燃料电动汽车相关技术的综述研究

郑磊　李战胜

【摘 要】由于作为燃料电动汽车关键技术之一的电池技术，本文通过燃料电池的工作原理、分类及其特点的相关研究，同时对于汽车的电机、控制器等关键技术的分析，从整体上对燃料电池汽车有一个大致的研究，并且通过与纯电动汽车的比较，得出燃料电动汽车非常可观的发展前景。

【关键词】燃料电池；燃料电动汽车；电机技术；控制器技术

1 燃料电池的工作原理

燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极以及电解质组成，其中电池的负极是燃料电极，正极是氧化剂电极。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。

燃料电池是一种使燃料与氧化剂中储存的化学能直接转化为电能的发电装置。当燃料和空气一同被送进燃料电池装置中，化学反应发生以后被输送出来的就是供给汽车提供动能的电能。常用的是利用氢气与氧气的化合反应产生的能量发电。如果将该燃料电池用来驱动汽车，则成为燃料电池汽车。燃料电池从燃料的来源上看，有纯氢气和液化天然气等几种。其中液化天然气的主要成份为甲烷，利用甲烷的氧化反应产生的能量获取电能。其反应过程中会产生水和二氧化碳，相对来讲还是比较“干净”的。

2 燃料电池的分类

按燃料的处理方式不同，可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中有光、电、热、放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同，可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。

按照工作温度的不同，又把碱性燃料电池、固体高分子型质子膜燃料电池和磷酸型燃料电池称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化型燃料电池称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，共分为第一代、第二代和第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。

3 燃料电池汽车的概述

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合国家道路交通、安全法规等各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。电动汽车的一般分为三种：纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车。其中燃料电池汽车是电动汽车的一种，其核心部件燃料电池的电能是通过氢气和氧气的化学作用直接变成电能。

燃料电池汽车的工作原理是，使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，产生出电能发动电动机，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前后万象轴、后桥等行走机械结构，转动车轮驱动汽车。

4 燃料电动汽车的关键技术

电动汽车的关键能源动力技术包括电池技术、电机技术、控制器技术。电池技术、电机技术和控制器技术是电动汽车所特有的技术，这三项技术也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。

其中电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量 、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。广泛应用于电动汽车的燃料电池是一种称为质子交换膜的燃料电池，它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的2～3倍。同时，它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，使得燃料电池非常适合用作交通工具的动力源。

而电动汽车的驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻四种电机。这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的，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，它已被广泛应用于功率小于100kW 的现代电动汽车上。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），它用电机直接驱动车轮，因此无传统汽车的变速器、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转矩， 特别是对于军用越野车，要求电机基点转速，最高转速为1比10。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。

另外，控制器技术的变速和方向变换是靠电动机调速控制装置来完成的，其原理是通过控制电动机的电压和电流来实现电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀改变电机的端电压，控制电机的电流，来实现电机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用将成为必然的趋势。

5 燃料电动汽车与纯电动汽车比较

纯电动汽车就是用电力作为动力来驱动的汽车。这里不包括混合动力车，特指纯粹使用电力来驱动，同时在行使过程中不需要随时有线接通电源的汽车。与氢燃料电池汽车相比，从原理的角度讲，氢燃料电池汽车的最终也是用电能驱动电动机，因此，与电动汽车相比仅仅是能量的载体有所不同；而从节能的角度讲，尽量减少能量转换次数更加为理想；从工业发展的角度来讲，“机械驱动”向“电气驱动”符合科学技术发展的方向；从发展的眼光看，电动汽车为将来无线传送电力预留了发展的空间。因此，燃料电池汽车在成本和整体性能上，特别是行程和补充燃料时间上明显优于其他电池的电动汽车，并且燃料电池所用的燃科来源广泛，又可再生，并可实现无污染、零排放等环保标准。所以燃料电池汽车已成为世界各大汽车公司21 世纪初激烈竞争的焦点。

6 结束语

本文通过对燃料电池汽车的研究，主要探讨了燃料电动汽车的三大关键技术：电池技术、电机技术和控制器技术，其中着重论述了燃料电池的工作原理和分类，又通过与纯电动汽车的比较，从中得出燃料电动汽车的未来发展前景。

【参考文献】

[1]衣宝廉.燃料电池-原理.技术.应用[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]何仁.燃料电池汽车研究现状与发展前景[J].汽车工业研究，2001（2）：29-34.

[3]曹建国，廖然，杨利花.燃料电池电动汽车发展现状与前景[J].新材料产业，2015（4）：59-63.

[4]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014，5（1）：1-16.

[5]陈清泉.电动汽车、混合动力汽车和燃料电动汽车的发展前景[J].汽车安全与节能学报，2011，02（1）：12-24.

[责任编辑：杨玉洁]