第二章替代能源汽

第六章氢气汽车和电动汽车

一、氢燃料汽车概述

氢气在常温常压下为无色、无味、无毒的气体。氢是宇宙中最丰富的物质，也是地球上储量最丰富的资源，自然界的氢绝大部分以化合态的形式存在，最常见的便是水和有机物。氢主要有以下特点：氢是所有元素中质量最轻的。氢的沸点为-253℃，常温常压下为气体，携带性和安全性差。氢极易点燃，最小点火能量只有汽油的1/3，火焰传播特性也很好，容易实现稀薄燃烧；

氢的质量低热值非常高，是汽油的2.7倍。但单位体积的发热量只有汽油的1/20。氢燃料中不含碳元素，因而不排放CO、HC及硫化物。燃烧后生成H0，而没有CO。储存不便。动力性较差。二、氢的制取与储存

(一)氢的制取

电解水制氢是目前应用比较广泛且比较成熟的方法之一，近年来利用热化学循环分解水来获得氢的方法也得到了很好的发展。

SO2十2H2O十I2H2SO4十2HIH2SO4SO2十H2O十O2

2HII2十H2

总反应为：H2OH2十O2（二）氢的储存气态储氢----占用体积大，用高压气瓶液态储氢----低温冷却方法利用金属吸收剂储氢(金属氢化物储氢）碳纳米纤维储氢宝马汽车公司的储氢箱德国新的氢气转换技术1937年“兴登堡号”飞艇是用氢作为填充气的，这次灾难人们认识到氢是特别危险的物质共有36名乘客落难2/3的乘客死里逃生三、氢燃料汽车的类型及应用

（一）氢燃料汽车的分类

氢燃料汽车的分类按储存的压力和形态按混合气形成方式压缩氢汽车液化氢汽车吸附氢汽车预混缸内直喷（二）气态氢燃料在汽车上的应用（三）液态氢燃料在汽车上的应用四、氢燃料汽车的性能评价

（一）动力性和经济性

在机外使氢气与空气混合，那么由于容积效率低，发动机功率比原汽油机低20％～30;如果将冷氢在进气门关闭以后，以较高压力喷人燃烧室，那么由于充量密度较高，燃烧完善，功率有可能比原汽油机提高15％左右。另外使用氢燃料后，有害排放物种类比原排放明显减少。表2-15纯氢燃料发动机与原汽油机的性能比较汽车或发动机型号储氢方法效率变化功率变化Musashi-4型，3缸机液氢↑30%↑25%Musashi-7压燃式发动机液氢↑18%↑11%Rosa小面包车高压储氢↑15%爬坡可达到原车速单缸实验发动机高压储氢↑45%

4缸BMW520液氢，外部混合—↓11%6缸BMW7451液氢，缸内喷射—↓6%表2-16掺氢燃料发动机与原汽油机的性能比较

汽车或发动机型号储氢方法功率变化掺氢比例%4缸VolgaTa324180kgLaNi↑18%能量比48%，质量比24%4缸实验发动机储氢方法↑35%质量比30%～100%(750g/hH2)4缸实验发动机储氢方法↑10%～18%低负荷，28%；高负荷，3%（质量比）（二）排放性

氢完全燃烧的产物只有H0这么一种无害的物质，实际上由于空气参与燃烧，空气中的氮在燃烧的高温下会生成NO，在废气中还会含有末参与燃烧的N和剩余的O，以及没有来得及燃烧的H。此外，如果润滑油窜人燃烧室，则废气中还会含有石油燃料的排放物如CO、HC、CO、醛甚至微粒，不过很少。表2-17氢燃料道奇D—50型载货车排放（g／mile（g／km））

HCCONOx冷起动0.03（0.019）0.09（0.056）0.57（0.356）热起动0.03（0.019）0.10（0.063）0.45（0.281）

电动汽车电动汽车纯电动汽车

混合动力电动汽车燃料电池电动汽车完全由蓄电池提供电能，经过电动机和驱动系统，驱动汽车行驶同时采用电动机和发动机作为动力驱动系统采用燃料电池作电源

一、电动汽车的发展优势以及所面临的问题

(一)电动汽车的发展优势

电动汽车结构简单，使用方便。电动汽车是典型的零排放汽车。电力的来源可以是多样性的，许多清洁的可再生能源，都可以高效地转化为电能。减小噪声污染。制动能量可回收。(二)普及电动汽车所面临的问题二、蓄电池蓄电池安全性可靠性价格费用

功率密度

循环寿命能量密度

起动性能

2-19国外电动汽车蓄电池主要能性表电池类型能量密度（Wh/kg）功率密度（W／kg）单体电池电压（V）循环寿命（次）成本(美元/kWh)温度(℃)主要优点主要缺点铅酸（密封）35702.055001000～40价格低可靠性好比特性差镍-铁551001.3710002000～40寿命长不能密封镍-镉502001.315005000～40寿命长可快充价格高有毒镍-氢（MH）601201.325005200～40能量密度高价格偏高钠-硫1201402.082000150350

能量密度高、寿命长高温起动锌-镍702001.815075

能量密度高寿命短三、电动机

电动机选择的原则应该是转矩/转速特性与电动汽车的负载特性匹配良好,即低速发出大转矩,高速发出小转矩；动态特性好，能迅速和平滑地控制电机的转矩，适应电动汽车启动、停车、加速和减速的要求；高的效率、较低的成本、坚固以及维修简单等。1、异步电动机特点：总体价格比直流电动机高、效率高、调速范围宽、基本免维护以及体积小质量轻。2、永磁式无刷电动机

永磁式无刷直流电动机成为最适于电动汽车驱动的电机品种之一。

优点：永磁式无刷直流电动机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，其体积和质量可以大为减小，功率密度高；由于转子上无绕组，无铜耗，因此效率高于其他电机；电机发热主要集中在定子上，易于采取措施散热；可靠性较高；转子电磁时间常数小，动态性能好。

缺点：所需稀土永磁材料的制造工艺复杂，另外，永磁电机在大的过载电流下会导致磁性材料的磁性衰迟或者迟磁，使用时要严格控制过载电流，因此成本较高，相应它的价格更贵些。3、开关式磁阻电动机

优点：结构简单，工作可靠，效率高，且容易实现电动汽车制动时的能量回收，工作特性好，响应速度快，制造成本低。

缺点：双凸极工作造成转矩脉动和噪声较大。四、电动汽车基本结构及其工作原理快乐王子纯电动电动货车纯电动产品价格:10万丰田新款混合动力auris纯电动五、纯电动汽车的使用视频：揭秘纯电动汽车五、混合动力电动汽车1、串联式混合动力电动汽车（SHEV）

结构及控制系统比较简单；由于该系统的能量在热能-电能-机械能之间转换，总效率低于内燃机效率；由于三大动力总成之间无直接的机械连接，在布置上具有较大自由度，因有庞大的动力电池组，所以通常用于大型客车、公交汽车等。表2-20SHEV的驱动电动机的供电模式和控制策略供电模式适用的行驶工况动力电池组供电1.在平坦道路上行驶；2.低速行驶；3.城市道路行驶发动机-发电机供电1.起动；2.高速行驶；3.城市道路间行驶动力电池组、发动机-发电机共同供电1.起动、爬坡；2.高速行驶制动能量反馈1.滑行；2.下坡；3.制动（不包括紧急制动）2、并联式混合动力电动汽车（PHEV）PHEV是由发动机、电动机/发电机或驱动电动机两大动力组成，其发动机、电动机/发电机或驱动电动机采用并联的方式组成驱动系统。3、混联式混合动力电动汽车（PSHEV）（1）驱动轴合成混联式混合动力电动汽车比亚迪F3DM双模电动车混合动力14.98万元RMB（2）驱动轮合成混合动力电动汽车

发动机动力和驱动电动机的动力在驱动轮上进行合成带动车轮行驶，故称为驱动轮合成PSHEV。发动机是驱动轮动力合成式PSHEV主要动力源，它能单独地驱动PSHEV的前轮(或后轮)行驶，驱动电动机也能够独立地驱动车辆后轮(或前轮)行驶，可以增加车辆的机动性和灵活性，驱动电动机及其驱动系统与发动机传动系统没有任何机构联系。在车辆加速或爬坡时，发动机节气门开度较大，在发动机驱动前轮行驶同时，驱动电动机也输出最大动力驱动后轮行驶，提供辅助动力。此时车辆采用混合驱动模式。车辆实现四轮驱动并具有最大驱动力。在混合驱动模式驱动车辆行驶时，前轮的驱动力和后轮的驱动力进行叠加。在车辆滑行、下坡或制动时，回收再生制动时的能量。六、燃料电池电动汽车

（一）燃料电池概述

燃料电池是一种把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”，它能够使用多种燃料，可以是石油燃料也可以是有机燃料，还可以使用包括再生燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。燃料经过转化成为氢后，以氢作为燃料的燃料电池，它的能量转换不受卡诺循环规律的限制，热效率要高得多，可达到34%～40%。燃料电池在运行过程中，不需要复杂的机械传动装置，不需要润滑剂且没有振动与噪声。（二）氢燃料电池发动机氢燃料电池车的工作原理燃料发电：

将氢气送到燃料电池的阳极板(负极)，经过催化剂(铂)的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板(正极)，而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水(蒸气)带走，就可以不断地提供电能。

燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。氢燃料电池车的工作原理：给电动机供电：

氢燃料电池车的优势毋庸置疑，劣势也是显而易见。随着科技的进步，曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善，然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。目前氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍，这个价格是市场所难以承受的。氢燃