第六章氫氣汽車和電動汽車

一、氫燃料汽車概述

氫氣在常溫常壓下為無色、無味、無毒的氣體。氫是宇宙中最豐富的物質，也是地球上儲量最豐富的資源，自然界的氫絕大部分以化合態的形式存在，最常見的便是水和有機物。氫主要有以下特點：氫是所有元素中質量最輕的。氫的沸點為-253℃，常溫常壓下為氣體，攜帶性和安全性差。氫極易點燃，最小點火能量只有汽油的1/3，火焰傳播特性也很好，容易實現稀薄燃燒；

氫的質量低熱值非常高，是汽油的2.7倍。但單位體積的發熱量只有汽油的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，而沒有CO。儲存不便。動力性較差。二、氫的制取與儲存

(一)氫的制取

電解水制氫是目前應用比較廣泛且比較成熟的方法之一，近年來利用熱化學循環分解水來獲得氫的方法也得到了很好的發展。

SO2十2H2O十I2H2SO4十2HIH2SO4SO2十H2O十O2

2HII2十H2

總反應為：H2OH2十O2（二）氫的儲存氣態儲氫----占用體積大，用高壓氣瓶液態儲氫----低溫冷卻方法利用金屬吸收劑儲氫(金屬氫化物儲氫）碳納米纖維儲氫寶馬汽車公司的儲氫箱德國新的氫氣轉換技術1937年“興登堡號”飛艇是用氫作為填充氣的，這次災難人們認識到氫是特別危險的物質共有36名乘客落難2/3的乘客死里逃生三、氫燃料汽車的類型及應用

（一）氫燃料汽車的分類

氫燃料汽車的分類按儲存的壓力和形態按混合氣形成方式壓縮氫汽車液化氫汽車吸附氫汽車預混缸內直噴（二）氣態氫燃料在汽車上的應用（三）液態氫燃料在汽車上的應用四、氫燃料汽車的性能評價

（一）動力性和經濟性

在機外使氫氣與空氣混合，那么由于容積效率低，發動機功率比原汽油機低20％～30;如果將冷氫在進氣門關閉以后，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純氫燃料發動機與原汽油機的性能比較汽車或發動機型號儲氫方法效率變化功率變化Musashi-4型，3缸機液氫↑30%↑25%Musashi-7壓燃式發動機液氫↑18%↑11%Rosa小面包車高壓儲氫↑15%爬坡可達到原車速單缸實驗發動機高壓儲氫↑45%

4缸BMW520液氫，外部混合—↓11%6缸BMW7451液氫，缸內噴射—↓6%表2-16摻氫燃料發動機與原汽油機的性能比較

汽車或發動機型號儲氫方法功率變化摻氫比例%4缸VolgaTa324180kgLaNi↑18%能量比48%，質量比24%4缸實驗發動機儲氫方法↑35%質量比30%～100%(750g/hH2)4缸實驗發動機儲氫方法↑10%～18%低負荷，28%；高負荷，3%（質量比）（二）排放性

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

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

電動汽車電動汽車純電動汽車

混合動力電動汽車燃料電池電動汽車完全由蓄電池提供電能，經過電動機和驅動系統，驅動汽車行駛同時采用電動機和發動機作為動力驅動系統采用燃料電池作電源

一、電動汽車的發展優勢以及所面臨的問題

(一)電動汽車的發展優勢

電動汽車結構簡單，使用方便。電動汽車是典型的零排放汽車。電力的來源可以是多樣性的，許多清潔的可再生能源，都可以高效地轉化為電能。減小噪聲污染。制動能量可回收。(二)普及電動汽車所面臨的問題二、蓄電池蓄電池安全性可靠性價格費用

功率密度

循環壽命能量密度

起動性能

2-19國外電動汽車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）循環壽命（次）成本(美元/kWh)溫度(℃)主要優點主要缺點鉛酸（密封）35702.055001000～40價格低可靠性好比特性差鎳-鐵551001.3710002000～40壽命長不能密封鎳-鎘502001.315005000～40壽命長可快充價格高有毒鎳-氫（MH）601201.325005200～40能量密度高價格偏高鈉-硫1201402.082000150350

能量密度高、壽命長高溫起動鋅-鎳702001.815075

能量密度高壽命短三、電動機

電動機選擇的原則應該是轉矩/轉速特性與電動汽車的負載特性匹配良好,即低速發出大轉矩,高速發出小轉矩；動態特性好，能迅速和平滑地控制電機的轉矩，適應電動汽車啟動、停車、加速和減速的要求；高的效率、較低的成本、堅固以及維修簡單等。1、異步電動機特點：總體價格比直流電動機高、效率高、調速范圍寬、基本免維護以及體積小質量輕。2、永磁式無刷電動機

永磁式無刷直流電動機成為最適于電動汽車驅動的電機品種之一。

優點：永磁式無刷直流電動機由高能永磁材料勵磁，對于給定的輸出功率，其體積和質量可以大為減小，功率密度高；由于轉子上無繞組，無銅耗，因此效率高于其他電機；電機發熱主要集中在定子上，易于采取措施散熱；可靠性較高；轉子電磁時間常數小，動態性能好。

缺點：所需稀土永磁材料的制造工藝復雜，另外，永磁電機在大的過載電流下會導致磁性材料的磁性衰遲或者遲磁，使用時要嚴格控制過載電流，因此成本較高，相應它的價格更貴些。3、開關式磁阻電動機

優點：結構簡單，工作可靠，效率高，且容易實現電動汽車制動時的能量回收，工作特性好，響應速度快，制造成本低。

缺點：雙凸極工作造成轉矩脈動和噪聲較大。四、電動汽車基本結構及其工作原理快樂王子純電動電動貨車純電動產品價格:10萬豐田新款混合動力auris純電動五、純電動汽車的使用視頻：揭秘純電動汽車五、混合動力電動汽車1、串聯式混合動力電動汽車（SHEV）

結構及控制系統比較簡單；由于該系統的能量在熱能-電能-機械能之間轉換，總效率低于內燃機效率；由于三大動力總成之間無直接的機械連接，在布置上具有較大自由度，因有龐大的動力電池組，所以通常用于大型客車、公交汽車等。表2-20SHEV的驅動電動機的供電模式和控制策略供電模式適用的行駛工況動力電池組供電1.在平坦道路上行駛；2.低速行駛；3.城市道路行駛發動機-發電機供電1.起動；2.高速行駛；3.城市道路間行駛動力電池組、發動機-發電機共同供電1.起動、爬坡；2.高速行駛制動能量反饋1.滑行；2.下坡；3.制動（不包括緊急制動）2、并聯式混合動力電動汽車（PHEV）PHEV是由發動機、電動機/發電機或驅動電動機兩大動力組成，其發動機、電動機/發電機或驅動電動機采用并聯的方式組成驅動系統。3、混聯式混合動力電動汽車（PSHEV）（1）驅動軸合成混聯式混合動力電動汽車比亞迪F3DM雙模電動車混合動力14.98萬元RMB（2）驅動輪合成混合動力電動汽車

發動機動力和驅動電動機的動力在驅動輪上進行合成帶動車輪行駛，故稱為驅動輪合成PSHEV。發動機是驅動輪動力合成式PSHEV主要動力源，它能單獨地驅動PSHEV的前輪(或后輪)行駛，驅動電動機也能夠獨立地驅動車輛后輪(或前輪)行駛，可以增加車輛的機動性和靈活性，驅動電動機及其驅動系統與發動機傳動系統沒有任何機構聯系。在車輛加速或爬坡時，發動機節氣門開度較大，在發動機驅動前輪行駛同時，驅動電動機也輸出最大動力驅動后輪行駛，提供輔助動力。此時車輛采用混合驅動模式。車輛實現四輪驅動并具有最大驅動力。在混合驅動模式驅動車輛行駛時，前輪的驅動力和后輪的驅動力進行疊加。在車輛滑行、下坡或制動時，回收再生制動時的能量。六、燃料電池電動汽車

（一）燃料電池概述

燃料電池是一種把燃料氧化的化學能直接轉換為電能的“發電裝置”，它能夠使用多種燃料，可以是石油燃料也可以是有機燃料，還可以使用包括再生燃料在內的幾乎所有的含氫元素的燃料。燃料經過轉化成為氫后，以氫作為燃料的燃料電池，它的能量轉換不受卡諾循環規律的限制，熱效率要高得多，可達到34%～40%。燃料電池在運行過程中，不需要復雜的機械傳動裝置，不需要潤滑劑且沒有振動與噪聲。（二）氫燃料電池發動機氫燃料電池車的工作原理燃料發電：

將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極)，經過催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜，到達燃料電池陰極板(正極)，而電子是不能通過質子交換膜的，這個電子，只能經外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產生電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。

燃料電池發出的電，經逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經傳動系統、驅動橋等帶動車輪轉動，就可使車輛在路上行駛。氫燃料電池車的工作原理：給電動機供電：

氫燃料電池車的優勢毋庸置疑，劣勢也是顯而易見。隨著科技的進步，曾經困擾氫燃料電池發展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術等問題已經逐步攻克并不斷完善，然而成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發展的最大瓶頸。目前氫燃料電池的成本是普通汽油機的100倍，這個價格是市場所難以承受的。氫燃