电动汽车培训课件

第4章电动汽车第4章电动汽车1873年，英国首先制造了第一辆电动汽车，比燃油汽车早12年。由于燃油汽车的综合性能大大提高，而蓄电池技术发展缓慢，电动汽车逐渐被燃油汽车取代，仅在特殊场合，作为货物转运或牵引车辆使用。石油资源的日益匮乏和环境污染的日益严重，人们再次将注意力转移到非石油燃料的、零污染的汽车上来，电动汽车又一次引起了人们极大的兴趣。世界各国相继成立了电动汽车研究会专门从事电动汽车的研究，各大汽车公司也投入巨资研制开发电动汽车，部分电动汽车已批量生产。电动汽车常分为纯电动汽车（简称电动汽车，EV）、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)。4.1纯电动汽车车载电源技术是电动汽车的关键技术，化学电源技术的进步在一定程度上决定了电动汽车的进展。电动汽车对车载电源的要求主要有七个方面：能量密度(Wh/kg)（又称比能量）、功率密度(W/kg)（又称比功率）、循环寿命(充放电一次为一个循环)、起动性能(预热时间和从起动到最高速所需时间)、价格费用(电池价格和运行费用)、可靠性(恶劣条件下的故障率)、安全性(操作安全和对人体、环境的安全性)。现阶段较理想的电动车可接受的电池最低指标为：能量密度>100Wh/kg,b功率密度>150W/kg，循环寿命>600次，一次充电里程>200km，价格<150美元(kWh)。4.1.1电动汽车对车载电源的要求1.目前车载蓄电池现状电动汽车用蓄电池主要性能如表4-1。国外电动汽车用二次电池主要性能表4-1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(非密封)40802.05500800～40价格低可靠性好比特性差铅酸(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502001.3015005000～40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铁-空气802001.2820040能量密度高寿命短锌-空气100501.6520060能量密度高寿命短锌-镍702001.815075能量密度高寿命短锂钠硫酰氯1002501.6600150450能量密度高高温起动不安全世界上许多国家已经着手于完善电池的核心技术，并已批量生产，但由这些电池推进的电动汽车生产批量很小，有的只有样车，有的还在研制开发中。蓄电池的功率决定了电动汽车的加速和爬坡性能；能量密度给出了其潜在的运行范围；循环寿命决定了蓄电池充电到满容量的次数；蓄电池的质量和体积在一定范围内影响着整个系统的效率。2.蓄电池的类型1）铅酸蓄电池（Lead—acid）:是使用最广泛的电池，目前国内外铅酸蓄电池的能量密度大约在35～45Wh/kg，循环寿命一般为600～1500次左右，致命弱点是能量密度太小，循环次数少，优点是成本低，所用材料供应充足。铅酸蓄电池是一种安全、低成本、高功率的蓄电池。它可以使电动汽车获得很好的加速和爬坡性能，并有足够的能量保证电动汽车在中等范围内运行。铅酸蓄电池可以重复使用，而且使用方法也易于为人们所接受。美国通用汽车公司的冲击（GMImpact）电动汽车就使用了铅酸蓄电池，这种专门为电动汽车设计的蓄电池具有较好的使用特性。2）镍—金属氢化物电池（镍氢电池）:最大优点是能量密度大，一般在60～100Wh/kg。循环次数大约在1000次左右。其缺点是价格高，材料稀有。目前已大批量用于混合动力汽车。镍氢蓄电池（Nickl—meta1hydride）在能量密度和循环寿命方面具有较大优势，这种蓄电池可以提供更大的运行范围，无须频繁的维修。3）镍钙蓄电池（Nickel—acdium）:提供了比铅酸蓄电池更高的功率密度、更大的能量和更长的使用寿命，并具有可密封性和较高的安全性。但是镍钙蓄电池对环境的污染较大，再循环也存在许多问题。4）钠—氯化镍电池：最大技术难点是必须建立高温工作环境，而且要解决保温隔热的问题。因此不宜工业化生产，而且成本也很难降低。优点是能量密度高，可达90～100W/kg，功率密度约为120～130W/kg,且循环次数大于1000。5）锌—溴电池：其缺点是自放电和防腐蚀差。能量密度为70～80Wh/kg，功率密度为140～150W/kg，比铅酸电池要好。但比镍氢电池要差。6）钠—硫电池：工作环境必须要求高温高压，因此安全工作的问题需要解决，另外，高温高压条件的建立也比较困难。其能量密度为75～85Wh/kg，功率密度为140～150W/kg,另外，材料是非贵重金属，在地球上是取之不尽的。钠硫蓄电池具有较高的能量密度，因此它可以使电动汽车获得更大的运行范围。但其功率密度较低，使电动汽车的加速性能受到一定影响。钠硫蓄电池的成本比镍钙蓄电池更合理一些，但是再循环性较差。为了使钠硫蓄电池中的钠和硫在隔离的容器内保持熔融状态，其操作温度必须在300℃左右。这样，最大的问题是容易引起火灾，到目前为止它很少被应用于电动汽车上。7）锌—空气电池：其工作的温度与压力较高，安全性差。虽能量密度高于100Wh/kg，但其功率密度较低，只有50W/kg。8）锌空气蓄电池（Zinc—air）：具有特别高的能量密度，因此可以提供一个较大的运行范围，而且成本只是标准铅酸蓄电池的一半。主要缺点是寿命短，功率密度低，反应过程复杂，而且参加反应的空气必须除去二氧化碳，这就给整个蓄电池的工作带来很多麻烦。9）锂—聚苯胺电池（又称塑料电池）：比较成熟，但能量密度较低（稍高于铅酸电池），其成本较高，主要用于小功率电池。在电动汽车电池方面有很多的技术问题要解决。锂聚合物蓄电池（Lithium—Polymer）：集中了其他蓄电池的优点。但目前正处在发展的初级阶段，从现有的情况来看，锂聚合物蓄电池具有很高的功率密度和能量密度，而且成本比镍氢蓄电池低，当进入规模化生产之后，成本还将进一步下降。10）镍—镉电池：该电池技术比较成熟，但能量密度较低（稍高于铅酸电池），其成本较高，主要应用于小功率电池。作为电动汽车电池还有很多的技术问题要解决。美国高能蓄电池联合会（USABC）作了一个EV用蓄电池的发展规划，见表4-2。

美国高能蓄电池协会目标表4-2质量能量(Wh/kg)80～100200体积能量密度(Wh/L)35300质量功率(W/kg)150～200400功率/能量比22体积功率密度(W/L)250600循环寿命(次)6001000总寿命(年)510成本(美元/kW)<150<100充电时间(h)<63～6效率75%80%4.1.2蓄电池充电器蓄电池充电器是电动汽车系统的一个重要组成部分，其功能是为电动汽车的蓄电池充电，充电时间的长短，充电效率的高低对电动车的实际使用有很大的影响。一个理想的蓄电池充电器应该具有如下性能：能对蓄电池进行彻底的充电，输出电压和电流必须与蓄电池的需要完全匹配，并应避免充电时的过热和起气泡；充电方法无需考虑蓄电池的充电状态、温度和使用时间；快速高效，且还有足够的功率，能在给定的时间内对蓄电池充满电；能对自放电进行补偿，且不应影响蓄电池的能力和寿命，反之也不应该影响其效用；不允许在输入电压和电流中混入高次谐波分量。为减小过热和起气泡，常用的充电方法有：常电流充电、常电压常电流充电、电流逐渐减小的充电、脉冲充电、点滴式充电和飘浮式充电。使用哪一种充电方法是根据每一种蓄电池的化学性能而定的为使充电时间缩短并提高充电效率，可以进行多次充电。为此，快速充电技术近来得到开发，即采用大电流或脉冲电流充电，但这两种方法都需要较大的充电装置，而且结果将导致蓄电池的过热和起气泡，也会缩短蓄电池的使用寿命。4.1.3电动汽车电动机电动机将蓄电池的能量转换成机械能来驱动电动汽车，电动机的特性决定了推进系统和控制系统的特性，同时也决定了功率转换器中功率转换装置的特性。对电动汽车用电动机的主要性能要求是：使用寿命长、输出转矩与转动惯量之比较大、过载系数应为3～4、高速操纵性能好，少维修或不维修、外型尺寸小自身质量轻、容易控制、成本低廉。电动汽车使用的几种典型电动机是：它励电刷式直流电动机、三相感应式电动机、永磁式同步电动机、开关式磁阻电动机和同步磁阻式电动机。将电动机技术的优势与功率电子学的优势相结合，可以得到更小、更轻和更有效的电动汽车动力和传动系统。各种电动机的性能比较见表4-3。

电动机性能比较表4-3直流电刷式永磁式感应式开关式峰值效率(%)85～8995～9794～95<90负荷效率(%)80～8779～8590～9278～86最高转速(r/min)4000～60004000～1000012000～15000>15000可靠性中等好优良好成本(美元/kW)1010～158～126～10直流电刷式电动机优点：制造技术较为成熟，具有线性和稳定的输出特性曲线，容易控制，其容量取决于转矩和最高转速。缺点：电刷易磨损、转速低、质量重、体积大、可靠性差、效率低。由于有电刷和换相器，因此需要不断地维修。三相感应式电动机优点：使用寿命长、效率高、可靠性好、转速高（＞15000r/min），而且体积比相同转速的直流电动机小，加之无电刷和换相器，免去这方面的维修，价格也比其它类型的电动机低。缺点：感应式电动机具有非线性输出特性，需要一个较为复杂的控制系统，在高转速时必须对转子进行冷却以防止电动机损坏。交流永磁式同步电动机优点：不需要电刷或滑环，其可靠性高，输出功牢较大，与相同转速的其他电动机相比，质量较轻。缺点：电动机具有永久性磁场，在恒功率范围时电动机的控制较为困难；在无载荷的情况下，易造成满磁通现象。永磁式电动机可以为：电流反馈控制的无电刷式直流电动机和永磁式同步电动机。因无电刷式直流电动机具有近以正弦气隙磁通密度和正弦定子反馈电流，所以它比同尺寸的永磁式同步电动机的输出功率大15％，在相同转速情况下，无电刷式直流电动机的输出转矩比永磁式同步电动机要大15％，但两者的“输出转矩／转动惯量”都比感应式电动机大。开关式磁阻电动机优点：能实现比功率感应式电动机速度更高的操作控制。它有比感应式电动机更高的“输出功率／质量”比和“输出转矩／转动惯量”比。缺点：结构较为复杂，但开关式磁阻电动机存在噪声和转矩波动问题同步式磁阻电动机优点：兼具感应式电动机和永磁式电动机的优点，且有着更好的“功率／质量”比和“转矩／惯量”比。其定子比感应式电动机要小，而转子没有绕阻和磁性，更象一个在同频率下运行的具有凸极的同步电动机。缺点：在低频轻载下的稳定性较差，解决这一问题是将其应用到电动汽车上的关键技术。目前，感应式电动机仍是电动汽车推进系统最好的原动机，将来同步式磁阻电动机或许更有希望，随着功率转换器的价格变得越来越低，该电动机将会显现出更大的竞争力，如果能使永磁式电动机在恒功率模式下的操纵更容易的话，那么它将会有更强的生命力，这是因为它在同样的输出转矩情况下没有转子的磨损，而且永磁式电动机的效率比感应式电动机更高。4.1.4电动汽车性能分析图4-1和图4-2分别为某永磁电动机的恒转矩速度特性和恒功率速度特性图4-1某永磁电动机的恒转矩速度特性图4-2某稀土永磁电机的和恒功率速度特性1.电动机的工作特性当考核电动汽车动力性的时候，可采用驱动电机的恒功率速度特性。在绘制驱动力图时，在恒功率速度特性上提取相应的转矩Me。内燃机的速度特性是在一定油门开度条件下，内燃机功率曲线上各点功率不相等，最大功率只能在油门开度最大时额定转速下获得。而电动机，原则上在任一转速均可以获得最大功率，因此有恒功率速度特性。上述不同使得两者的转矩特性有很大差异。电动机的转矩随转速变化特性曲线近似于位于第一象限的渐近线，转速愈低转矩愈高，这一特点很符合汽车对动力机的要求。因此，恒功率速度特性是电动机相对于内燃机的一个宝贵的特点。2.电动汽车动力性能参数的获取电动汽车的动力性能参数可以从驱动力-行驶阻力平衡图上获取。当电动机的转速特性、传动比、传动效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积和汽车质量等参数已知时，便可绘制驱动力-行驶阻力平衡图。图4-3为某电动汽车在良好路面上行驶时的驱动力-行驶阻力平衡图。

图4-3某电动汽车驱动力—行使阻力平衡图因该车系在某5档汽油车基础上改装而得，考虑到电动机虽然有良好的转矩特性，但因目前动力电池能量密度小限制了整个动力总成的选型，所用电动机的动力性明显偏低，为了使电动汽车具有一定的爬坡能力，保留了原车变速器不动，因此驱动力曲线有5条。每条驱动力曲线Ft与行驶阻力曲线的交点即为该电动汽车在相应档位下的最高车速。当车速低于最高车速时，驱动力大于行驶阻力，剩余的驱动力便可用来使电动汽车加速或进行爬坡。若不需要这么高的车速，可适当松开加速踏板，减小通过的电流，则在相同的电压下，输出功率降低，驱动转矩曲线下降并与阻力曲线相交于较低的车速，亦即在较低的车速下获得新的平衡，电动汽车即以这个较低的车速稳定行驶。在图4-3上，各档的驱动力和行驶阻力交点区域比较接近，为明晰起见，按各档分别绘制驱动力和行驶阻力平衡图，如图4-4至图4-8所示。图4-4一档驱动力—行使阻力平衡图图4-5二档驱动力—行使阻力平衡图图4-6三档驱动力—行使阻力平衡图图4-7四档驱动力—行使阻力平衡图图4-8五档驱动力—行使阻力平衡图可以看出，1档和2档时，在正常转速范围，驱动力和行驶阻力不相交，牵引力均大于行驶阻力，不存在通常概念上的最高车速。这意味着，在1档和2档时，汽车行驶于平直良好路面将一直处于加速状态，直到某一超速状态，驱动力和行驶阻力才有可能相交。或者，适当松开加速踏板，使电动机的输出功率和输出转矩适当降低，进而使驱动力减小，在动态变化过程中在某一位置实现新的平衡。4档和5档时，在大部分工况下驱动力小于行驶阻力，汽车不能行驶。即使在驱动力大于行驶阻力的工况，也因负荷偏大，电流过高，控制系统极易跳闸，实际上也无法工作。因此，该车只能在3档情况下寻求最高车速。3档时驱动力和行驶阻力相交于75km/h，亦即该车在车质量为2700kg时的最高车速为75km/h。3.电动汽车的续驶里程电动汽车的续驶里程短，充电时间长，因此人们十分关心能否准确地预测它的续驶里程和剩余行驶里程。电动汽车的续驶里程可由试验求得，也可以通过计算进行预测。欲计算电动汽车的续驶里程，需要知道蓄电池的容量、蓄电池的能量和电动汽车的运行能量效率。蓄电池的容量可利用派克特（Peucter）方程计算：Qi=KI（1-n）（4-1）式中n和K是常数，分别等于：（4-2）（4-3）其中，I为放电流，I1和I2分别代表典型的电动汽车运行条件下，最高和最低的放电电流，t1和t2分别为与I1和I2相对应的放电时间。其中，I为放电流，I1和I2分别代表典型的电动汽车运行条件下，最高和最低的放电电流，t1和t2分别为与I1和I2相对应的放电时间。蓄电池的能量为：（4-4）式中：Wt为在电流为I时的蓄电池能量；Vt为蓄电池的端电压；Vde为电池完全放电时的截止电压；Qt为蓄电池的容量。如果蓄电池的能量和行驶效率或单位里程能耗已知，则电动汽车的续驶里程可利用下式求得：（4-5）式中：St为放电电流为I时的续驶里程（km）；ηv为电动汽车的运行能量效率，即单位能量的行驶里程数（km/MJ或km/（kW·h）。ks为电动汽车的单位里程能耗（MJ/km或kW·h/km）。4.2混合动力电动汽车混合动力电动汽车(HybridElectricVehicle:HEV)是指包含两种或两种以上动力源并能协调工作的车辆。混合动力电动汽车充分利用各种动力源的优点，通过自动控制形成最优匹配，通常其中一种动力源可以存储另一种动力源的多余能量并回收存储车辆减速时的制动能（通常在摩擦制动片处发热散失），并能将它传输给传动系统、供附件使用或用于协助驱动车辆。按照混合驱动汽车所用蓄能器型式的不同，大致可以分为飞轮储能、液压储能和蓄电池储能等三种，目前的混合驱动汽车主要着眼于对使用内燃机-蓄电池混合驱动的研究。这种混合驱动方式可以在要求排放严格控制的区域内零排放行驶；正常行驶时油耗低，排放少，能量利用率高；减小了对电池技术的依赖性，有利于商品化。在HEV上保持了发动机（主要为内燃机）及其电子控制系统，但所采用的发动机的功率一般要比同级别的内燃机汽车小，且对燃料消耗量和废气排放的污染提出了更高的要求。除了采取各种现代最新技术使发动机经常处于效率较高的状态下运转外，还要充分发挥电动机的低速大转矩的特点，使发动机避开在起动、加速和爬坡时燃料消耗量增大和废气排放增多的不利工况。HEV的应用还能够继续发挥现成的燃油（汽油和柴油）供应系统工程的作用，大量节约了对燃料供应系统工程的投资。由于增加了一套电力驱动系统以及两套传动系统之间的控制系统，车辆制造成本相应增加。混合动力汽车节能的多少与该车运行工况有很大的关系，制定专门针对该行驶工况的控制策略会带来更好的节能效果。混合动力汽车是实用的、具有发展前景的替代能源汽车，尤其是在向氢能源时代过渡的时期能发挥主导作用，因此，国内外汽车界均投入巨大力量进行开发和研制。有的已形成生产能力并投入市场。丰田混合动力车Prius福特混合动力车

ZagatoVOLPE混合动力汽车

混合动力型本田思域

奥迪Q7混合动力车

4.2.1串联式混合动力电动汽车（SHEV）SHEV（串联式混合动力电动汽车）是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成。发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成如图4-9所示的驱系统。图4-9串联式混合动力车动力流程图SHEV用发动机-发电机组均衡地发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使SHEV的行驶里程得到延长。实际上SHEV的发动机-发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机并不直接参驱动车辆。发动机的转速不受SHEV运行工况的影响(克经常保持一定转速范围，以低燃耗、高效率、低污染的状态运转)。SHEV驱动系统的特点是：结构及控制系统比较简单；只有电动机驱动模式，其动力特性更加趋近于EV，要求发动机、发电机和驱动电动机的功率都等于或接近于SHEV的最大驱动功率；由于该系统的能量在热能—电能—机械能之间转换，总效率低于内燃机汽车；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，但同时受限于各总成体积较大、质量较重以及庞大的动力电池组，所以通常用于大型客车。中央控制器根据SHEV的行驶工况，对动力电池组的放电进行模拟或仿真，随机检测动力电池组电状态，用动力电池组管理模块对动力电池组的放电和电量减少的情况进行模拟，并根据动力电池组和驱动电动机反馈的信息计算动力电池组的剩余电量，确定发动机-发电机组起动发电的时机和发电运行时间。控制系统能够在仪表板上显示剩余电量和剩余电量所能行驶里程，并进行对动力电池组的安全管理紧急事故处理等。控制系统中的检测装置及信号反馈包括各种车速表、里程表、发动机转速表、电量检测装置（电压表、电流表等）、显示装置和自诊断系统等。通过各种传感器将发动机­-发电机组、动力电池组和驱动电动机实际运转状态参数，反馈到中央控制器，经过计算机的计算，调整和把各个运行参数实时地显示在荧光屏上或发出报警，使驾驶员了解整车的车况，及时进行处理。SHEV的驱动电动机的供电模式见表4-4。SHEV的驱动电动机的供电模式和控制策略表4-4供电模式动力传递情况动力电池组供电(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)城市间道路行驶动力电池组、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）4.2.2并联式混合动力电动汽车（PHEV）PHEV(并联式混合动力电动汽车)是由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力组成,其发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成驱动系统。其动力流程如图4-10所示。图4-10并联式混合动力车动力流程图发动机和电动机通过变速装置同时与驱动桥直接相连接。电动机可以用来平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作，因为通常发动机工作在高负荷（中等转速）下燃油经济性较好。当车辆在较小的路面载荷下工作时，传统车辆发动机的燃油经济性比较差，而并联式混合动力汽车的发动机此时可以被关闭掉而只用电动机来驱动汽车，或者增加发动机的负荷使电动机作为发电机，给蓄电池充电以备后用（即一边驱动汽车，一边充电）。并联式驱动系统又两条能量传输线，可以使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车，如果其中的一条驱动线路出了问题，另一个仍然可以驱动汽车。这种设计方式可以使其以纯电动汽车运行，但是此时不能提供全部的动力能源。并联式混合动力车通常有以下四种合成驱动方式，如图4-11。A）驱动力合成B）双轴式扭矩合成C）单轴式扭矩合成D）转速合成

图4-11并联式混合动力车的四种驱动方式驱动力合成：汽车采用一个小功率的发动机，单独地驱动汽车的前轮。另外一套电动机驱动系统单独地驱动汽车的后轮，在汽车启动、爬坡或加速时增加混合动力汽车的驱动力。两套驱动系统可以独立地驱动汽车，也可以联合驱动汽车，使汽车变成四轮驱动的汽车。此种混合动力的汽车具有四轮驱动汽车的特性。扭矩合成（双轴式和单轴式）：发动机通过传动系统直接驱动混合动力汽车，并直接（单轴式）或间接（双轴式）带动电动/发电机转动向蓄电池充电。蓄电池也可以向电动/发电机提供电能，此时电动/发电机转换成电动机，可以用来起动发动机或驱动汽车。转速合成：发动机通过离合器和一个“动力合成器”来驱动汽车，电动机也是通过“动力合成器”来驱动汽车。可以利用普通内燃机汽车的大部分传动系统的总成，电动机只需通过“动力合成器”与传动系统连接，结构简单，改制容易，维修方便。通常“动力合成器”就是一个行星齿轮机构，这种装置可以使发动机或电动机之间的转速灵活分配，但它们合成在特定的“动力合成器”中，因为“动力合成器”使它们的转矩固定在汽车行驶时的转矩上，要用调节发动机节气门的开度来与电动机的转速相互配合，才能获得最佳传动效果，从而使得控制装备变得十分复杂。4.2.3混联式混合动力电动汽车（PSHEV）混联式混合动力电动汽车是综合SHEV和PHEV结构特点组成的另一种方案，由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。电动/发电机装在发动机的输出轴上，起到发动机飞轮和起动机的作用，保持发动机稳定运转并进行发电，因此电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，常用的合成方式有：驱动轴合成，驱动轮合成：1.驱动轴合成混联式混合动力电动汽车这种形式的PSHEV有发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力设备。在发动机轴上装置电动/发电机。发动机的动力经变速器、驱动电动机的动力经过减速器在动力合成器上进行合成，然后通过差速器和半轴带动车轮行驶。由于发动机上装有电动/发电机，然后发动机的动力和驱动电动机的动力通过动力合成器在驱动轴上进行合成，形成混合动力的PSHEV结构模式，故称为驱动轴合成混联式PSHEV。发动机是PSHEV的第一动力源。发动机的功率接近于车辆的驱动功率。发动机通过传动系统和动力合成器驱动车辆行驶，带动电动/发电机发电，在多能源动力控制模块控制下，实现起动-关闭的控制模式操作。在发动机的输出轴上，装有电动/发电机，通过对电动/发电机发电量的调控，来平衡和调节发动机的输出功率，使发动机保持平稳和最高效率运转。驱动电动机是PSHEV辅助动力系统，驱动电动机的功率与发动机接近，驱动电动机通过减速齿轮组（或减速器），将动力输入动力合成器，然后再通过过差速器、半轴驱动车轮行驶。驱动电动机有时要独立地驱动车辆，电动/发电机所发出的电能一般能够满足驱动电动机动力的需求，动力电池用电池组管理模块进行控制和管理。PSHEV用加速踏板、制动踏板、变速器操纵杆操纵装置等进行操纵。加速踏板与内燃机汽车的加速踏板作用相同，直接控制发动机的节气门开度，调节发动机的转速和输出的功率；加速踏板还控制驱动电动机的转速和输出的功率。制动踏板有双重作用，PSHEV滑行和制动时，控制再生制动能量回收，在紧急制动时控制常规ABS的制动系统进行制动。加速踏板、制动踏板、变速器操纵杆等位移信号转换为电信号输入中央控制器，用多能源动力总成管理系统控制发动机的运转，由于增加了电动/发电机，更加能够保持发动机高效率、低污染和在最佳效率范围内平稳运转，根据道路条件用变速器改变车辆行驶速度。在车辆加速或爬坡时，及时控制电动/发电机或驱动电机提供辅助动力。驱动轴合成PSHEV可以用电动/发电机向动力电池组充电，电池管理模块对电池组的充、放电及动力电池组中每个电池状态进行监控和检查，并具有安全保护的功能。对驱动电动机的起动、运转和关闭等发出指令，来保持动力电池组在规定的SOC范围内正常运转驱动模式有发动机驱动模式、电动机驱动模式、混合驱动模式和制动能量的回收等。发动机驱动模式是PSHEV的基本驱动模式，发动机通过传统的传动系统带动PSHEV行驶；驱动电动机能够独立地驱动车辆行驶，使车辆一定的独立行驶能力，增加车辆的机动性和灵活性；在车辆加速或爬坡时，发动机节气门开度最大，电动/发电机或驱动电动机也为发动机提供辅助动力，此时车辆采用混合驱动模式，车辆具有最大驱动力；在车辆滑行、下坡或制动时，能够回收再生制动时产生的能量。1）福特汽车公司Escape福特多功能运动汽车Escape使用了驱动轴合成混联式混和系统。其百公里综合油耗为5.9L/100km，续驶里程达到800km。动力性能基本上与装备V6汽油发动机的EscapeSUV相同。结构模型见图4-12。图4-12Escape混合动力汽车的结构形式1—电流转换器；2—中央控制器；3—发动机；4—电动/发动机；5—离合器；6—PTH动力组合器；7—驱动桥；8—行星齿轮组；9—减速；10—驱动电动机；11—动力电池组Escape从降低发动机的燃料消耗和排气污染着手，采用了“艾金森”循环的Zetec-4缸发动机。“艾金森”循环发动机有进气、回流、压缩、膨胀和排气5个冲程，由于“艾金森”循环能够减少泵气损失和优化膨胀比，同时保持压缩比恒定。它比传统4冲程的“奥托循环”的发动机更加节能，排放也能达到“超低排放”。Escape的动力合成器是一个用行星齿轮和传动齿轮组合而成的传动机构，用以协调发动机与驱动电动机在不同的驱动模式时，两种动力装置的运动和动力输出不发生干扰，发动机与驱动电动机在混合驱动模式时，输送给差速器的转速相同发动机的后面安装一台功率为28kW的电动/发电机，能够产生大的低速转矩，有利于帮助发动机快速起动，并能在发动机全部转速范围内发出稳定的电流；驱动电动机采用感应电动机，驱动电动机的功率为65kW，驱动电动机是经过动力合成器将动力传递到主减速齿轮和差速器动车辆行驶；电池采用轻型镍-氢动力电池组，由多个单元电池组成，动力电池组和DC/DC转换器布置在驱动电动机左右两侧的座位下面。发动机驱动模式是Escape的主要驱动模式，电动/发电机带动发动机起动后，一方面发动机的动力通过自动离合器、自动变速器、动力合成器和差速器，驱动车辆前轮行驶。另一方面带动电动/发电机发电，使发动机保持最佳效率状态运行。由于可以实现起动-关闭的控制模式，使得发动机始终保持低燃耗、高效率的平稳运转。当Escape在城市或低速行驶时，此时发动机关闭，由驱动电动机通过动力合成器驱动车辆行驶，充分发挥电动机在低转速-大转矩的特性，保持汽车低速稳定地行驶。在停车（红灯或暂时停车）时，发动机被关闭，驱动电动机提供车辆起步时所需要的动力。车辆在加速或爬坡时，发动机发出最大动力，同时驱动电动机也输出最大动力。在动力合成器的协调下，发动机和驱动电动机以混合驱动模式共同驱动汽车行驶，如果需要此时车辆可以发出最大的驱动功率。采用用驱动电动机反转来即可完成倒车。2）丰田汽车公司PriusPrius由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成，采用丰田汽车公司自行开发的“THS（ToyotaHybridSystem）混合动力系统”组成多能源动力系统。THS动力合成器的核心是用行星齿轮组组成的动力合成器（有的称为动力分配器），用于协调发动机、发电机和电动机的运行和动力传递。见图4-13图4-13Prius的THS系统结构形式1—发动机；2—电动/发动机；3—THS混合动力系统；4—驱动系统；5—驱动电动机；6—驱动轴；7—外齿圈；8—行星架；9—中心轮；10—行星轮Prius采用一台1.5L直列四缸汽油发动机，功率为52kW（2004款为58kw）。该汽油发动机采用“艾金森”循环，具有高经济性、高效率和低排放的特性。发动机的输出轴带动一个动力分配器，见图4-14，动力分配器将发动机的动力通过THS系统的传动轴驱动车辆行驶。另一方面通过动力分配器带动电动/发电机发电，并将其发出的电能储存到动力电池组中。图4-14THS系统动力分配示意图1—动力电池组；2—电流变流器；3—动力分配器；4—电动/发电机；5—发动机；6—THS混合动力系统；7—主减速齿轮；8—驱动电动机；9—车轮发动机的功率低于同级别普通内燃机汽车，始终保持在低油耗、高效率的转速范围内平稳地运转。在起动、加速和上坡等发动机动力不足时，由驱动电动机提供辅助动力。电动/发电机是一台小型的永磁交流同步电机。在汽车起动时，作为发动机的起动机，利用电动机低速大转矩的特点，快速地带动发动机起动。发动机正常运转后，电动/发电机即转换为发电机向动力电池组充电。电动/发电机的重要作用是起调节作用，保持发动机动力稳定、均衡的输出，减少发动机工作时的振动。驱动电动机也是一台永磁交流同步电动机，功率为33kW，电动机的工作电压为288V(2004款为500V/50kw)。在用电动机驱动时，由动力电池组提供的电能驱动车辆行驶。Prius采用镍-氢电池，单体电池的电压为1.2V，由多个单体电池串联为动力电池组。镍-氢电池的比功率为铅酸电池的3倍，而且密封性好，寿命长，直接由电动/发电机进行充电，不需要另外充电。在电能输入时，将发电机的电能转换为直流电，储存到动力电池组中。在电能输出时，将动力电池组的直流电转换为三相交流电，供给驱动电动机。电流变换器线路系统采用智能模块进行自行控制。“THS混合动力系统”，是Prius的核心控制装置（见图4-14）。利用行星齿轮机构，发动机输出轴与行星齿轮架相连接，电动/发电机与太阳轮相连接，驱动电动机与行星齿轮外齿圈相连接，THS驱动系统主减速器的主动齿轮也与行星齿轮齿环相连接。“THS混合动力系统”的行星齿轮机构可以充分满足车辆用任何一种独立驱动模式或任何一种混合驱动模式，平稳有序的运转来带动车辆行驶，不会发生任何的运动干扰。用多能源动力总成控制模块，随机地转换车辆的驱动模式，使发动机和驱动电动机始终保持最佳效率状态。THS系统的主要特点是通过计算机控制的多能源动力控制模块，按车辆行驶工况的变化，在发动机动力不足时，自动起动驱动电动机来补充发动机的动力。THS系统利用电动机低速-大转矩的特点，首先用驱动电动机起步，达到1档行驶速度以后，才由电动/发电机带动发动机起动；停车、低速行驶和发动机处于低效率工作范围时，多能源动力控制模块控制发动机自动关闭，并转换为驱动电动机驱动模式。发动机采取了“起动-关闭”的控制模式进行控制，并按预先设置发动机最佳工作运转范围，可以大量节约燃料和降低有害废气的排放。在THS设定的控制模式控制下，根据车辆行驶工况和发动机的运行状态，自动调节电控节气门的开度，使发动机始终保持在ECU设定的最佳效率范围内稳定地运转，以保证最好的燃油经济性。当驾驶员踩下加速踏板时，加速踏板行程量转换为电量信号输入THS系统，经过计算向电控节气门发出指令，用多能源动力总成控制模块控制，根据车辆的状态，确定发动机的运行状态。并根据电池管理系统模块反馈的信息来起动发动机带动电动/发电机发电，补充动力电池组的电量。THS系统相当于一个电控自动无级变速器，能够对驾驶员的操作快速作出响应，在车辆起动时，充分利用驱动电动机低速-大转矩的特点使车辆快速起动。在混合驱动时，用多能源动力总成控制模块控制驱动模式的转换，在车辆加速和爬坡时，准确的协调发动机和驱动电动机的驱动力，使发动机与驱劝电动机有最佳动力匹配，因此，车辆有良好的加速性能和爬坡性能。在制动时能够有效地回收再生制动能量，制动能量的回收可以使整车效率提高20%，是内燃机汽车所不能做到的。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的前驱动轮（或后轮）行驶。在结构上与普通话的内燃机汽车没有太大的区别，但发动机的功率小于同级别的内燃机汽车与PHEV的区别:驱动轮动力合成式PSHEV上，发动机还要带动一个电动/发电机，电动/发电机可以调节发动机的输出功率，保持发动机稳定地运转，使发动机经常处于最佳效率状态，可以降低发动机的油耗和有害气体的排放，达到节能和“超低排放”的目的。驱动电动机能够独立地驱动车辆前驱动轮（或后轮）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，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。由于发动机传动系统和驱动电动机驱动系统各自独立，最终各自驱动力传递到驱动轮上进行合成，要求多能源动力总成管理系统控制模块能够根据车辆行驶的不同工况，协调前驱动轮和后驱动轮的驱动力，不发生打滑或拖带现象，使驱动系统保持最高效率，要求控制系统有快速的响应。1）通用汽车公司Parallel

Parallel是属于驱动轮动力合成PSHEV。装有发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成。最大功率可达到160kW，0～96km/h的加速时间为7s。Parallel的结构模型，见图4-15。

图4-15驱动轮动力组合的结构形式1—电流转换器；2—充电器；3—驱动电动机驱动桥；4—电力电池组；5—中央控制器；6—电动机/发电机；7—变速器；8—发动机该车装有一台日本五十铃汽车公司制造的3缸1.3L直喷式柴油机，采用了稀薄燃烧、压缩点火、涡轮增压的技术，功率达到55kw。柴油机装有内置平衡轴，可以抵消三缸发动机本身的小振幅的振动，保持在高效率状态下平稳运转。该发动机通过5档变速器驱动后轮行驶。发动机带动一个无刷直流电动/发电机发电，向动力电池组充电。电动/发电机发电的功率为4.5kW。电动/发电机作为发动机的起动机和飞轮的作用，并且可由发动机带动发电。Parallel采用了EV-1电动汽车的交流感应电动机，功率为100kW，最高速达到15000r/min。通过减速器独立地带动汽车前轮行驶，与EV-1电动汽车有一定的通用性。该车采用镍电池作为动力电池组，电池组分别布置在座位下面。在制动时储存制动回收的电能。2）丰田汽车公司Estima-FourEstima-Four是4轮驱动PSHEV。该车由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。装有丰田公司自行开发的四轮驱动系统，可以以发动机驱动前轮，电动机驱动后轮的4轮驱动驱动模式进行行驶。Estima-Four的结构模型,见图4-16。图4-16Estima-Four混合动力汽车的结构形式1—燃油箱；2—发动机；3—传动机构；4—前驱动桥；5—电动/发电机；6—电动/发电机的传动装置；7—动力电池组；8—电流交换器；9—驱动电动机该车的发动机采用了丰田公司的新型的2.4L汽油发动机，特点是采用了“艾金森”循环、高膨胀比、大功率、大转矩；使用可变正时气门（VVT-I）系统，可以进一步提高燃烧效率，具有良好的经济性；排放中CO、HC和NOX的排放量仅为传统内燃机轿车的1/12；发动机采用铝合金制造的缸体，在结构上作了进一步的改进，使得发动机的尺寸和质量都比传统的发动机有所减小和减轻。该发动机工作时，不仅有足够的驱动力，而且能够带动电动/发动机发电，满足自行充电的要求，保障驱动电动机工作时能提供足够的电能，电动/发动机还兼有发动机起动和功率平衡作用。驱动电动机装在车辆的后部，它通过驱动系统和后驱动桥带动后轮行驶。该车采用了丰田公司的THS-C驱动系统。THS-C驱动系统将发动机、电动/发电机、驱动电动机组成新的驱动轮动力合成式混合驱动系统，在发动机-驱动电动机混合动力驱动时，调节前后驱动轮的驱动力，使发动机和驱动电动机的动力匹配达到最佳效果。该系统有以下特点：控制前电动/发电机与发动机共同组成（转速合成）混合驱动模式；控制发动机与驱动电动机共同组成（驱动力合成）混合驱动模式；前电动/发电机与驱动电动机共同组成“双电动机”（驱动力合成）混合驱动模式，有效地提高车辆的总驱动力，双电动机驱动可以更好地发挥电动机在低速大转矩的特性，特别适应湿滑道路和泥泞道路，低速越野行驶时有强劲的驱动力和附着力。双电动机驱动模式是丰田汽车公司的首创。4.3燃料电池汽车燃料电池（Fuelcell）是一种将燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”，1839年英国物理学家廉·格拉夫爵士成功地实现了电解水的逆反应，产生电流。20世纪六七十年代，美国开始将燃料电池用于“双子星”号和“阿波罗”号航天飞机，80年代后用在潜艇上作为动力源，以后才向电动汽车方向发展。根据传统的习惯，把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”仍然称为燃料“电池”，但其与一般的化学电池是完全不同的工作原理。燃料电池的能量转换方式是燃料的化学能直接转换为电能，燃料电池能够使用多种燃料，可以是石油燃料也可以是有机燃料，并可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，以氢作为燃料电池的燃料，燃料电池能量转换不受卡诺循环规律的限制，热效率要高得多。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，没有振动与噪声。燃料电池负极侧为氢极（燃料极），输入氢气，正极侧为氧化极，输入空气或氧气。正极与负极之间为电解质，电解质将两极分开。不同种类的燃料电池采用不同的电解质，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。在燃料电池中燃料与氧化剂经催化剂的作用，在能量转换过程中，经过电化学反应生成电能和水（H2O），不产生氮氧化物（NOx）和碳氢化合物（HC）等。燃料电池与普通蓄电池的区别在于：①燃料电池是一种能量转换装置，在工作时必须有能量（燃料）输入，才能产出电能。普通蓄电池是一种能量储存装置，必须先将电能储存到电池中，在工作时只能输出电能，不需要输入能量，也不产生电能，这是燃料电池与普通蓄电池本质的区别；②一旦燃料电池的技术性能确定后，其所能够产生的电能只和燃料的供应有关，只要源源不断对地供给燃料，就可以源源不绝的产生电能，其放电特性是连续进行的。普通蓄电池的技术性能确定后，只能在其额定范围内输出电能，而且必须是重复充电后才能重复使用，其放电特性是间断进行的；③燃料电池本体的质量和体积并不大，但燃料电池需要一套燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备，才能获得氢气，而这些燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备的质量和体积远远超过燃料电池本身，在工作过程中，燃料会随着燃料电池电能的产生逐渐消耗，质量逐渐减轻（指车载有限燃料）。普通蓄电池没有其他辅助设备，普通蓄电池在技术性能确定后，不论是充满电还是放完电，蓄电池的质量和体积基本不变；④燃料电池是将化学能转变为电能，普通蓄电池也是将化学能转为电能，这是它们共同之处，但燃料电池在产生电能时，参加反应的反应物质在经过反应后，不断地消耗不再重复使用，因此，要求不断地输入反应物质。普通蓄电池的活性物质随蓄电池的充电和放电变化，活性物质反复进行可逆性化学变化，活性物质并不消耗，只需要添加一些电解液等物质。由于氢可以从水中制取，可以说是一种取之不尽的燃料，所以有人把燃料电池看作是未来的车用动力能。当然目前还存在许多技术和使用条件上的问题,如氢的制取、保存安全、价格及供气网络；燃料电池用金属催化剂全球产量的限制；燃料电池供电性能与汽车运行方式的匹配等等。制造成本昂贵是首当其冲需要解决的。随着技术和社会的发展，特别随着汽、柴油的不可再生能源的日趋枯竭，具有高效率、零污染、低噪声的燃料电池会一步一步的进入汽车动力机械领域，取得其应有的地位。4.3.1燃料电池的种类和及其特性按燃料电池的运行机理分，有酸性燃料电池和碱性燃料电池;按电解质的种类分，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。因此，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。其中，磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以冷起动和快起动，可以用作移动电源，适应FCEV使用的要求。按燃料类型分,有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷、汽油、柴油和天然气等，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气。按燃料电池的工作温度分，有低温型(低于200℃)、中温型(200～750℃)、高温型(高于750℃)。在常温下工作的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池（PEMFC）,需要采用贵金属作为催化剂。燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。体积较小，质量较轻。但催化剂铂(Pt)与工作介质中的一氧化碳（CO）发生作用后会产生“中毒”而失效，使燃料电池效率降低或完全损坏。而且铂(Pt)的价格很高，增加了燃料电池的成本。高温（600～1000℃）燃料电池，例如熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），不需要采用贵金属作为催化剂。但由于体积大，质量重，工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，适合用于大功率的发电厂中。最实用的车用燃料电池是以氢或含富氢的气体燃料，由于在自然界不能直接获得氢，燃料电池氢的来源通常是以石油燃料、甲醇、乙醇、沼气、天然气、石脑油和煤气中，经过重整、裂解等化学处理后来制取含富氢的气体燃料。氧化剂则采用氧气或空气，最常见的用空气作为氧化剂1.碱性燃料电池（AFC）碱性燃料电池的电解质为碱性的氢氧化钾（KOH），故称为碱性燃料电池。碱性燃料电池以吸附氢氧化钾（KOH）的石棉膜为电解质，在燃料电极处以多孔镍（Ni）或铂(Pt)、钯（Pd）（高性能时采用）为催化剂。在氧电极处以多孔银（Ag）或金属氧化物、尖晶石等为催化剂。碱性燃料电池一般以石墨、镍和不锈钢作为碱性燃料电池的结构材料。碱性燃料电池的工作原理如下：燃料电极（负极）上产生的化学反应：(4-6)氧电极（正极）上产生的化学反应：(4-7)碱性燃料电池总的化学反应如下：(4-8)氧电极在碱性电解质的极化要比在酸性电解质的极化小得多，还可以用非贵重金属作为催化剂，碱性燃料电池的结构材料价格比较低廉。碱性燃料电池可以通过对氢燃料量的控制，实现对发电量的控制。碱性燃料电池需要以纯氢（H2）为燃料，如果燃料中含有碳，碳与氧反应生成一氧化碳（CO），起催化剂会产生“中毒”现象而逐渐失效，使燃料电池效率降低或完全损坏，二氧化碳（CO2）也会被碱性溶液所吸收化合成碳酸盐，因此碱性燃料电池的燃气必须经过处理来清除一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）后方能使用。碱性燃料电池的工作温度低，其余热利用价值较低。另外在阳极上铂(Pt)的用量大，使得碱性燃料电池的成本增加。碱性燃料电池最早用于“阿波罗”登月舱、航天航空飞船和飞机上，近年来电动汽车上已考虑采用碱性燃料电池作为能源。2.磷酸燃料电池（PAFC）磷酸燃料电池是以磷酸为电解质，故称为磷酸燃料电池。由燃料电极、隔板、隔膜、空气电极（氧电极）和冷却板组成。在燃料极处采用铂(Pt)、石墨（多孔）0.25mg/cm2为催化剂，在氧电极处也采用铂(Pt)、石墨（多孔）0.5mg/cm2为催化剂。催化剂的基底装在碳化硅的容器中，在容器中灌入磷酸作为电解质。氧电极和燃料电极的外侧为石墨复合材料的多孔质夹层，供燃料或空气（氧气）在其中流动。图4-17磷酸燃料电池单元电池的结构示意图图4-17磷酸燃料电池单元电池结构示意图a）单体磷酸燃料电池；b）层叠式磷酸燃料电池组1—负极集流体加强肋；2—隔离板、集流板；3—正极集流体加强肋；4—空气通道；5—正极；6—电解质基体；7—负极；8—燃料气体通道；9—负极集流体加强肋；10—隔离板、集流板（以下连续层叠成为电池组）在电池盒的上下两侧为燃料气体通道和空气通道，燃料气体和空气通过石墨复合材料的多孔质夹层，然后在磷酸电解质层的夹层中进行化学反应，其化学反应温度为150～220℃。通常磷酸燃料电池是用甲醇经过重整处理转化的氢（H2）为燃料，氢（H2）不断地输入到燃料极石墨多孔质燃料夹层中，约80%以上分解为氢离子，经过多孔质催化剂层和只能够通过氢离子(H-)的高分子电解质膜，移动到氧电极处与氧（O2）发生氧化反应。在氧电极处，经过滤的氧气或空气，源源不断地进入氧电极石墨多孔质空气夹层中，使得磷燃料电池能够源源不断地产生电能。磷酸燃料电池的工作原理如下：燃料电极（负极）上产生的化学反应：(4-9)氧电极（正极）上产生的化学反应：(4-10)总的化学反应：(4-11)磷酸燃料电池在以甲醇或丙烷等燃料时，甲醇或丙烷必须经过燃料重整处理后才能转化成为氢气（H2），因此，重整器是磷酸燃料电池必须的辅助设施。采用增加对燃料气体的压力和提高燃料气体温度的技术措施，能够使得化学反应更加完全，可以提高磷酸燃料电池的性能，并且还可以提高重整器的效率。对减轻磷酸燃料电池及燃料电池辅助装置总质量，以及减轻电动汽车的整备质量有重要意义当磷酸燃料电池的温度低于130℃时，磷酸燃料电池不会发生化学反应。要启动磷酸燃料电池系统，必须应用辅助燃烧器来加热蒸发器，直到磷酸燃料电池温度超过130～180℃时，磷酸燃料电池才会发生化学反应。在常温条件时，启动磷酸燃料电池系统，需要1小时左右。磷酸燃料电池是燃料电池中技术最成熟的一种，已开始在电动汽车上应用，在重型电动汽车上采用磷酸燃料电池试验表明，磷酸燃料电池有良好的使用性能。磷酸在180～220℃的工作温度下，性能稳定，能够自行排水。磷酸燃料电池能够耐受CO，在150℃时铂(Pt)能够耐受5%的CO。但不能耐受硫（S），可以采用除硫（S）后的“粗氢气”作为燃料来降低使用成本。在反应过程中温度稳定，余热的利用率高，余热可用于电池内部加压和重整，或作为一般性能供热。但磷酸燃料电池需要用贵重金属铂(Pt)作为催化剂，使用成本高。氧电极极化大、消耗大，对燃料气体的质量要求较高。3.氢离子固体聚合物燃料电池（SPEFC）氢离子固体聚合物燃料电池的电解质是固体聚合物，因此，称为固体聚合物燃料电池。由氧电极、燃料电极、电解质和催化剂组成。在氧电极处输入空气或氧气，在燃料极输入氢气。在氧电极与燃料电极处都采用了铂(Pt)作为催化剂。氢离子固体聚合物燃料电池采用钛(Ti)、钕（Nd）作为电池的结构材料，其化学反应温度为50～100℃。氢离子固体聚合物的工作原理如下：燃料电极（负极）上产生的化学反应：(4-11)氧电极（正极）上产生的化学反应：(4-12)氢离子固体聚合物燃料电池基本结构及工作原理见图4-18.图4-18氢离子固体聚合物燃料电池结构及工作原理1—多孔质燃料夹层；2—氢电极；3—负载；4—氧电极；5—多孔质空气夹层氢离子固体聚合物燃料电池采用了固体聚合物作为电解质，具有稳定的反应界面，结构紧凑，坚固可靠，能够适应移动设备使用。可用简单的吸水芯来排除反应产生的水分。但它需要用贵重金属铂(Pt)作为催化剂、催化剂不能耐受一氧化碳（CO）的侵蚀，在燃料供应装置中需要增加除一氧化碳的装置使得装备尺寸和质量增加。固体聚合物价格高，增加了使用成本。工作温度较低，余热的利用价值小。4.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）熔融碳酸盐燃料电池以多种碳酸盐混合物作为电解质，故称为熔融碳酸盐燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池以多种碳酸盐Li2CO3以及K2CO3混合物作为电解质，电解质被吸收到铝酸锂陶瓷片中，熔融碳酸盐燃料电池由氧电极、燃料电级、电解质和催化剂等组成。在氧电极处输入空气或氧气，在燃料电极输入氢气。在氧电极采用了掺锂（Li）的氧化镍作为催化剂，在燃料电极采用了多孔镍(Ni)作为催化剂。可以用镍(Ni)或不锈钢作为电池的结构材料，其化学反应温度为600～650℃。熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如下：燃料电级（负极）上产生的化学反(4-13)(4-14)熔融碳酸盐燃料电池在整个化学反应过程中，CO2参与全过程，在氧电极处CO2是消耗反应，在燃料电极处CO2是析出反应，而且不断地在燃料电池中循环，还要对CO2中的氢（H2）进行催化处理，化学反应过程十分复杂，使得熔融碳酸盐燃料电池的结构和控制变得很复杂。熔融碳酸盐燃料电池可以采用非贵重金属作为催化剂，降低使用成本。能够耐受CO和CO2的作用，可采用富氢燃料。用镍（Ni）或不锈钢作为电池的结构材料，材料容易获得并且价格便宜。熔融碳酸盐燃料电池为高温型燃料电池，余热温度高，余热可以充分利用。以Li2CO3及K2CO3混合物做成电解质，在使用过程中会烧损和脆裂，降低了熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命，其强度与寿命还有待于进一步解决。在整个化学反应过程中，CO2要循环使用，从燃料电极排出的CO2要用经过催化H2的处理后，再按一定的比例与空气混合送入氧电级，CO2的循环系统增加了熔融碳酸盐燃料电池的结构和控制的复杂性。5.固体氧化物燃料电池（SOFC）固体氧化物燃料电池的电解质是固体氧化物，催化剂和电池的结构材料，也都是固体氧物。故称为固体氧化物燃料电池。固体氧化物燃料电池电解质是Y0.1Zr0.9O2固体氧化物。电池由氧电极、燃料电极、电解质和催化剂等组成。固体氧化物燃料电池的电解质、电极、催化剂和电池的结构材料都是固体氧化物。氧电极处采用Sr0.1La0.9MnO.3固体氧化物为催化剂，在燃料电极处采用Ni(NiO)+Y-ZrO2固体氧化物为催化剂。用Sr0.1La1.0Cr0.9O3或Mg0.1La1.0Cr0.9O3固体氧化物作为电池的结构材料，用Al2O3、Ca0.1Zr0.9O2固体氧化物作为结构材料支撑管。固体氧化物燃料电池在燃烧反应过程中的温度可达800～1000℃。可以直接使用甲醇和烃类燃料。固体氧化物燃料电池的工作原理如下：燃料电极(负极)上产生的化学反应：(4-15)氧电极(正极)上产生的化学反应：(4-16)固体氧化物燃料电池的基本结构及工作原理见图4-19、图4-20。图4-19固体氧化物燃料电池的基本结构1—多控制燃料夹层；2—氢电极；3—负载；4—氧电极；5—多孔质空气夹层图4-20固体氧化物燃料电池工作原理1—空气；2—多孔性支撑；3—点连接条；4—负极；5—电解质；6—正极由于固体氧化物燃料电池可以用煤作为燃料，扩大了燃料电池燃料的来源，而且煤来源广泛和成本低廉。固体氧化物燃料电池的关键技术是固态固体氧化物材料制取和制作工艺，在采用板式结构和整体结构时，板式结构形式的单元电池与固体氧化物燃料电池整体结构的形式相似，因为固态固体氧化物材料是一种陶瓷材料，不易保证其在棱角处的密封性，会发生气体的泄漏，为了解决固体氧化物燃料电池的密封性，采用了管状结构，管状结构制造工艺也很复杂，并且会增加结构的整体尺寸。固体氧化物燃料电池在高温条件下可以不用催化剂即可发生化学反应。由于采用全固态固体氧化物的催化剂，在电池中不会发生酸、碱或熔融盐等对电池结构材料腐蚀。可实现内重整，使固体氧化物燃料电池结构可以进一步简化。由于在化学反应过程中温度达到800～1000℃，所产生的热量可用来加热空气和甲醇等燃料，利用余热时的热效率约60%，不利用余热时的热效率约45%。全固态固体氧化物材料制取困难和制作工艺复杂，由于它性脆易裂，在制成固体氧化物燃料电池所需要的大面积的薄壳结构时，会大量地增加了固体氧化物燃料电池制造成本。固体氧化物燃料电池的工作温度为800～1000℃，需要采用隔热材料来隔热，热转换效率比熔融碳酸盐燃料电池低。6.质子交换膜燃料电池（PEMFC）质子交换膜燃料电池又名固体高聚合物电解质燃料电池，质子交换膜燃料电池用可传导质子的聚合膜作为电解质，这种聚合膜具有选择透过离子的功能，是质子交换膜燃料电池的关键技术。20世纪60年代，美国开始将质子交换膜燃料电池（PEMFC）用于电动汽车，经过20多年的发展和改进，质子交换膜燃料电池的性能有了快速地提高，美国DuPont公司开发的全氟质子交换膜已在质子交换膜燃料电池广泛使用。加拿大Ballard公司在质子交换膜燃料电池的开发方面处领先地位，研制了105kW级的质子交换膜燃料电池，1995～1999年间组成采用质子交换膜燃料电池的75座205kW的大客车车队，载客20人，最高车速72km/h，采用碳吸附储氢装置，可以连续行驶480km。质子交换膜燃料电池有比功率大、起动快、寿命长、体积小、工作温度低、能耗少、能量转换效率理论上可达到80%，现在各国研发的水平已达到50%～60%，另外还有设计制造容易等优点，有利于在电动汽车上布置，并能减轻电动汽车的整备质量。质子交换膜燃料电池用可传导质子的聚合膜作为电解质，这种燃料电池也叫做聚合物电解质燃料电池（PEFC）、固体聚合物燃料电池（SPFC）或固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键技术，由于一般的普通电解质膜性能达不到要求，使得质子交换膜燃料电池长期以来没有得到发展，美国杜邦（DuPont）公司开发了全氟离子交换膜，以及氟磺酸离子交换膜出现后，质子交换膜燃料电池才重新得到迅速的发展。图4-21为质子交换膜燃料电池的构造的示意图。图4-21质子交换膜燃料电池的构造1-燃料夹层；2-氢气通道；3-氢电极；4-电流及负载；5-氧电极；6-空气夹层；7-空气通道；8-催化剂Pt夹层质子交换膜燃料电池单体，由氧电极、燃料电极和质子交换膜、功率调节系统等组成。辅助系统由燃料循环系统、氧化剂循环系统、热交换器、系统温度、压力自动