摘要：電動汽車是一種高科技、高投入及無污染的新型交通工具，近些年來得到了迅猛發(fā)展。文章介紹了國內(nèi)外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，從電子技術(shù)、信息技術(shù)以及系統(tǒng)優(yōu)化等角度闡述了燃料電池汽車開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，指出作為一種清潔和高效的發(fā)電動力，燃料電池有望成為下一代的車輛動力裝置。

電動汽車是21世紀(jì)清潔、高效和可持續(xù)的交通工具，電動汽車包括電池電動汽車或者純電動汽車（BHE），混合動力電動汽車（HEV）和燃料電池電動汽車（FCEV）。由于石油危機(jī)的出現(xiàn)，節(jié)約燃油被人們普遍關(guān)注，電動汽車呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢，并在過去的幾十年迅猛發(fā)展。但由于成本方面的因素，混合電動車在其后的30年中，并未能實現(xiàn)市場化。

1 電動汽車的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前中國在電動汽車產(chǎn)業(yè)化方面已取得了進(jìn)展，一些試點線路已經(jīng)獲得了微利，這個成就是其他國家所沒有的。目前已有10輛電池-電容混合型電動汽車在上海825路公交車上線運營，2009年還將在上海其他公交線路上擴(kuò)大使用。另外，國家電網(wǎng)公司贈送給山東的10輛奧運會用電動汽車也采用了電池-電容混合動力總成技術(shù)。這種電池-電容混合型電動汽車具有續(xù)駛里程長、充電速度快以及充放電循環(huán)次數(shù)高等主要優(yōu)點，一次完全充電最大行駛距離可達(dá)100～300 km，最高時速可達(dá)80～100 km，一次完全充電時間3 h左右，耗電小于1.6（kW·h）/km。有關(guān)檢測數(shù)據(jù)表明，使用該混合純電動汽車可減少97%～98%的汽車廢氣排放，同時可節(jié)省能源費用 70%～80%。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

近20年來，研制和開發(fā)電動汽車已經(jīng)成為一種世界新潮流，美國、法國、日本、德國、英國、意大利及瑞士等國已率先跨入電動汽車產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的行列。從目前世界的整體形勢來看，日本是電動汽車技術(shù)發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個國家之一，特別是在混合動力汽車的產(chǎn)品發(fā)展方面，日本居世界領(lǐng)先地位。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，豐田汽車公司已占有全球混合動力汽車市場90%的份額，其全球混合動力車的銷售量已突破10萬輛，達(dá)到了11.5萬輛。到2012年，將其所有的車型全部裝上混合動力發(fā)動機(jī)。日本為燃料電池汽車設(shè)定的目標(biāo)是2010年之前在日本國內(nèi)普及5萬輛。

美國電動汽車的生產(chǎn)和銷售起步較早，但在電動汽車產(chǎn)業(yè)化方面和日本相比有一定差距，3大汽車公司只是小批量生產(chǎn)和銷售過純電動汽車，而混合動力和燃料電池電動汽車目前還未能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

英國是50多年來唯一堅持大量使用電動汽車的國家，目前全國約有電動汽車12萬輛。其中，僅用于送牛奶的就達(dá)幾萬輛，掃地電動車1 000輛。同時，有關(guān)公司繼續(xù)在國內(nèi)外投資設(shè)廠，以便批量生產(chǎn)電動汽車。此外，意大利、丹麥、奧地利、芬蘭、加拿大、瑞典、荷蘭、捷克、匈牙利、挪威、前南斯拉夫、以色列、墨西哥、澳大利亞、印度以及馬來西亞等國都在研制和開發(fā)電動汽車或電動汽車關(guān)鍵零部件。

2 能量源

電動汽車的能量源被認(rèn)為是電動汽車商業(yè)化的主 要問題。因此，在目前和不遠(yuǎn)的將來，如何發(fā)展能源裝置將會是電動汽車發(fā)展的主要問題。能源裝置發(fā)展的準(zhǔn)則：1）高比例能量和能量密度；2）高比功率和功率密度；3）快速充電和深度放電的能力；4）循環(huán)和使用壽命長；5）高充電和放電效率；6）安全和低成本；7）免維護(hù)；8）環(huán)保，可回收。

3 燃料電池汽車開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)

電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括電動技術(shù)、自動化技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)及化學(xué)技術(shù)，雖然能源是最首要的問題，但是車身結(jié)構(gòu)、電力驅(qū)動以及能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化同樣至關(guān)重要。

與內(nèi)燃機(jī)車相比，電動汽車的行駛里程較短，因此為了盡可能地利用車載的儲存能量，必須選用合適的能量管理系統(tǒng)?？梢栽谄嚨母鱾€子系統(tǒng)安裝傳感器，包括車內(nèi)外溫度傳感器、充放電時間的電流電壓傳感器、電動機(jī)的電流電壓傳感器、車速傳感器、加速度傳感器及外部氣候和環(huán)境傳感器。能量管理系統(tǒng)可實現(xiàn)9個功能：

1）優(yōu)化系統(tǒng)能量流；

2）預(yù)計所生的能量來估計還能行駛的路程；

3）提供參考以便進(jìn)行有效操作；

4）直接從制動中獲取能量存入儲能元件，例如：蓄電池；

5）根據(jù)外界的氣候調(diào)節(jié)溫度控制；

6）根據(jù)外界環(huán)境調(diào)節(jié)燈光亮度；

7）估計合適的充電算法；

8）分析能源，尤其是蓄電池的工作記錄；

9）診斷能源的任何不恰當(dāng)或者無效的操作。

把能源管理系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合起來，就可以規(guī)劃能源效率的路徑，鎖定充電站的位置并可以根據(jù)交通狀態(tài)預(yù)測可行駛里程?？傊?，能源管理系統(tǒng)綜合了多功能、靈活和可變的顯著優(yōu)點，從而可以合理利用有限的車載能源。

3.1 燃料電池

同電化學(xué)電池相比，燃料電池的顯著優(yōu)點在于燃料電池電動汽車可達(dá)到與燃油車一樣的續(xù)駛里程，這是因為燃料電池電動汽車的行駛里程僅與燃料箱中的燃料多少有關(guān)，而與燃料電池的尺寸無關(guān)。實際上， 燃料電池的尺寸僅與電動汽車的功率需求水平有關(guān)。燃料電池的優(yōu)點：1）反應(yīng)物加料時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于電化學(xué)電池的充電時間（機(jī)械充電式電池除外）；2）使用壽命長于電化學(xué)電池并且電池維護(hù)工作量更小。

同普通電池相比， 燃料電池是一個能量生成裝置，并且一直產(chǎn)生能量直至燃料用盡。燃料電池的優(yōu)越性有：1）高效率地把燃料轉(zhuǎn)化為電能；2）工作安靜；3）零排放或者低排放工作；4）產(chǎn)生的剩余熱量可以再利用；5）燃料補充迅速，燃料易于獲得；6）工作持久可靠。

燃料電池電動汽車是汽車、電力拖動、功率電子、自動控制、化學(xué)電源、計算機(jī)、新能源及新材料等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。因此，燃料電池電動汽車的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化需要解決諸多關(guān)鍵技術(shù)，如燃料電池、電動機(jī)控制、車身和底盤設(shè)計、測試技術(shù)及系統(tǒng)優(yōu)化等。

3.2 燃料電池新技術(shù)

燃料電池是利用氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生清潔能源的，它不會產(chǎn)生CO2。但是，由于受到氫儲存技術(shù)的限制，目前由燃料電池驅(qū)動的汽車樣機(jī)和示范模型最高行駛距離僅能達(dá)到322 km。在標(biāo)準(zhǔn)的溫度和壓力下，如要存儲足夠的氫達(dá)到483 km的行駛距離，就需要一個體積相當(dāng)于雙層巴士大小的機(jī)載燃料電池；而其他方法如將氫氣壓縮儲存在鋼瓶里或?qū)⒁夯臍錃獯鎯υ诠蘩锏龋蛸|(zhì)量和體積問題無法實用。

英國UK-SHEC項目組的研究人員，嘗試將氫以更高的密度儲存，使電池質(zhì)量控制在可接受的范圍內(nèi)。他們采用化學(xué)吸附方法，將氣體分子吸入固體化合物的晶格間，在需要時再將其釋放出來?，F(xiàn)在，研究人員已研制出一系列氫化鋰化合物，能很好地滿足上述要求。該項目協(xié)調(diào)人、英國牛津大學(xué)的彼得·愛德華茲教授說，這是燃料電池行業(yè)和交通運輸部門期待已久的突破，這項關(guān)鍵性的突破將使燃料汽車在 未來10年內(nèi)大量生產(chǎn)和應(yīng)用成為可能。

3.3 驅(qū)動電機(jī)技術(shù)

為了使車輛一次加夠燃料后行駛更多里程，以及最大限度地利用氫能源以及盡可能減小車輛改裝后的整備質(zhì)量，這就要求電力驅(qū)動系統(tǒng)有高的效率和功率質(zhì)量比。 驅(qū)動電機(jī)應(yīng)向著大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。

當(dāng)前驅(qū)動電機(jī)主要有感應(yīng)電動機(jī)（IM）和磁無刷電動機(jī)（PMBLM），特別是永磁無刷電動機(jī)具有較高的功率密度和效率、體積小、慣性低和響應(yīng)快等優(yōu)點，在電動汽車方面有著廣闊地應(yīng)用前景。在設(shè)計和選擇驅(qū)動電機(jī)時應(yīng)保證電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性與整車負(fù)載特性匹配良好，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的動態(tài)性能好，以及恒速、恒功率和變工況都應(yīng)當(dāng)有較高的效率。

3.4 電子控制技術(shù)

與傳統(tǒng)汽車相同，電子控制在燃料電池汽車的發(fā)展中也將起著越來越重要的作用。汽車的各種操縱系統(tǒng)都會向著電子化和電動化的方向發(fā)展，實現(xiàn)線操控即用導(dǎo)線代替機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，如導(dǎo)線制動和導(dǎo)線轉(zhuǎn)向等。

現(xiàn)有的12 V動力電源已滿足不了汽車上所有電氣系統(tǒng)的需要，而42 V汽車電氣系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)的實施，將會使汽車電器零部件的設(shè)計和結(jié)構(gòu)發(fā)生重大的變革；同時，機(jī)械式繼電器和熔絲式保護(hù)電路也將隨之淘汰。燃料電池的特性有其自身的特點：1）電壓低，電流大；2）輸出電流會隨溫度的升高而升高，輸出電壓會隨輸出電流的增大而下降；3）從開始輸出電壓、電流到逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，停留在過渡帶范圍內(nèi)的動態(tài)反應(yīng)時間較長。正是由于以上特點，大多數(shù)電器和電機(jī)難以適應(yīng)其電壓特性，所以必須和DC/DC變換器和DC/AC逆變器配合使用，需要對燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行大量的功率調(diào)節(jié)以保證電壓的穩(wěn)定。

3.5 整車系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

燃料電池電動汽車的整車系統(tǒng)是涉及多學(xué)科技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，其性能受到多學(xué)科相關(guān)因素的影響，因此，必須在充分考慮各影響因素的基礎(chǔ)上，對整車系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可以改進(jìn)燃料電池電動汽車性能和降低整車的設(shè)計和制造成本。

整體化設(shè)計理念中，材料的輕量化和空氣動力學(xué)的充分利用被放在了最重要的位置。因為汽車在行駛過程中，燃料消耗所產(chǎn)生的能量中，只有小部分是真正被用來推動汽車和乘客，而大部分的能量都通過熱量的損失、滾動阻力、空氣阻力及控制系統(tǒng)的低效率等被消耗掉，其間，汽車本身的質(zhì)量和空氣動力學(xué)因素起著很重要的作用。在整體化設(shè)計過程中，強(qiáng)調(diào)質(zhì)量的減輕，即輕量化的車身需要更輕的底盤組件和更小的動力總成，而此組件的相互聯(lián)系和組合小，但可以減小體積和減輕質(zhì)量，甚至可以摒棄原先組件，進(jìn) 一步減輕系統(tǒng)的質(zhì)量。

4 結(jié)語

作為一種清潔、高效的發(fā)電動力，燃料電池有望 成為下一代的車輛動力裝置。燃料電池的廣泛應(yīng)用有助于節(jié)約燃料以及減少大氣污染。燃料電池發(fā)動機(jī)在短期之內(nèi)尚無法取代內(nèi)燃機(jī)的地位，要達(dá)到燃料電池車輛的實用化還需要完善一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。（崔淑娟 武漢理工大學(xué)）