我國燃料電池電動自行車技術(shù)發(fā)展趨勢研究

摘要：在環(huán)保意識持續(xù)增強(qiáng)和新能源技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，燃料電池電動自行車作為響應(yīng)中國“雙碳”目標(biāo)和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的綠色交通方式，正在引起市場的廣泛關(guān)注。憑借其快速補(bǔ)能、零排放和長續(xù)航能力等顯著優(yōu)勢，燃料電池電動自行車被視為緩解城市交通擁堵和降低環(huán)境污染的有效手段。文章綜述了燃料電池電動自行車技術(shù)的最新進(jìn)展，包括燃料電池系統(tǒng)、儲氫技術(shù)、鋰電池、直流-直流（DC/DC）變換器、驅(qū)動電機(jī)、車體設(shè)計以及控制器等方面，結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展動態(tài)，對燃料電池電動自行車相關(guān)的氫能源產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及整車生產(chǎn)的趨勢進(jìn)行了預(yù)測，同時提出了相應(yīng)的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：燃料電池；電動自行車；氫能；發(fā)展趨勢

中圖分類號：U484文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

電動自行車作為我國市民出行的主要方式之一，具有便宜、便攜、易操控等優(yōu)點。目前，市面上的電動自行車動力源主要是鉛酸電池和鋰離子電池，續(xù)航里程普遍在40～60千米，充電速度慢，充電的過程中存在安全隱患，新聞報道的充電事故也屢見不鮮［1］。

同時，在“雙碳”背景下，我國愈加重視氫能行業(yè)的發(fā)展，利用氫能改善能源結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為我國能源轉(zhuǎn)型的重要方向之一。因此，加大氫能的利用程度、增加氫能的利用場景成為當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型的重要任務(wù)。燃料電池電動自行車應(yīng)運而生。

燃料電池電動自行車相較傳統(tǒng)電動自行車具有補(bǔ)能速度快、排放無污染、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點，同時，其低溫性能更優(yōu)，解決了傳統(tǒng)電動自行車在寒冷天氣情況下續(xù)航里程短的問題。但是由于種種原因，燃料電池電動自行車距離走進(jìn)千家萬戶還有一段時間。本文就國內(nèi)燃料電池電動自行車的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)的建議和要求。

1燃料電池電動自行車技術(shù)現(xiàn)狀

燃料電池電動自行車的主要構(gòu)成部分是燃料電池、儲氫瓶、鋰電池、直流-直流（DC/DC）變換器、電機(jī)、車體、控制器等，燃料電池電動自行車的技術(shù)研究重點就是這幾個部分。

1.1燃料電池

燃料電池為電動自行車的主要動力源。燃料電池有多個種類，通常是根據(jù)電池電解質(zhì)的材料不同進(jìn)行分類，包括堿性燃料電池、直接甲醇燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、陰離子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等。各類燃料電池的技術(shù)狀態(tài)指標(biāo)如表1所示。

其中，質(zhì)子交換膜燃料電池具有較高的功率密度和較快的啟動速度，發(fā)電過程無燃燒和污染，能量轉(zhuǎn)換率較高，結(jié)構(gòu)簡單、體型小、質(zhì)量輕、可靠性高；同時，工作溫度低，對材料的耐熱性和穩(wěn)定性要求不高。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池特別適合應(yīng)用在燃料電池電動自行車領(lǐng)域。

1.2儲氫瓶

儲氫瓶廣泛應(yīng)用于燃料電池電動汽車、固定式儲能系統(tǒng)以及移動式加氫站等領(lǐng)域。儲氫瓶種類繁多，按照儲存氫氣的物理狀態(tài)分為高壓氣態(tài)儲氫瓶、液態(tài)儲氫瓶以及固態(tài)儲氫瓶，3種儲氫瓶的特點如表2所示。

常見的氣態(tài)氫或者液態(tài)氫由于狀態(tài)原因，在運輸及存儲方面極其困難，具有較高的安全風(fēng)險［2］?？紤]到安全性與便攜性的需求，燃料電池電動自行車普遍配備固態(tài)儲氫瓶。

1.3鋰電池

電池廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品中。其主要由2大部件構(gòu)成：電芯和保護(hù)板。電芯是電池的能量存儲單元，主要由正負(fù)極材料、電解液、隔膜和外殼構(gòu)成。保護(hù)板則負(fù)責(zé)監(jiān)控和控制電池的工作狀態(tài)，確保電池安全高效運行。

當(dāng)前，動力鋰離子電池技術(shù)正展現(xiàn)出一種多元化的技術(shù)路徑特征。鋰電池按正極材料的不同，可以分為磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰及三元鋰［3］。此外，還可以依據(jù)電池的封裝形式不同，分為軟包電池、方形電池、圓柱電池，也可以按照電解質(zhì)的類型劃分為液態(tài)電池和固態(tài)電池。

鋰電池的技術(shù)發(fā)展主要聚焦在快充和材料創(chuàng)新。當(dāng)前，鋰電池充電速率最高已經(jīng)突破至6C級別，7C級別充電技術(shù)正在預(yù)研。此外，復(fù)合集流體材料的問世提高了電芯能量密度、電池安全性、生產(chǎn)效率，降低了材料成本。目前，已有一些領(lǐng)先的電池產(chǎn)品如廣汽埃安彈匣電池2.0、寧德時代麒麟電池采用了復(fù)合集流體技術(shù)。

1.4電機(jī)

電機(jī)是電動自行車上將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能關(guān)鍵部件。電動自行車采用的電動機(jī)分為2類，有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)。

有刷電機(jī)是一種含有電刷裝置的電機(jī)，它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能。有刷電機(jī)有著簡單的結(jié)構(gòu)和控制方式，啟動快、制動及時、可在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。因此，它們在家電、電動工具、玩具等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。但也有使用壽命較短、需要定期維護(hù)、噪聲大等缺點。

無刷電機(jī)通常由定子和轉(zhuǎn)子2大部分組成。定子是靜止部分，上面有繞組，通入電流后可以產(chǎn)生磁場；轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，上面裝有色磁體的永磁體或電磁鐵，在定子磁場的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動力。無刷電機(jī)具有效率高、壽命長和低噪音的特點，已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如家用電器、電動工具、汽車等。

1.5直流-直流（DC/DC）變換器

在燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)中，直流-直流（DC/DC）變換器發(fā)揮著至關(guān)重要的接口角色，它橋接了燃料電池與后續(xù)電力負(fù)載之間的電能傳遞，可以實現(xiàn)由燃料電池生成的直流電轉(zhuǎn)換成適用于電動自行車的電機(jī)和輔助設(shè)備的用電需求的多種電壓。

當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)的研究與開發(fā)焦點集中在提升變換器的能量轉(zhuǎn)換效率及其整體性能上，同時，為了符合車輛對續(xù)航能力及動力輸出日益增長的要求，更高效的熱管理技術(shù)亦在積極探索之列。

1.6控制器

電動自行車的操控主要由控制器負(fù)責(zé)。根據(jù)配套電機(jī)的不同，控制器可劃分為有刷和無刷2大類。

目前，無刷直流電機(jī)在電動自行車領(lǐng)域得到了廣泛的采用，這種電機(jī)的控制系統(tǒng)由3個主要部件組成，包括邏輯換向控制、功率驅(qū)動電路以及一些附加的輔助電路。這3大部分共同作用，確保了電流的轉(zhuǎn)換與傳輸、電機(jī)速度的調(diào)節(jié)的穩(wěn)定實現(xiàn)。同時，在智能化方面也開發(fā)了很多功能，如GPS定位、防盜報警、車輛健康監(jiān)測等。例如，利用GSM通信技術(shù)及GPS定位技術(shù)可實時監(jiān)控電動自行車的位置，并實時上傳電動自行車運行軌跡供用戶查詢，從而避免電動車被盜丟失的問題［4］。

1.7車體

電動自行車車體的主要結(jié)構(gòu)可以分為4個部分：骨架、車把手、車輪以及制動閘，有些還裝配有鏈輪［5］。隨著技術(shù)的進(jìn)步和消費者對安全、舒適、便捷要求的提高，電動自行車車身設(shè)計正朝著輕量化、智能化的方向發(fā)展。

在材料的選擇上注重減輕重量并提高強(qiáng)度，電動自行車車身正在使用更多輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，如鋁合金、碳纖維等。在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計上，隱藏線束、電池等組件，從而達(dá)到更好的整體和諧性和實用性。

2燃料電池電動自行車的發(fā)展趨勢

在國家能源結(jié)構(gòu)的深度轉(zhuǎn)型之際。燃料電池電動自行車作為新能源領(lǐng)域的分支，其發(fā)展承載著新能源替代傳統(tǒng)能源的歷史使命。

2.1電動自行車對氫能行業(yè)發(fā)展提出的要求

2.1.1降低制氫成本

燃料電池電動自行車的推廣受到氫氣生產(chǎn)成本高的制約，故氫能源領(lǐng)域亟須探索更經(jīng)濟(jì)的制氫方案。包括對現(xiàn)有電解水工藝進(jìn)行優(yōu)化，利用可再生能源（例如太陽能和風(fēng)能）產(chǎn)生的電力來分解水，開發(fā)新型催化劑以減少氫氣生產(chǎn)的費用。

2.1.2燃料電池小型化

隨著電子設(shè)備向更小、更輕的趨勢發(fā)展，燃料電池系統(tǒng)亦應(yīng)實現(xiàn)類似的小型化以滿足電動自行車的空間要求。燃料電池的小型化有助于縮小安裝空間，減輕整個系統(tǒng)的重量，進(jìn)而提升電動自行車的續(xù)航能力。

2.1.3延長燃料電池壽命

燃料電池的耐久性是其商業(yè)應(yīng)用成功的關(guān)鍵因素。為了延長燃料電池的使用壽命，廠商需采用高質(zhì)量材料及先進(jìn)制造技術(shù)，以確保電池的可靠性與耐用性。同時，通過調(diào)整操作參數(shù)，合理控制氫燃料電池的工作溫度、壓力和電流密度等，避免極端工況下的過度應(yīng)力，可以有效延長其使用壽命，從而提高用戶接受度。

2.1.4提高儲氫瓶儲氫密度

為了增加電動自行車的續(xù)航距離，必須研發(fā)具有更高儲氫密度的儲氫瓶。這需要儲氫瓶在有限空間內(nèi)存儲更多的氫氣。運用新型儲氫材料和技術(shù)，如金屬有機(jī)框架技術(shù)，實現(xiàn)更高的儲氫效率。

2.2建立完善的公共充能體系

隨著燃料電池電動自行車的推廣和技術(shù)發(fā)展，一個完善的公共充能體系的建立顯得尤為重要。這一體系不僅需要廣泛的加氫站網(wǎng)絡(luò)，還應(yīng)該涵蓋針對燃料電池電動自行車的應(yīng)急救援服務(wù)。

2.2.1完善加氫網(wǎng)絡(luò)

為了有效降低燃料電池電動自行車用戶的里程焦慮并提高他們的出行便利性，至關(guān)重要的一步是建立廣泛便捷的加氫站網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)的建立需要滿足幾個關(guān)鍵特點。

首先，它必須具有廣泛的覆蓋范圍，確保無論在城市還是鄉(xiāng)村地區(qū)，用戶都能在合理的距離內(nèi)找到加氫點。其次，這個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該實現(xiàn)與現(xiàn)有交通系統(tǒng)的互聯(lián)互通，例如與公共交通和共享電動車站點相連，為用戶提供無縫銜接的出行方案。最后，加氫服務(wù)的價格應(yīng)當(dāng)經(jīng)濟(jì)實惠，既能夠吸引用戶使用，又能夠維持運營成本，保證商業(yè)模式的可持續(xù)性。

此外，為了推動加氫站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與升級，政府與企業(yè)應(yīng)攜手合作，鼓勵加油（氣）站和加氫站共同建設(shè)等方式，利用現(xiàn)有的加油站資源構(gòu)建綜合能源服務(wù)站的運營模式，這樣不僅節(jié)約了土地資源和建設(shè)成本，也有利于加氫站的普及［6］。

2.2.2建立燃料電池車應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)

燃料電池車應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)的救助對象不僅包含燃料電池電動自行車，更應(yīng)該廣泛地包括燃料電池轎車、卡車、物流車等，這樣才能更好地平衡成本，建立有效的運營模式。應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有幾個特點。

應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在關(guān)鍵節(jié)點覆蓋，并與現(xiàn)有設(shè)施整合。在城市主干道的關(guān)鍵交叉路口以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的重要交通節(jié)點建立應(yīng)急救援站點。同時，與加氫站、車輛維修點等現(xiàn)有設(shè)施合作，利用它們的地理位置和部分設(shè)施建立救援站點。

應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)應(yīng)建立信息管理系統(tǒng)。該信息管理系統(tǒng)能做到車輛狀態(tài)實時監(jiān)測、故障上報和車輛定位，確保一旦發(fā)生故障，救援中心能夠立即收到通知，并根據(jù)故障等級作出相應(yīng)反應(yīng)。同時，該系統(tǒng)可以優(yōu)化救援資源的分配，確保最快速度派遣最近的救援團(tuán)隊前往現(xiàn)場。

2.3整車制造朝綠色和智能方向發(fā)展

2.3.1供應(yīng)鏈的綠色化轉(zhuǎn)型

在燃料電池電動自行車的整車制造體系中，供應(yīng)鏈的綠色化是實現(xiàn)全生命周期環(huán)保戰(zhàn)略的核心環(huán)節(jié)。因此，從原材料采購的源頭開始，就要嚴(yán)格選擇具有可追溯性和可持續(xù)性的供應(yīng)源。例如，對于電池電堆所需的氫氣，應(yīng)確保來源于清潔能源（如風(fēng)能、太陽能）的轉(zhuǎn)化。

此外，供應(yīng)鏈的每一環(huán)節(jié)均須致力于減少碳足跡。通過優(yōu)化物流路徑，減少運輸過程中的二氧化碳排放；采用電動或氫燃料運輸工具替代傳統(tǒng)燃油車輛，進(jìn)一步降低環(huán)境影響。

2.3.2生產(chǎn)過程的智能化升級

隨著工業(yè)4.0和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，燃料電池電動自行車的生產(chǎn)流程亟需轉(zhuǎn)型。在這一轉(zhuǎn)型中，生產(chǎn)線引入先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)和自動化設(shè)備，精準(zhǔn)執(zhí)行焊接、裝配、測試等復(fù)雜任務(wù)，不僅提升了生產(chǎn)效率，還減少了人為錯誤，確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

智能化生產(chǎn)還體現(xiàn)在利用大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控和分析，從而預(yù)測維護(hù)需求，優(yōu)化資源配置，減少停機(jī)時間，通過持續(xù)的過程改進(jìn)提升生產(chǎn)靈活性。

3結(jié)語

隨著國家對環(huán)保和能源轉(zhuǎn)型的重視，燃料電池電動自行車技術(shù)在我國的發(fā)展迎來了新的機(jī)遇。電動自行車搭配燃料電池這一方案，對于我國“雙碳”目標(biāo)的完成能起到積極影響。在當(dāng)前的時代背景下，燃料電池電動自行車行業(yè)需不斷向綠色和智能方向轉(zhuǎn)型，同時，配套基礎(chǔ)設(shè)施也應(yīng)更加便利化，制氫用氫成本需不斷降低。只有這樣，燃料電池電動自行車行業(yè)的市場才能不斷做大，燃料電池電動自行車行業(yè)才能良性發(fā)展，為城市交通帶來更加綠色、高效的解決方案。

參考文獻(xiàn)

［1］王順權(quán).電動自行車用氫燃料電池動力系統(tǒng)研究［J］.電動自行車，2020（1）：41-44.

［2］楊敏，裴向前，鄭建龍.單兵電源新技術(shù)［J］.電源技術(shù)，2016（2）：477-480.

［3］于海.新能源汽車動力電池簡介［J］.汽車維修技師，2023（5）：106.

［4］張啟帆，王哲.基于GPS與GSM的電動車智能防盜系統(tǒng)［J］.電子制作，2018（9）：33-34.

［5］阮立，張恒靖，朱故瓊，等.關(guān)于我國電動自行車的技術(shù)路線建議［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2019（4）：94-96.

［6］翟吉順.加氫站網(wǎng)點建設(shè)及運營管理研究［J］.車用能源儲運銷技術(shù).2024（1）：45-50.

（編輯何琳）Research on the development trend of fuel cell electric bicycle technology in ChinaZHI" Xinsheng

（Ramp;D Center，Hangzhou pure-hydrogen Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310009， China）Abstract： Against the backdrop of continuous improvements in environmental protection awareness and advancements in new energy technologies， fuel cell electric bicycles， as a green transportation method that responds to China’s “Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals” and energy structure transition， are gaining widespread market attention. With their significant advantages such as rapid charging， zero emissions， and long range， fuel cell electric bicycles are considered potential strategies for alleviating urban traffic congestion and reducing environmental pollution. This article reviews the latest progress in fuel cell electric bicycle technology， including aspects such as fuel cell systems， hydrogen storage， lithium battery integration， DC-DC converters， drive motors， body design， and controllers， and combines current development trends to predict future directions in related industries such as hydrogen sources， infrastructure construction， and vehicle manufacturing. It also offers corresponding development suggestions.

Key words： fuel cell; electric bicycle; hydrogen energy; development trend