第4章電動汽車第4章電動汽車1873年，英國首先制造了第一輛電動汽車，比燃油汽車早12年。由于燃油汽車的綜合性能大大提高，而蓄電池技術發展緩慢，電動汽車逐漸被燃油汽車取代，僅在特殊場合，作為貨物轉運或牽引車輛使用。石油資源的日益匱乏和環境污染的日益嚴重，人們再次將注意力轉移到非石油燃料的、零污染的汽車上來，電動汽車又一次引起了人們極大的興趣。世界各國相繼成立了電動汽車研究會專門從事電動汽車的研究，各大汽車公司也投入巨資研制開發電動汽車，部分電動汽車已批量生產。電動汽車常分為純電動汽車（簡稱電動汽車，EV）、混合動力電動汽車(HEV)和燃料電池電動汽車(FCEV)。4.1純電動汽車車載電源技術是電動汽車的關鍵技術，化學電源技術的進步在一定程度上決定了電動汽車的進展。電動汽車對車載電源的要求主要有七個方面：能量密度(Wh/kg)（又稱比能量）、功率密度(W/kg)（又稱比功率）、循環壽命(充放電一次為一個循環)、起動性能(預熱時間和從起動到最高速所需時間)、價格費用(電池價格和運行費用)、可靠性(惡劣條件下的故障率)、安全性(操作安全和對人體、環境的安全性)。現階段較理想的電動車可接受的電池最低指標為：能量密度>100Wh/kg,b功率密度>150W/kg，循環壽命>600次，一次充電里程>200km，價格<150美元(kWh)。4.1.1電動汽車對車載電源的要求1.目前車載蓄電池現狀電動汽車用蓄電池主要性能如表4-1。國外電動汽車用二次電池主要性能表4-1電池類型能量密度(Wh/kg)功率密度(W/kg)單體電池電壓(V)循環壽命(次)成本(美元/kWh)溫度(℃)主要優點主要缺點鉛酸(非密封)40802.05500800～40價格低可靠性好比特性差鉛酸(密封)35702.055001000～40價格低可靠性好比特性差鎳-鐵551001.3710002000～40壽命長不能密封鎳-鎘502001.3015005000～40壽命長可快充價格高有毒鎳-氫(MH)601201.325005200～40能量密度高價格偏高鈉-硫1201402.082000150350能量密度高壽命長高溫起動鐵-空氣802001.2820040能量密度高壽命短鋅-空氣100501.6520060能量密度高壽命短鋅-鎳702001.815075能量密度高壽命短鋰鈉硫酰氯1002501.6600150450能量密度高高溫起動不安全世界上許多國家已經著手于完善電池的核心技術，并已批量生產，但由這些電池推進的電動汽車生產批量很小，有的只有樣車，有的還在研制開發中。蓄電池的功率決定了電動汽車的加速和爬坡性能；能量密度給出了其潛在的運行范圍；循環壽命決定了蓄電池充電到滿容量的次數；蓄電池的質量和體積在一定范圍內影響著整個系統的效率。2.蓄電池的類型1）鉛酸蓄電池（Lead—acid）:是使用最廣泛的電池，目前國內外鉛酸蓄電池的能量密度大約在35～45Wh/kg，循環壽命一般為600～1500次左右，致命弱點是能量密度太小，循環次數少，優點是成本低，所用材料供應充足。鉛酸蓄電池是一種安全、低成本、高功率的蓄電池。它可以使電動汽車獲得很好的加速和爬坡性能，并有足夠的能量保證電動汽車在中等范圍內運行。鉛酸蓄電池可以重復使用，而且使用方法也易于為人們所接受。美國通用汽車公司的沖擊（GMImpact）電動汽車就使用了鉛酸蓄電池，這種專門為電動汽車設計的蓄電池具有較好的使用特性。2）鎳—金屬氫化物電池（鎳氫電池）:最大優點是能量密度大，一般在60～100Wh/kg。循環次數大約在1000次左右。其缺點是價格高，材料稀有。目前已大批量用于混合動力汽車。鎳氫蓄電池（Nickl—meta1hydride）在能量密度和循環壽命方面具有較大優勢，這種蓄電池可以提供更大的運行范圍，無須頻繁的維修。3）鎳鈣蓄電池（Nickel—acdium）:提供了比鉛酸蓄電池更高的功率密度、更大的能量和更長的使用壽命，并具有可密封性和較高的安全性。但是鎳鈣蓄電池對環境的污染較大，再循環也存在許多問題。4）鈉—氯化鎳電池：最大技術難點是必須建立高溫工作環境，而且要解決保溫隔熱的問題。因此不宜工業化生產，而且成本也很難降低。優點是能量密度高，可達90～100W/kg，功率密度約為120～130W/kg,且循環次數大于1000。5）鋅—溴電池：其缺點是自放電和防腐蝕差。能量密度為70～80Wh/kg，功率密度為140～150W/kg，比鉛酸電池要好。但比鎳氫電池要差。6）鈉—硫電池：工作環境必須要求高溫高壓，因此安全工作的問題需要解決，另外，高溫高壓條件的建立也比較困難。其能量密度為75～85Wh/kg，功率密度為140～150W/kg,另外，材料是非貴重金屬，在地球上是取之不盡的。鈉硫蓄電池具有較高的能量密度，因此它可以使電動汽車獲得更大的運行范圍。但其功率密度較低，使電動汽車的加速性能受到一定影響。鈉硫蓄電池的成本比鎳鈣蓄電池更合理一些，但是再循環性較差。為了使鈉硫蓄電池中的鈉和硫在隔離的容器內保持熔融狀態，其操作溫度必須在300℃左右。這樣，最大的問題是容易引起火災，到目前為止它很少被應用于電動汽車上。7）鋅—空氣電池：其工作的溫度與壓力較高，安全性差。雖能量密度高于100Wh/kg，但其功率密度較低，只有50W/kg。8）鋅空氣蓄電池（Zinc—air）：具有特別高的能量密度，因此可以提供一個較大的運行范圍，而且成本只是標準鉛酸蓄電池的一半。主要缺點是壽命短，功率密度低，反應過程復雜，而且參加反應的空氣必須除去二氧化碳，這就給整個蓄電池的工作帶來很多麻煩。9）鋰—聚苯胺電池（又稱塑料電池）：比較成熟，但能量密度較低（稍高于鉛酸電池），其成本較高，主要用于小功率電池。在電動汽車電池方面有很多的技術問題要解決。鋰聚合物蓄電池（Lithium—Polymer）：集中了其他蓄電池的優點。但目前正處在發展的初級階段，從現有的情況來看，鋰聚合物蓄電池具有很高的功率密度和能量密度，而且成本比鎳氫蓄電池低，當進入規模化生產之后，成本還將進一步下降。10）鎳—鎘電池：該電池技術比較成熟，但能量密度較低（稍高于鉛酸電池），其成本較高，主要應用于小功率電池。作為電動汽車電池還有很多的技術問題要解決。美國高能蓄電池聯合會（USABC）作了一個EV用蓄電池的發展規劃，見表4-2。

美國高能蓄電池協會目標表4-2質量能量(Wh/kg)80～100200體積能量密度(Wh/L)35300質量功率(W/kg)150～200400功率/能量比22體積功率密度(W/L)250600循環壽命(次)6001000總壽命(年)510成本(美元/kW)<150<100充電時間(h)<63～6效率75%80%4.1.2蓄電池充電器蓄電池充電器是電動汽車系統的一個重要組成部分，其功能是為電動汽車的蓄電池充電，充電時間的長短，充電效率的高低對電動車的實際使用有很大的影響。一個理想的蓄電池充電器應該具有如下性能：能對蓄電池進行徹底的充電，輸出電壓和電流必須與蓄電池的需要完全匹配，并應避免充電時的過熱和起氣泡；充電方法無需考慮蓄電池的充電狀態、溫度和使用時間；快速高效，且還有足夠的功率，能在給定的時間內對蓄電池充滿電；能對自放電進行補償，且不應影響蓄電池的能力和壽命，反之也不應該影響其效用；不允許在輸入電壓和電流中混入高次諧波分量。為減小過熱和起氣泡，常用的充電方法有：常電流充電、常電壓常電流充電、電流逐漸減小的充電、脈沖充電、點滴式充電和飄浮式充電。使用哪一種充電方法是根據每一種蓄電池的化學性能而定的為使充電時間縮短并提高充電效率，可以進行多次充電。為此，快速充電技術近來得到開發，即采用大電流或脈沖電流充電，但這兩種方法都需要較大的充電裝置，而且結果將導致蓄電池的過熱和起氣泡，也會縮短蓄電池的使用壽命。4.1.3電動汽車電動機電動機將蓄電池的能量轉換成機械能來驅動電動汽車，電動機的特性決定了推進系統和控制系統的特性，同時也決定了功率轉換器中功率轉換裝置的特性。對電動汽車用電動機的主要性能要求是：使用壽命長、輸出轉矩與轉動慣量之比較大、過載系數應為3～4、高速操縱性能好，少維修或不維修、外型尺寸小自身質量輕、容易控制、成本低廉。電動汽車使用的幾種典型電動機是：它勵電刷式直流電動機、三相感應式電動機、永磁式同步電動機、開關式磁阻電動機和同步磁阻式電動機。將電動機技術的優勢與功率電子學的優勢相結合，可以得到更小、更輕和更有效的電動汽車動力和傳動系統。各種電動機的性能比較見表4-3。

電動機性能比較表4-3直流電刷式永磁式感應式開關式峰值效率(%)85～8995～9794～95<90負荷效率(%)80～8779～8590～9278～86最高轉速(r/min)4000～60004000～1000012000～15000>15000可靠性中等好優良好成本(美元/kW)1010～158～126～10直流電刷式電動機優點：制造技術較為成熟，具有線性和穩定的輸出特性曲線，容易控制，其容量取決于轉矩和最高轉速。缺點：電刷易磨損、轉速低、質量重、體積大、可靠性差、效率低。由于有電刷和換相器，因此需要不斷地維修。三相感應式電動機優點：使用壽命長、效率高、可靠性好、轉速高（＞15000r/min），而且體積比相同轉速的直流電動機小，加之無電刷和換相器，免去這方面的維修，價格也比其它類型的電動機低。缺點：感應式電動機具有非線性輸出特性，需要一個較為復雜的控制系統，在高轉速時必須對轉子進行冷卻以防止電動機損壞。交流永磁式同步電動機優點：不需要電刷或滑環，其可靠性高，輸出功牢較大，與相同轉速的其他電動機相比，質量較輕。缺點：電動機具有永久性磁場，在恒功率范圍時電動機的控制較為困難；在無載荷的情況下，易造成滿磁通現象。永磁式電動機可以為：電流反饋控制的無電刷式直流電動機和永磁式同步電動機。因無電刷式直流電動機具有近以正弦氣隙磁通密度和正弦定子反饋電流，所以它比同尺寸的永磁式同步電動機的輸出功率大15％，在相同轉速情況下，無電刷式直流電動機的輸出轉矩比永磁式同步電動機要大15％，但兩者的“輸出轉矩／轉動慣量”都比感應式電動機大。開關式磁阻電動機優點：能實現比功率感應式電動機速度更高的操作控制。它有比感應式電動機更高的“輸出功率／質量”比和“輸出轉矩／轉動慣量”比。缺點：結構較為復雜，但開關式磁阻電動機存在噪聲和轉矩波動問題同步式磁阻電動機優點：兼具感應式電動機和永磁式電動機的優點，且有著更好的“功率／質量”比和“轉矩／慣量”比。其定子比感應式電動機要小，而轉子沒有繞阻和磁性，更象一個在同頻率下運行的具有凸極的同步電動機。缺點：在低頻輕載下的穩定性較差，解決這一問題是將其應用到電動汽車上的關鍵技術。目前，感應式電動機仍是電動汽車推進系統最好的原動機，將來同步式磁阻電動機或許更有希望，隨著功率轉換器的價格變得越來越低，該電動機將會顯現出更大的競爭力，如果能使永磁式電動機在恒功率模式下的操縱更容易的話，那么它將會有更強的生命力，這是因為它在同樣的輸出轉矩情況下沒有轉子的磨損，而且永磁式電動機的效率比感應式電動機更高。4.1.4電動汽車性能分析圖4-1和圖4-2分別為某永磁電動機的恒轉矩速度特性和恒功率速度特性圖4-1某永磁電動機的恒轉矩速度特性圖4-2某稀土永磁電機的和恒功率速度特性1.電動機的工作特性當考核電動汽車動力性的時候，可采用驅動電機的恒功率速度特性。在繪制驅動力圖時，在恒功率速度特性上提取相應的轉矩Me。內燃機的速度特性是在一定油門開度條件下，內燃機功率曲線上各點功率不相等，最大功率只能在油門開度最大時額定轉速下獲得。而電動機，原則上在任一轉速均可以獲得最大功率，因此有恒功率速度特性。上述不同使得兩者的轉矩特性有很大差異。電動機的轉矩隨轉速變化特性曲線近似于位于第一象限的漸近線，轉速愈低轉矩愈高，這一特點很符合汽車對動力機的要求。因此，恒功率速度特性是電動機相對于內燃機的一個寶貴的特點。2.電動汽車動力性能參數的獲取電動汽車的動力性能參數可以從驅動力-行駛阻力平衡圖上獲取。當電動機的轉速特性、傳動比、傳動效率、車輪半徑、空氣阻力系數、汽車迎風面積和汽車質量等參數已知時，便可繪制驅動力-行駛阻力平衡圖。圖4-3為某電動汽車在良好路面上行駛時的驅動力-行駛阻力平衡圖。

圖4-3某電動汽車驅動力—行使阻力平衡圖因該車系在某5檔汽油車基礎上改裝而得，考慮到電動機雖然有良好的轉矩特性，但因目前動力電池能量密度小限制了整個動力總成的選型，所用電動機的動力性明顯偏低，為了使電動汽車具有一定的爬坡能力，保留了原車變速器不動，因此驅動力曲線有5條。每條驅動力曲線Ft與行駛阻力曲線的交點即為該電動汽車在相應檔位下的最高車速。當車速低于最高車速時，驅動力大于行駛阻力，剩余的驅動力便可用來使電動汽車加速或進行爬坡。若不需要這么高的車速，可適當松開加速踏板，減小通過的電流，則在相同的電壓下，輸出功率降低，驅動轉矩曲線下降并與阻力曲線相交于較低的車速，亦即在較低的車速下獲得新的平衡，電動汽車即以這個較低的車速穩定行駛。在圖4-3上，各檔的驅動力和行駛阻力交點區域比較接近，為明晰起見，按各檔分別繪制驅動力和行駛阻力平衡圖，如圖4-4至圖4-8所示。圖4-4一檔驅動力—行使阻力平衡圖圖4-5二檔驅動力—行使阻力平衡圖圖4-6三檔驅動力—行使阻力平衡圖圖4-7四檔驅動力—行使阻力平衡圖圖4-8五檔驅動力—行使阻力平衡圖可以看出，1檔和2檔時，在正常轉速范圍，驅動力和行駛阻力不相交，牽引力均大于行駛阻力，不存在通常概念上的最高車速。這意味著，在1檔和2檔時，汽車行駛于平直良好路面將一直處于加速狀態，直到某一超速狀態，驅動力和行駛阻力才有可能相交。或者，適當松開加速踏板，使電動機的輸出功率和輸出轉矩適當降低，進而使驅動力減小，在動態變化過程中在某一位置實現新的平衡。4檔和5檔時，在大部分工況下驅動力小于行駛阻力，汽車不能行駛。即使在驅動力大于行駛阻力的工況，也因負荷偏大，電流過高，控制系統極易跳閘，實際上也無法工作。因此，該車只能在3檔情況下尋求最高車速。3檔時驅動力和行駛阻力相交于75km/h，亦即該車在車質量為2700kg時的最高車速為75km/h。3.電動汽車的續駛里程電動汽車的續駛里程短，充電時間長，因此人們十分關心能否準確地預測它的續駛里程和剩余行駛里程。電動汽車的續駛里程可由試驗求得，也可以通過計算進行預測。欲計算電動汽車的續駛里程，需要知道蓄電池的容量、蓄電池的能量和電動汽車的運行能量效率。蓄電池的容量可利用派克特（Peucter）方程計算：Qi=KI（1-n）（4-1）式中n和K是常數，分別等于：（4-2）（4-3）其中，I為放電流，I1和I2分別代表典型的電動汽車運行條件下，最高和最低的放電電流，t1和t2分別為與I1和I2相對應的放電時間。其中，I為放電流，I1和I2分別代表典型的電動汽車運行條件下，最高和最低的放電電流，t1和t2分別為與I1和I2相對應的放電時間。蓄電池的能量為：（4-4）式中：Wt為在電流為I時的蓄電池能量；Vt為蓄電池的端電壓；Vde為電池完全放電時的截止電壓；Qt為蓄電池的容量。如果蓄電池的能量和行駛效率或單位里程能耗已知，則電動汽車的續駛里程可利用下式求得：（4-5）式中：St為放電電流為I時的續駛里程（km）；ηv為電動汽車的運行能量效率，即單位能量的行駛里程數（km/MJ或km/（kW·h）。ks為電動汽車的單位里程能耗（MJ/km或kW·h/km）。4.2混合動力電動汽車混合動力電動汽車(HybridElectricVehicle:HEV)是指包含兩種或兩種以上動力源并能協調工作的車輛。混合動力電動汽車充分利用各種動力源的優點，通過自動控制形成最優匹配，通常其中一種動力源可以存儲另一種動力源的多余能量并回收存儲車輛減速時的制動能（通常在摩擦制動片處發熱散失），并能將它傳輸給傳動系統、供附件使用或用于協助驅動車輛。按照混合驅動汽車所用蓄能器型式的不同，大致可以分為飛輪儲能、液壓儲能和蓄電池儲能等三種，目前的混合驅動汽車主要著眼于對使用內燃機-蓄電池混合驅動的研究。這種混合驅動方式可以在要求排放嚴格控制的區域內零排放行駛；正常行駛時油耗低，排放少，能量利用率高；減小了對電池技術的依賴性，有利于商品化。在HEV上保持了發動機（主要為內燃機）及其電子控制系統，但所采用的發動機的功率一般要比同級別的內燃機汽車小，且對燃料消耗量和廢氣排放的污染提出了更高的要求。除了采取各種現代最新技術使發動機經常處于效率較高的狀態下運轉外，還要充分發揮電動機的低速大轉矩的特點，使發動機避開在起動、加速和爬坡時燃料消耗量增大和廢氣排放增多的不利工況。HEV的應用還能夠繼續發揮現成的燃油（汽油和柴油）供應系統工程的作用，大量節約了對燃料供應系統工程的投資。由于增加了一套電力驅動系統以及兩套傳動系統之間的控制系統，車輛制造成本相應增加。混合動力汽車節能的多少與該車運行工況有很大的關系，制定專門針對該行駛工況的控制策略會帶來更好的節能效果。混合動力汽車是實用的、具有發展前景的替代能源汽車，尤其是在向氫能源時代過渡的時期能發揮主導作用，因此，國內外汽車界均投入巨大力量進行開發和研制。有的已形成生產能力并投入市場。豐田混合動力車Prius福特混合動力車

ZagatoVOLPE混合動力汽車

混合動力型本田思域

奧迪Q7混合動力車

4.2.1串聯式混合動力電動汽車（SHEV）SHEV（串聯式混合動力電動汽車）是由發動機、發電機和驅動電動機三大動力總成組成。發動機、發電機和驅動電動機采用“串聯”的方式組成如圖4-9所示的驅系統。圖4-9串聯式混合動力車動力流程圖SHEV用發動機-發電機組均衡地發電，電能供應驅動電動機或動力電池組，使SHEV的行駛里程得到延長。實際上SHEV的發動機-發電機組只能看作一種電能供應系統，發動機并不直接參驅動車輛。發動機的轉速不受SHEV運行工況的影響(克經常保持一定轉速范圍，以低燃耗、高效率、低污染的狀態運轉)。SHEV驅動系統的特點是：結構及控制系統比較簡單；只有電動機驅動模式，其動力特性更加趨近于EV，要求發動機、發電機和驅動電動機的功率都等于或接近于SHEV的最大驅動功率；由于該系統的能量在熱能—電能—機械能之間轉換，總效率低于內燃機汽車；由于三大動力總成之間無直接的機械連接，在布置上具有較大自由度，但同時受限于各總成體積較大、質量較重以及龐大的動力電池組，所以通常用于大型客車。中央控制器根據SHEV的行駛工況，對動力電池組的放電進行模擬或仿真，隨機檢測動力電池組電狀態，用動力電池組管理模塊對動力電池組的放電和電量減少的情況進行模擬，并根據動力電池組和驅動電動機反饋的信息計算動力電池組的剩余電量，確定發動機-發電機組起動發電的時機和發電運行時間。控制系統能夠在儀表板上顯示剩余電量和剩余電量所能行駛里程，并進行對動力電池組的安全管理緊急事故處理等。控制系統中的檢測裝置及信號反饋包括各種車速表、里程表、發動機轉速表、電量檢測裝置（電壓表、電流表等）、顯示裝置和自診斷系統等。通過各種傳感器將發動機--發電機組、動力電池組和驅動電動機實際運轉狀態參數，反饋到中央控制器，經過計算機的計算，調整和把各個運行參數實時地顯示在熒光屏上或發出報警，使駕駛員了解整車的車況，及時進行處理。SHEV的驅動電動機的供電模式見表4-4。SHEV的驅動電動機的供電模式和控制策略表4-4供電模式動力傳遞情況動力電池組供電(1)在平坦道路上行駛(2)低速行駛(3)城市道路行駛發動機-發電機供電(1)起動(2)高速行駛(3)城市間道路行駛動力電池組、發動機-發電機共同供電(1)起動、爬坡(2)高速行駛制動能量反饋(1)滑行(2)下坡(3)制動（不包括緊急制動）4.2.2并聯式混合動力電動汽車（PHEV）PHEV(并聯式混合動力電動汽車)是由發動機、電動/發電機或驅動電動機兩大動力組成,其發動機、電動/發電機或驅動電動機采用“并聯”的方式組成驅動系統。其動力流程如圖4-10所示。圖4-10并聯式混合動力車動力流程圖發動機和電動機通過變速裝置同時與驅動橋直接相連接。電動機可以用來平衡發動機所受的載荷，使其能在高效率區域工作，因為通常發動機工作在高負荷（中等轉速）下燃油經濟性較好。當車輛在較小的路面載荷下工作時，傳統車輛發動機的燃油經濟性比較差，而并聯式混合動力汽車的發動機此時可以被關閉掉而只用電動機來驅動汽車，或者增加發動機的負荷使電動機作為發電機，給蓄電池充電以備后用（即一邊驅動汽車，一邊充電）。并聯式驅動系統又兩條能量傳輸線，可以使用電動機和發動機作為動力源來驅動汽車，如果其中的一條驅動線路出了問題，另一個仍然可以驅動汽車。這種設計方式可以使其以純電動汽車運行，但是此時不能提供全部的動力能源。并聯式混合動力車通常有以下四種合成驅動方式，如圖4-11。A）驅動力合成B）雙軸式扭矩合成C）單軸式扭矩合成D）轉速合成

圖4-11并聯式混合動力車的四種驅動方式驅動力合成：汽車采用一個小功率的發動機，單獨地驅動汽車的前輪。另外一套電動機驅動系統單獨地驅動汽車的后輪，在汽車啟動、爬坡或加速時增加混合動力汽車的驅動力。兩套驅動系統可以獨立地驅動汽車，也可以聯合驅動汽車，使汽車變成四輪驅動的汽車。此種混合動力的汽車具有四輪驅動汽車的特性。扭矩合成（雙軸式和單軸式）：發動機通過傳動系統直接驅動混合動力汽車，并直接（單軸式）或間接（雙軸式）帶動電動/發電機轉動向蓄電池充電。蓄電池也可以向電動/發電機提供電能，此時電動/發電機轉換成電動機，可以用來起動發動機或驅動汽車。轉速合成：發動機通過離合器和一個“動力合成器”來驅動汽車，電動機也是通過“動力合成器”來驅動汽車。可以利用普通內燃機汽車的大部分傳動系統的總成，電動機只需通過“動力合成器”與傳動系統連接，結構簡單，改制容易，維修方便。通常“動力合成器”就是一個行星齒輪機構，這種裝置可以使發動機或電動機之間的轉速靈活分配，但它們合成在特定的“動力合成器”中，因為“動力合成器”使它們的轉矩固定在汽車行駛時的轉矩上，要用調節發動機節氣門的開度來與電動機的轉速相互配合，才能獲得最佳傳動效果，從而使得控制裝備變得十分復雜。4.2.3混聯式混合動力電動汽車（PSHEV）混聯式混合動力電動汽車是綜合SHEV和PHEV結構特點組成的另一種方案，由發動機、電動/發電機和驅動電動機三大動力總成組成。電動/發電機裝在發動機的輸出軸上，起到發動機飛輪和起動機的作用，保持發動機穩定運轉并進行發電，因此電動機的動力要與車輛驅動系統相結合，常用的合成方式有：驅動軸合成，驅動輪合成：1.驅動軸合成混聯式混合動力電動汽車這種形式的PSHEV有發動機、電動/發電機和驅動電動機三大動力設備。在發動機軸上裝置電動/發電機。發動機的動力經變速器、驅動電動機的動力經過減速器在動力合成器上進行合成，然后通過差速器和半軸帶動車輪行駛。由于發動機上裝有電動/發電機，然后發動機的動力和驅動電動機的動力通過動力合成器在驅動軸上進行合成，形成混合動力的PSHEV結構模式，故稱為驅動軸合成混聯式PSHEV。發動機是PSHEV的第一動力源。發動機的功率接近于車輛的驅動功率。發動機通過傳動系統和動力合成器驅動車輛行駛，帶動電動/發電機發電，在多能源動力控制模塊控制下，實現起動-關閉的控制模式操作。在發動機的輸出軸上，裝有電動/發電機，通過對電動/發電機發電量的調控，來平衡和調節發動機的輸出功率，使發動機保持平穩和最高效率運轉。驅動電動機是PSHEV輔助動力系統，驅動電動機的功率與發動機接近，驅動電動機通過減速齒輪組（或減速器），將動力輸入動力合成器，然后再通過過差速器、半軸驅動車輪行駛。驅動電動機有時要獨立地驅動車輛，電動/發電機所發出的電能一般能夠滿足驅動電動機動力的需求，動力電池用電池組管理模塊進行控制和管理。PSHEV用加速踏板、制動踏板、變速器操縱桿操縱裝置等進行操縱。加速踏板與內燃機汽車的加速踏板作用相同，直接控制發動機的節氣門開度，調節發動機的轉速和輸出的功率；加速踏板還控制驅動電動機的轉速和輸出的功率。制動踏板有雙重作用，PSHEV滑行和制動時，控制再生制動能量回收，在緊急制動時控制常規ABS的制動系統進行制動。加速踏板、制動踏板、變速器操縱桿等位移信號轉換為電信號輸入中央控制器，用多能源動力總成管理系統控制發動機的運轉，由于增加了電動/發電機，更加能夠保持發動機高效率、低污染和在最佳效率范圍內平穩運轉，根據道路條件用變速器改變車輛行駛速度。在車輛加速或爬坡時，及時控制電動/發電機或驅動電機提供輔助動力。驅動軸合成PSHEV可以用電動/發電機向動力電池組充電，電池管理模塊對電池組的充、放電及動力電池組中每個電池狀態進行監控和檢查，并具有安全保護的功能。對驅動電動機的起動、運轉和關閉等發出指令，來保持動力電池組在規定的SOC范圍內正常運轉驅動模式有發動機驅動模式、電動機驅動模式、混合驅動模式和制動能量的回收等。發動機驅動模式是PSHEV的基本驅動模式，發動機通過傳統的傳動系統帶動PSHEV行駛；驅動電動機能夠獨立地驅動車輛行駛，使車輛一定的獨立行駛能力，增加車輛的機動性和靈活性；在車輛加速或爬坡時，發動機節氣門開度最大，電動/發電機或驅動電動機也為發動機提供輔助動力，此時車輛采用混合驅動模式，車輛具有最大驅動力；在車輛滑行、下坡或制動時，能夠回收再生制動時產生的能量。1）福特汽車公司Escape福特多功能運動汽車Escape使用了驅動軸合成混聯式混和系統。其百公里綜合油耗為5.9L/100km，續駛里程達到800km。動力性能基本上與裝備V6汽油發動機的EscapeSUV相同。結構模型見圖4-12。圖4-12Escape混合動力汽車的結構形式1—電流轉換器；2—中央控制器；3—發動機；4—電動/發動機；5—離合器；6—PTH動力組合器；7—驅動橋；8—行星齒輪組；9—減速；10—驅動電動機；11—動力電池組Escape從降低發動機的燃料消耗和排氣污染著手，采用了“艾金森”循環的Zetec-4缸發動機。“艾金森”循環發動機有進氣、回流、壓縮、膨脹和排氣5個沖程，由于“艾金森”循環能夠減少泵氣損失和優化膨脹比，同時保持壓縮比恒定。它比傳統4沖程的“奧托循環”的發動機更加節能，排放也能達到“超低排放”。Escape的動力合成器是一個用行星齒輪和傳動齒輪組合而成的傳動機構，用以協調發動機與驅動電動機在不同的驅動模式時，兩種動力裝置的運動和動力輸出不發生干擾，發動機與驅動電動機在混合驅動模式時，輸送給差速器的轉速相同發動機的后面安裝一臺功率為28kW的電動/發電機，能夠產生大的低速轉矩，有利于幫助發動機快速起動，并能在發動機全部轉速范圍內發出穩定的電流；驅動電動機采用感應電動機，驅動電動機的功率為65kW，驅動電動機是經過動力合成器將動力傳遞到主減速齒輪和差速器動車輛行駛；電池采用輕型鎳-氫動力電池組，由多個單元電池組成，動力電池組和DC/DC轉換器布置在驅動電動機左右兩側的座位下面。發動機驅動模式是Escape的主要驅動模式，電動/發電機帶動發動機起動后，一方面發動機的動力通過自動離合器、自動變速器、動力合成器和差速器，驅動車輛前輪行駛。另一方面帶動電動/發電機發電，使發動機保持最佳效率狀態運行。由于可以實現起動-關閉的控制模式，使得發動機始終保持低燃耗、高效率的平穩運轉。當Escape在城市或低速行駛時，此時發動機關閉，由驅動電動機通過動力合成器驅動車輛行駛，充分發揮電動機在低轉速-大轉矩的特性，保持汽車低速穩定地行駛。在停車（紅燈或暫時停車）時，發動機被關閉，驅動電動機提供車輛起步時所需要的動力。車輛在加速或爬坡時，發動機發出最大動力，同時驅動電動機也輸出最大動力。在動力合成器的協調下，發動機和驅動電動機以混合驅動模式共同驅動汽車行駛，如果需要此時車輛可以發出最大的驅動功率。采用用驅動電動機反轉來即可完成倒車。2）豐田汽車公司PriusPrius由發動機、電動/發電機和驅動電動機三大動力總成，采用豐田汽車公司自行開發的“THS（ToyotaHybridSystem）混合動力系統”組成多能源動力系統。THS動力合成器的核心是用行星齒輪組組成的動力合成器（有的稱為動力分配器），用于協調發動機、發電機和電動機的運行和動力傳遞。見圖4-13圖4-13Prius的THS系統結構形式1—發動機；2—電動/發動機；3—THS混合動力系統；4—驅動系統；5—驅動電動機；6—驅動軸；7—外齒圈；8—行星架；9—中心輪；10—行星輪Prius采用一臺1.5L直列四缸汽油發動機，功率為52kW（2004款為58kw）。該汽油發動機采用“艾金森”循環，具有高經濟性、高效率和低排放的特性。發動機的輸出軸帶動一個動力分配器，見圖4-14，動力分配器將發動機的動力通過THS系統的傳動軸驅動車輛行駛。另一方面通過動力分配器帶動電動/發電機發電，并將其發出的電能儲存到動力電池組中。圖4-14THS系統動力分配示意圖1—動力電池組；2—電流變流器；3—動力分配器；4—電動/發電機；5—發動機；6—THS混合動力系統；7—主減速齒輪；8—驅動電動機；9—車輪發動機的功率低于同級別普通內燃機汽車，始終保持在低油耗、高效率的轉速范圍內平穩地運轉。在起動、加速和上坡等發動機動力不足時，由驅動電動機提供輔助動力。電動/發電機是一臺小型的永磁交流同步電機。在汽車起動時，作為發動機的起動機，利用電動機低速大轉矩的特點，快速地帶動發動機起動。發動機正常運轉后，電動/發電機即轉換為發電機向動力電池組充電。電動/發電機的重要作用是起調節作用，保持發動機動力穩定、均衡的輸出，減少發動機工作時的振動。驅動電動機也是一臺永磁交流同步電動機，功率為33kW，電動機的工作電壓為288V(2004款為500V/50kw)。在用電動機驅動時，由動力電池組提供的電能驅動車輛行駛。Prius采用鎳-氫電池，單體電池的電壓為1.2V，由多個單體電池串聯為動力電池組。鎳-氫電池的比功率為鉛酸電池的3倍，而且密封性好，壽命長，直接由電動/發電機進行充電，不需要另外充電。在電能輸入時，將發電機的電能轉換為直流電，儲存到動力電池組中。在電能輸出時，將動力電池組的直流電轉換為三相交流電，供給驅動電動機。電流變換器線路系統采用智能模塊進行自行控制。“THS混合動力系統”，是Prius的核心控制裝置（見圖4-14）。利用行星齒輪機構，發動機輸出軸與行星齒輪架相連接，電動/發電機與太陽輪相連接，驅動電動機與行星齒輪外齒圈相連接，THS驅動系統主減速器的主動齒輪也與行星齒輪齒環相連接。“THS混合動力系統”的行星齒輪機構可以充分滿足車輛用任何一種獨立驅動模式或任何一種混合驅動模式，平穩有序的運轉來帶動車輛行駛，不會發生任何的運動干擾。用多能源動力總成控制模塊，隨機地轉換車輛的驅動模式，使發動機和驅動電動機始終保持最佳效率狀態。THS系統的主要特點是通過計算機控制的多能源動力控制模塊，按車輛行駛工況的變化，在發動機動力不足時，自動起動驅動電動機來補充發動機的動力。THS系統利用電動機低速-大轉矩的特點，首先用驅動電動機起步，達到1檔行駛速度以后，才由電動/發電機帶動發動機起動；停車、低速行駛和發動機處于低效率工作范圍時，多能源動力控制模塊控制發動機自動關閉，并轉換為驅動電動機驅動模式。發動機采取了“起動-關閉”的控制模式進行控制，并按預先設置發動機最佳工作運轉范圍，可以大量節約燃料和降低有害廢氣的排放。在THS設定的控制模式控制下，根據車輛行駛工況和發動機的運行狀態，自動調節電控節氣門的開度，使發動機始終保持在ECU設定的最佳效率范圍內穩定地運轉，以保證最好的燃油經濟性。當駕駛員踩下加速踏板時，加速踏板行程量轉換為電量信號輸入THS系統，經過計算向電控節氣門發出指令，用多能源動力總成控制模塊控制，根據車輛的狀態，確定發動機的運行狀態。并根據電池管理系統模塊反饋的信息來起動發動機帶動電動/發電機發電，補充動力電池組的電量。THS系統相當于一個電控自動無級變速器，能夠對駕駛員的操作快速作出響應，在車輛起動時，充分利用驅動電動機低速-大轉矩的特點使車輛快速起動。在混合驅動時，用多能源動力總成控制模塊控制驅動模式的轉換，在車輛加速和爬坡時，準確的協調發動機和驅動電動機的驅動力，使發動機與驅勸電動機有最佳動力匹配，因此，車輛有良好的加速性能和爬坡性能。在制動時能夠有效地回收再生制動能量，制動能量的回收可以使整車效率提高20%，是內燃機汽車所不能做到的。2.驅動輪合成混合動力電動汽車發動機動力和驅動電動機的動力在驅動輪上進行合成帶動車輪行駛。故稱為驅動輪合成PSHEV。發動機是驅動輪動力合成式PSHEV主要動力源，它能單獨地驅動PSHEV的前驅動輪（或后輪）行駛。在結構上與普通話的內燃機汽車沒有太大的區別，但發動機的功率小于同級別的內燃機汽車與PHEV的區別:驅動輪動力合成式PSHEV上，發動機還要帶動一個電動/發電機，電動/發電機可以調節發動機的輸出功率，保持發動機穩定地運轉，使發動機經常處于最佳效率狀態，可以降低發動機的油耗和有害氣體的排放，達到節能和“超低排放”的目的。驅動電動機能夠獨立地驅動車輛前驅動輪（或后輪）行駛，可以增加車輛的機動性和靈活性，驅動電動機及其驅動系統與發動機傳動系統沒有任何機構聯系。在車輛加速或爬坡，發動機節氣門開度較大，在發動機驅動前輪行駛同時，驅動電動機也輸出最大動力驅動后輪行駛，提供輔助動力。此時車輛采用混合驅動模式，車輛實現四輪驅動并具有最大驅動力。在混合驅動模式驅動車輛行駛時，前輪的驅動力和后輪的驅動力進行疊加。在車輛滑行、下坡或制動時，回收再生制動時的能量。由于發動機傳動系統和驅動電動機驅動系統各自獨立，最終各自驅動力傳遞到驅動輪上進行合成，要求多能源動力總成管理系統控制模塊能夠根據車輛行駛的不同工況，協調前驅動輪和后驅動輪的驅動力，不發生打滑或拖帶現象，使驅動系統保持最高效率，要求控制系統有快速的響應。1）通用汽車公司Parallel

Parallel是屬于驅動輪動力合成PSHEV。裝有發動機、電動/發電機和驅動電動機三大動力總成。最大功率可達到160kW，0～96km/h的加速時間為7s。Parallel的結構模型，見圖4-15。

圖4-15驅動輪動力組合的結構形式1—電流轉換器；2—充電器；3—驅動電動機驅動橋；4—電力電池組；5—中央控制器；6—電動機/發電機；7—變速器；8—發動機該車裝有一臺日本五十鈴汽車公司制造的3缸1.3L直噴式柴油機，采用了稀薄燃燒、壓縮點火、渦輪增壓的技術，功率達到55kw。柴油機裝有內置平衡軸，可以抵消三缸發動機本身的小振幅的振動，保持在高效率狀態下平穩運轉。該發動機通過5檔變速器驅動后輪行駛。發動機帶動一個無刷直流電動/發電機發電，向動力電池組充電。電動/發電機發電的功率為4.5kW。電動/發電機作為發動機的起動機和飛輪的作用，并且可由發動機帶動發電。Parallel采用了EV-1電動汽車的交流感應電動機，功率為100kW，最高速達到15000r/min。通過減速器獨立地帶動汽車前輪行駛，與EV-1電動汽車有一定的通用性。該車采用鎳電池作為動力電池組，電池組分別布置在座位下面。在制動時儲存制動回收的電能。2）豐田汽車公司Estima-FourEstima-Four是4輪驅動PSHEV。該車由發動機、電動/發電機和驅動電動機三大動力總成組成。裝有豐田公司自行開發的四輪驅動系統，可以以發動機驅動前輪，電動機驅動后輪的4輪驅動驅動模式進行行駛。Estima-Four的結構模型,見圖4-16。圖4-16Estima-Four混合動力汽車的結構形式1—燃油箱；2—發動機；3—傳動機構；4—前驅動橋；5—電動/發電機；6—電動/發電機的傳動裝置；7—動力電池組；8—電流交換器；9—驅動電動機該車的發動機采用了豐田公司的新型的2.4L汽油發動機，特點是采用了“艾金森”循環、高膨脹比、大功率、大轉矩；使用可變正時氣門（VVT-I）系統，可以進一步提高燃燒效率，具有良好的經濟性；排放中CO、HC和NOX的排放量僅為傳統內燃機轎車的1/12；發動機采用鋁合金制造的缸體，在結構上作了進一步的改進，使得發動機的尺寸和質量都比傳統的發動機有所減小和減輕。該發動機工作時，不僅有足夠的驅動力，而且能夠帶動電動/發動機發電，滿足自行充電的要求，保障驅動電動機工作時能提供足夠的電能，電動/發動機還兼有發動機起動和功率平衡作用。驅動電動機裝在車輛的后部，它通過驅動系統和后驅動橋帶動后輪行駛。該車采用了豐田公司的THS-C驅動系統。THS-C驅動系統將發動機、電動/發電機、驅動電動機組成新的驅動輪動力合成式混合驅動系統，在發動機-驅動電動機混合動力驅動時，調節前后驅動輪的驅動力，使發動機和驅動電動機的動力匹配達到最佳效果。該系統有以下特點：控制前電動/發電機與發動機共同組成（轉速合成）混合驅動模式；控制發動機與驅動電動機共同組成（驅動力合成）混合驅動模式；前電動/發電機與驅動電動機共同組成“雙電動機”（驅動力合成）混合驅動模式，有效地提高車輛的總驅動力，雙電動機驅動可以更好地發揮電動機在低速大轉矩的特性，特別適應濕滑道路和泥濘道路，低速越野行駛時有強勁的驅動力和附著力。雙電動機驅動模式是豐田汽車公司的首創。4.3燃料電池汽車燃料電池（Fuelcell）是一種將燃料氧化的化學能直接轉換為電能的“發電裝置”，1839年英國物理學家廉·格拉夫爵士成功地實現了電解水的逆反應，產生電流。20世紀六七十年代，美國開始將燃料電池用于“雙子星”號和“阿波羅”號航天飛機，80年代后用在潛艇上作為動力源，以后才向電動汽車方向發展。根據傳統的習慣，把燃料氧化的化學能直接轉換為電能的“發電裝置”仍然稱為燃料“電池”，但其與一般的化學電池是完全不同的工作原理。燃料電池的能量轉換方式是燃料的化學能直接轉換為電能，燃料電池能夠使用多種燃料，可以是石油燃料也可以是有機燃料，并可使用包括再生燃料在內的幾乎所有的含氫元素的燃料。燃料經過轉化成為氫后，以氫作為燃料電池的燃料，燃料電池能量轉換不受卡諾循環規律的限制，熱效率要高得多。燃料電池在運行過程中，不需要復雜的機械傳動裝置，不需要潤滑劑，沒有振動與噪聲。燃料電池負極側為氫極（燃料極），輸入氫氣，正極側為氧化極，輸入空氣或氧氣。正極與負極之間為電解質，電解質將兩極分開。不同種類的燃料電池采用不同的電解質，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質。在燃料電池中燃料與氧化劑經催化劑的作用，在能量轉換過程中，經過電化學反應生成電能和水（H2O），不產生氮氧化物（NOx）和碳氫化合物（HC）等。燃料電池與普通蓄電池的區別在于：①燃料電池是一種能量轉換裝置，在工作時必須有能量（燃料）輸入，才能產出電能。普通蓄電池是一種能量儲存裝置，必須先將電能儲存到電池中，在工作時只能輸出電能，不需要輸入能量，也不產生電能，這是燃料電池與普通蓄電池本質的區別；②一旦燃料電池的技術性能確定后，其所能夠產生的電能只和燃料的供應有關，只要源源不斷對地供給燃料，就可以源源不絕的產生電能，其放電特性是連續進行的。普通蓄電池的技術性能確定后，只能在其額定范圍內輸出電能，而且必須是重復充電后才能重復使用，其放電特性是間斷進行的；③燃料電池本體的質量和體積并不大，但燃料電池需要一套燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備，才能獲得氫氣，而這些燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備的質量和體積遠遠超過燃料電池本身，在工作過程中，燃料會隨著燃料電池電能的產生逐漸消耗，質量逐漸減輕（指車載有限燃料）。普通蓄電池沒有其他輔助設備，普通蓄電池在技術性能確定后，不論是充滿電還是放完電，蓄電池的質量和體積基本不變；④燃料電池是將化學能轉變為電能，普通蓄電池也是將化學能轉為電能，這是它們共同之處，但燃料電池在產生電能時，參加反應的反應物質在經過反應后，不斷地消耗不再重復使用，因此，要求不斷地輸入反應物質。普通蓄電池的活性物質隨蓄電池的充電和放電變化，活性物質反復進行可逆性化學變化，活性物質并不消耗，只需要添加一些電解液等物質。由于氫可以從水中制取，可以說是一種取之不盡的燃料，所以有人把燃料電池看作是未來的車用動力能。當然目前還存在許多技術和使用條件上的問題,如氫的制取、保存安全、價格及供氣網絡；燃料電池用金屬催化劑全球產量的限制；燃料電池供電性能與汽車運行方式的匹配等等。制造成本昂貴是首當其沖需要解決的。隨著技術和社會的發展，特別隨著汽、柴油的不可再生能源的日趨枯竭，具有高效率、零污染、低噪聲的燃料電池會一步一步的進入汽車動力機械領域，取得其應有的地位。4.3.1燃料電池的種類和及其特性按燃料電池的運行機理分，有酸性燃料電池和堿性燃料電池;按電解質的種類分，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質。因此，燃料電池可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。其中，磷酸燃料電池（PAFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）可以冷起動和快起動，可以用作移動電源，適應FCEV使用的要求。按燃料類型分,有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷、汽油、柴油和天然氣等，有機燃料和氣體燃料必須經過重整器“重整”為氫氣。按燃料電池的工作溫度分，有低溫型(低于200℃)、中溫型(200～750℃)、高溫型(高于750℃)。在常溫下工作的燃料電池，例如質子交換膜燃料電池（PEMFC）,需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學能絕大部分都能轉化為電能，只產生少量的廢熱和水，不產生污染大氣環境的氮氧化物。體積較小，質量較輕。但催化劑鉑(Pt)與工作介質中的一氧化碳（CO）發生作用后會產生“中毒”而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑(Pt)的價格很高，增加了燃料電池的成本。高溫（600～1000℃）燃料電池，例如熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于體積大，質量重，工作溫度高，需要采用復合廢熱回收裝置來利用廢熱，適合用于大功率的發電廠中。最實用的車用燃料電池是以氫或含富氫的氣體燃料，由于在自然界不能直接獲得氫，燃料電池氫的來源通常是以石油燃料、甲醇、乙醇、沼氣、天然氣、石腦油和煤氣中，經過重整、裂解等化學處理后來制取含富氫的氣體燃料。氧化劑則采用氧氣或空氣，最常見的用空氣作為氧化劑1.堿性燃料電池（AFC）堿性燃料電池的電解質為堿性的氫氧化鉀（KOH），故稱為堿性燃料電池。堿性燃料電池以吸附氫氧化鉀（KOH）的石棉膜為電解質，在燃料電極處以多孔鎳（Ni）或鉑(Pt)、鈀（Pd）（高性能時采用）為催化劑。在氧電極處以多孔銀（Ag）或金屬氧化物、尖晶石等為催化劑。堿性燃料電池一般以石墨、鎳和不銹鋼作為堿性燃料電池的結構材料。堿性燃料電池的工作原理如下：燃料電極（負極）上產生的化學反應：(4-6)氧電極（正極）上產生的化學反應：(4-7)堿性燃料電池總的化學反應如下：(4-8)氧電極在堿性電解質的極化要比在酸性電解質的極化小得多，還可以用非貴重金屬作為催化劑，堿性燃料電池的結構材料價格比較低廉。堿性燃料電池可以通過對氫燃料量的控制，實現對發電量的控制。堿性燃料電池需要以純氫（H2）為燃料，如果燃料中含有碳，碳與氧反應生成一氧化碳（CO），起催化劑會產生“中毒”現象而逐漸失效，使燃料電池效率降低或完全損壞，二氧化碳（CO2）也會被堿性溶液所吸收化合成碳酸鹽，因此堿性燃料電池的燃氣必須經過處理來清除一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）后方能使用。堿性燃料電池的工作溫度低，其余熱利用價值較低。另外在陽極上鉑(Pt)的用量大，使得堿性燃料電池的成本增加。堿性燃料電池最早用于“阿波羅”登月艙、航天航空飛船和飛機上，近年來電動汽車上已考慮采用堿性燃料電池作為能源。2.磷酸燃料電池（PAFC）磷酸燃料電池是以磷酸為電解質，故稱為磷酸燃料電池。由燃料電極、隔板、隔膜、空氣電極（氧電極）和冷卻板組成。在燃料極處采用鉑(Pt)、石墨（多孔）0.25mg/cm2為催化劑，在氧電極處也采用鉑(Pt)、石墨（多孔）0.5mg/cm2為催化劑。催化劑的基底裝在碳化硅的容器中，在容器中灌入磷酸作為電解質。氧電極和燃料電極的外側為石墨復合材料的多孔質夾層，供燃料或空氣（氧氣）在其中流動。圖4-17磷酸燃料電池單元電池的結構示意圖圖4-17磷酸燃料電池單元電池結構示意圖a）單體磷酸燃料電池；b）層疊式磷酸燃料電池組1—負極集流體加強肋；2—隔離板、集流板；3—正極集流體加強肋；4—空氣通道；5—正極；6—電解質基體；7—負極；8—燃料氣體通道；9—負極集流體加強肋；10—隔離板、集流板（以下連續層疊成為電池組）在電池盒的上下兩側為燃料氣體通道和空氣通道，燃料氣體和空氣通過石墨復合材料的多孔質夾層，然后在磷酸電解質層的夾層中進行化學反應，其化學反應溫度為150～220℃。通常磷酸燃料電池是用甲醇經過重整處理轉化的氫（H2）為燃料，氫（H2）不斷地輸入到燃料極石墨多孔質燃料夾層中，約80%以上分解為氫離子，經過多孔質催化劑層和只能夠通過氫離子(H-)的高分子電解質膜，移動到氧電極處與氧（O2）發生氧化反應。在氧電極處，經過濾的氧氣或空氣，源源不斷地進入氧電極石墨多孔質空氣夾層中，使得磷燃料電池能夠源源不斷地產生電能。磷酸燃料電池的工作原理如下：燃料電極（負極）上產生的化學反應：(4-9)氧電極（正極）上產生的化學反應：(4-10)總的化學反應：(4-11)磷酸燃料電池在以甲醇或丙烷等燃料時，甲醇或丙烷必須經過燃料重整處理后才能轉化成為氫氣（H2），因此，重整器是磷酸燃料電池必須的輔助設施。采用增加對燃料氣體的壓力和提高燃料氣體溫度的技術措施，能夠使得化學反應更加完全，可以提高磷酸燃料電池的性能，并且還可以提高重整器的效率。對減輕磷酸燃料電池及燃料電池輔助裝置總質量，以及減輕電動汽車的整備質量有重要意義當磷酸燃料電池的溫度低于130℃時，磷酸燃料電池不會發生化學反應。要啟動磷酸燃料電池系統，必須應用輔助燃燒器來加熱蒸發器，直到磷酸燃料電池溫度超過130～180℃時，磷酸燃料電池才會發生化學反應。在常溫條件時，啟動磷酸燃料電池系統，需要1小時左右。磷酸燃料電池是燃料電池中技術最成熟的一種，已開始在電動汽車上應用，在重型電動汽車上采用磷酸燃料電池試驗表明，磷酸燃料電池有良好的使用性能。磷酸在180～220℃的工作溫度下，性能穩定，能夠自行排水。磷酸燃料電池能夠耐受CO，在150℃時鉑(Pt)能夠耐受5%的CO。但不能耐受硫（S），可以采用除硫（S）后的“粗氫氣”作為燃料來降低使用成本。在反應過程中溫度穩定，余熱的利用率高，余熱可用于電池內部加壓和重整，或作為一般性能供熱。但磷酸燃料電池需要用貴重金屬鉑(Pt)作為催化劑，使用成本高。氧電極極化大、消耗大，對燃料氣體的質量要求較高。3.氫離子固體聚合物燃料電池（SPEFC）氫離子固體聚合物燃料電池的電解質是固體聚合物，因此，稱為固體聚合物燃料電池。由氧電極、燃料電極、電解質和催化劑組成。在氧電極處輸入空氣或氧氣，在燃料極輸入氫氣。在氧電極與燃料電極處都采用了鉑(Pt)作為催化劑。氫離子固體聚合物燃料電池采用鈦(Ti)、釹（Nd）作為電池的結構材料，其化學反應溫度為50～100℃。氫離子固體聚合物的工作原理如下：燃料電極（負極）上產生的化學反應：(4-11)氧電極（正極）上產生的化學反應：(4-12)氫離子固體聚合物燃料電池基本結構及工作原理見圖4-18.圖4-18氫離子固體聚合物燃料電池結構及工作原理1—多孔質燃料夾層；2—氫電極；3—負載；4—氧電極；5—多孔質空氣夾層氫離子固體聚合物燃料電池采用了固體聚合物作為電解質，具有穩定的反應界面，結構緊湊，堅固可靠，能夠適應移動設備使用。可用簡單的吸水芯來排除反應產生的水分。但它需要用貴重金屬鉑(Pt)作為催化劑、催化劑不能耐受一氧化碳（CO）的侵蝕，在燃料供應裝置中需要增加除一氧化碳的裝置使得裝備尺寸和質量增加。固體聚合物價格高，增加了使用成本。工作溫度較低，余熱的利用價值小。4.熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）熔融碳酸鹽燃料電池以多種碳酸鹽混合物作為電解質，故稱為熔融碳酸鹽燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池以多種碳酸鹽Li2CO3以及K2CO3混合物作為電解質，電解質被吸收到鋁酸鋰陶瓷片中，熔融碳酸鹽燃料電池由氧電極、燃料電級、電解質和催化劑等組成。在氧電極處輸入空氣或氧氣，在燃料電極輸入氫氣。在氧電極采用了摻鋰（Li）的氧化鎳作為催化劑，在燃料電極采用了多孔鎳(Ni)作為催化劑。可以用鎳(Ni)或不銹鋼作為電池的結構材料，其化學反應溫度為600～650℃。熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理如下：燃料電級（負極）上產生的化學反(4-13)(4-14)熔融碳酸鹽燃料電池在整個化學反應過程中，CO2參與全過程，在氧電極處CO2是消耗反應，在燃料電極處CO2是析出反應，而且不斷地在燃料電池中循環，還要對CO2中的氫（H2）進行催化處理，化學反應過程十分復雜，使得熔融碳酸鹽燃料電池的結構和控制變得很復雜。熔融碳酸鹽燃料電池可以采用非貴重金屬作為催化劑，降低使用成本。能夠耐受CO和CO2的作用，可采用富氫燃料。用鎳（Ni）或不銹鋼作為電池的結構材料，材料容易獲得并且價格便宜。熔融碳酸鹽燃料電池為高溫型燃料電池，余熱溫度高，余熱可以充分利用。以Li2CO3及K2CO3混合物做成電解質，在使用過程中會燒損和脆裂，降低了熔融碳酸鹽燃料電池的使用壽命，其強度與壽命還有待于進一步解決。在整個化學反應過程中，CO2要循環使用，從燃料電極排出的CO2要用經過催化H2的處理后，再按一定的比例與空氣混合送入氧電級，CO2的循環系統增加了熔融碳酸鹽燃料電池的結構和控制的復雜性。5.固體氧化物燃料電池（SOFC）固體氧化物燃料電池的電解質是固體氧化物，催化劑和電池的結構材料，也都是固體氧物。故稱為固體氧化物燃料電池。固體氧化物燃料電池電解質是Y0.1Zr0.9O2固體氧化物。電池由氧電極、燃料電極、電解質和催化劑等組成。固體氧化物燃料電池的電解質、電極、催化劑和電池的結構材料都是固體氧化物。氧電極處采用Sr0.1La0.9MnO.3固體氧化物為催化劑，在燃料電極處采用Ni(NiO)+Y-ZrO2固體氧化物為催化劑。用Sr0.1La1.0Cr0.9O3或Mg0.1La1.0Cr0.9O3固體氧化物作為電池的結構材料，用Al2O3、Ca0.1Zr0.9O2固體氧化物作為結構材料支撐管。固體氧化物燃料電池在燃燒反應過程中的溫度可達800～1000℃。可以直接使用甲醇和烴類燃料。固體氧化物燃料電池的工作原理如下：燃料電極(負極)上產生的化學反應：(4-15)氧電極(正極)上產生的化學反應：(4-16)固體氧化物燃料電池的基本結構及工作原理見圖4-19、圖4-20。圖4-19固體氧化物燃料電池的基本結構1—多控制燃料夾層；2—氫電極；3—負載；4—氧電極；5—多孔質空氣夾層圖4-20固體氧化物燃料電池工作原理1—空氣；2—多孔性支撐；3—點連接條；4—負極；5—電解質；6—正極由于固體氧化物燃料電池可以用煤作為燃料，擴大了燃料電池燃料的來源，而且煤來源廣泛和成本低廉。固體氧化物燃料電池的關鍵技術是固態固體氧化物材料制取和制作工藝，在采用板式結構和整體結構時，板式結構形式的單元電池與固體氧化物燃料電池整體結構的形式相似，因為固態固體氧化物材料是一種陶瓷材料，不易保證其在棱角處的密封性，會發生氣體的泄漏，為了解決固體氧化物燃料電池的密封性，采用了管狀結構，管狀結構制造工藝也很復雜，并且會增加結構的整體尺寸。固體氧化物燃料電池在高溫條件下可以不用催化劑即可發生化學反應。由于采用全固態固體氧化物的催化劑，在電池中不會發生酸、堿或熔融鹽等對電池結構材料腐蝕。可實現內重整，使固體氧化物燃料電池結構可以進一步簡化。由于在化學反應過程中溫度達到800～1000℃，所產生的熱量可用來加熱空氣和甲醇等燃料，利用余熱時的熱效率約60%，不利用余熱時的熱效率約45%。全固態固體氧化物材料制取困難和制作工藝復雜，由于它性脆易裂，在制成固體氧化物燃料電池所需要的大面積的薄殼結構時，會大量地增加了固體氧化物燃料電池制造成本。固體氧化物燃料電池的工作溫度為800～1000℃，需要采用隔熱材料來隔熱，熱轉換效率比熔融碳酸鹽燃料電池低。6.質子交換膜燃料電池（PEMFC）質子交換膜燃料電池又名固體高聚合物電解質燃料電池，質子交換膜燃料電池用可傳導質子的聚合膜作為電解質，這種聚合膜具有選擇透過離子的功能，是質子交換膜燃料電池的關鍵技術。20世紀60年代，美國開始將質子交換膜燃料電池（PEMFC）用于電動汽車，經過20多年的發展和改進，質子交換膜燃料電池的性能有了快速地提高，美國DuPont公司開發的全氟質子交換膜已在質子交換膜燃料電池廣泛使用。加拿大Ballard公司在質子交換膜燃料電池的開發方面處領先地位，研制了105kW級的質子交換膜燃料電池，1995～1999年間組成采用質子交換膜燃料電池的75座205kW的大客車車隊，載客20人，最高車速72km/h，采用碳吸附儲氫裝置，可以連續行駛480km。質子交換膜燃料電池有比功率大、起動快、壽命長、體積小、工作溫度低、能耗少、能量轉換效率理論上可達到80%，現在各國研發的水平已達到50%～60%，另外還有設計制造容易等優點，有利于在電動汽車上布置，并能減輕電動汽車的整備質量。質子交換膜燃料電池用可傳導質子的聚合膜作為電解質，這種燃料電池也叫做聚合物電解質燃料電池（PEFC）、固體聚合物燃料電池（SPFC）或固體聚合物電解質燃料電池（SPEFC）。質子交換膜是質子交換膜燃料電池的關鍵技術，由于一般的普通電解質膜性能達不到要求，使得質子交換膜燃料電池長期以來沒有得到發展，美國杜邦（DuPont）公司開發了全氟離子交換膜，以及氟磺酸離子交換膜出現后，質子交換膜燃料電池才重新得到迅速的發展。圖4-21為質子交換膜燃料電池的構造的示意圖。圖4-21質子交換膜燃料電池的構造1-燃料夾層；2-氫氣通道；3-氫電極；4-電流及負載；5-氧電極；6-空氣夾層；7-空氣通道；8-催化劑Pt夾層質子交換膜燃料電池單體，由氧電極、燃料電極和質子交換膜、功率調節系統等組成。輔助系統由燃料循環系統、氧化劑循環系統、熱交換器、系統溫度、壓力自動