电动汽车技术发展趋势及未来发展前景 (三) 转贴

好帅

5、燃料电池电动汽车
            早在1839年，英国人格罗孚就提出了氢和氧反应发电的原理。20世纪60年代，研发出了液氢和液氧发电的燃料电池，由美国UTC公司首先用于航天和军事用途。近20年来，由于石油危机和大气污染日趋严重，以质子交换膜式为代表的燃料电池技术，受到世界各国普遍重视。各大跨国汽车公司纷纷投入巨资，研发出了各种类型的燃料电池电动汽车(FCEV)。
            5.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）主要优点
            （1）其排放生成物是水及水蒸汽，为零污染；
            （2）能量转换效率可高达60～70％;
            （3）无机械振动、低噪声、低热辐射;
            （4）宇宙质量中有75％是氢，地球上氢也几乎是无处不在。氢还是化学元素中质量最轻、导热性和燃烧性最好的元素;
            （5）氢的热值很高，1kg氢和3.8L汽油的热值相当。
            5.2 燃料电池电动汽车存在的技术、经济问题
            在我国，国家科技部将研发燃料电池客车和燃料电池轿车列为“十五”和“十一五”计划“863”重大科技项目。并已取得一系列重大科技成果，但是在多年科研实践中，也暴露出一些技术、经济问题:
            （1）燃料电池发动机的耐久性寿命短
            一般仅1000～1200小时（国外达2200小时），燃料电池汽车行驶4～5万km，功率即下降～40％，和传统内燃机可普遍行驶50万km以上相比，差距很大；
            （2）燃料电池发动机的制造成本居高不下
            一般估计3万元/kW（国外成本约3000美元/kW），与传统内燃机仅200～350元/kW相比，差距巨大。由于其中如质子交换膜、炭纸、铂金属催化剂、高纯度石墨粉、氢回收泵、增压空气泵等关键部件均依靠进口，所以与国外相比，并没有成本优势；
            （3）燃料电池发动机对工作环境的适应性很差
            国产可在0～40℃气温下工作，低于0℃有结冰问题，高于40℃过热不能正常工作；此外对空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物等都十分敏感，铂催化剂极易污染中毒失效；
            （4）燃料电池汽车的使用成本过于高昂
            例如高纯度(99.999％)高压氢(>200大巴)售价约80～100元/kg。按1kg氢可发10kW·h电能计算，仅燃料费即约为10元/kW·h，按燃料电池发动机工作寿命1000小时计算，折旧费为30元/kWh。所以总的动力成本达40元/kW·h。与表1对照可知，至少在目前，由燃料电池发动机提供1kWh电能的成本远高于各种动力电池，这从一个侧面反映了作为汽车动力源，燃料电池汽车还有相当的距离。
            5.3 目前燃料电池电动汽车的研究课题
            尽管存在如此多的问题，但是燃料电池仍然是人类迄今为止，发明的最清洁、安静又可无限再生的能源，值得我们为实现燃料电池电动汽车的产业化，付出更大的努力。
            为此建议从以下几个方面进行工作:
            （1）
            以更为创新的思维，对燃料电池的基本理论和基础材料进行深入研究，例如努力探寻非铂金属催化剂;努力研制抗电腐蚀金属双极板和耐高温(>110℃)高机械强度质子交换膜等;
            （2） 努力实现如炭纸、增压空气泵等关键零部件的国产化，以降低整机成本;
            （3） 进一步提高整机的优化集成技术，着力提高整机的耐候性（高、低气温变化）、抗大气污染能力和耐电负荷急剧变化能力等。

            6、电机及电动车轮
            电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻等四种电机。美国和德国开发的电动汽车大多采用交流感应电机，主要优点是价格较低、效率高、重量轻，但启动转矩小。日本研制的电动汽车几乎全部使用永磁无刷电机，其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点，但价格较贵，永磁材料一般仅耐热120℃以下。开关磁阻电机结构较新，优点是结构简单、可靠、成本较低、起动性能好，没有大的冲击电流，它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点，缺点是噪声较大，但仍有一定改进余地。表6列出四类电机比较。
            显然表6中四种电机各有优缺点，但是对于电动汽车而言，由于电能是由各类电池提供，价格昂贵而弥足珍贵，所以使用相对效率最高的永磁无刷电机是较为合理的，它已被广泛用于功率小于100kW的现代电动汽车上。
            此外，在国外已有越来越多的电动汽车采用性能先进的电动轮（又称轮毂电机），它用电机（多为永磁无刷式）直接驱动车轮，因此无传统汽车的变速箱、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件，汽车结构大大简化。但是它要求电机在低转速下有很大的扭矩，特别是对于军用越野车，要求电机基点转速∶最高转速=1∶10（见图5）。近几年，美、英、法、德等国纷纷将电动轮技术应用于军用越野车和轻型坦克上，并取得了重大成果。例如美海军陆战队在“悍马”基础上研制出串联式“影子”新型混合动力越野车，采用了电动轮技术，其结构及主要技术参数如表7所示。与传统“悍马”车对比试验，在同样侦察试验条件下，“悍马”耗油472kg，而“影子”仅耗油200kg；同一越野路段，“悍马”耗时32分钟跑完，而“影子”仅耗时13分50秒，此外它还具有在纯电动模式下，汽车静音、无“热痕迹”等优点。如此优异的性能，据闻美军已决定停产传统“悍马”车，全部改产新型混合动力电动轮驱动的“影子”型军车。这一重要发展趋势，应引起高度关注。
            7、结束语
            综上所述，可以从技术/经济分析出发，对电动汽车技术的现状和未来作如下结论：
            （1）在目前国内市场价格的基础上，可粗略计算出各种提供电能技术的价格比。即电网供电∶柴油机供电∶铅酸电池供电∶镍氢电池供电∶锂离子电池供电∶燃料电池供电=1∶6∶6∶19.2∶20.4∶80。这从一个侧面反映了各种供电方式距离电动汽车市场的远近。当然，随着石油价格的上升、电池技术的进步，这些比例关系将发生很大的变化；
            （2）由于铅酸电池的供电成本大体和柴油机供电相等，因此它仍然是低端电动车市场的主要动力电池。磷酸锂离子电池技术进步较快，它最有可能成为铅酸电池的竞争对手，率先成为高端电动车市场的主要动力电池；
            （3）由于混合动力汽车仅需装用纯电动汽车1/10的动力电池容量，整车有较为接近市场的性/价比，因此它仍将是近期实现产业化的主要电动汽车种类。考虑到我国国情，目前仍应大力推广使用混合动力大客车，进一步降低制造成本，减少油耗和排放；
            （4）在锂离子电池性/价比进一步提升后，外接充电式混合动力汽车（PHEV）有望成为理想的上班族乘用车，它可大幅度减少油耗和降低排放，但是由于较高的价格，它可能首先在发达国家得到推广应用；
            （5）燃料电池虽然是理想的清洁能源，但是目前它的性/价比太低，要达到可以进入市场的性/价比，可说是任重而道远，必须从基础材料和基本理论上有重大突破，才可能进入汽车市场；
            （6）电动轮已成为国外电力驱动技术的重要发展趋势，并已在军用越野车上得到实际应用，证实它在技术/经济上的重要优势，我国虽也有不少单位研发，但始终未进入“863”计划，技术进步缓慢，因此有必要奋起直追，尽快掌握这一先进的电驱动技术。

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总之还是电池技术与电机技术