电动汽车及燃料电池汽车发展概述

电动汽车及燃料电池汽车发展概述

电动汽车是21世纪清洁、高效和可持续的交通工具，主要包括纯电动汽车（BHE），混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)。由于石油危机和环境保护问题，电动汽车呈现出加速发展的趋势，并在过去的几十年迅猛发展。

一、电动汽车的优缺点

电动汽车具有如下优点:(1)零排放。纯电动汽车使用电能，在行驶中无废气排出，不污染环境。(2)能源利用率高。(3)结构简单。因使用单一的电能源，电动汽车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，其电控系统相比混合动力电动车也大为简化。(4)噪声小。电动汽车在行驶过程中振动及噪声小，车厢内外十分安静。(5)原料广。(6)移峰填谷。可在电网低谷时充电。

受现阶段电池技术、配套设施及相关政策等的影响，电动汽车缺点如下:(1)续驶里程短。电动汽车每次充电所能行驶的里程短。装载与汽油质量相同的铅酸蓄电池的纯电动汽车，其续驶里程仅为燃油汽车1/70。(2)成本极高。蓄电池及电机控制器价格昂贵是电动汽车成本高的主要原因。目前，1台售价90万元的纯电动公交车，光蓄电池成本就达30万元，占了整车成本的1/3 0。(3)充电时间长。电动汽车1次充电完成需要6-10h。当然现在有快速充电设备，采用大电流充电，可实现20分钟内充满整车70%的电量，但对蓄电池的寿命有较大影响。

(4)维护费用较高。同混合动力车一样，电动汽车维修保养成本较高，而且目前没有授权服务站。(5)蓄电池寿命短。目前电池技术有待革新，动力蓄电池的寿命短，大约3年就得更换。

二、电动汽车关键技术

电池技术。现有的蓄电池技术无法满足消费者对续航里程、速度、价格方面的要求。铅酸电池技术成熟、成本较低，且能够高倍率放电，但能量密度和功率密度都很低，无法达到满意的车速和续航里程;镍镉电池和镍氢电池虽然性能好于铅酸电池，但含重金属，价格高，废旧电池还会造成环境污染；钠硫电池的能量密度高，能够提供较长的续驶里程，但对工作环境要求苛刻，具有强腐化性并易爆炸；钾离子电池相对镍氢电池的性能更好，体积小、质量轻、能量密度高且无污染，缺点是成本高昂，不能承受过度充放电。燃料电池以质子交换膜技术最

成熟，但需要贵金属作催化剂，而且采用纯氢作为燃料，不仅成本大幅提高，增加了系统复杂性，还对制氢、加氢等基础设施提出了诸多要求。

电机驱动系统。驱动电机应向着大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。它是电动汽车中将电能转换成机械能的动力部件，目前常用的驱动形式有直流电机驱动系统、交流感应电机驱动系统、交流永磁电机驱动系统和开关磁阻驱动系统。直流电机驱动系统具有成本低、易于平滑调速、控制简单、技术成熟等特点，在早期的无轨电车和电动叉车等电动车辆中使用比较广泛。但由于电机在运行过程中需要电刷和换句器转向，其高速性能和可靠性受影响较大。随着交流调速理论及电力电子器件的发展，目前其在电动汽车上的应用已逐步减少；交流感应电机又称异步电机，与直流电机相比结构简单，采用鼠笼式或绕线式转子结构，电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、成本低，尤其适合恶劣的工作环境，比较适合电动汽车，尤其是大功率的电动汽车；交流水磁电机通常可分为方波供电的无刷直流电机和正弦波供电的永磁同步电机。转子采用永磁体，不需要励磁、因此，功率因数大，电机具有较高的功率密度和效率。在中小功率系统中比较占优势，但是该系统成本较高，可靠性上也比感应电机差；开关磁阻电机结构最为简单，适合高速运行，调速控制比较容易，但是电磁噪声和转矩脉动仍然是开关磁阻电机面临的两大难题，目前电动汽车上这种电机应用较少。

三、燃料电池汽车技术

燃料电池汽车是利用氢和氧的结合产生电能来驱动车辆，其动力系统主要包括电驱动系统、动力控制单元（PCU）、电堆、燃料电池空气系统、水系统以及氢气系统（FCS）等。燃料电池汽车基本上是零排放，只排放水蒸汽。它产生的电能除了用于驱动车辆外，还可以储存在一个能源存储设备(如电池或超级电容器)内，可实现高的系统效率。在面临能源短缺和环境危机的今天，燃料电池汽车具有广阔的发展空间。

燃料电池按电解质类型的不同，可分为六种主要的燃料电池:质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFCs）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFCs)、固态氧化物燃料电池(SOFC）和直接甲醇燃料电池(DMFCs）。其中，质子交换膜燃料电池相对于其他类型的燃料电池具有低温运行、快速启动性、功率密度高、固态电解质不变化、迁移或从燃料电池中气化、腐蚀性小等优点，被认为是理想的燃料电池

类型。

燃料电池的特性有其自身的特点:1)电压低，电流大；2)输出电流会随温度的升高而升高，输出电压会随输出电流的增大而下降；3)从开始输出电压、电流到逐渐进入稳定状态，停留在过渡带范围内的动态反应时间较长。正是由于以上特点，大多数电器和电机难以适应其电压特性，所以必须和DC/DC变换器和DC/AC逆变器配合使用，需要对燃料电池系统进行大量的功率调节以保证电压的稳定。

燃料电池技术虽然取得很大进步，但和现在成熟的内燃机技术及产业化要求相比还有很多工作要做，才能实现产业化，主要表现为以下5个方面。

（1）适应性。须进一步提高燃料电池汽车在不同气候（如高温或低温地区）、不同环境（如高海拔、沙尘大、空气质量差的地区）和不同交通情况（如频繁变动工况或频繁停启工况等）下的适应性。

（2）可靠性和耐久性目前燃料电池电堆仅有约2000h的寿命，内燃机的寿命一般是5000h以上。

（3）总能量效率。提高燃料电池电池堆的工作温度十分有效，一旦高温膜（工作温度120℃以上）研发成功，燃料电池技术将会有根本性的突破。此外，各种制氢、储氢的新技术也在发展之中。

（4）成本降低。燃料电池质子交换膜，目前价格是500～600美元/m2。另一较贵的部件是铂催化层，为了降低铂的用量，采用纳米技术等的研究工作也在进行。此外，燃料电池早期研发时选用的零部件是当时己有的通用件，随着研究工作深入，现在已发展出各种专门技术公司及专用零部件公司，从而为提高可靠性和耐久性、改进性能和降低成本创造条件。

（5）基础设施。基础设施配套建设匮乏也是产业化需要解决的问题。如加氢站，维修、配件供应等。