摘要：在環(huán)保意識(shí)持續(xù)增強(qiáng)和新能源技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，燃料電池電動(dòng)自行車作為響應(yīng)中國(guó)“雙碳”目標(biāo)和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的綠色交通方式，正在引起市場(chǎng)的廣泛關(guān)注。憑借其快速補(bǔ)能、零排放和長(zhǎng)續(xù)航能力等顯著優(yōu)勢(shì)，燃料電池電動(dòng)自行車被視為緩解城市交通擁堵和降低環(huán)境污染的有效手段。文章綜述了燃料電池電動(dòng)自行車技術(shù)的最新進(jìn)展，包括燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫技術(shù)、鋰電池、直流-直流（DC/DC）變換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車體設(shè)計(jì)以及控制器等方面，結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展動(dòng)態(tài)，對(duì)燃料電池電動(dòng)自行車相關(guān)的氫能源產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及整車生產(chǎn)的趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，同時(shí)提出了相應(yīng)的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：燃料電池；電動(dòng)自行車；氫能；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U484文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

電動(dòng)自行車作為我國(guó)市民出行的主要方式之一，具有便宜、便攜、易操控等優(yōu)點(diǎn)。目前，市面上的電動(dòng)自行車動(dòng)力源主要是鉛酸電池和鋰離子電池，續(xù)航里程普遍在40～60千米，充電速度慢，充電的過程中存在安全隱患，新聞報(bào)道的充電事故也屢見不鮮［1］。

同時(shí)，在“雙碳”背景下，我國(guó)愈加重視氫能行業(yè)的發(fā)展，利用氫能改善能源結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的重要方向之一。因此，加大氫能的利用程度、增加氫能的利用場(chǎng)景成為當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型的重要任務(wù)。燃料電池電動(dòng)自行車應(yīng)運(yùn)而生。

燃料電池電動(dòng)自行車相較傳統(tǒng)電動(dòng)自行車具有補(bǔ)能速度快、排放無(wú)污染、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，其低溫性能更優(yōu)，解決了傳統(tǒng)電動(dòng)自行車在寒冷天氣情況下續(xù)航里程短的問題。但是由于種種原因，燃料電池電動(dòng)自行車距離走進(jìn)千家萬(wàn)戶還有一段時(shí)間。本文就國(guó)內(nèi)燃料電池電動(dòng)自行車的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)的建議和要求。

1燃料電池電動(dòng)自行車技術(shù)現(xiàn)狀

燃料電池電動(dòng)自行車的主要構(gòu)成部分是燃料電池、儲(chǔ)氫瓶、鋰電池、直流-直流（DC/DC）變換器、電機(jī)、車體、控制器等，燃料電池電動(dòng)自行車的技術(shù)研究重點(diǎn)就是這幾個(gè)部分。

1.1燃料電池

燃料電池為電動(dòng)自行車的主要?jiǎng)恿υ?。燃料電池有多個(gè)種類，通常是根據(jù)電池電解質(zhì)的材料不同進(jìn)行分類，包括堿性燃料電池、直接甲醇燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、陰離子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等。各類燃料電池的技術(shù)狀態(tài)指標(biāo)如表1所示。

其中，質(zhì)子交換膜燃料電池具有較高的功率密度和較快的啟動(dòng)速度，發(fā)電過程無(wú)燃燒和污染，能量轉(zhuǎn)換率較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型小、質(zhì)量輕、可靠性高；同時(shí)，工作溫度低，對(duì)材料的耐熱性和穩(wěn)定性要求不高。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池特別適合應(yīng)用在燃料電池電動(dòng)自行車領(lǐng)域。

1.2儲(chǔ)氫瓶

儲(chǔ)氫瓶廣泛應(yīng)用于燃料電池電動(dòng)汽車、固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)以及移動(dòng)式加氫站等領(lǐng)域。儲(chǔ)氫瓶種類繁多，按照儲(chǔ)存氫氣的物理狀態(tài)分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶、液態(tài)儲(chǔ)氫瓶以及固態(tài)儲(chǔ)氫瓶，3種儲(chǔ)氫瓶的特點(diǎn)如表2所示。

常見的氣態(tài)氫或者液態(tài)氫由于狀態(tài)原因，在運(yùn)輸及存儲(chǔ)方面極其困難，具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)［2］?？紤]到安全性與便攜性的需求，燃料電池電動(dòng)自行車普遍配備固態(tài)儲(chǔ)氫瓶。

1.3鋰電池

電池廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品中。其主要由2大部件構(gòu)成：電芯和保護(hù)板。電芯是電池的能量存儲(chǔ)單元，主要由正負(fù)極材料、電解液、隔膜和外殼構(gòu)成。保護(hù)板則負(fù)責(zé)監(jiān)控和控制電池的工作狀態(tài)，確保電池安全高效運(yùn)行。

當(dāng)前，動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)正展現(xiàn)出一種多元化的技術(shù)路徑特征。鋰電池按正極材料的不同，可以分為磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰及三元鋰［3］。此外，還可以依據(jù)電池的封裝形式不同，分為軟包電池、方形電池、圓柱電池，也可以按照電解質(zhì)的類型劃分為液態(tài)電池和固態(tài)電池。

鋰電池的技術(shù)發(fā)展主要聚焦在快充和材料創(chuàng)新。當(dāng)前，鋰電池充電速率最高已經(jīng)突破至6C級(jí)別，7C級(jí)別充電技術(shù)正在預(yù)研。此外，復(fù)合集流體材料的問世提高了電芯能量密度、電池安全性、生產(chǎn)效率，降低了材料成本。目前，已有一些領(lǐng)先的電池產(chǎn)品如廣汽埃安彈匣電池2.0、寧德時(shí)代麒麟電池采用了復(fù)合集流體技術(shù)。

1.4電機(jī)

電機(jī)是電動(dòng)自行車上將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能關(guān)鍵部件。電動(dòng)自行車采用的電動(dòng)機(jī)分為2類，有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。

有刷電機(jī)是一種含有電刷裝置的電機(jī)，它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能。有刷電機(jī)有著簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和控制方式，啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。因此，它們?cè)诩译?、電?dòng)工具、玩具等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。但也有使用壽命較短、需要定期維護(hù)、噪聲大等缺點(diǎn)。

無(wú)刷電機(jī)通常由定子和轉(zhuǎn)子2大部分組成。定子是靜止部分，上面有繞組，通入電流后可以產(chǎn)生磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，上面裝有色磁體的永磁體或電磁鐵，在定子磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。無(wú)刷電機(jī)具有效率高、壽命長(zhǎng)和低噪音的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如家用電器、電動(dòng)工具、汽車等。

1.5直流-直流（DC/DC）變換器

在燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)中，直流-直流（DC/DC）變換器發(fā)揮著至關(guān)重要的接口角色，它橋接了燃料電池與后續(xù)電力負(fù)載之間的電能傳遞，可以實(shí)現(xiàn)由燃料電池生成的直流電轉(zhuǎn)換成適用于電動(dòng)自行車的電機(jī)和輔助設(shè)備的用電需求的多種電壓。

當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)的研究與開發(fā)焦點(diǎn)集中在提升變換器的能量轉(zhuǎn)換效率及其整體性能上，同時(shí)，為了符合車輛對(duì)續(xù)航能力及動(dòng)力輸出日益增長(zhǎng)的要求，更高效的熱管理技術(shù)亦在積極探索之列。

1.6控制器

電動(dòng)自行車的操控主要由控制器負(fù)責(zé)。根據(jù)配套電機(jī)的不同，控制器可劃分為有刷和無(wú)刷2大類。

目前，無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)自行車領(lǐng)域得到了廣泛的采用，這種電機(jī)的控制系統(tǒng)由3個(gè)主要部件組成，包括邏輯換向控制、功率驅(qū)動(dòng)電路以及一些附加的輔助電路。這3大部分共同作用，確保了電流的轉(zhuǎn)換與傳輸、電機(jī)速度的調(diào)節(jié)的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在智能化方面也開發(fā)了很多功能，如GPS定位、防盜報(bào)警、車輛健康監(jiān)測(cè)等。例如，利用GSM通信技術(shù)及GPS定位技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)自行車的位置，并實(shí)時(shí)上傳電動(dòng)自行車運(yùn)行軌跡供用戶查詢，從而避免電動(dòng)車被盜丟失的問題［4］。

1.7車體

電動(dòng)自行車車體的主要結(jié)構(gòu)可以分為4個(gè)部分：骨架、車把手、車輪以及制動(dòng)閘，有些還裝配有鏈輪［5］。隨著技術(shù)的進(jìn)步和消費(fèi)者對(duì)安全、舒適、便捷要求的提高，電動(dòng)自行車車身設(shè)計(jì)正朝著輕量化、智能化的方向發(fā)展。

在材料的選擇上注重減輕重量并提高強(qiáng)度，電動(dòng)自行車車身正在使用更多輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，如鋁合金、碳纖維等。在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，隱藏線束、電池等組件，從而達(dá)到更好的整體和諧性和實(shí)用性。

2燃料電池電動(dòng)自行車的發(fā)展趨勢(shì)

在國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的深度轉(zhuǎn)型之際。燃料電池電動(dòng)自行車作為新能源領(lǐng)域的分支，其發(fā)展承載著新能源替代傳統(tǒng)能源的歷史使命。

2.1電動(dòng)自行車對(duì)氫能行業(yè)發(fā)展提出的要求

2.1.1降低制氫成本

燃料電池電動(dòng)自行車的推廣受到氫氣生產(chǎn)成本高的制約，故氫能源領(lǐng)域亟須探索更經(jīng)濟(jì)的制氫方案。包括對(duì)現(xiàn)有電解水工藝進(jìn)行優(yōu)化，利用可再生能源（例如太陽(yáng)能和風(fēng)能）產(chǎn)生的電力來(lái)分解水，開發(fā)新型催化劑以減少氫氣生產(chǎn)的費(fèi)用。

2.1.2燃料電池小型化

隨著電子設(shè)備向更小、更輕的趨勢(shì)發(fā)展，燃料電池系統(tǒng)亦應(yīng)實(shí)現(xiàn)類似的小型化以滿足電動(dòng)自行車的空間要求。燃料電池的小型化有助于縮小安裝空間，減輕整個(gè)系統(tǒng)的重量，進(jìn)而提升電動(dòng)自行車的續(xù)航能力。

2.1.3延長(zhǎng)燃料電池壽命

燃料電池的耐久性是其商業(yè)應(yīng)用成功的關(guān)鍵因素。為了延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命，廠商需采用高質(zhì)量材料及先進(jìn)制造技術(shù)，以確保電池的可靠性與耐用性。同時(shí)，通過調(diào)整操作參數(shù)，合理控制氫燃料電池的工作溫度、壓力和電流密度等，避免極端工況下的過度應(yīng)力，可以有效延長(zhǎng)其使用壽命，從而提高用戶接受度。

2.1.4提高儲(chǔ)氫瓶?jī)?chǔ)氫密度

為了增加電動(dòng)自行車的續(xù)航距離，必須研發(fā)具有更高儲(chǔ)氫密度的儲(chǔ)氫瓶。這需要儲(chǔ)氫瓶在有限空間內(nèi)存儲(chǔ)更多的氫氣。運(yùn)用新型儲(chǔ)氫材料和技術(shù)，如金屬有機(jī)框架技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的儲(chǔ)氫效率。

2.2建立完善的公共充能體系

隨著燃料電池電動(dòng)自行車的推廣和技術(shù)發(fā)展，一個(gè)完善的公共充能體系的建立顯得尤為重要。這一體系不僅需要廣泛的加氫站網(wǎng)絡(luò)，還應(yīng)該涵蓋針對(duì)燃料電池電動(dòng)自行車的應(yīng)急救援服務(wù)。

2.2.1完善加氫網(wǎng)絡(luò)

為了有效降低燃料電池電動(dòng)自行車用戶的里程焦慮并提高他們的出行便利性，至關(guān)重要的一步是建立廣泛便捷的加氫站網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立需要滿足幾個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)。

首先，它必須具有廣泛的覆蓋范圍，確保無(wú)論在城市還是鄉(xiāng)村地區(qū)，用戶都能在合理的距離內(nèi)找到加氫點(diǎn)。其次，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有交通系統(tǒng)的互聯(lián)互通，例如與公共交通和共享電動(dòng)車站點(diǎn)相連，為用戶提供無(wú)縫銜接的出行方案。最后，加氫服務(wù)的價(jià)格應(yīng)當(dāng)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，既能夠吸引用戶使用，又能夠維持運(yùn)營(yíng)成本，保證商業(yè)模式的可持續(xù)性。

此外，為了推動(dòng)加氫站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與升級(jí)，政府與企業(yè)應(yīng)攜手合作，鼓勵(lì)加油（氣）站和加氫站共同建設(shè)等方式，利用現(xiàn)有的加油站資源構(gòu)建綜合能源服務(wù)站的運(yùn)營(yíng)模式，這樣不僅節(jié)約了土地資源和建設(shè)成本，也有利于加氫站的普及［6］。

2.2.2建立燃料電池車應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)

燃料電池車應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)的救助對(duì)象不僅包含燃料電池電動(dòng)自行車，更應(yīng)該廣泛地包括燃料電池轎車、卡車、物流車等，這樣才能更好地平衡成本，建立有效的運(yùn)營(yíng)模式。應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有幾個(gè)特點(diǎn)。

應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)覆蓋，并與現(xiàn)有設(shè)施整合。在城市主干道的關(guān)鍵交叉路口以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的重要交通節(jié)點(diǎn)建立應(yīng)急救援站點(diǎn)。同時(shí)，與加氫站、車輛維修點(diǎn)等現(xiàn)有設(shè)施合作，利用它們的地理位置和部分設(shè)施建立救援站點(diǎn)。

應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)應(yīng)建立信息管理系統(tǒng)。該信息管理系統(tǒng)能做到車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障上報(bào)和車輛定位，確保一旦發(fā)生故障，救援中心能夠立即收到通知，并根據(jù)故障等級(jí)作出相應(yīng)反應(yīng)。同時(shí)，該系統(tǒng)可以優(yōu)化救援資源的分配，確保最快速度派遣最近的救援團(tuán)隊(duì)前往現(xiàn)場(chǎng)。

2.3整車制造朝綠色和智能方向發(fā)展

2.3.1供應(yīng)鏈的綠色化轉(zhuǎn)型

在燃料電池電動(dòng)自行車的整車制造體系中，供應(yīng)鏈的綠色化是實(shí)現(xiàn)全生命周期環(huán)保戰(zhàn)略的核心環(huán)節(jié)。因此，從原材料采購(gòu)的源頭開始，就要嚴(yán)格選擇具有可追溯性和可持續(xù)性的供應(yīng)源。例如，對(duì)于電池電堆所需的氫氣，應(yīng)確保來(lái)源于清潔能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能）的轉(zhuǎn)化。

此外，供應(yīng)鏈的每一環(huán)節(jié)均須致力于減少碳足跡。通過優(yōu)化物流路徑，減少運(yùn)輸過程中的二氧化碳排放；采用電動(dòng)或氫燃料運(yùn)輸工具替代傳統(tǒng)燃油車輛，進(jìn)一步降低環(huán)境影響。

2.3.2生產(chǎn)過程的智能化升級(jí)

隨著工業(yè)4.0和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，燃料電池電動(dòng)自行車的生產(chǎn)流程亟需轉(zhuǎn)型。在這一轉(zhuǎn)型中，生產(chǎn)線引入先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化設(shè)備，精準(zhǔn)執(zhí)行焊接、裝配、測(cè)試等復(fù)雜任務(wù)，不僅提升了生產(chǎn)效率，還減少了人為錯(cuò)誤，確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

智能化生產(chǎn)還體現(xiàn)在利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，從而預(yù)測(cè)維護(hù)需求，優(yōu)化資源配置，減少停機(jī)時(shí)間，通過持續(xù)的過程改進(jìn)提升生產(chǎn)靈活性。

3結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保和能源轉(zhuǎn)型的重視，燃料電池電動(dòng)自行車技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展迎來(lái)了新的機(jī)遇。電動(dòng)自行車搭配燃料電池這一方案，對(duì)于我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的完成能起到積極影響。在當(dāng)前的時(shí)代背景下，燃料電池電動(dòng)自行車行業(yè)需不斷向綠色和智能方向轉(zhuǎn)型，同時(shí)，配套基礎(chǔ)設(shè)施也應(yīng)更加便利化，制氫用氫成本需不斷降低。只有這樣，燃料電池電動(dòng)自行車行業(yè)的市場(chǎng)才能不斷做大，燃料電池電動(dòng)自行車行業(yè)才能良性發(fā)展，為城市交通帶來(lái)更加綠色、高效的解決方案。

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（編輯何琳）Research on the development trend of fuel cell electric bicycle technology in ChinaZHI" Xinsheng

（Ramp;D Center，Hangzhou pure-hydrogen Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310009， China）Abstract： Against the backdrop of continuous improvements in environmental protection awareness and advancements in new energy technologies， fuel cell electric bicycles， as a green transportation method that responds to China’s “Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals” and energy structure transition， are gaining widespread market attention. With their significant advantages such as rapid charging， zero emissions， and long range， fuel cell electric bicycles are considered potential strategies for alleviating urban traffic congestion and reducing environmental pollution. This article reviews the latest progress in fuel cell electric bicycle technology， including aspects such as fuel cell systems， hydrogen storage， lithium battery integration， DC-DC converters， drive motors， body design， and controllers， and combines current development trends to predict future directions in related industries such as hydrogen sources， infrastructure construction， and vehicle manufacturing. It also offers corresponding development suggestions.

Key words： fuel cell; electric bicycle; hydrogen energy; development trend