氢燃料发动机（精选10篇）
氢燃料发动机 篇1
0前言
众所周知,面对世界石油资源的不断匮乏,以及排放法规的日益严格,汽车工业在不断尝试使用汽车代用燃料。氢气作为最为清洁的汽车代用燃料,一直备受瞩目,其优越的物化性质以及几乎零排放的特性,作为代用燃料拥有美好的前景。现在市面上针对天然气和液化石油气与汽油组成的两用燃料汽车屡见不鲜,而由于氢气的制造费用过高以及储存安全问题,一直影响着氢发动机的发展。但是,氢气的宽着火界限、低点火能量、高火焰传播速度和高扩散能力等特点,相对天然气和液化石油气有着无法比拟的优越性。随着现代氢制造技术和储存技术的发展,氢发动机的发展势在必行[1,2]。
现阶段,针对气体燃料通有的缺点,即能量密度低,汽车上携带气体燃料需要占有很大的空间,所以,续驶里程是气体燃料发展的一大障碍。使用两用燃料模式即可很好地解决这个问题。我们设计的氢-汽油两用燃料发动机,对于氢发动机的初期发展和推广有着积极的意义。在发动机工作在怠速工况、正常小负荷工况或低转速工况下,采用氢气作为发动机燃料,能够有效地降低发动机排放。当发动机遇到大负荷工况和急加速工况时,采用汽油燃料可以保证发动机的功率输出,提高发动机的可靠性。同时,驾驶人员也不必担心氢燃料在供应不足时找不到加氢站的麻烦了,有效缓解了供氢站的缺乏状况。
经过查找文献发现,目前针对氢-汽油两用燃料的研究甚少,我们在借鉴其他气体燃料与汽油组成的双燃料发动机研究成果的基础上,进行了研究。
1 总体设计
本次设计采用的发动机原型为嘉陵600单缸摩托车发动机,为进气道喷射的汽油机。在保持原有供油装备不变的基础上,加装一套供氢装置,包括储氢钢瓶、供氢总阀、减压装置、供氢管道和喷氢电磁阀等,同样氢气喷射也采用进气道喷射方式。这样原发动机即改装为拥有两套并行的燃料供给系统,改造后的发动机能够单独使用氢气或汽油运行。此次改造,可以方便地在原有汽油机电控系统上进行双燃料发动机电控系统的开发设计。本次开发的电控系统基本框图见图1。
本次开发的氢-汽油双燃料发动机电控系统主芯片采用飞思卡尔公司16位的MC9S12XS128单片机,该款单片机基于S12 CPU内核,总线频率可达40 MHz,具有较强的数值运算和逻辑运算能力,为本次油气转换的研究提供了强有力的硬件基础[3]。
同时,基于本次开发的双燃料模式电控系统,采用微软公司的Visual Basic(简称VB)开发软件,开发出一套发动机监控系统。使用VB开发软件自带的MSComm串口控件与电控单元ECU的SCI模块进行串行通信,为电控系统的开发提供了调试平台。通过监控系统可以实时地观测发动机的各种运行参数,包括转速、节气门开度、喷氢喷油脉宽、进气道温度、进气道压力等信号。本次监控系统设计的关键目的是,通过点击监控界面的油气切换开关来实现发动机的燃料切换。
2 油气切换策略研究
我们设计的双燃料模式发动机的主要任务是确保发动机在不停机状况下进行汽油和氢气燃料平稳的切换。前提是发动机分别在汽油燃料和氢气燃料下均能稳定运转,且启动效果良好。但是一般情况下,使用汽油来启动发动机,并进行预热,等待发动机工作温度(冷却水温度)达到80℃时,再进行油气切换的试验。使用汽油燃料启动的原因主要是:气门座处需要燃油来润滑,以保证其工作的可靠性[4]。
点击监控界面油气切换开关向ECU发出指令,然后ECU即进入油气切换工况。切换工况中,ECU向发动机执行器发出指令,其基本控制策略见图2。
以汽油向氢气切换为例,当ECU接收到油气转换指令的同时即打开供氢总阀,向供氢管道内供氢。3 s延时的目的在于保证供氢管道内的压力达到要求的值,以保证喷氢阀工作在喷氢MAP标定时的背压下,从而能够提高喷氢控制的精度。3 s延时结束后,在发动机下一个循环开始喷氢,同时禁止喷油并关闭油泵。这样就完成了从喷油向喷氢的切换过程。氢气向汽油转换同理。
此转换策略简单易行,保证了油气切换的可靠性。3 s的转换时间增强了实时性,试验证明采用更短的延迟时间亦能满足要求。由于本次发动机试验台架汽油油路和供氢管道设计过长,故采用3 s延迟时间以保证转换的顺利进行。
在我们开发的氢-汽油双燃料模式电控系统中,有氢气和汽油两套根据发动机转速和节气门开度标定出来的燃料喷射MAP图,以二维数组的形式存储于ECU的Flash中。所以,在关闭喷油开始喷氢的上一个发动机循环,ECU已经根据当前发动机的转速和节气门开度查取喷氢时刻和脉宽,为下一发动机循环氢气喷射做好准备,由氢气向汽油转换亦然。因此此次设计的油气切换策略能够使发动机平稳地进行油气切换。
但是,当发动机由汽油燃料向氢气燃料切换时,由于汽油机的“湿壁”效应,进气管壁上会有一层油膜,停止供油转而喷氢后,此油膜会随空气蒸发并进入气缸内燃烧[5]。因此应适当减少氢气燃料喷射量,防止发动机转速过高。相反,当发动机由氢气燃料向汽油燃料切换时,会在进气管壁上形成一层油膜,而随空气进入缸内的燃油会相对减少,因此应适量加大燃油喷射量。
3 油气切换的软件实现
上述分析的策略简明易行,为策略向软件的实现提供了很大的方便。本次设计的双燃料电控系统建立在汽油机电控系统之上,所以并行于汽油喷射控制,开发出了氢气喷射的控制程序,二者由单一ECU实现。
设计的油气转换程序要用到四个标志,分别为Covert_Flag,Last_Covert_Flag,Coverting_Flag和Inject_Flag。在程序中,真实的油气转换子程序转换的其实就是这四个标志的值,然后ECU不同模块根据这四个标志的不同值来判断是燃油模式还是燃氢模式。油气切换子程序流程图见图3。
图中Covert_Flag标志储存ECU从监控系统接收到的油气转换命令,其值等于0为燃油模式,等于1为燃氢模式。在程序中初始化时,赋相应的值即启动时以相应的燃料模式启动,一般情况下,初始化值为0。
Last_Covert_Flag标志用于储存当前发动机的燃料模式,其初始值为Covert_Flag值。程序中首先将该标志与接收到的Covert_Flag值比较,如果不等,即进入油气转换工况。
Coverting_Flag标志用于实现3 s延时的过程中同时开启油泵和供氢总阀,其初始值为0。如果3s延时没有结束,其值为1,在燃料供应控制子程序中同时打开油泵和供氢总阀。3 s延时结束,赋其值为0,则在燃料供应控制子程序中根据Cover_Flag的值开启相应燃料的供应装置。
Inject_Flag标志的作用是确定喷油嘴或者喷氢阀的选择,其初始值为Covert_Flag值。Covert_Flag标志改变时,两种燃料的供应装置(油泵和供氢总阀)同时打开,但是这时向进气道内喷射的燃料还
本次双燃料模式电控系统软件开发采用模块化设计理念,不同的功能模块设置为不同的任务,不同的任务都有自己的优先级。显然,油气转换任务的优先级要比油泵(或供氢总阀)控制任务,燃料喷射正时计算任务和燃料喷射控制任务优先级高。
针对汽油机“湿壁”现象,当发动机由汽油燃料切换为氢气燃料时,为了解决进气管壁油膜存在而导致发动机转速升高的问题,设置一个喷氢脉宽的修正值Hydrogen_Cut,在查询MAP得到的喷氢脉宽中减去这个修正值。这个修正值在8个发动机循环内衰减至零。在发动机由氢气燃料向汽油燃料切换时,为了解决建立油膜而减少进入缸内的燃油量,设置了一个喷油脉宽修正值Fuel_Add加入查询喷油MAP得到的喷油脉宽。同样,这个修正值也在8个发动机循环内衰减至零。
在改装的发动机台架上试验,怠速工况下,能够较平稳地进行油气切换,保证了发动机转速在1 600 r/min的目标怠速上下波动。在正常工况小节气门开度下,油气切换过程的转速波动可控制在100 r/min以内。
4 结论
氢气作为最清洁的汽车代用燃料,在未来汽车工业发展中有着重要的研究价值。我们针对现阶段氢气发动机发展受限等问题,开发出一套氢-汽油双燃料发动机电控系统,对其中的油气切换过程进行了细致的研究。由于氢-汽油双燃料发动机文献的缺少,我们借鉴天然气-汽油双燃料发动机相关资料,详细分析了油气转换过程中可能出现转速波动的原因以及解决途径。针对本电控系统开发设计出一套油气转换策略,并详细介绍了策略在软件上的实现。最后进行了试验测试,取得了良好效果。本次氢-汽油双燃料发动机油气切换的研究为今后进一步对油气切换稳定性的研究提供了有力条件。
摘要：以氢气为汽车代用燃料,以方便性、实用性和可靠性为基本要求,设计出一套氢-汽油双燃料模式发动机电控系统,并对发动机运行中油气转换过程进行了细致研究,提出一套油气转换控制策略。根据ECU发出的指令,可以使发动机分别独立工作在两种燃料模式下,且在发动机不停机的状态下平稳地进行油气切换。
关键词：氢气,双燃料发动机,油气切换,电控系统
参考文献
[1]杨振中,王丽君,熊树生.氢经济时代的车用H2燃烧发动机的研究与展望[J].车用发动机,2005,(5):1-5.
[2]杨振中,孙永生.最佳过量空气系数优化控制氢发动机性能的建模实现[J].内燃机工程,2006,27(3):39-42.
[3]飞思卡尔半导体公司.MC9S12XS128芯片使用手册[Z].中国:飞思卡尔半导体公司,2002.
[4]梁翠玲,李强.单一ECM汽油/CNG两用燃料汽车开发[J].装备制造技术,2009,(10):12-14.
[5]葛晓成,彭忆强,李静波.单ECU两用燃料发动机实验研究[J].车用发动机,2012,(1):56-59.
氢燃料发动机 篇2
氢燃料电池汽车作为新能源汽车的代表,近几年得到了政府和企业的广泛关注和发展.针对氢燃料电池汽车的`结构特点,提出了氢燃料电池汽车存在的碰撞安全性问题,分析了国内外关于氢燃料电池汽车的碰撞安全标准,给出了解决氢燃料电池汽车碰撞安全性问题的方法.
作 者：孙振东 刘桂彬 李希浩 张向磊 作者单位：孙振东,刘桂彬,张向磊(中国汽车技术研究中心,天津,300162)
李希浩(清华大学汽车工程系,北京,100084)
氢燃料电池汽车大有可为 篇3
一提新能源，第一印象就是环保节能。一提新能源汽车，第一印象就是特斯拉电动汽车。其实，中国北方用煤炭发电比较多，煤炭燃烧当然会产生污染，所以纯电动并不能代表是完全环保无污染。相比之下，氢气没有污染、零排放，甚至取代石油也指日可待。
氢燃料电池已不是什么全新的技术，早在20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，氢燃料电池很快就被运用于发电和汽车。波音公司于2008年4月3日成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。
尾气排出只有水的汽车
氢燃料电池汽车也是电动汽车，只不过它的“电池”是氢氧混合燃料电池。和普通化学电池相比，燃料电池通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料，但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。许多公司都已推出氢燃料电池汽车，并已在2015年上半年上市。氢燃料电池技术是未来改变人类生活的新技术之一，将成为解决石油危机的新途径。
氢燃料电池汽车尾气仅排放水，可以实现零污染排放。这种汽车无需注满汽油或者柴油，氢燃料电池汽车是由氢气作为燃料。将氢气注入汽车燃料缸中，与燃料电池发生化学反应，氢和空气中的氧发生反应，转换为电能驱动汽车行驶，这一化学反应过程唯一的副产物就是水或者蒸汽，完全没有二氧化碳，非常环保。
以丰田首款氢燃料电池车Mirai为例，充满燃料的Mirai拥有近似于传统汽油车的巡航里程，达到约500公里；同时它在动力上也不弱，Mirai的最大马力为153PS（113KW）、最大扭矩335N·m、最高时速可达到178公里，从启动、提速到100公里/小时仅需9.6秒，完全能够应付平常的行车需求。即便燃料用光了，将燃料回填补满的时间也仅需约3分钟，和传统汽油车的加油时间差不了多少。
氢燃料电池的工作原理
和普通电池一样，燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。大部分燃料电池汽车使用聚合物交换膜燃料电池（PEMFC）。氢燃料电池的基本工作原理是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），与氧原子和氢离子重新结合为水，如图1所示。
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。由于氢燃料电池不储能，确切地讲应该称为氢发电装置。
燃料汽车VS电动汽车
1. 燃料电池汽车相比电动汽车的主要优势就是方便。氢气燃料电池汽车只需3到5分钟就能充满长途行驶所需的气量（700个大气压的氢气），而不是等上几个小时来充满电。电动汽车要做到这一点，就必须更换整组电池。充电最快的Tesla Model S也至少需要20分钟才能充满电，但行驶的距离还不到氢气燃料电池汽车的一半。这让燃料电池汽车更方便日常使用，汽车制造商们据此认为，希望寻找更环保汽车的消费者也许会认为燃料电池汽车要比电动汽车更实用。
2. 在性能和环保方面，燃料电池汽车使用和电动汽车一样的电动马达，所以性能表现差不多。但燃料电池会更适合皮卡和SUV，目前锂电池并没有办法满足这些车型的需要。锂电池也要比燃料电池组（氢气箱）重得多。
3. 燃料电池汽车的售价和维护费用要比电动汽车贵。丰田Mirai、日产Leaf的售价要比特斯拉便宜不少，给燃料电池汽车补充的氢气价格约为3美元（换算成每加仑汽油等效产品后）。经估算，给一辆车加满氢气需要花约50美元。这意味着，一辆燃料电池汽车的维护成本是普锐斯混合动力汽车的两倍，是电动汽车的四倍。的确，这一成本会随时间推移降低，但电动汽车和混合动力汽车也一样会逐渐降低。
4. 制造和使用绿色氢气的费用更高。燃料电池汽车的主要问题是，制造驱动它们的氢气燃料要消耗比普通电动汽车更多的能源。污染也是个很严重的问题。除了甲烷转化，获得绿色氢气的唯一可行的方式是通过电解。但坦白讲，这一过程中消耗的电可以更好地用在普通电动汽车上。
发展瓶颈
1. 氢气的来源问题。氢气不像氮气和氧气是空气中的最主要组成元素，想得到氢气可以通过电解水，但这可是个不太经济的方法，能量损失极大。此法先从电解水开始，耗费电能，产生氢气，氢气再发电过程中还会有能量损失。目前最好的电解水系统的能量转化率只有 80%，并不怎么高效。
再来看甲烷转化氢气方面，蒸汽需要加热到700-1000摄氏度，然后与甲烷结合生成氢气和一氧化碳，以及少量二氧化碳，美国有95%的氢气通过这种方法来制造。甲烷转化虽然要更划算，但却会造成污染。有研究显示，甲烷基础设施的泄露情况比原先想象的还糟糕（最高达7%）。而作为温室气体，甲烷的温室效应是二氧化碳的86倍。如果你想要一辆百分百环保的燃料电池汽车，就必须以不造成污染的方式来制造氢气，这并不容易。
2. 充电站成本昂贵。电动汽车已经在道路上（家中）建立了充电基础设施，但氢气销售点却很少，相隔距离也很远。这是由于缺少需求，还有就是建造成本高昂。普通的电动汽车充电站只需花费数十万美元来建造，即使是特斯拉的超级充电站建造成本也仅有30万美元。但建造一个氢气燃料站却需要花费100万- 200万美元，因为需要解决处理液态氢气的问题。因此，美国现在也只有大约50个氢气燃料站，其中22个位于加州。
3. 金属铂稀缺。在氢燃料电池发电的过程中会用到金属铂作为催化剂。这种金属就是铂金戒指的铂，产量小且价格昂贵。想要大规模生产氢燃料电池，铂就是瓶颈，而且完全没有规模化后成本减少的效应，反而需求越多就会越贵。
4. 氢气的安全性。有人说带着氢气瓶就像带个氢弹，这在无形中造成了很多人对安全问题的担忧。但实际上，氢比石油要安全得多。储氢罐的密封较好，形成低温高压的空间，使其液化后能大量储存。
至于泄漏之后的安全性，反而氢气更安全。氢是最轻的气体，扩散性极强，它的扩散系数比空气大3.8倍，比汽油大7.5倍。泄漏之后会直线向上运动，即使形成火焰，那也是一维的火焰直线，指向天空；而油类燃料则是向四周蔓延，形成面的燃烧，反而更不安全。氢气的比重低，易向上逃逸，所以少量的氢气泄漏，可以在空气中很快被稀释成安全的混合气，这使得发生事故时影响范围要小得多。
充满期待的未来
尽管如此，氢燃料电池汽车也已经量产，并已开始售卖。丰田氢燃料电池车Mirai在海外的起价为57500美元（约合人民币35.7万元），但是在联邦和州政府刺激之下降至45000美元（约合人民币27.9万元）以下。在美国可以采用分期付款的形式每月499美元36个月付清。除此之外，丰田和本田还将向买家免费提供三年氢气。各大汽车公司还计划逐步增加氢气燃料站数目。
氢燃料发动机 篇4
由于采用了双燃料系统, RENESIS氢燃料转子发动机在必要时可以使用汽油作为燃料, 此功能在长途旅行以及在缺乏氢燃料补给设施的区域行驶时可体现出诸多的便利性。在使用氢燃料时, 发动机的驾驶性能和稳定性都与使用汽油时相同。
要实现这种氢燃料发动机的功能, 只需对原有使用单一汽油燃料的转子发动机的主体部分进行细微的改造即可, 因此具有较高的可行性, 同时不会造成过高的额外成本。
RENESIS氢燃料转子发动机采用一套电子控制直喷进气系统来供应氢气 (如图2所示) , 在发动机的2个转子机壳内, 空气通过1个侧孔被抽出, 氢气则由1个位于转子机壳顶部的电控进气阀直接注入进气室内。基于以下技术要点, 转子发动机在使用氢气燃烧模式下的优势得以实现最大化。
◇“回火”抑制
与往复式发动机不同, 转子发动机具有独立的低温进气室和高温内燃室。因此, 在氢燃料注入的运行过程中, 氢燃料转子发动机不会发生点火的危险。换言之, 在实现了更优越的燃烧性能的同时, RENESIS氢燃料转子发动机还能有效地抑制“回火”现象的出现。
◇直喷+废气再循环 (EGR)
由于氢燃料转子发动机具备独立的低温进气室和高温燃烧室, 进气室内的安全温度范围保证了为电控进气阀安装橡胶密封圈的可行性 (在传统的往复式发动机中, 密封胶圈很容易由于高温而损坏) , 同时也保证了可将电控进气阀安装在紧邻进气室的转子机壳的顶部, 从而实现直接喷射。直喷进气的方式可以根据相应的驾驶条件与燃料注入进气集气管的运行系统形成最佳配合。此外, 废气再循环系统作为燃料供应系统的补充, 能够将发动机的高效能与废气低排放加以进一步的优化。
◇出色的氢气和空气混合性能
氢燃料发动机 篇5
这种飞机不排放导致全球变暖的二氧化碳，仅留下一条水汽尾迹;它几乎是完全无噪音的，但时速只有70英里，之所以决定研制这种飞机，是因为人们日益担心喷气式飞机排放的二氧化碳太多。
波音公司正在与英国燃料电池设计商聪明能源燃料电池公司合作。波音希望这种双座飞机能 在一年之内亮相。
波音公司说：我们正在设计的是一款示范机，看看是否能行，这种技术虽然处于起步阶段，但潜力巨大。
这种燃料飞机是在澳大利亚生产的Dimona轻型飞机的基础上研制的。波音公司工程师卸下了飞机的燃料箱，以一瓶将注入燃料电池的压缩氢加以替代。氢将与空气中的氧进行化合反应，从而产生动力，然后注入电动引擎推动螺旋桨转动。
从机械的角度讲，这是一个简单的系统。燃料电池没有运转部件，因此是无声的，可是燃料电池往往体积庞大，价格昂贵，这就是燃料电池的.应用之所以未获普及的原因。
聪明能源电池燃料公司通讯主管乔恩·穆尔与，随着技术的进步，这类装置如今既轻又便宜，但飞行仍然是最大的挑战。
他说：关键在于：燃料电池必须具备充足的功率，以保证飞机的升空和平稳飞行，这需要巨大的能量，是个严重的障碍。
波音公司的这个项目将成为第一架有人驾驶的燃料电池动力飞机，去年，加利福尼亚洲航空环境公司升空的无人驾驶侦察机全球观察者，就是以燃料电池动力的。
即使波音公司研制成功，该飞机也需要若干年时间才能初具规模，从而用于商业飞行。
另一个重大问题是找到供应绿色氢的途径。大部分商业生产型氢是通过诸如天然气这样的矿物燃料在提炼厂合成的，批评者称，这是一种黑氢，因为生产过程中要排放二氧化碳，因此抵消了大量潜在的益处。
6.下列关于氢燃料飞机的说法，不正确的一项是( )
A.氢燃料飞机是一种以燃料电池和电动引擎为动力的轻型飞机。
B.虽然氢燃料飞机时速只有70英里，但不排二氧化碳，无噪音，是有史以来飞上天空的最环保型飞机。
C.这种氢燃料飞机虽然处于起步阶段，但潜力巨大，一年之内就会亮相。
D.这种氢燃料飞机是在澳大利亚生产的Dimona轻型飞机的基础上研制的。
7.下列理解和表述，不符合原文意思的一项是( )
A.波音公司研制氢燃料飞机，不是因为其速度快，而是因为看中它的环保功能。
B.燃料电池往往体积庞大，价格昂贵，但波音公司却克服了这个缺点，使之变得又轻又便宜。
C.去年，加利福尼亚州航空环境公司升空的就是以燃料电池作动力的这种双座飞机。
D.用天燃气等矿物燃料提炼合成的商业生产型氢往往不符合环保要求。
8.根据文中信息，以下推断不符合的一项是( )
A.波音公司开程师将用一瓶注入燃料电池的压缩氢来代替Dimona轻型飞机的燃料箱。
B.氢燃料飞机升空时将采用电池组支持燃料电池，平稳飞行时进行充电来解决能量问题。
C.波音公司将让与英国燃料电池设计商聪明能源燃料电池公司合作生产的飞机，成为了第一架有人架驶的燃料电池动力飞机。
参考答案：
6C
7C
氢燃料发动机 篇6
近二百年来,经济的快速发展导致人类对能源的需求量越来越大,一方面能源面临能源危机,另一方面还造成大气的污染。因此环境污染与能源危机已成为全球面临的严峻问题。所以开发一种既能缓解能源危机又能减少污染的新能源已经成为当务之急。氢能以其洁净性、高效和资源的永久再生性等独特优势使得氢燃料在汽车的开发与研究正在受到世界各国的青睐,氢能基于这种理念被视为未来理想的能源载体。
氢作为能源主要以两种方式被使用,一种是燃料电池,一种是氢发动机。燃料电池虽然节能、转换效率高、不需要石油燃料;排放达到零污染;结构简单,运行平稳;但是由于电池使用寿命短,同时需要用贵金属铂(Pt)作为催化剂,因为造价较高等问题,造成短时间内很难实现工业化。而汽油机和柴油机经过局部结构的微调整后就可变成氢发动机,变动比较小,成本低,较容易实现。我们讨论的双燃料发动机是由嘉陵600单缸汽油机改装而成的,以纯氢作为燃料。而且还开发了一套以美国freescale公司MC9S12XS128单片机为核心的单点进气道内喷射的电控喷氢系统,它采用智能化芯片MC33810来控制高速开关型数字电磁阀作为氢气喷嘴和汽油喷嘴的驱动,采用输出比较来控制喷氢和喷油量、喷射时间和相位之间的关系。
1 电控双燃料喷氢-喷油系统的硬件设计
电控单点进气道内喷氢喷油系统硬件分为传感器、电控单元(ECU)和执行器3部分。
硬件设计主要根据总体设计要求,在所选的以MC9S12XS128单片机为核心的基础上,确定喷氢-喷油系统硬件所需的元件。硬件系统的结构见图1。
1.1 传感器
传感器可以分为有源和无源型两种。经过传感器传出的信号经过滤波、整形、放大以及A/D转换等,变成ECU可以识别的信号。所用的传感器信号主要有曲轴位置信号、凸轮轴信号、进气压力信号、进气温度信号、节气门信号、氢气压力信号、氢气流量信号、爆震信号、早燃信号、氧信号、转速信号冷却水温度信号、蓄电池信号及空气流量信号等。转速信号和节气门信号直接显示氢-汽油双燃料发动机的运行工况。被用来控制发动机的喷氢-喷油量和进气量。凸轮轴信号和曲轴信号用来决定实际的点火和喷氢-喷油时刻。进气压力和进气温度信号显示发动机吸入的空气量。冷却水信号用来判定发动机的启动情况。爆震信号、早燃信号和蓄电池信号作为控制系统的反馈信号,用来对点火时刻和喷燃料量进行精确的控制。
1.2 电子控制单元(ECU)的设计
电子控制单元(ECU)是发动机电控系统中最关键的电子装置。其功能是对发动机各工况下的运转参量信号进行采集,然后经过信号的处理,传输到中央处理器,经过处理单元的处理后,输出信号对发动机喷氢-喷油量、喷氢-喷油时刻,点火时刻等进行控制。
微处理器是发动机电子控制系统的“大脑”,是电子控制单元的核心。我们所设计的电子控制系统的ECU控制器是美国freescale公司MC9S12XS128单片机为核心。MC9S12XS128单片机是当前应用比较广泛的一种16为单片机,同时性价比较高,比较适合汽车控制等应用领域。
a.单片机上集成了十余个I/O接口,包括通用并行I/O口(一般每口8个外部引脚)和SCI、PWM、ADC、CAN等专用子系统。同时四路PIT定时模块方便建立任务调度。
b.MC9S12XS128的储存器有256 KB Flash储存器;12 KB的RAM;4 KB的EEPROM。
c.复位模块具有四个复位源:上电复位(POR)、外部引脚引起的复位(RESET引脚)、看门狗复位和时钟监视器复位。
d.片内工作电压为2.5 V,可以保证CPU的能量消耗不会太大。
e.A/D转换模块8位/10位/12位可选转换精度,可编程采样时间;转换速度快;8个PWM(pulse Width Modulation)通道;内部IC总线(I2 C接口);CAN模块;增强型捕捉定时间模块(ECT)串行通信接口,可以用来和计算机及其他外设进行通信。
MC9S12XS128单片机的工作电压为5 V,一般作为汽车用的电源的蓄电池的电压为12 V,所以要进行电压的转换,将12 V直流蓄电池电压转换为5 V,然后接到单片机,National Semiconductor公司的lm 2940作为主要的电源管理芯片,给单片机芯片。英飞凌公司的TLE4251D给周边传感器供电,受到单片机的输出控制,可以在单片机停止工作时停止对周边电路供电,这符合低功耗的要求。电源电路见图2。
在本系统中的复位,由MC9S12XS128单片机第30引脚触发,同时在电源正极串联一个4 700Ω的电阻,并加一个电容进行滤波,使电路性能更加稳定。电路见图3。
此系统中,系统的频率为40 MHz,振荡电路由晶振构成,4号引脚接5 V电源,2号引脚接地,1号空接,3号引脚和单片机的34号引脚相连,电路见图4。
1.3 执行机构
双燃料电控系统中主要的执行机构是喷油嘴和阀嘴,在本设计中采用的是开关型电磁阀作为他们的驱动器,采用输出比较的驱动方式。
在MC9S12XS128单片机内部,输出比较信号由片内的定时器产生。喷氢量是由电控单元作用在喷油器电磁阀上的控制脉冲的宽度决定的。喷氢时序图见图5,在本设计中,假设喷氢时刻如图中所示。由于ECU设定的是采用上升沿来捕捉曲轴信号,如图5所示,在第26号齿喷氢事件得到相应,那么在接下来的6度,就通过输出比较延迟功能来实现。如图所示,进入中断后,先判断是第26个齿,然后开始喷氢事件调度,之前要根据瞬时转速计算6°转角所需的时间,然后将此值赋给比较寄存器,等到计数器计时到所计算的值的时刻,输出比较触发一次中断,喷氢真正开始。与此一样,喷氢时间也是提前计算好的。同理喷油也是一样的。
1.4 抗干扰电路
对抗干扰所采取的措施主要是从控制系统的硬件电路的抗干扰开始的,尽可能在干扰信号到达微处理器之前就把它消除,所采取的措施主要有对单片机和传感器的供电采取不相干的芯片方案,预防车载传感器的干扰信号传入单片机。同时在各芯片的电源输入脚和地间加入去耦电容,来进行杂波滤除。再者对于电路中的模拟信号,为了对信号中高次谐波进行抑制,常用的方法就是在模拟输入通道中加入RC滤波器,以此来减小对高频信号的影响。
2 电子控制喷氢-喷油系统控制软件和定时监控系统设计
2.1 电子控制软件
单点进气道喷射系统控制软件是整个控制系统的中枢神经。本系统采用的是freescale公司开发的CodeWarrior集成开发环境作为软件开发工具。程序采用模块化设计,可分为底层软件、应用层软件两个部分,软件设计见图6。
底层软件实现对模块程序的寄存器的配置,对发动机传感器信号的采集、滤波、放大处理等,应用层软件可实现最佳喷氢-喷油时刻。在本设计中,喷氢在后1/3进气行程的时候喷入进气歧管,通过喷氢正时的优化控制,如下式:
其中u16Fuel_Advanced_Angle为喷氢提前角,u16Fuel_Angle_Offset为喷氢延迟角;DEGREES_PER_TOOTH为每齿数的角度,u16Ref_Angle上止点角度。
通过对各参数的控制,使进气门关闭后进气歧管内剩余的氢气量减到最少,减小了回火的可能性。
2.2 定时监控系统
在电控系统的开发过程中,开发出一套发动机试验定时监控系统,以此来进行在线对发动机的运行状态进行监视,来调整电控单元各种控制参数,以此来使发动机的动力性、经济性和排放性得到最佳的匹配,不但使发动机得到最佳性能,使发动机按照最优的控制参数运行。
双燃料发动机监控系统由上位机和下位机构成,下位机是发动机电子控制单元(ECU),通过Code Warrior IDE来开发,在其内部设计串行通信模块,和上位机进行数据传输;上位机是基于PC机的发动机试验用监控软件,采用LabVIEW编写。
氢-汽油双燃料发动机的实时控制界面,可以在电脑上随时观察发动机的转速、喷氢脉宽、喷油脉宽、节气门的开启情况和各工况的运行状况的参数变化情况。在异常情况下,可以对喷氢-喷油脉宽进行调整,使发动机在各个工况尽可能获得最佳状态。
3 调试、上机实验结果及分析
对所设计的系统,硬件PCB板完成后,先进行模拟实验,没有异常。在发动机改装后上机进行实验,汽油机的参数见表1。
通过调试模拟,其喷氢量见图7。
通过图7可以看出随着转速和负荷的增加,喷氢量也逐渐增加,然后再改装后的发动机上进行测试,通过调整节气门的大小,改变发动机的速度,可以在上位机上显示所得结果和MAP图相符。
4 结论
a.以MC9S12XS128单片机为核心,以MC 33810通过控制电磁阀作为执行元件来控制喷氢-喷油,采用输出比较方式来很好地实现对喷氢-喷油的控制。
b.运用模块化设计,采用C语言,进行程序的编写具有功能丰富,表达能力强,可移植性好,程序设计自由度大,同时生成的目标代码质量高,程序执行效率高等优点。
c.利用本设计的电子控制系统在现有汽油机基础上,改装成氢发动机,实现氢-汽油双燃料发动机是成功的。
参考文献
[1]袁银南,陈汉玉,王存磊.氢发动机电控喷氢系统的设计[J].内容及工程,2008,(3):12-16.
[2]孙同景,陈桂友.freescale十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京:机械工业出版社,2010.
[3]祁儒明,杨振中.基于MC9S12XS128的氢内燃机电控系统硬件研究与开发[D].郑州:华北水利水电学院,2011:22-24.
[4]郑俊强,杨振中,段俊法.基于MC9S12XS128的氢内燃机电控系统软件研究与开发[D].郑州:华北水利水电学院,2011:23-24.
[5]卓斌,刘启华.车用汽油机燃料喷射与电子控制[M].北京:机械工业出版社,1999.
[6]杨振中,王丽君,熊树生.氢发动机排气污染及NOx排放优化控制[J].太阳能学报,2006,27(8):846-851.
[7]姜丽,王春发,张幽彤.F6L912Q柴油天然气双燃料发动机电控系统设计[J].内燃机,2001,(5):12-14.
氢燃料发动机 篇7
中国科技网讯 近日, 由西南交通大学历时4年自主研发, 功率为150 kW的我国首辆氢燃料电池电动机车“蓝天号”, 在西南交大铁道专用线上成功运行。实现大功率环境下燃料电池、永磁同步电机等多项技术突破的该型机车, 未来可广泛用于工程作业车、检修车和站场调车等轨道交通领域。
氢燃料电池动力具有清洁、高效、安全和能源转化率高、比功率高等特点, 被称为本世纪最有前途的“绿色能源”。作为新能源的产业化应用, 具有高度稳定性和“零排放”等特点的氢燃料电动机车, 目前正为欧美各国高度重视并大力发展。
我国首辆氢燃料电池电动机车“蓝天号”, 采用150 kW燃料电池作为牵引动力, 2台120 kW永磁同步电机作为牵引电机, 设计时速每小时65 kM、持续牵引力为20 kN、牵引质量200 t, 装满氢气可轻载连续运行24小时。
作为国家自然科学基金支持项目和西南交通大学重点攻关项目, “蓝天号”的研发设计思路与氢燃料动力新能源汽车类似, 是将氢气能源与空气中的氧气通过化学反应产生电能, 并提供给大功率永磁电机进行驱动, 重点突破了大功率运行环境下的控制系统集成、燃料电池及永磁同步电机等控制技术。由于其共产物为水, 且不产生任何有害气体排放, 特别适合在相对密闭的地铁、隧道、矿山等环境下使用。下一步, 西南交通大学将以此为依托, 继续研究以氢燃料动力与电池动力为基础的混合动力电动机车, 并尽快实现产业化。
氢燃料电池在中轻卡上的应用 篇8
关键词：氢燃料电池,中轻卡,续驶里程
引言
在刚发布的“中国制造2025”规划, 明确了燃料电池汽车的战略目标, 即第一, 在关键材料零部件方面逐步实现国产化;第二, 燃料电池和电堆整车性能逐步提升;第三, 燃料电池汽车的运行规模要达到1000辆。
从商业化的进程看, 以汽油机为代表的动力主流替代方案是锂离子电池或金属燃料电池;对柴油机的替代方案可能燃料电池更具优势。由于燃料电池技术门槛较高, 以国内当前技术水平最现实的方案是, 把燃料电池技术与其他应用, 如锂电池进行组合, 以减少燃料电池的功率, 这或许是较快推动燃料电池汽车的商业化的最佳选择。纯电动汽车和燃料电池汽车, 两者并不矛盾, 而是相互补充, 从使用成本角度来看, 在短续驶里程情况下, 纯电动会有优势, 在长续驶里程情况下, 燃料电池更具优势。
1、燃料电池在轻型卡上的应用分析
该技术方案为, 燃料电池+单向DC/DC组成的功率辅助单元和蓄电池组通过公共总线向驱动电动机供电。通过DC/DC变换器可直接调节燃料电池的输出特性, 或间接调节蓄电池组的输出特性, 使两者协调工作在最佳效率区。
能量型系统可装备大容量蓄电池作为动力源, 减小燃料电池功率输出的波动, 使其始终工作在高效率区域, 减少耗氢量, 延长使用寿命。
1.1 总体布置方案
整车总质量控制在7吨, 定位为中轻卡, 对各大总成在数模上进行了布置:
1.2 续驶里程分析
整车计算的输入条件
1.2.1 续驶里程, 双电池同时驱动 (40km/h匀速) 。
1.2.2 续驶里程, 双电池同时驱动 (城市工况) 。
2、结论
锂电池电量不足时, 由燃料电池单独供电, 空载时整车需求功率约19k W, 满载时整车需求约26k W。而燃料电池实际输出只有13k W, 无法驱动整车以40km/h的速度行驶;同样锂电池与燃料电池同时放电时, 才能驱动车辆按照市区循环工况工作, 燃料电池单独工作时, 车辆不能实现市区循环工况。
参考文献
[1]陈全世.先进电动汽车技术[M].北京:化学工业出版社, 2007.
[2]孙泽昌, 魏学哲, 钟再敏.燃料电池汽车动力系统功率平衡控制策略[J].机械工程学报, 2005 (12) :3-7.
[3]余志生.汽车理论[M].3版.北京:机械工业出版社, 2001.
[4]殷婷婷, 黄晨东, 程伟, 等.燃料电池汽车动力系统运行效率研究[J].上海汽车, 2012 (8) :2.5.
氢燃料发动机 篇9
1 甲醇装置改制氢生产装置后转化炉燃料系统存在的问题
甲醇厂3.5万m3/h制氢装置由原20万吨/年甲醇装置改造而来,改造期间针对燃料气系统仅将火嘴进行了更换。由于原设计生产甲醇期间燃料气由天然气和合成驰放气组成,总流量20000 Nm3/h左右,因此燃料气系统的主管线、控制调节阀以及各分支管线均比较粗,每个火嘴分支阀门全开情况下燃料气通过量约为200 Nm3/h。
制氢改造后转化炉的火嘴改为解吸气专用火嘴,燃料气组成分为天然气和解吸气两部分,分别独立进入火嘴燃烧。装置在原料天然气12500 Nm3/h(设计满负荷)情况下燃料天然气用量在6000 Nm3/h左右。因此在燃料气主管线、控制阀门、分支管线不匹配改造的情况下,我们无法做到燃料气手阀全开,通过火嘴前背压来控制炉温,完全靠员工肉眼观察火焰大小来进行调节。这样的方式存在以下几个问题:
(1)员工调整炉火比较频繁,夏季炉顶环境温度高,存在人员中暑的安全隐患。
(2)火焰燃烧的效果不好控制,经常出现偏烧舔管的现象,部分区域炉管发红。
(3)火焰大小不一致导致炉膛内部温度分布不均匀,炉管内的转化反应程度不同,装置转化炉的甲烷转化率和炉热效率低。
(4)极端情况下个别炉管温度可能超过1000℃,存在烧穿的风险。炉管温度高同时造成相对应的下猪尾管温度高,给猪尾管安全运行带来隐患,给装置平稳运行带来风险。
2 转化炉火嘴控制解决方案
为了实现燃料气火嘴手阀全开时通过调整火嘴前背压来调节炉温这种控制方式,必须降低各火嘴分支管路的最高流量,同时降低并稳定火嘴前的压力。在燃料气火嘴分支阀后增加限流孔板能够有效解决此问题。
装置满负荷情况下燃料气用量不超过6000 Nm3/h,开工过程中在化工投料前解吸气未参与燃烧时燃料天然气最高用量在8000 Nm3/h左右。装置转化炉共有4排炉管,5排共100个火嘴,东西两侧的火嘴为单排炉管提供热量,中部火嘴为两排炉管提供热量。
通过限流孔板计算,目前工况下,5 mm限流孔板最高通过量为75 Nm3/h,4 mm限流孔板最高通过量为60 Nm3/h。通过对转化炉中部火嘴测试,安装5 mm限流孔板后在高背压的情况下燃料天然气通过量为70~80 Nm3/h。两侧火嘴安装4 mm孔板后天然气通过量为60~70 Nm3/h。能够满足满负荷及开工需要。
3 转化燃料气火嘴安装孔板后的运行效果
由于装置由甲醇装置改造而来,转化系统属于典型的“大马拉小车”,因此操作温度控制在769℃,操作压力2.2 MPa,水碳比控制在4.5~5。2016年10月18日开始,按“转化炉燃料气火嘴增加限流孔板方案”逐排安装孔板。完成后转化炉的运行状况有了很大的改善。
3.1 炉温控制方式得到优化
安装孔板后转化炉的燃料气火嘴手阀全开,实现了通过调节阀手动控制,员工只需要对解吸气火嘴进行调节,大幅度降低了员工调火的操作强度。后期我们计划实现炉出口温度、燃料气流量与装置加工负荷的“三冲量”控制。
3.2 炉内火焰燃烧效果有了很大的改善,炉管温度分布均匀
转化炉火焰变得均匀,适当的调整解吸气阀开度,火焰燃烧效果就会比较理想,炉管发红的情况明显好转。
图1为甲排增加孔板前火嘴的运行状况,由于装置负荷变化会出现个别火嘴火焰过大的情况,造成红管、亮管现象,从而影响炉管寿命,严重时导致炉管破损。图2为增加孔板后火嘴的运行状况,火焰大小、长短均匀,不会出现偏烧的情况,炉管温度分布均匀,整体温度下降。
“转化炉燃料气火嘴增加限流孔板方案”逐排安装孔板后炉管温度有所下降。在未安装孔板前使用红外测温仪检测炉管温度860°C左右,10月13日红外检测平均温度甲排943℃,丁排857℃。孔板安装完毕后使用红外测温仪检测炉管温度780~800℃,有明显下降。红外检测平均温度下降约30℃。炉管温度下降将大大的提高炉管使用寿命,保证装置的安全平稳运行。
3.3 转化炉的甲烷转化率及氢气产率提高
安装孔板后每个燃料气火嘴通过量一致,炉膛温度分布均匀。炉温控制变得平稳。因此在转化温度、水碳比等条件不发生变化的情况下,炉管内的转化反应效率有所提高。
(%)
从表1可以发现,10月21日起,转化气中甲烷含量逐渐开始下降。
图3为10月中、下旬转化气中甲烷含量趋势。10月20日安装完乙、丙、丁三排孔板后,在转化炉操作参数没有变化的情况下转化气甲烷含量逐步下降,由平均5.3%降至平均3.8%。
转化炉的甲烷转化率提高后,相同加工量情况下有更多的甲烷被转化成氢气,PSA系统的单塔吸附时间大大增加,装置的产率也有了大幅度提高,由2.83增加到了2.9以上。
4 结论
制氢工艺对转化炉燃料系统工作条件有着很严格的要求,转化炉炉管温度控制至关重要,任何一根炉管失效都将导致装置停工,因此必须保证燃料系统安全运行。甲醇装置改制氢装置后,燃料气主管线、控制阀门、分支管线不匹配改造的情况下,无法做到燃料气手阀全开,无法通过火嘴前背压来控制炉温,完全靠员工肉眼观察火焰大小来进行调节,给装置安全生产带来风险。在燃料气火嘴分支阀后增加限流孔板有效地解决了此问题。
安装限流孔板后转化炉的燃料气火嘴手阀全开,实现了通过调节阀手动控制,员工只需要对解吸气火嘴进行调节,大幅度降低了员工调火的操作强度。炉内火焰燃烧效果有了很大的改善,炉管温度分布均匀。炉管温度下降大大的提高了炉管使用寿命,保证了装置的安全平稳运行。安装孔板后每个燃料气火嘴通过量一致,炉膛温度分布均匀,炉温控制变得平稳。在转化温度、水碳比等条件不发生变化的情况下,炉管内的转化反应效率有所提高,转化炉的甲烷转化率及氢气产率提高,大大提高了经济效益。
摘要：甲醇装置改制氢后,转化炉燃料系统无法做到燃料气手阀全开,无法通过火嘴前背压来控制炉温,火焰大小不一致导致炉膛内部温度分布不均匀,极大地影响了炉管的使用寿命,给装置平稳运行带来风险。通过在燃料气火嘴分支阀后增加限流孔板,炉内火焰燃烧效果有了很大的改善,炉管温度分布均匀。炉管内的转化反应效率也有所提高,转化炉内甲烷转化率及氢气产率提高,大大提高了经济效益。
关键词：转化炉炉管温度,限流孔板,甲醇装置制氢改造
参考文献
[1]崔海兵,刘长军,蒋晓东.制氢转化炉HP40炉管开裂失效分析[J].化工设备与管道,2004,40(4):51-52.
氢燃料发动机 篇10
关键词：纯电动汽车,氢燃料电池汽车,发展现状,前景
人们对汽车的需求不断增加带动了汽车工业的高速发展, 并促进了全球经济的发展。 同时, 汽车产量和保有量的持续上升也引起了广泛的能源问题和环境问题。新能源汽车具有无污染、低噪声、能量利用率高的特点, 是解决未来能源问题及城市化过程中的汽车问题的重要途径[1]。
目前, 基于全球新能源汽车基础设施建设的不完善, 各种混合动力汽车只是过渡产品。而纯电动汽车与氢燃料电池汽车是被市场看好的未来重要的真正的新能源汽车。这两种新能源汽车均使用非常规车用燃料作为动力来源, 采用新型车载动力装置, 综合了车辆的动力控制以及驱动方面的先进技术。 纯电动汽车是以车载电池为动力, 用电机驱动车轮行驶。 由于其对环境影响相对于传统汽车较小, 其前景被广泛看好, 是当前新能源汽车的主体。 而氢燃料电池汽车使用聚合物交换膜燃料电池。在这一系统中, 氢气高压下通过铂催化剂, 分解成两个氢离子和两个电子。这些电子形成强大的电力会驱动汽车的电动机运转, 而氢离子会和氧气结合成水, 以水的形式排出[2]。 从最终的驱动上来看, 纯电动汽车和氢燃料电池汽车均使用了电能驱动的电动机。但是, 两者的使用性能有着很大的差别, 各自的优缺点也很明显。 因此, 本文从多个角度对纯电动汽车与氢燃料电池汽车的发展现状及前景进行了探讨。
1 纯电动汽车与氢燃料电池汽车的技术现状
1.1 纯电动汽车的发展历程及技术现状
纯电动汽车比燃油汽车出现的更早。早在1873 年, 英国人就制造了世界上最早的可供实用的电动汽车, 这比德国人发明汽油汽车早了10 年以上。 由于燃油汽车技术的迅速发展, 而电动车在能源技术和行驶里程的研发上一直未能取得有效突破, 从20 世纪20 年代至60 年代末, 电动车的发展进入了停滞期。 进入70 年代, 石油危机的爆发以及人类对生存环境的日益关注, 电动车才再度成为技术发展的热点[1]。近十年来, 能源和环境对各国的压力越来越大, 特别是新兴发展中国家的城市汽车尾气污染问题越来越严重。 因此, 世界各国政府和全球汽车工业行业正在加大对电动汽车开发的投资力度, 加快电动汽车的商品化步伐。
对于电动汽车, 电池是汽车的心脏, 而电池质量和容量是电动汽车能否普及的核心技术问题。 因此, 车载电池技术的进步大小决定了电动汽车的发展水平。目前汽车厂商和电池厂商在不断地提升电动汽车的电池质量和电容量。 最具竞争力的电动汽车生产厂商特斯拉 ( TESLA) , 其生产的电动汽车的电池采用了松下生产的NCA系列钴酸锂电池, 单颗电池容量为3100 毫安时。 TESLA采用了电池组的策略, 85k Wh的特斯拉MODEL S的电池组一共使用了8142 个钴酸锂锂电池, 行驶里程可超过450 公里, 但其重量高达900Kg, 接近车身重量的一半。钴酸锂电池优点突出, 如结构稳定、容量比高、综合性能好, 但是其安全性稍差而且成本非常高。 该电池组成本约为250 美元/千瓦时, 能够提供233 瓦·时/千克的能量密度。
我国作为世界上最大的汽车生产和消费大国, 年生产和消费各类汽车超过两千万辆。最近几年, 在国家政策的支持下, 电动汽车发展迅猛。在电动汽车领域, 以比亚迪的电动汽车技术最有代表性, 其销量在2015 年前十月已超过4 万台, 同比增长222%。 在2015 年5 月至9月, 比亚迪新能源汽车连续五个月全球销量第一, 超越三菱、日产以及特斯拉等国外品牌, 市场份额达到11%。 比亚迪电动汽车采用自主研发的磷酸铁锂电池, 它的放电效率高, 通常充放电效率可达到90%以上。如比亚迪E6, 续航里程可达300 公里。 而比亚迪采用磷酸铁锂电池的根本原因在于它的安全性高于其它常用的车载电池, 理论寿命也较长, 可以达到7 年以上, 实际使用寿命大约为5 年左右。 目前比亚迪最新研究的磷酸铁锰锂电池突破了传统的磷酸铁锂电池的能量密度限制, 成本控制上比普通的磷酸铁锂更加优秀, 而且已经应用在了新款比亚迪E6 电动车上, 续航能力得到了大幅度的提升, 达到400 公里。
除了电池的续航里程这个技术指标外, 电池的充放电时间也是电动汽车行业最为关注的一个指标之一。通常汽油车加满一箱汽车只需数分钟, 而电动汽车充电则需要数小时, 甚至十几个小时, 效率相对较低, 这是目前正在攻克的一个难关。但已经有最新的成果出现, 即石墨烯电池, 它可以在十几分钟至一个小时内将电池的电量充至80%以上, 效率大大提高。
由于电动汽车的动力控制、驱动和汽车互联网等方面的先进技术已经相对比较成熟, 因此, 随着电池技术的进步以及成本的降低, 纯电动汽车将逐步进入每个人的生活。
1.2 氢燃料电池汽车的发展历程及技术现状
1968 年, 通用汽车公司生产出了世界第一辆可使用的氢燃料电池汽车, 该燃料电池汽车以厢式货车为基础制造, 装载了最大功率为150k W的燃料电池组, 续航里程为200km。但由于该车的结构复杂, 自身部件体积过大, 以及当时环境和能源问题并不突出, 因此停止了后续的开发工作。 而到了20 世纪90 年代, 作为解决环境污染和能源供需问题的重要途径之一的燃料电池电动汽车技术受到了空前重视, 主要汽车厂商和生产国几乎都投入了大量的人力和物力研发燃料电池电动汽车[3]。
目前, 在氢燃料电池汽车领域, 日本走在了世界前列。 最近, 丰田推出了售价5.75 万美元的Mirai燃料电池汽车FCV, 而氢动力先驱本田也将近期推出了一款量产氢动力汽车Clarity。 氢燃料电池汽车作为只排放水的新能源汽车, 其技术复杂性更甚于纯电动汽车, 其技术先进性主要体现在储氢系统及燃料电池推上。本田氢燃料电池汽车采用了70MPa压力的碳纤维氢燃料罐, 并实现了燃料电池堆的突破, 使得其燃料电池堆的体积比之前车型小了33%, 功率输出则达到100k W以上, 输出密度则提高到3.1k W/L, 较以往提升了60%左右。 FCV量产车的续航有望达到700 公里, 补充一次燃料仅需3 分钟, 和普通燃油汽车加一次油的时间相当。由于日本汽车厂商新能源汽车的技术比较成熟, 因此, 日本国内已在今年开始逐步建立加氢站, 推广氢能源汽车, 并开始在北美推广该类型新能源汽车。 但是, 制氢技术及大规模储氢技术是氢能源汽车的瓶颈所在, 是制约其快速发展的关键因素。
在氢燃料电池汽车方面, 我国目前没有形成系统的研发体系和工业体系, 关键技术和关键材料仍在探索中。 储氢系统以及燃料电池堆的研发进步并不明显。
2 纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展所面临的问题
2.1 新能源汽车的配套基础设施建设滞后
以我国力推的电动汽车为例, 到2014 年底全国的示范城市推广的新能源汽车数量是9.1 万辆, 但是充电桩只有3.1 万个, 充电桩和新能源车的比例明显不足。 2015 年11 月18 日, 国家发展改革委等四部门联合发布《 电动汽车充电基础设施发展指南 ( 2015~2020 年) 》 表示, 到2020 年, 新增集中式充换电站超过1.2 万座, 分布式充电桩超过480万个, 以满足全国500 万辆电动汽车充电需求。 而美国作为电动汽车发展比较快的区域, 其充电桩也只有5 万多个, 同样不能满足电动汽车的充电需求。而对于产量少的氢燃料电池汽车, 加氢站就更少, 全美仅有50 座加氢站, 远远不能满足氢能源汽车的需要。
2.2 电能和氢气来源清洁度有待提高
电动汽车使用过程中虽然没有污染物排放, 但其间接污染也是不容忽视的。目前, 充电所需的电能主要还是以火力发电为主, 水力和核能等清洁能源发电所占的比例很少。而火力发电仍然会对环境造成较大的污染[4]。
对于氢能源汽车所需的氢气, 目前最好的方法是通过电解水来制造氢气, 即用电将水分解成氧气和氢气。 目前最好的电解水系统的能量转化率只有80%, 效率并不高。 甲烷转化要更划算, 但却会造成污染。因为蒸汽需要加热到700 到1000 摄氏度, 然后与甲烷结合生成氢气和一氧化碳, 以及少量二氧化碳。 美国有95%的氢气通过这种方法来制造。为了获得氢气所消耗的能量比直接使用电能更多。因此, 氢气制取技术需要革命性的技术出现才能为将来氢能源汽车的普及铺平道路。
2.3 新能源汽车过度依赖国家补贴
目前国内外新能源汽车存在的问题之一就是补贴的依赖程度还比较高, 补贴需要更具合理性。我国的汽车市场规模庞大, 但发展基础薄弱, 能否实现全产业链的协调发展, 其中政策的制定是系统的工程, 没有补贴不行, 补贴时间过长也不行。 最近国家对新能源汽车政策补贴的退坡给出了时间表, 具体为:从2017 年到2020 年, 除燃料电池汽车外其他车型补助标准适当退坡。 2017~2018 年补助标准在2016 年基础上下降20%, 2019~2020 年补助标准在2016 年基础上下降40%。企业的当务之急是, 实现核心技术的突破, 降低成本, 提高产品的安全性和可靠性, 改变单纯依靠补贴的盈利模式[5]。
3 纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展前景展望
从世界范围来看, 由于近年来电动汽车的技术突破, 使得各国政府在推广新能源汽车方面都把注意力放在了电动汽车上, 而氢燃料电池仅有少数几个国家在力推, 如日本政府力推氢能源汽车, 补贴力度很大。 而且各大汽车厂商的研发重点也是电动汽车, 如通用、奥迪、奔驰和宝马等。因此, 随着充电桩的建设加速, 未来十年至二十年应该是纯电动汽车的春天, 将迎来最好的发展机遇。 但是如果电池容量及电池快充技术在未来数年内没有大的突破, 则氢燃料电池汽车则有机会赶超纯电动汽车, 毕竟, 氢燃料电池汽车充满氢气只需3 分钟, 却可以行使超过700 公里, 未来可能超过一千公里。 纯电动汽车和氢燃料电池汽车谁将成为未来的主流车型取代燃油汽车, 取决于各自技术突破的速度以及政策支持。如果电池容量及快充技术在高效清洁制氢技术之前获得突破, 那么纯电动汽车将成为未来主流新能源汽车, 否则氢燃料电池汽车将超越电动汽车成为未来主流新能源汽车。
从技术发展成熟度和中国国情来看, 混合动力汽车可以作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡产品, 而纯电动汽车应是我国目前大力发展的方向。但是我国也应加快氢能源汽车基础研究以及完善相应的工业体系, 避免未来出现氢能源汽车大规模替代燃油汽车时处于被动地位。
参考文献
[1]孟欣.纯电动汽车的应用及发展概述[J].科技广场, 2010, 7:147-149.
[2]肖九梅.氢燃料电池汽车及其电池现状[J].电力电子, 2013, 3:50-54.
[3]毛宗强, 甘颖.氢燃料电池汽车新进展[J].太阳能, 2112, 8:17-22.
[4]孙宇轩.关于新能源汽车发展的现状及趋势[J].产业经济, 2015, 27:21.