摘要：電動汽車是一種高科技、高投入及無污染的新型交通工具，近些年來得到了迅猛發展。文章介紹了國內外電動汽車的發展現狀，從電子技術、信息技術以及系統優化等角度闡述了燃料電池汽車開發中的關鍵技術，指出作為一種清潔和高效的發電動力，燃料電池有望成為下一代的車輛動力裝置。

電動汽車是21世紀清潔、高效和可持續的交通工具，電動汽車包括電池電動汽車或者純電動汽車（BHE），混合動力電動汽車（HEV）和燃料電池電動汽車（FCEV）。由于石油危機的出現，節約燃油被人們普遍關注，電動汽車呈現出加速發展的趨勢，并在過去的幾十年迅猛發展。但由于成本方面的因素，混合電動車在其后的30年中，并未能實現市場化。

1 電動汽車的國內外發展現狀

1.1 國內發展現狀

目前中國在電動汽車產業化方面已取得了進展，一些試點線路已經獲得了微利，這個成就是其他國家所沒有的。目前已有10輛電池-電容混合型電動汽車在上海825路公交車上線運營，2009年還將在上海其他公交線路上擴大使用。另外，國家電網公司贈送給山東的10輛奧運會用電動汽車也采用了電池-電容混合動力總成技術。這種電池-電容混合型電動汽車具有續駛里程長、充電速度快以及充放電循環次數高等主要優點，一次完全充電最大行駛距離可達100～300 km，最高時速可達80～100 km，一次完全充電時間3 h左右，耗電小于1.6（kW·h）/km。有關檢測數據表明，使用該混合純電動汽車可減少97%～98%的汽車廢氣排放，同時可節省能源費用 70%～80%。

1.2 國外發展現狀

近20年來，研制和開發電動汽車已經成為一種世界新潮流，美國、法國、日本、德國、英國、意大利及瑞士等國已率先跨入電動汽車產業化和商業化的行列。從目前世界的整體形勢來看，日本是電動汽車技術發展速度最快的少數幾個國家之一，特別是在混合動力汽車的產品發展方面，日本居世界領先地位。有關統計數據顯示，豐田汽車公司已占有全球混合動力汽車市場90%的份額，其全球混合動力車的銷售量已突破10萬輛，達到了11.5萬輛。到2012年，將其所有的車型全部裝上混合動力發動機。日本為燃料電池汽車設定的目標是2010年之前在日本國內普及5萬輛。

美國電動汽車的生產和銷售起步較早，但在電動汽車產業化方面和日本相比有一定差距，3大汽車公司只是小批量生產和銷售過純電動汽車，而混合動力和燃料電池電動汽車目前還未能實現產業化。

英國是50多年來唯一堅持大量使用電動汽車的國家，目前全國約有電動汽車12萬輛。其中，僅用于送牛奶的就達幾萬輛，掃地電動車1 000輛。同時，有關公司繼續在國內外投資設廠，以便批量生產電動汽車。此外，意大利、丹麥、奧地利、芬蘭、加拿大、瑞典、荷蘭、捷克、匈牙利、挪威、前南斯拉夫、以色列、墨西哥、澳大利亞、印度以及馬來西亞等國都在研制和開發電動汽車或電動汽車關鍵零部件。

2 能量源

電動汽車的能量源被認為是電動汽車商業化的主 要問題。因此，在目前和不遠的將來，如何發展能源裝置將會是電動汽車發展的主要問題。能源裝置發展的準則：1）高比例能量和能量密度；2）高比功率和功率密度；3）快速充電和深度放電的能力；4）循環和使用壽命長；5）高充電和放電效率；6）安全和低成本；7）免維護；8）環保，可回收。

3 燃料電池汽車開發中的關鍵技術

電動汽車的關鍵技術包括電動技術、自動化技術、電子技術、信息技術及化學技術，雖然能源是最首要的問題，但是車身結構、電力驅動以及能源管理系統的優化同樣至關重要。

與內燃機車相比，電動汽車的行駛里程較短，因此為了盡可能地利用車載的儲存能量，必須選用合適的能量管理系統。可以在汽車的各個子系統安裝傳感器，包括車內外溫度傳感器、充放電時間的電流電壓傳感器、電動機的電流電壓傳感器、車速傳感器、加速度傳感器及外部氣候和環境傳感器。能量管理系統可實現9個功能：

1）優化系統能量流；

2）預計所生的能量來估計還能行駛的路程；

3）提供參考以便進行有效操作；

4）直接從制動中獲取能量存入儲能元件，例如：蓄電池；

5）根據外界的氣候調節溫度控制；

6）根據外界環境調節燈光亮度；

7）估計合適的充電算法；

8）分析能源，尤其是蓄電池的工作記錄；

9）診斷能源的任何不恰當或者無效的操作。

把能源管理系統和導航系統結合起來，就可以規劃能源效率的路徑，鎖定充電站的位置并可以根據交通狀態預測可行駛里程。總之，能源管理系統綜合了多功能、靈活和可變的顯著優點，從而可以合理利用有限的車載能源。

3.1 燃料電池

同電化學電池相比，燃料電池的顯著優點在于燃料電池電動汽車可達到與燃油車一樣的續駛里程，這是因為燃料電池電動汽車的行駛里程僅與燃料箱中的燃料多少有關，而與燃料電池的尺寸無關。實際上， 燃料電池的尺寸僅與電動汽車的功率需求水平有關。燃料電池的優點：1）反應物加料時間遠遠短于電化學電池的充電時間（機械充電式電池除外）；2）使用壽命長于電化學電池并且電池維護工作量更小。

同普通電池相比， 燃料電池是一個能量生成裝置，并且一直產生能量直至燃料用盡。燃料電池的優越性有：1）高效率地把燃料轉化為電能；2）工作安靜；3）零排放或者低排放工作；4）產生的剩余熱量可以再利用；5）燃料補充迅速，燃料易于獲得；6）工作持久可靠。

燃料電池電動汽車是汽車、電力拖動、功率電子、自動控制、化學電源、計算機、新能源及新材料等工程技術中最新成果的集成產物。因此，燃料電池電動汽車的開發和產業化需要解決諸多關鍵技術，如燃料電池、電動機控制、車身和底盤設計、測試技術及系統優化等。

3.2 燃料電池新技術

燃料電池是利用氫和氧的電化學反應來產生清潔能源的，它不會產生CO2。但是，由于受到氫儲存技術的限制，目前由燃料電池驅動的汽車樣機和示范模型最高行駛距離僅能達到322 km。在標準的溫度和壓力下，如要存儲足夠的氫達到483 km的行駛距離，就需要一個體積相當于雙層巴士大小的機載燃料電池；而其他方法如將氫氣壓縮儲存在鋼瓶里或將液化的氫氣存儲在罐里等，均因質量和體積問題無法實用。

英國UK-SHEC項目組的研究人員，嘗試將氫以更高的密度儲存，使電池質量控制在可接受的范圍內。他們采用化學吸附方法，將氣體分子吸入固體化合物的晶格間，在需要時再將其釋放出來。現在，研究人員已研制出一系列氫化鋰化合物，能很好地滿足上述要求。該項目協調人、英國牛津大學的彼得·愛德華茲教授說，這是燃料電池行業和交通運輸部門期待已久的突破，這項關鍵性的突破將使燃料汽車在 未來10年內大量生產和應用成為可能。

3.3 驅動電機技術

為了使車輛一次加夠燃料后行駛更多里程，以及最大限度地利用氫能源以及盡可能減小車輛改裝后的整備質量，這就要求電力驅動系統有高的效率和功率質量比。 驅動電機應向著大功率、高轉速、高效率和小型化方向發展。

當前驅動電機主要有感應電動機（IM）和磁無刷電動機（PMBLM），特別是永磁無刷電動機具有較高的功率密度和效率、體積小、慣性低和響應快等優點，在電動汽車方面有著廣闊地應用前景。在設計和選擇驅動電機時應保證電機的轉矩/轉速特性與整車負載特性匹配良好，電機轉矩的動態性能好，以及恒速、恒功率和變工況都應當有較高的效率。

3.4 電子控制技術

與傳統汽車相同，電子控制在燃料電池汽車的發展中也將起著越來越重要的作用。汽車的各種操縱系統都會向著電子化和電動化的方向發展，實現線操控即用導線代替機械傳動機構，如導線制動和導線轉向等。

現有的12 V動力電源已滿足不了汽車上所有電氣系統的需要，而42 V汽車電氣系統新標準的實施，將會使汽車電器零部件的設計和結構發生重大的變革；同時，機械式繼電器和熔絲式保護電路也將隨之淘汰。燃料電池的特性有其自身的特點：1）電壓低，電流大；2）輸出電流會隨溫度的升高而升高，輸出電壓會隨輸出電流的增大而下降；3）從開始輸出電壓、電流到逐漸進入穩定狀態，停留在過渡帶范圍內的動態反應時間較長。正是由于以上特點，大多數電器和電機難以適應其電壓特性，所以必須和DC/DC變換器和DC/AC逆變器配合使用，需要對燃料電池系統進行大量的功率調節以保證電壓的穩定。

3.5 整車系統優化技術

燃料電池電動汽車的整車系統是涉及多學科技術的復雜系統，其性能受到多學科相關因素的影響，因此，必須在充分考慮各影響因素的基礎上，對整車系統進行優化，可以改進燃料電池電動汽車性能和降低整車的設計和制造成本。

整體化設計理念中，材料的輕量化和空氣動力學的充分利用被放在了最重要的位置。因為汽車在行駛過程中，燃料消耗所產生的能量中，只有小部分是真正被用來推動汽車和乘客，而大部分的能量都通過熱量的損失、滾動阻力、空氣阻力及控制系統的低效率等被消耗掉，其間，汽車本身的質量和空氣動力學因素起著很重要的作用。在整體化設計過程中，強調質量的減輕，即輕量化的車身需要更輕的底盤組件和更小的動力總成，而此組件的相互聯系和組合小，但可以減小體積和減輕質量，甚至可以摒棄原先組件，進 一步減輕系統的質量。

4 結語

作為一種清潔、高效的發電動力，燃料電池有望 成為下一代的車輛動力裝置。燃料電池的廣泛應用有助于節約燃料以及減少大氣污染。燃料電池發動機在短期之內尚無法取代內燃機的地位，要達到燃料電池車輛的實用化還需要完善一系列關鍵技術問題。（崔淑娟 武漢理工大學）