第二章替代能源汽

第六章氫氣汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)

一、氫燃料汽車(chē)概述

氫氣在常溫常壓下為無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒的氣體。氫是宇宙中最豐富的物質(zhì)，也是地球上儲(chǔ)量最豐富的資源，自然界的氫絕大部分以化合態(tài)的形式存在，最常見(jiàn)的便是水和有機(jī)物。氫主要有以下特點(diǎn)：氫是所有元素中質(zhì)量最輕的。氫的沸點(diǎn)為-253℃，常溫常壓下為氣體，攜帶性和安全性差。氫極易點(diǎn)燃，最小點(diǎn)火能量只有汽油的1/3，火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸埠芎茫菀讓?shí)現(xiàn)稀薄燃燒；

氫的質(zhì)量低熱值非常高，是汽油的2.7倍。但單位體積的發(fā)熱量只有汽油的1/20。氫燃料中不含碳元素，因而不排放CO、HC及硫化物。燃燒后生成H0，而沒(méi)有CO。儲(chǔ)存不便。動(dòng)力性較差。二、氫的制取與儲(chǔ)存

(一)氫的制取

電解水制氫是目前應(yīng)用比較廣泛且比較成熟的方法之一，近年來(lái)利用熱化學(xué)循環(huán)分解水來(lái)獲得氫的方法也得到了很好的發(fā)展。

SO2十2H2O十I2H2SO4十2HIH2SO4SO2十H2O十O2

2HII2十H2

總反應(yīng)為：H2OH2十O2（二）氫的儲(chǔ)存氣態(tài)儲(chǔ)氫----占用體積大，用高壓氣瓶液態(tài)儲(chǔ)氫----低溫冷卻方法利用金屬吸收劑儲(chǔ)氫(金屬氫化物儲(chǔ)氫）碳納米纖維儲(chǔ)氫寶馬汽車(chē)公司的儲(chǔ)氫箱德國(guó)新的氫氣轉(zhuǎn)換技術(shù)1937年“興登堡號(hào)”飛艇是用氫作為填充氣的，這次災(zāi)難人們認(rèn)識(shí)到氫是特別危險(xiǎn)的物質(zhì)共有36名乘客落難2/3的乘客死里逃生三、氫燃料汽車(chē)的類型及應(yīng)用

（一）氫燃料汽車(chē)的分類

氫燃料汽車(chē)的分類按儲(chǔ)存的壓力和形態(tài)按混合氣形成方式壓縮氫汽車(chē)液化氫汽車(chē)吸附氫汽車(chē)預(yù)混缸內(nèi)直噴（二）氣態(tài)氫燃料在汽車(chē)上的應(yīng)用（三）液態(tài)氫燃料在汽車(chē)上的應(yīng)用四、氫燃料汽車(chē)的性能評(píng)價(jià)

（一）動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性

在機(jī)外使氫氣與空氣混合，那么由于容積效率低，發(fā)動(dòng)機(jī)功率比原汽油機(jī)低20％～30;如果將冷氫在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉以后，以較高壓力噴人燃燒室，那么由于充量密度較高，燃燒完善，功率有可能比原汽油機(jī)提高15％左右。另外使用氫燃料后，有害排放物種類比原排放明顯減少。表2-15純氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與原汽油機(jī)的性能比較汽車(chē)或發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)儲(chǔ)氫方法效率變化功率變化Musashi-4型，3缸機(jī)液氫↑30%↑25%Musashi-7壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)液氫↑18%↑11%Rosa小面包車(chē)高壓儲(chǔ)氫↑15%爬坡可達(dá)到原車(chē)速單缸實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓儲(chǔ)氫↑45%

4缸BMW520液氫，外部混合—↓11%6缸BMW7451液氫，缸內(nèi)噴射—↓6%表2-16摻氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與原汽油機(jī)的性能比較

汽車(chē)或發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)儲(chǔ)氫方法功率變化摻氫比例%4缸VolgaTa324180kgLaNi↑18%能量比48%，質(zhì)量比24%4缸實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)氫方法↑35%質(zhì)量比30%～100%(750g/hH2)4缸實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)氫方法↑10%～18%低負(fù)荷，28%；高負(fù)荷，3%（質(zhì)量比）（二）排放性

氫完全燃燒的產(chǎn)物只有H0這么一種無(wú)害的物質(zhì)，實(shí)際上由于空氣參與燃燒，空氣中的氮在燃燒的高溫下會(huì)生成NO，在廢氣中還會(huì)含有末參與燃燒的N和剩余的O，以及沒(méi)有來(lái)得及燃燒的H。此外，如果潤(rùn)滑油竄人燃燒室，則廢氣中還會(huì)含有石油燃料的排放物如CO、HC、CO、醛甚至微粒，不過(guò)很少。表2-17氫燃料道奇D—50型載貨車(chē)排放（g／mile（g／km））

HCCONOx冷起動(dòng)0.03（0.019）0.09（0.056）0.57（0.356）熱起動(dòng)0.03（0.019）0.10（0.063）0.45（0.281）

電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)汽車(chē)純電動(dòng)汽車(chē)

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)完全由蓄電池提供電能，經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛同時(shí)采用電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用燃料電池作電源

一、電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)以及所面臨的問(wèn)題

(一)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)

電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。電動(dòng)汽車(chē)是典型的零排放汽車(chē)。電力的來(lái)源可以是多樣性的，許多清潔的可再生能源，都可以高效地轉(zhuǎn)化為電能。減小噪聲污染。制動(dòng)能量可回收。(二)普及電動(dòng)汽車(chē)所面臨的問(wèn)題二、蓄電池蓄電池安全性可靠性價(jià)格費(fèi)用

功率密度

循環(huán)壽命能量密度

起動(dòng)性能

2-19國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)蓄電池主要能性表電池類型能量密度（Wh/kg）功率密度（W／kg）單體電池電壓（V）循環(huán)壽命（次）成本(美元/kWh)溫度(℃)主要優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)鉛酸（密封）35702.055001000～40價(jià)格低可靠性好比特性差鎳-鐵551001.3710002000～40壽命長(zhǎng)不能密封鎳-鎘502001.315005000～40壽命長(zhǎng)可快充價(jià)格高有毒鎳-氫（MH）601201.325005200～40能量密度高價(jià)格偏高鈉-硫1201402.082000150350

能量密度高、壽命長(zhǎng)高溫起動(dòng)鋅-鎳702001.815075

能量密度高壽命短三、電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)選擇的原則應(yīng)該是轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性與電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)載特性匹配良好,即低速發(fā)出大轉(zhuǎn)矩,高速發(fā)出小轉(zhuǎn)矩；動(dòng)態(tài)特性好，能迅速和平滑地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)、停車(chē)、加速和減速的要求；高的效率、較低的成本、堅(jiān)固以及維修簡(jiǎn)單等。1、異步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：總體價(jià)格比直流電動(dòng)機(jī)高、效率高、調(diào)速范圍寬、基本免維護(hù)以及體積小質(zhì)量輕。2、永磁式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

永磁式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)成為最適于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)品種之一。

優(yōu)點(diǎn)：永磁式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由高能永磁材料勵(lì)磁，對(duì)于給定的輸出功率，其體積和質(zhì)量可以大為減小，功率密度高；由于轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，無(wú)銅耗，因此效率高于其他電機(jī)；電機(jī)發(fā)熱主要集中在定子上，易于采取措施散熱；可靠性較高；轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)性能好。

缺點(diǎn)：所需稀土永磁材料的制造工藝復(fù)雜，另外，永磁電機(jī)在大的過(guò)載電流下會(huì)導(dǎo)致磁性材料的磁性衰遲或者遲磁，使用時(shí)要嚴(yán)格控制過(guò)載電流，因此成本較高，相應(yīng)它的價(jià)格更貴些。3、開(kāi)關(guān)式磁阻電動(dòng)機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，效率高，且容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的能量回收，工作特性好，響應(yīng)速度快，制造成本低。

缺點(diǎn)：雙凸極工作造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲較大。四、電動(dòng)汽車(chē)基本結(jié)構(gòu)及其工作原理快樂(lè)王子純電動(dòng)電動(dòng)貨車(chē)純電動(dòng)產(chǎn)品價(jià)格:10萬(wàn)豐田新款混合動(dòng)力auris純電動(dòng)五、純電動(dòng)汽車(chē)的使用視頻：揭秘純電動(dòng)汽車(chē)五、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)1、串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（SHEV）

結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單；由于該系統(tǒng)的能量在熱能-電能-機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換，總效率低于內(nèi)燃機(jī)效率；由于三大動(dòng)力總成之間無(wú)直接的機(jī)械連接，在布置上具有較大自由度，因有龐大的動(dòng)力電池組，所以通常用于大型客車(chē)、公交汽車(chē)等。表2-20SHEV的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的供電模式和控制策略供電模式適用的行駛工況動(dòng)力電池組供電1.在平坦道路上行駛；2.低速行駛；3.城市道路行駛發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)供電1.起動(dòng)；2.高速行駛；3.城市道路間行駛動(dòng)力電池組、發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)共同供電1.起動(dòng)、爬坡；2.高速行駛制動(dòng)能量反饋1.滑行；2.下坡；3.制動(dòng)（不包括緊急制動(dòng)）2、并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（PHEV）PHEV是由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)兩大動(dòng)力組成，其發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用并聯(lián)的方式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。3、混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（PSHEV）（1）驅(qū)動(dòng)軸合成混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)比亞迪F3DM雙模電動(dòng)車(chē)混合動(dòng)力14.98萬(wàn)元RMB（2）驅(qū)動(dòng)輪合成混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力在驅(qū)動(dòng)輪上進(jìn)行合成帶動(dòng)車(chē)輪行駛，故稱為驅(qū)動(dòng)輪合成PSHEV。發(fā)動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力合成式PSHEV主要?jiǎng)恿υ?，它能單?dú)地驅(qū)動(dòng)PSHEV的前輪(或后輪)行駛，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)車(chē)輛后輪(或前輪)行駛，可以增加車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性和靈活性，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有任何機(jī)構(gòu)聯(lián)系。在車(chē)輛加速或爬坡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪行駛同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也輸出最大動(dòng)力驅(qū)動(dòng)后輪行駛，提供輔助動(dòng)力。此時(shí)車(chē)輛采用混合驅(qū)動(dòng)模式。車(chē)輛實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)并具有最大驅(qū)動(dòng)力。在混合驅(qū)動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛時(shí)，前輪的驅(qū)動(dòng)力和后輪的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行疊加。在車(chē)輛滑行、下坡或制動(dòng)時(shí)，回收再生制動(dòng)時(shí)的能量。六、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)

（一）燃料電池概述

燃料電池是一種把燃料氧化的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的“發(fā)電裝置”，它能夠使用多種燃料，可以是石油燃料也可以是有機(jī)燃料，還可以使用包括再生燃料在內(nèi)的幾乎所有的含氫元素的燃料。燃料經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化成為氫后，以氫作為燃料的燃料電池，它的能量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)規(guī)律的限制，熱效率要高得多，可達(dá)到34%～40%。燃料電池在運(yùn)行過(guò)程中，不需要復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，不需要潤(rùn)滑劑且沒(méi)有振動(dòng)與噪聲。（二）氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫燃料電池車(chē)的工作原理燃料發(fā)電：

將氫氣送到燃料電池的陽(yáng)極板(負(fù)極)，經(jīng)過(guò)催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子(質(zhì)子)穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板(正極)，而電子是不能通過(guò)質(zhì)子交換膜的，這個(gè)電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽(yáng)極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。

燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可使車(chē)輛在路上行駛。氫燃料電池車(chē)的工作原理：給電動(dòng)機(jī)供電：

氫燃料電池車(chē)的優(yōu)勢(shì)毋庸置疑，劣勢(shì)也是顯而易見(jiàn)。隨著科技的進(jìn)步，曾經(jīng)困擾氫燃料電池發(fā)展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術(shù)等問(wèn)題已經(jīng)逐步攻克并不斷完善，然而成本問(wèn)題依然是阻礙氫燃料電池車(chē)發(fā)展的最大瓶頸。目前氫燃料電池的成本是普通汽油機(jī)的100倍，這個(gè)價(jià)格是市場(chǎng)所難以承受的。氫燃