燃料電池電動汽車關鍵技術

李晨

[摘? ? 要]傳統汽車存在排放污染等問題，同時對石油的依賴較大，進而加重了生態問題和能源壓力。全球各國均加大了對新型節能環保汽車的研發力度。燃料電池電動汽車具有無污染、節能等優點，是新能源汽車研發的關鍵。燃料電池電動汽車還能有效回收制動能量，其中作為一種輔助動力源，超級電容能夠在車輛爬坡或加速的時候提供功率輸出。從而促進電動汽車的安全性、經濟性以及動力性有效提升，并使燃料電池的使用壽命延長。對此，文章主要對燃料電池電動汽車關鍵技術進行了探討，以供參考。

[關鍵詞]燃料電池;關鍵技術;電動汽車

[中圖分類號]TM911.4 [文獻標志碼]A [文章編號]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

隨著汽車產量與保有量不斷增多，借助石油提供動力的車輛所排放的廢棄對城市環境以及地球氣候造成了極大的影響，除此之外，能源短缺問題也日益嚴重。環境與能源問題是傳統汽車發展的重要制約因素，積極探索汽車新潔凈動力源已成為現階段汽車領域研究的重點和熱點。20世紀末，燃料電池汽車已成為電動汽車的大勢所趨。

1 燃料電池電動汽車的應用前景

現階段，電動汽車主要包括3種類型，即混合動力電動汽車（hybrid electric vehicle，HEV）、純電動汽車（battery electric vehicle，BEV）、燃料電池電動汽車（fuelCell electric vehicle，FCEV）。

對于混合動力電動汽車而言，電機、內燃機是動力提供的關鍵，可以有效節省不可再生能源，同時尾氣排放量較少。然而，原先只需安裝一套系統的汽車，現在需要安裝兩個系統，既會促使汽車重量加大，同時對整體控制以及工藝等也提出了較高的要求。除此之外，其還使用了傳統的內燃機，會消耗不可再生能源，仍會對環境造成一定的污染，能源利用率也不能得到有效改善。

電機是純電動汽車動力提供的關鍵，能源主要儲存在用電化學蓄電池中，其優勢較多，如效率高、操作性能好、無振動與噪聲、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，缺乏較強的續航能力，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展，但其需要投入較高的成本，進而很難全面推廣純電動汽車。

對于燃料電池電動汽車而言，電機是其動力來源，燃料電池積極發揮著轉換能源的作用，氫氣是主要燃料。不同于傳統內燃機汽車，燃料電池電動汽車無需熱機，也不會受到卡諾循環的制約，具有諸多內燃機汽車所不具備的優點，如環保、能量轉化效率高等，同時也具備傳統內燃機所具備的諸多性能，如舒適、可以長距離行駛、安全、速度快等，被視為21世紀運輸工具中的最佳選擇。大部分國內外專家認為，21世紀汽車工業的核心便是燃料電池技術。

2 燃料電池電動汽車的優勢

2.1 低排放

燃料電池采取電化學的方式，氧和氫有效融合，產生大規模的熱與電，只有加入水，不會產生煙塵微粒、二氧化硫、氮氧化合物、碳氫化合物、一氧化碳等副產物。

2.2 可以通過諸多途徑獲得燃料

燃料電池需要的氫氣可以通過電解水制氫、甲醇裂解制氫、工業副產物制氫、化石燃料制氫4個途徑獲得。對全生命周期碳排放、工藝實現的難易程度、制氫效率以及環境污染等因素進行全面考慮，隨著今后氫能產業鏈不斷完善，電解水制氫將得到顯著發展。

2.3 系統效率高

一直以來，傳統汽車內燃機的熱效率始終保持在40 %左右。但是我國主流汽車燃料電池系統技術路線規劃中提到，截至2025年，燃料電池系統使用率將高達50 %，相較于傳統內燃機，其效率高1.25～1.37倍，性能優勢顯著。

2.4 加氫時間短，續航里程長

燃料電池電動汽車只需要不超過3 min的時間便能將氫氣加滿，續航里程超過500 km，如此純電汽車充電時間長、續航里程短等問題便得到了有效解決，駕駛員的駕乘體驗更好。

2.5 全壽命周期碳排放量少

燃料電池電動汽車的碳排放量為200 g/km，同純電動汽車、插電式混合動力汽車而言，燃料電池每公里排放的碳量相對較少，在一定程度上可優化環境。

3 燃料電池電動汽車的結構和工作原理

3.1 燃料電池電動汽車的基本結構

與普通汽車相比，燃料電池電動汽車內部空間、外形等區別不大，動力系統是兩者最大的不同。燃料電池電動汽車動力系統的基本結構如圖1所示。燃料電池組往往借助DC/AC逆變器將電力傳輸到電機，促使汽車正常行駛，也可使用DC/DC轉換器，將其視為蓄電池進行充電。汽車行駛過程中，與燃料電視發電能力相比，其動力要求更高，這時蓄電池便可運行，通過DC/DC轉換器將電流傳輸到電機，為汽車的正常行駛提供動力。

3.2 燃料電池的工作原理

燃料電池實質上是一種電化學裝置，其主要組成部分為電解質和正負兩個電極。在陽極和陰極上分別提供氫氣與氧氣。因陽極催化劑發揮了作用，氫迅速分化為電子與氫離子。電解液中進入氫離子，這時電子便會沿著外部電路慢慢地移動到陰極，用電負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陽極上的電子，促使水形成。由于電解質中離子的運行，電極上產生了大量電荷，接通外電路后便可產生直流電，同時可以持續不斷。電解質選擇通過性特征比較明顯，

只有負極產生的質子才能被允許通過，實現正極，電子、氣體要求不得通過。只有持續地輸入反應物，不斷排出反應產物，燃料電池就可以持續發電。

4 燃料電池電動汽車的關鍵技術

燃料電池電動汽車是新材料、新能源、計算機、化學電源、自動控制、功率電子、電流拖動、汽車等工程技術中最新成果的集成產物。所以研發燃料電池電動汽車往往還需要妥善解決各種關鍵性技術，其主要體現在以下幾個方面。

4.1 燃料電池技術

對于燃料電池電動汽車而言，燃料電池是其動力提供的主要來源，對燃料電池的基本要求有：①不會危害環境，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。至今已經研發的燃料電池類型多樣，如質子交換膜燃料電池（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，質子交換膜燃料電池（PEMFC）中，質子交換膜是關鍵，是目前汽車運用最廣泛的燃料電池。但現階段運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、儲存難度大等缺點。所以，在燃料電池電動汽車的研發中，需要解決以下內容：①盡可能少用價格貴的催化劑鉑，同時需廣泛研發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，運用甲醇燃料電池等改質型燃料電池，確保能夠更加安全方便地攜帶、充加、保管和儲存燃料;③適當地減少燃料電池系統技術設施的質量與體積，優化其比能量。

4.2 電子控制技術

在燃料電池電動汽車中，電子控制所發揮的作用極為重要。汽車各種操作系統可達到電子化、電動化的要求，實現“線操控”，則是使用導線將機械轉動機構進行替代，如“導線轉向”與“導線制動”等。當前，12 V動力電源無法較好地滿足汽車各類電氣系統的需求，運用42 V汽車電氣系統相關標準之后，可以對汽車電器零部件的整體設計以及結構等進行改變。與此同時，機械式繼電器、熔絲式保護電路等，則會被淘汰。燃料電池特點：①電流大，電壓低;②溫度越高，輸出電流越大，輸出電流增大，輸出電壓會降低;③從開始輸出電流與電壓，狀態慢慢保持穩定。正因為上述特點，諸多電機與電器很難和其電壓特性相適應，因此必須配合使用DCIAC逆變器和DGfDC變換器，同時調節燃料電池系統功率，以此使電壓的穩定性得到保證。

4.3 驅動電機技術

驅動電機在電動汽車中發揮著重要作用，其正逐步朝著小型化、高效率、高轉速、大功率方向發展。現階段，驅動電機主要有兩類，分別為永磁無刷電機（PMBLM）和感應電機（IM），尤其PMBLM，其具有響應快、慣性低、體積小以及效率與功率密度高等優點，在電動汽車方面應用前景較好。驅動電機的選擇與設計，應和下述技術要求相符：①電機在轉矩/轉速、整車負載特性方面，匹配性強，低速可以發出大轉矩、高速則為小轉矩。②電機轉矩具有良好的動態性能，可以平滑以及以最快地速度對電機的轉矩進行控制，能夠較好地適應電動汽車啟動、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量方面偏小。⑤再生制動的過程中，能量回收率較高。⑥對環境的適應較強，不管處于什么樣的工作環境，工作可靠性均很強，同時溫度適應性能較好。

4.4 測試技術

對于燃料電池發動機測試系統而言，應對流量、扭矩、壓力、電流、轉速以及溫度等相關參數進行全面采集，要想做到有效采集，需科學設計對數據進行采集的系統。燃料電池發動機測試系統主要涉及了兩個部分，即數據采集處理系統和加載裝置。同時，加載裝置應將相關測試規范作為立足點，以此加載燃料電池發動機，保證其能夠在不同工況中維持正常的狀態，同時還要采用有效措施保護發動機。要想保證發動機在負載以及測試工況方面與真實狀況相符，因比較合理的方式是運用一套接近于實際動力系統的加載裝置，可借助DC/DC變換器—電機—測功機。

借助分析數據采集處理軟件，明確軟件在功能方面的相關要求，然后對這些功能進行整理，分解之后便能夠得到測試系統軟件功能。同時，功能要求復雜性強，屬于燃料電池發動機測試系統的又一特點，立足于人們思維習慣建立對應的問題域模型，并運用面向對象程序涉及的方式，得到問題域求解的方法。數據封裝、繼承和類型等特點決定了軟件體系結構具有良好的穩定性和重用性，擴充和維護方便，促進了軟件開發效率顯著提升。

4.5 車身和底盤設計技術

燃料電池動力包含動力輸出系統、蓄電池、氫氣罐以及燃料電池堆總成等。儲氫罐通常放在后排座椅的下放空間或底盤的中間位置，分散存儲氫氣。同時，還需要對輪胎、汽車前后懸架以及制動總成進行全面測試。隨著輪轂電機技術的持續發展，電動機在放置方面擁有了更多選擇，加大了汽車整體空間。并且能夠對電動輪所具備的驅動力進行全面控制，讓汽車在惡劣路面條件下能夠維持良好的性能。設置底盤的過程中，需要在其前后端分配相應的負載，促使車輛的總體重心降低，確保汽車操作性能良好，同時使車輛的整體更加安全。

因為燃料電池電動汽車具有動力生成裝置，結構變化多樣以及借助電線傳遞動力等特點，所以留給底盤、車身設計的空間更大，以促使整體的行駛阻力系數減小，進而確保汽車主（被）動安全性能優良，乘坐空間更加舒適。

5 結束語

作為一種新能源，燃料電池在解決環境、能源問題方面發揮了重要作用，燃料電池電動汽車和新能源汽車相比，均存在高效、安全、清潔等基本要求，其是今后國家發展的一大重點。對此，應立足燃料電池電動汽車的具體發展情況，開展合理的規劃，結合相關法律法規，最大限度地發揮國內資源優勢，增強對燃料電池電動汽車相關技術原理的探究，加大關鍵技術的研究力度。

參考文獻

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

[2] 董揚.關于燃料電池汽車發展規劃的思考[J].經營者（汽車商業評論），2019（9）：128-131.