條件下能夠維持良好的性能。設(shè)置底盤的過(guò)程中，需要在其前后端分配相應(yīng)的負(fù)載，促使車輛的總體重心降低，確保汽車操作性能良好，同時(shí)使車輛的整體更加安全。

因?yàn)槿剂想姵仉妱?dòng)汽車具有動(dòng)力生成裝置，結(jié)構(gòu)變化多樣以及借助電線傳遞動(dòng)力等特點(diǎn)，所以留給底盤、車身設(shè)計(jì)的空間更大，以促使整體的行駛阻力系數(shù)減小，進(jìn)而確保汽車主（被）動(dòng)安全性能優(yōu)良，乘坐空間更加舒適。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為一種新能源，燃料電池在解決環(huán)境、能源問(wèn)題方面發(fā)揮了重要作用，燃料電池電動(dòng)汽車和新能源汽車相比，均存在高效、安全、清潔等基本要求，其是今后國(guó)家發(fā)展的一大重點(diǎn)。對(duì)此，應(yīng)立足燃料電池電動(dòng)汽車的具體發(fā)展情況，開(kāi)展合理的規(guī)劃，結(jié)合相關(guān)法律法規(guī)，最大限度地發(fā)揮國(guó)內(nèi)資源優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)原理的探究，加大關(guān)鍵技術(shù)的研究力度。

參考文獻(xiàn)

[1] 王春杰.燃料電池電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（10）：26-28.

[2] 董揚(yáng).關(guān)于燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃的思考[J].經(jīng)營(yíng)者（汽車商業(yè)評(píng)論），2019（9）：128-131.