燃料電動汽車相關技術的綜述研究

鄭磊　李戰勝

【摘 要】由于作為燃料電動汽車關鍵技術之一的電池技術，本文通過燃料電池的工作原理、分類及其特點的相關研究，同時對于汽車的電機、控制器等關鍵技術的分析，從整體上對燃料電池汽車有一個大致的研究，并且通過與純電動汽車的比較，得出燃料電動汽車非常可觀的發展前景。

【關鍵詞】燃料電池；燃料電動汽車；電機技術；控制器技術

1 燃料電池的工作原理

燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極以及電解質組成，其中電池的負極是燃料電極，正極是氧化劑電極。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排出，燃料電池就能連續地發電。

燃料電池是一種使燃料與氧化劑中儲存的化學能直接轉化為電能的發電裝置。當燃料和空氣一同被送進燃料電池裝置中，化學反應發生以后被輸送出來的就是供給汽車提供動能的電能。常用的是利用氫氣與氧氣的化合反應產生的能量發電。如果將該燃料電池用來驅動汽車，則成為燃料電池汽車。燃料電池從燃料的來源上看，有純氫氣和液化天然氣等幾種。其中液化天然氣的主要成份為甲烷，利用甲烷的氧化反應產生的能量獲取電能。其反應過程中會產生水和二氧化碳，相對來講還是比較“干凈”的。

2 燃料電池的分類

按燃料的處理方式不同，可分為直接式、間接式和再生式。直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型。間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池。再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學燃料電池等。按照電解質類型的不同，可分為堿型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸鹽型、固體電解質型燃料電池。

按照工作溫度的不同，又把堿性燃料電池、固體高分子型質子膜燃料電池和磷酸型燃料電池稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池和固體氧化型燃料電池稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質量排氣而進行聯合開發的燃料電池。另一種分類是按其開發早晚順序進行的，共分為第一代、第二代和第三代燃料電池。這些電池均需用可燃氣體作為其發電用的燃料。

3 燃料電池汽車的概述

電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合國家道路交通、安全法規等各項要求的車輛。由于對環境影響相對傳統汽車較小，其前景被廣泛看好，但當前技術尚不成熟。電動汽車的一般分為三種：純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車。其中燃料電池汽車是電動汽車的一種，其核心部件燃料電池的電能是通過氫氣和氧氣的化學作用直接變成電能。

燃料電池汽車的工作原理是，使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發生化學反應，產生出電能發動電動機，由電動機帶動汽車中的機械傳動結構，進而帶動汽車的前后萬象軸、后橋等行走機械結構，轉動車輪驅動汽車。

4 燃料電動汽車的關鍵技術

電動汽車的關鍵能源動力技術包括電池技術、電機技術、控制器技術。電池技術、電機技術和控制器技術是電動汽車所特有的技術，這三項技術也是一直制約電動汽車大規模進入市場的關鍵因素。

其中電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發展的關鍵因素。電動汽車用電池的主要性能指標是比能量 、能量密度、比功率、循環壽命和成本等。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關鍵就是要開發出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。廣泛應用于電動汽車的燃料電池是一種稱為質子交換膜的燃料電池，它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑，不經歷熱機過程，不受熱力循環限制，因此能量的轉換效率高，是普通內燃機熱效率的2～3倍。同時，它還具有噪音低、無污染、壽命長、啟動迅速、比功率大和輸出功率可隨時調整等特性，使得燃料電池非常適合用作交通工具的動力源。

而電動汽車的驅動電機是所有電動汽車必不可少的關鍵部件。使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應和開關磁阻四種電機。這四種電機各有優缺點，但是對于電動汽車而言，由于電能是由各類電池提供的，價格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對效率最高的永磁無刷電機是較為合理的，它已被廣泛應用于功率小于100kW 的現代電動汽車上。在國外已有越來越多的電動汽車采用性能先進的電動輪（又稱輪轂電機），它用電機直接驅動車輪，因此無傳統汽車的變速器、傳動軸、驅動橋等復雜的機械傳動部件，汽車結構大大簡化。但是它要求電機在低轉速下有很大的轉矩， 特別是對于軍用越野車，要求電機基點轉速，最高轉速為1比10。近幾年，美、英、法、德等國紛紛將電動輪技術應用于軍用越野車和輕型坦克上，并取得了重大成果。

另外，控制器技術的變速和方向變換是靠電動機調速控制裝置來完成的，其原理是通過控制電動機的電壓和電流來實現電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。目前電動汽車上應用較廣泛的是晶閘管斬波調速，通過均勻改變電機的端電壓，控制電機的電流，來實現電機的無級調速。在電子電力技術的不斷發展中，它也逐漸被其他電力晶體管斬波調速裝置所取代。從技術的發展來看，伴隨著新型驅動電機的應用，電動汽車的調速控制轉變為直流逆變技術的應用將成為必然的趨勢。

5 燃料電動汽車與純電動汽車比較

純電動汽車就是用電力作為動力來驅動的汽車。這里不包括混合動力車，特指純粹使用電力來驅動，同時在行使過程中不需要隨時有線接通電源的汽車。與氫燃料電池汽車相比，從原理的角度講，氫燃料電池汽車的最終也是用電能驅動電動機，因此，與電動汽車相比僅僅是能量的載體有所不同；而從節能的角度講，盡量減少能量轉換次數更加為理想；從工業發展的角度來講，“機械驅動”向“電氣驅動”符合科學技術發展的方向；從發展的眼光看，電動汽車為將來無線傳送電力預留了發展的空間。因此，燃料電池汽車在成本和整體性能上，特別是行程和補充燃料時間上明顯優于其他電池的電動汽車，并且燃料電池所用的燃科來源廣泛，又可再生，并可實現無污染、零排放等環保標準。所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司21 世紀初激烈競爭的焦點。

6 結束語

本文通過對燃料電池汽車的研究，主要探討了燃料電動汽車的三大關鍵技術：電池技術、電機技術和控制器技術，其中著重論述了燃料電池的工作原理和分類，又通過與純電動汽車的比較，從中得出燃料電動汽車的未來發展前景。

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[責任編輯：楊玉潔]