王瑜

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汽車綠色能源解決方案探討

王瑜

（江蘇省交通技師學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

文章通過對公開發(fā)表的文獻資料的收集整理，結合當前汽車動力驅動領域的現(xiàn)狀，探討了不同種類的替代能源在乘用車上存儲的可能性，如鋰基電池、光伏板轉化太陽能、核能等，但它們本身都存在不同程度的缺點，最近出現(xiàn)的使用氫燃料電池作為動力的汽車似乎是更好的解決方法，盡管此方法早就出現(xiàn)，但最近市場上推出的幾款乘用車的安全使用方式為我們提供了真正的綠色能源解決方案的參考。

氣候變化；乘用車能源；鋰基電池；太陽能；核能；燃料電池；氫能儲存

前言

眾所周知，地球的溫度上升與大氣中CO2的含量有很大的相關性，如圖1所示。我們身邊的媒體都報道說CO2的產生都是由燃燒化石燃料導致，如果全面而詳細地分析CO2的分布，我們不難發(fā)現(xiàn)，CO2的產生其實還有更多的來源，如圖2所示。

如果按人類活動的類別來分析CO2來源組成比例，如圖3所示；其中交通方式中產生CO2的比例如圖4所示。

圖1 CO2與地球溫度的關系

圖2 CO2的來源分布

從以上數(shù)據(jù)分析，不難發(fā)現(xiàn)乘用車產生的CO2在年度排放總量中僅占了很小的比例（總計4%*19%*31%=0.23%），那我們還有強烈的必要去改變現(xiàn)有基于化石燃料的汽車的能源結構嗎？這個回答是肯定的。因為現(xiàn)有化石燃料能源總量有限，并終有一天會消耗殆盡。

圖3 人類活動產生CO2的比例

圖4 交通方式產生CO2的比例

1 氫燃料

內燃機使用其他類型燃料的關鍵所在，即是HC，HC的來源有很多，諸如各種植物、生物、沼氣等等，它燃燒以后都會生成H2O和CO2。其中的氫可以直接注入內燃機，并且燃燒后只會產生H2O。這種能源的使用方法，有早前很多文獻中均有提及，但并未得到廣泛的推廣，原因有以下幾個：H2是活躍氣體、難以儲存、密封口處的細微滲漏都會引發(fā)爆炸、發(fā)生事故時，極易引發(fā)爆炸、燃燒沒有火焰等等。迄今為止，H2的有效儲存方法只有三種：

（1）氣體狀態(tài)：這種方法將H2以70 MPa的壓力儲存在容器中，由于70 MPa的壓力儲罐十分危險，儲罐就體積和重量都必須夠大，才能保證安全。

（2）液體狀態(tài)：與氣體狀態(tài)儲存相比，此種方法不需要大體積、大重量的儲罐，只需提升氣體的密度即可，但這種方法需要極低的溫度（-253℃）才能儲存，這無形中又增大了投資，液氫儲罐結構如圖5所示。

（3）以金屬氫化物形態(tài)：氫與金屬粉末通過放熱化學反應化合而成，它的物質特性是能量密度低，而制作成本高。

與其他大多數(shù)燃料雖能量消耗低但排放高且不能大規(guī)模應用的特點相比，氫的性價比更高。內燃機使用氫作為燃料時也出現(xiàn)一系列問題：火焰?zhèn)鞑ニ俣冗^高，爆燃率高，易發(fā)生回火等。

1-內部儲罐；2-外部儲罐；3-加注管；4-固定部件；5-液態(tài)氫； 6-氣態(tài)氫（20~80℃）；7-熱閥體；8-絕緣體；9-隔熱罩；10-出氣口； 11-液位傳感器；12-液氫出口；13-電加熱器；14-加注連接器； 15-冷閥體；16-熱交換器；17-安全限壓閥總成

2 BEV純電動汽車

純電動汽車很早以前就已經(jīng)出現(xiàn)，近年來重新盛行開來。早在一百年前，有幾種電動汽車就已經(jīng)在馬路上馳騁了。后來，隨著使用汽油為燃料的機械技術的發(fā)展，內燃機以其價格低廉，能量大，獨立性高的特性，逐漸占據(jù)主導地位。當下，由于有限的汽油儲量，經(jīng)濟危機、人類活動造成的環(huán)境污染等多方面原因，人們重新關注起電動汽車。

在目前市場上廣泛應用的幾種驅動電機中，效率最高的要數(shù)永磁同步電機（PMSM）。電子技術尤其是電力電子設備的發(fā)展，為使用逆變器驅動永磁電機提供了更優(yōu)化的方案，而且逆變器中還裝備有整流器，這就可以實現(xiàn)通過永磁電機為電池充電，因此能量的雙向傳遞得以保證。使用這種方法，車輛在制動或者下坡時，就可以實現(xiàn)能量回收，純電動汽車能量轉換電路如圖6所示。

圖6 BEV中能量轉換電路示意圖

動力電池也可以通過電網(wǎng)進行充電，如插電式電動車（PEV）。它由磁場定向異步電機驅動。

電動汽車的主要癥結仍然是電能的儲存，現(xiàn)有的幾種電化學電池的能量與功率關系如圖7所示。

圖7 不同種類電池的能量與功率密度圖

從上圖可以看出，鋰聚合物電池表現(xiàn)出最好的能量與功率密度特性。同時它也有自身的很多缺陷，如對電流和溫度條件要求較為嚴格、地球上的鋰礦儲量有限、關鍵一點，鋰的開采以及提取環(huán)節(jié)污染非常嚴重。

當下，市場上的幾大汽車制造商已經(jīng)推出了數(shù)款不同類型的BEV或PEV。其中最有代表性的當屬特斯拉 S系列，該車具有優(yōu)越的動力學特性，并且裝備了60 KWh的鋰電池，使其能以88 km/h的勻速理想工況下行駛370 km。若考慮到現(xiàn)實中不同工況與條件下的功率消耗，該車以130km/h的速度在高速公路行駛時，續(xù)航里程則降至120 km，而且在使用增壓器的條件下也需要75分鐘時間才能完全充滿電，而這已經(jīng)不再滿足現(xiàn)如今人們的生活需求。

混合動力汽車（HEV）似乎是一個可行的折中方案，但考慮其造價昂貴的缺點，HEV的能量消耗還不足以低到能使其成為當下柴油發(fā)動機的完美替代品。

3 太陽能車輛

以一款小型電動乘用車：第二代Smart Fortwo ED（電動車）為例，該車的電力驅動的持續(xù)功率有20 kW，如圖8（a）所示?？紤]到電機驅動過程中的動力損失，為了能保證20 kW機械功率的持續(xù)輸出，意味著至少需要提供25 kW的功率，而如果全部由太陽能來供電，則需要面積達100 m2的太陽能板才能符合要求，這已經(jīng)不太現(xiàn)實了。使用太陽能驅動車輛也有一些實例，澳大利亞大學生成功造出的一款世界上跑得最快的太陽能汽車Sunswift IVy，這輛車的外觀仿佛一架飛機，它以88 km/h的速度改寫了吉尼斯世界紀錄，如圖8（b）所示，但這僅限于一些試驗車輛，而非乘用車。

圖8 Smart Fortwo ED（a）與Sunswift Ivy（b）

太陽能汽車接受太陽光的照射而驅動，如果沒有太陽光的照射呢？那勢必還需要一個間歇的能量儲存裝置——電池。而鋰離子電池的效率大致在80%-90%之間。

4 核能

早在1957年，福特推出了第一部的核動力概念車Nucleon，21世紀凱迪拉克又有了全新的WTF。其使用的原料是元素釷。釷是一種放射性的金屬元素，在核反應中可以轉化為原子燃料鈾-233。1克釷所釋放的能量相當于3.5~3.8噸碳，即超過3000升常規(guī)燃料所提供的能量。而其輻射則會影響300年，就核電廠而言，這個輻射影響會達到幾千年。有一個重要問題必須要考慮，萬一車輛發(fā)生車禍，那泄露的核輻射將造成巨大災難。另外一點，核能生產過程中會生成副產品——釙元素，這是制造核武器的原料，國家絕對不會允許普通民眾通過購買乘用車就有機會接觸到此類危險材料。

有些地方也針對核能作為汽車動力開展了一些試驗。凱迪拉克就推出了一款未來概念車——Cadillac WTF，如圖9所示。這款概念車的全稱是Cadillac World Thorium Fuel concept，簡單來說是用上一套由Laswer Power System所開發(fā)，以小量釷元素做能源的輻射系統(tǒng)，再以之來加熱水產生水蒸氣，從而帶動引起的渦輪去推動汽車本身。

圖9 Cadillac WTF概念車（a）與核動力熱像（b）

5 燃料電池

燃料電池概念最早由W.R. Grove于1839年提出，但其中使用到的厚度僅為50~200 μm的含氟聚合物膜直到1960年才由W. Grot發(fā)明出來。有了質子交換膜就可以制作質子交換膜電池（PEM-cell），在電池中可實現(xiàn)充電分離。氫質子擴散至膜的另一側與空氣中的氧結合發(fā)生反應。電子在另一條單獨的路徑上產生電能，而這個氧化反應的最終產物只有一個，純水（H2O）。燃料電池的工作原理如圖10所示。

圖10 PEM（質子交換膜）電池與氫燃料電池

6 氫燃料電池

氫燃料電池的在乘用車上的應用為綠色能源解決方案提供了切實可行的途徑。豐田公司自1992年起就開始研制此項技術，當時受限于種種因素才沒有開發(fā)新車型，而是采用那時候成熟的汽油車平臺去改造成氫燃料電池車，直到2015年才將燃料電池汽車Mirai FC 推出市場。豐田Mirai FC汽車動力傳遞路線如圖11所示。市場上應用類似技術的車型有現(xiàn)代途勝燃料電池車，本田Clarity 燃料電池車奧迪Q6 H-tron氫燃料動力車或者大眾高爾夫Sport Wagen HyMotion。豐田董事長，“普銳斯之父”內山田竹志曾表示：如果說汽車使用以來的頭一百年由汽油支配，那未來氫動力將引領汽車發(fā)展數(shù)百年。

圖11 豐田Mirai FC 汽車動力傳遞路線示意圖

豐田 Mirai FC 的最大續(xù)航里程達650 km，并且完全加滿氫的時間僅為3~5 分鐘，這與常規(guī)動力汽車不相上下，最高行駛速度達175 km/h，最大扭矩335 Nm。車身后部有兩個儲氣罐，容積分別為60L和62.4L，儲氣壓力可達70 MPa，儲存氫的總質量有5 kg。儲氫罐可分為三層，即內層、中間層和外層。內層采用高分子聚合物，與氫氣接觸不發(fā)生反應；中間層是高壓氣罐最重要的一層，采用“熱塑性炭纖維增強塑料”；外層采用玻璃纖維增加聚合物材料。這種碳纖維+凱夫拉復合材質的高壓儲罐，堅固程度大大增加，甚至能抵御輕型槍械的攻擊。儲氫罐上裝有止逆閥式易熔塞泄壓閥，在車輛著火的情況下，易熔塞會受熱熔化并強制地排出氫氣。當車速在80 km/h以下發(fā)生追尾事故并不會對儲氫罐造成任何損傷。儲氫罐結構如圖12所示；加注口以及在汽車上的位置如圖13所示。

1-內層；2-中間層；3-外層

圖13 儲氫罐在整車上的位置與加注口

豐田Mirai FC不僅僅是一輛氫燃料電池車，它還是一臺小型發(fā)電機。區(qū)別在于原料由汽油換成了氫氣。當Mirai FC停在車庫的時候，可以通過插座向電子產品供電，并且Mirai FC的供電對象不僅限于電子產品，甚至當家里停電時，借助汽車上的交流充電口也可維持家用電器一段時間的正常運行，供電量達60 kWh，最大供電量達9 kW，這足以滿足普通家庭的日常消耗，如圖14所示。而這對于像日本、美國西海岸這樣經(jīng)常因地震而斷電的地區(qū)來說顯得相當重要。

圖14 豐田 Mirai FC電源接口

限制氫燃料電池汽車發(fā)展的“攔路虎”就是加氫站的普及難度大。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國境內現(xiàn)已建成加氫站僅9座，與鄰國日本相比，少得可憐。這也是Mirai遲遲未在國內上市的一個重要原因，并且建加氫站不同于建充電樁，整個環(huán)節(jié)中的制氫、儲氫以及運輸氫難度都遠遠高于充電樁?，F(xiàn)如今日本和美國加州都在大力投入加氫站網(wǎng)絡建設，為氫燃料電池汽車在其地區(qū)的推廣添加了助力。

7 總結

綜合上文所述，考慮到氫能與燃料電池優(yōu)點，我們能得出真正實現(xiàn)汽車綠色能源解決方案的途徑就在氫能。

[1] 程一步.氫燃料電池技術應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].石油石化綠色低碳.2018,02.

[2] 付甜甜.電動汽車用氫燃料電池發(fā)展綜述[J].電源技術.2017,04.

[3] 孫逢春,孫立清,白文杰. 氫燃料電池技術及其在汽車領域的應用現(xiàn)狀[C].中國太陽能學會2001年學術會議論文摘要集.2001.

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_Fortwo. 1 August 2018.

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/UNSW_Sunswift . 10 April 2018.

[6] https: // baike.baidu.com/item/Sunswift%20IVy/3588451? fr=aladdin, 百度百科2015.7.

[7] 蘇煒祺. 啥時候入華呢？析豐田Mirai氫燃料電池車. http://www. pcauto.com.cn/tech/1106/11063295.html. 2017.12.

[8]代替鋰離子電池，我們都有哪些選擇？http://www.elecfans.com/ dianyuan/373644.html?E468A35124C7. 電子發(fā)燒友網(wǎng). 2015.6.

[9] 鉅大LARGE. 鋰離子電池的關于容量衰減分析. http://www.juda. cn/news/19464.html. 2018.7.

Discussion on Automotive Green Energy Solutions

Wang Yu

（Jiangsu Jiaotong College, Jiangsu Zhenjiang 212028）

This paper processes data disclosed by the former and modern sources of literature and the current status of automotive power drive. The paper goes through the possibility of storing different types of alternative energy sources on passenger cars,such as lithium-based batteries, transformation of solar energy by photovoltaic panels, nuclear energy, etc. however, each of them presents a lot of disadvantages. Recently, vechiles using the hydrogen in combination with fuel cells powered seems to be a promising result. Although this method had appeared for a long time, the safety of several passenger cars recently introduced on the market gives us a reference to a real green energy solution.

climate change; energy source of passenger car; lithium-based battery; solar panels; nuclear power; fuel cell; hydrogen storage

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1671-7988(2018)20-24-04

U473.4

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1671-7988(2018)20-24-04

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王瑜，就職于江蘇省交通技師學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.008