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轻型纯电动及混合动力汽车设计
前言
当燃料电池从小容量到大容量的生产转变变得迫在眉睫，并经过一段激烈的价值工程论证后，这个阶段现在到来了。供应商正在朝着采用价格实惠的产品以用于汽车推广。本书出版以来，燃料电池的试生产车辆在汽车中的应用已迅速展开，例如大宇公司在采用燃料电池驱动的雷佐厢式车上投资了590万美元，用于发展甲醇重整制氢系统。本田也以其第三代FCX燃料电池车取得了一个重大的进步：它使用了巴拉德电池和超级电容提高加速度。它的电机现在减重了25%但功率增加了25%，并且启动时间从10分钟减少到了10秒。巴拉德介绍MK900燃料电池的功率现在增加到75千瓦（相比于前一模型提高了50%），重量降低了30%，尺寸减小了50%的同时比功率增加了30%，。这家工厂将要生产的这个产品在容量上有了很大提高。相比之下，通用公司继续在走重整汽油制氢的不环保路线。据新闻报道，由于未来的燃料将从可再生能源中来选择，戴姆勒-克莱斯勒公司则是倾向于甲醇路线，他们正在把这个技术投入市场。
戴姆勒-克莱斯勒公司最近的一个新闻稿介绍了最新的NECAR车，装备了新巴拉德电池堆，这在之前的第5章139–140页的第四个表格中描述过。NECAR5现在已经成为一个甲醇燃料电池车用于实践的案例。这辆环保车可达到超过150km/h的速度并有整套的燃料电池驱动系统–包括甲醇重整器–它在第一时间被安装在一辆奔驰A级车的底盘上。因此这辆车可以提供像传统A级车那样大的空间。从1997年NECAR3开始，工程师们已经成功地把系统的尺寸减小了一半并把它装在了地板夹层中。同时，他们成功地降低了系统的重量，因此汽车的重量减少了大约300kg。NECAR3需要两个燃料电池组来产生50KW的电力，而现在NECAR5中一个电池堆可以提供75KW电力。尽管NECAR5试验车比传统汽车重，但它利用燃料的效率提高了25%以上。开发工程师们也使用了更经济的材料，降低了生产成本。
甲醇燃料可以通过类似我们现在使用的加油站网进行销售。即使是最好的内燃机，其尾气排放也比不上“甲醇化的”的氢燃料电池汽车。它可以减少约三分之一的二氧化碳排放量，而且颗粒物排放几乎为零。甲醇既可以作为可再生能源从生物质中获取也可从天然气中获取，它在许多领域仍十分有用但却经常被作为石油产品的废料而被白白烧掉。引用华盛顿董事会成员、戴姆勒克莱斯勒公司的管理董事会主席Juuml;rgen E. Schrempp的话说，“已经发生了两次石油危机，我们有义务阻止第三次的发生”。“燃料电池使我们改变长期单一依赖石油的状况成为现实”，戴姆勒克莱斯勒公司将投资约20亿马克（超过10亿美元）来从原型开始研发一种新的驱动系统，并使它达到量产。在过去的六年里，该公司已经配备展出了16辆燃料电池驱动的轿车、货车和客车，这一数量超过了它竞争对手数量的总和。负责管理科技研发的董事会成员Klaus-Dieter Vouml;hringer教授预测，燃料电池将会分阶段被引入到汽车中，“在2002年，该公司将推出第一代燃料电池城市公交车，随后在2004年将推出第一代燃料电池轿车。”
电动汽车因此跳出汽车研究领域的“冷宫”进入到了“生产设计”阶段，并且混合动力系统（发动机加上电机驱动）已进入日本主要生产商的一系列产品中。在美国，通用公司为了达到相同目的也进行了非常数量的投资。全球还有许多小型高科技公司对之产生了浓厚的兴趣，他们可以运用其知识基础通过新颖和专业的解决方案成功进入汽车市场。该书涵盖了汽车结构、能扩展电动应用范围的超轻型车辆的系统设计，以及电动驱动技术和纯电动汽车的布置，因此这本书将对主流的受教育读者大有裨益。
1 电动汽车设计方法
1.1介绍
当电力的使用被吸引汽车消费者的经济案例所支持时，有关推动电力使用的环境保护方面问题的就变得更加引人注目。近来，有关混合动力驱动的技术因其符合经济性原则而再次引发关注。在不同种类汽车的驱动系统的比较研究中，使用清洁能源的整车电机驱动系统更多的运用在了小型和中型车辆上，结论部分概述了优化的电机驱动系统及动力电池组的的设计程序。
关于电机驱动系统的基本原理及其基本术语已经部分出现在引论部分。在第5、6章的前言和第四章的下半部分，将有电动汽车最大经济化的讨论和更多关于燃料电池汽车基础设施的介绍，作为电动汽车的电动系统和能源存储系统的比较分析。
1.2 电动汽车示例
1.2.1 环境形势
当前世界机动车保有量已经达到7亿，其中有超过6亿来自G7经济体。这个数字预计将在下一个十年内增加到10亿左右。这种增长的大部分估计将出现在第二世界国家的人均收入达到汽车所有者能负担的条件开始。这暗示着两个严峻的形势：碳氢化合物燃料使用量的大幅增长和全球污染已经达到不可持续水平。众所周知的温室效应，如果二氧化碳对温室效应造成的影响是1，那么甲烷是25，氟利昂是30000-50000。显然碳氢化合物和氟利昂排放量必须尽可能的削减。二氧化碳则不同，如果它在大气中所占的比例从20%翻倍到40%，温度将上升5摄氏度，海平面也会上升一米。但是其生产活动能减少非洲、中东和亚洲数百万人的灾荒。在科学界，存在争议的也就是二氧化碳。
排放污染是指一氧化碳，二氧化硫，一氧化二氮和铅等，不是指柴油尾气中的固体小颗粒。人类一直在和大自然竞争。现在的问题是人类的排放已经达到了一个极端的水平，据显示对环境已经造成了严重的后果。例如，在1815年，一个火山喷出了2亿吨二氧化硫。在1816年，天空中一片含有硫酸的云遮挡了北半球照射来的阳光并持续了一整个夏天，这使得当地温度下降了7摄氏度，田野里颗粒无收。每2000个运行煤的百万瓦特发电站每个季度排放15万吨二氧化硫。酸雨破坏了位于北半球的森林和建筑。在北半球大气中这种规模的破坏是不可持续的。当氮气燃烧温度在1500摄氏度及以上时会排放出一氧化二氮。这种气体在城市中达到高浓度就会被太阳光转换为光合作用的烟雾，这成为全球一个主要的健康危害。如果大多数机动车辆每十年替换一次，汽车相关技术的变化会在环境污染问题上产生极大影响。
1.2.2作为基础运输工具的电动汽车
消费者更在乎交通运输工具的经济性。电动汽车将只会作为一个基础运输工具来实现内燃机汽车的功能。事实上，我们可以选择内燃机、燃气轮机和燃料电池。但是我们如何能在保持现有的生产使用量的同时减少污染呢？方法是减少来自于尾气排放管及散热器的百分之七十二的能源浪费。目前内燃机采用的是空燃比为14:1的混合气，最高时可达带34:1。但是发动机不能使车辆达到更高的加速度。这个问题已经被解决。燃气轮机对于某些商用车的超过100KW的大功率发动机是一种高效的解决方法，但是在低功率运行时的性能就不如内燃机。燃料电池汽车的出现给了人们希望。燃料电池是未来科技的趋势。目前燃料电池有多种类型，其中只有质子交换膜燃料电池（PEM）在车辆上得到了较多使用。其采用卡诺循环原理，能量转换效率最高可达83%。目前技术可使其实际能量转换效率达到58%，在十年之内预计可达70%。燃料电池使用性能优越，能量转换效率高，在轻载时更为高效。现在其成本也逐步减小，在1992年时运用氢-空气然后电池已使成本达到了200英镑/KW。现在，推广燃料电池汽车的真正问题在于燃料的来源。
1.2.3燃料基础设施
现在的发动机通过燃烧碳氢化合物如丙烷、甲烷、石油、柴油等来获得能量。然而，氢燃料才是燃料发展的趋势。是什么推动了“土星5”月球火箭?巧合还是纯粹的必要。液态氢有着55000BTUs每磅的能量密度。相比较，石油为1900BTUs每磅,丙烷为17000BTUs每磅。现在的问题是如何从碳氢化合物燃料中高效的提取出氢气。直接包含在这些燃料中的氢只在其能源系统中占据一小部分，例如甲烷有17.5%的能量存在于碳中，25%存在于氢。现在，某个氢动力公司研究出了一个改进办法，解决了这个问题，化学方程式如下：3Fe 4H2O=Fe3O4 4H2 Fe3O4 2C=3Fe 2CO2。
第一个反应在有催化剂且温度达到130 0C时发生。产生的氢气储存在储氢化物槽中。铁在第二个反应中从一个中心设施中又被还原出来可继续使用。化学循环的重点是碳氢化合物的很大一部分热量被转换到了氢气中以及使用1kg Fe即能提供足够的氢气供一辆小型燃料电池汽车行驶6km。
内燃机和燃气轮机能在大部分碳氢化合物燃料下运行良好。燃料电池则需要氢气，而且必须保证安全的使用和存储氢气。这能够通过加油站的改革来实现- -浪费的热量用来发电，并输送到国家电网。基础燃料可以采用任何碳氢化合物，如石油、柴油、甲醇、丙烷和甲烷等。唯一的条件是燃料来源必须具有低的硫含量而不致使催化剂中毒。在英国有一项先进的设施叫天然气供应网。这对能源分配来说非常重要，它减少了通过道路设施来分配石油和柴油的需要。为了满足未来的交通运输需要，我们将保留现有的加油站来分配燃料。但这同时带来了道路氢气存储的问题。
铁钛合金被用作一种氢气存储介质但500kg铁钛合金只能存储10公升氢气，这在1992年需要3000英镑。氢气存储在一种布满铁钛合金的标准丙烷槽中。如果储氢槽有损坏，氢气将缓慢释放。因为它被铁钛合金吸收。在美国，氢气的存储在冷冻条件下进行，这种技术可使氢气的存储变得便宜而便捷。总的能源分配系统如上图所示。简而言之，燃料电池汽车和混合动力汽车的优点有：（1）技术成熟；（2）性能良好；（3）降低了燃油消耗量；（4）减少排放，尤其是氮氧化合物的排放；（5）降低了我国对进口石油的依赖；（6）技术可以在短时间内实现；（7）成本较低；（8）减少了石油消耗量的增长；（9）与现有的燃料供应设施相适应；（10）解决了隐藏的污染问题-催化剂的转换效率问题。
1.2.4 燃料电池电动汽车
燃料电池电动汽车（见下图）采用燃料电池发动机发电作为主要能量源来提供车辆运行时的平均能量要求，升压电池组则提供车辆加速时所需的峰值动力。氢气储存在布满金属氢化物粉的槽中或冷冻存储。在车辆停止运行时燃料电池可进入充电状态。如果车辆配备有变频器，燃料电池还可给一些车辆便携工具充电或者直接将电能输送到国家电网。另外，相比较以14:1空燃比工作的内燃机，燃料电池可减少10%的排放。
1.2.5燃料电池的特点
什么是燃料电池？它是一种能将可燃气体和氧化剂转化为电和水并产热的电化学电池（见第四章）。PEM燃料电池的石墨电极有一层膜介于其中，并密封。每个电池约6毫米厚，能以约250A的电流产生1V卸载电压和0.7V负载电压，因此平均功率为15千瓦的燃料电池能够在250A的电流下产生约60-70V直流电。它在尺寸上是边长约200毫米的方形，且有约600毫米长，工作温度在80摄氏度。当工作温度较低时，它能马上释放出50%的能量，若持续低温3分钟，它就会给出其全部能量。这种单元有着很长的寿命。近期的问题就是，当暴露在空气中和氧气接触进行运作时，其存在密封寿命上的问题。新的材料解决了这个问题。当燃料电池空气供给系统给其供入纯氧时，其输出的电能翻倍。燃料电池不是类似于一氧化碳一样的污染物质。其所需气体通常是以0.66大气压进入反应堆中。现在主要的挑战是通过设计方案上来实现更高性价比。这将花费很长的时间，因为现如今我们投入其中的努力与我们投入到电池和其他燃料电池努力相比还差之甚远。这样的情况，促使我们的科学家和工程师们在短期内得到研究成果，以此来减少我们距离将其大规模推行利用的时间。
1.2.6电池组
电池的出现已经有至少150年了，它一直有两个主要问题：体积大、不易安装以及无法实现多次深度放电循环。深度循环的电池，无论什么技术，其性能会随着循环次数的增长而恶化。因此现在的问题是如何提高电池的性能。答案是在电池深度放电是限制其放电倍率的大小，或者是仅将其作为混合动力和燃料电池电动汽车的峰值能量的来源。
现今在高温电池方面有很多成果，但这些电池不可能满足基础运输工具的成本或重量要求。性能最优的高温电池能量密度为100Wh/kg。而燃料电池已经具有300 Wh/kg的能量密度，未来这一数据还会更高。现在电动汽车需要的电池是有着更优的性能，包括内阻低、循环寿命长、良好的气体混合性能、可在常温工作、完全密封、体积小、深度放电性能好等。
现在即满足以上基本性能的有英国霍克集团生产的铅酸蓄电池，它已经取代很多航空器材上的镍镉电池。特别地，铅酸蓄电池电池能比常规设计保持更多的电量且能实现快速充放电。但是，这种优异性能的实现还有很大问题。因为大部分电池采用矩形阵列，单个电池的温度取决于其在电池组中的位置，而电池组要实现快速充放电的关键在于使每个单体电池所处环境温度一致。因此需要对电池组进行水冷以保证其最优性能和循环寿命。另外电池组需要的工作温度较高，如铅酸蓄电池最理想温度为40摄氏度。发动机或燃料电池的多余温度可被电池的电解液所吸收。
镍镉电池性能比铅酸蓄电池优异但是每存储Wh电能其成本是铅酸蓄电池的两倍。密封的镍镉电池容量限制在10Ah，但更大
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