汽车绿色能源解决方案探讨

王瑜



汽车绿色能源解决方案探讨

王瑜

（江苏省交通技师学院，江苏 镇江 212028）

文章通过对公开发表的文献资料的收集整理，结合当前汽车动力驱动领域的现状，探讨了不同种类的替代能源在乘用车上存储的可能性，如锂基电池、光伏板转化太阳能、核能等，但它们本身都存在不同程度的缺点，最近出现的使用氢燃料电池作为动力的汽车似乎是更好的解决方法，尽管此方法早就出现，但最近市场上推出的几款乘用车的安全使用方式为我们提供了真正的绿色能源解决方案的参考。

气候变化；乘用车能源；锂基电池；太阳能；核能；燃料电池；氢能储存

前言

众所周知，地球的温度上升与大气中CO2的含量有很大的相关性，如图1所示。我们身边的媒体都报道说CO2的产生都是由燃烧化石燃料导致，如果全面而详细地分析CO2的分布，我们不难发现，CO2的产生其实还有更多的来源，如图2所示。

如果按人类活动的类别来分析CO2来源组成比例，如图3所示；其中交通方式中产生CO2的比例如图4所示。

图1 CO2与地球温度的关系

图2 CO2的来源分布

从以上数据分析，不难发现乘用车产生的CO2在年度排放总量中仅占了很小的比例（总计4%*19%*31%=0.23%），那我们还有强烈的必要去改变现有基于化石燃料的汽车的能源结构吗？这个回答是肯定的。因为现有化石燃料能源总量有限，并终有一天会消耗殆尽。

图3 人类活动产生CO2的比例

图4 交通方式产生CO2的比例

1 氢燃料

内燃机使用其他类型燃料的关键所在，即是HC，HC的来源有很多，诸如各种植物、生物、沼气等等，它燃烧以后都会生成H2O和CO2。其中的氢可以直接注入内燃机，并且燃烧后只会产生H2O。这种能源的使用方法，有早前很多文献中均有提及，但并未得到广泛的推广，原因有以下几个：H2是活跃气体、难以储存、密封口处的细微渗漏都会引发爆炸、发生事故时，极易引发爆炸、燃烧没有火焰等等。迄今为止，H2的有效储存方法只有三种：

（1）气体状态：这种方法将H2以70 MPa的压力储存在容器中，由于70 MPa的压力储罐十分危险，储罐就体积和重量都必须够大，才能保证安全。

（2）液体状态：与气体状态储存相比，此种方法不需要大体积、大重量的储罐，只需提升气体的密度即可，但这种方法需要极低的温度（-253℃）才能储存，这无形中又增大了投资，液氢储罐结构如图5所示。

（3）以金属氢化物形态：氢与金属粉末通过放热化学反应化合而成，它的物质特性是能量密度低，而制作成本高。

与其他大多数燃料虽能量消耗低但排放高且不能大规模应用的特点相比，氢的性价比更高。内燃机使用氢作为燃料时也出现一系列问题：火焰传播速度过高，爆燃率高，易发生回火等。

1-内部储罐；2-外部储罐；3-加注管；4-固定部件；5-液态氢； 6-气态氢（20~80℃）；7-热阀体；8-绝缘体；9-隔热罩；10-出气口； 11-液位传感器；12-液氢出口；13-电加热器；14-加注连接器； 15-冷阀体；16-热交换器；17-安全限压阀总成

2 BEV纯电动汽车

纯电动汽车很早以前就已经出现，近年来重新盛行开来。早在一百年前，有几种电动汽车就已经在马路上驰骋了。后来，随着使用汽油为燃料的机械技术的发展，内燃机以其价格低廉，能量大，独立性高的特性，逐渐占据主导地位。当下，由于有限的汽油储量，经济危机、人类活动造成的环境污染等多方面原因，人们重新关注起电动汽车。

在目前市场上广泛应用的几种驱动电机中，效率最高的要数永磁同步电机（PMSM）。电子技术尤其是电力电子设备的发展，为使用逆变器驱动永磁电机提供了更优化的方案，而且逆变器中还装备有整流器，这就可以实现通过永磁电机为电池充电，因此能量的双向传递得以保证。使用这种方法，车辆在制动或者下坡时，就可以实现能量回收，纯电动汽车能量转换电路如图6所示。

图6 BEV中能量转换电路示意图

动力电池也可以通过电网进行充电，如插电式电动车（PEV）。它由磁场定向异步电机驱动。

电动汽车的主要症结仍然是电能的储存，现有的几种电化学电池的能量与功率关系如图7所示。

图7 不同种类电池的能量与功率密度图

从上图可以看出，锂聚合物电池表现出最好的能量与功率密度特性。同时它也有自身的很多缺陷，如对电流和温度条件要求较为严格、地球上的锂矿储量有限、关键一点，锂的开采以及提取环节污染非常严重。

当下，市场上的几大汽车制造商已经推出了数款不同类型的BEV或PEV。其中最有代表性的当属特斯拉 S系列，该车具有优越的动力学特性，并且装备了60 KWh的锂电池，使其能以88 km/h的匀速理想工况下行驶370 km。若考虑到现实中不同工况与条件下的功率消耗，该车以130km/h的速度在高速公路行驶时，续航里程则降至120 km，而且在使用增压器的条件下也需要75分钟时间才能完全充满电，而这已经不再满足现如今人们的生活需求。

混合动力汽车（HEV）似乎是一个可行的折中方案，但考虑其造价昂贵的缺点，HEV的能量消耗还不足以低到能使其成为当下柴油发动机的完美替代品。

3 太阳能车辆

以一款小型电动乘用车：第二代Smart Fortwo ED（电动车）为例，该车的电力驱动的持续功率有20 kW，如图8（a）所示。考虑到电机驱动过程中的动力损失，为了能保证20 kW机械功率的持续输出，意味着至少需要提供25 kW的功率，而如果全部由太阳能来供电，则需要面积达100 m2的太阳能板才能符合要求，这已经不太现实了。使用太阳能驱动车辆也有一些实例，澳大利亚大学生成功造出的一款世界上跑得最快的太阳能汽车Sunswift IVy，这辆车的外观仿佛一架飞机，它以88 km/h的速度改写了吉尼斯世界纪录，如图8（b）所示，但这仅限于一些试验车辆，而非乘用车。

图8 Smart Fortwo ED（a）与Sunswift Ivy（b）

太阳能汽车接受太阳光的照射而驱动，如果没有太阳光的照射呢？那势必还需要一个间歇的能量储存装置——电池。而锂离子电池的效率大致在80%-90%之间。

4 核能

早在1957年，福特推出了第一部的核动力概念车Nucleon，21世纪凯迪拉克又有了全新的WTF。其使用的原料是元素钍。钍是一种放射性的金属元素，在核反应中可以转化为原子燃料铀-233。1克钍所释放的能量相当于3.5~3.8吨碳，即超过3000升常规燃料所提供的能量。而其辐射则会影响300年，就核电厂而言，这个辐射影响会达到几千年。有一个重要问题必须要考虑，万一车辆发生车祸，那泄露的核辐射将造成巨大灾难。另外一点，核能生产过程中会生成副产品——钋元素，这是制造核武器的原料，国家绝对不会允许普通民众通过购买乘用车就有机会接触到此类危险材料。

有些地方也针对核能作为汽车动力开展了一些试验。凯迪拉克就推出了一款未来概念车——Cadillac WTF，如图9所示。这款概念车的全称是Cadillac World Thorium Fuel concept，简单来说是用上一套由Laswer Power System所开发，以小量钍元素做能源的辐射系统，再以之来加热水产生水蒸气，从而带动引起的涡轮去推动汽车本身。

图9 Cadillac WTF概念车（a）与核动力热像（b）

5 燃料电池

燃料电池概念最早由W.R. Grove于1839年提出，但其中使用到的厚度仅为50~200 μm的含氟聚合物膜直到1960年才由W. Grot发明出来。有了质子交换膜就可以制作质子交换膜电池（PEM-cell），在电池中可实现充电分离。氢质子扩散至膜的另一侧与空气中的氧结合发生反应。电子在另一条单独的路径上产生电能，而这个氧化反应的最终产物只有一个，纯水（H2O）。燃料电池的工作原理如图10所示。

图10 PEM（质子交换膜）电池与氢燃料电池

6 氢燃料电池

氢燃料电池的在乘用车上的应用为绿色能源解决方案提供了切实可行的途径。丰田公司自1992年起就开始研制此项技术，当时受限于种种因素才没有开发新车型，而是采用那时候成熟的汽油车平台去改造成氢燃料电池车，直到2015年才将燃料电池汽车Mirai FC 推出市场。丰田Mirai FC汽车动力传递路线如图11所示。市场上应用类似技术的车型有现代途胜燃料电池车，本田Clarity 燃料电池车奥迪Q6 H-tron氢燃料动力车或者大众高尔夫Sport Wagen HyMotion。丰田董事长，“普锐斯之父”内山田竹志曾表示：如果说汽车使用以来的头一百年由汽油支配，那未来氢动力将引领汽车发展数百年。

图11 丰田Mirai FC 汽车动力传递路线示意图

丰田 Mirai FC 的最大续航里程达650 km，并且完全加满氢的时间仅为3~5 分钟，这与常规动力汽车不相上下，最高行驶速度达175 km/h，最大扭矩335 Nm。车身后部有两个储气罐，容积分别为60L和62.4L，储气压力可达70 MPa，储存氢的总质量有5 kg。储氢罐可分为三层，即内层、中间层和外层。内层采用高分子聚合物，与氢气接触不发生反应；中间层是高压气罐最重要的一层，采用“热塑性炭纤维增强塑料”；外层采用玻璃纤维增加聚合物材料。这种碳纤维+凯夫拉复合材质的高压储罐，坚固程度大大增加，甚至能抵御轻型枪械的攻击。储氢罐上装有止逆阀式易熔塞泄压阀，在车辆着火的情况下，易熔塞会受热熔化并强制地排出氢气。当车速在80 km/h以下发生追尾事故并不会对储氢罐造成任何损伤。储氢罐结构如图12所示；加注口以及在汽车上的位置如图13所示。

1-内层；2-中间层；3-外层

图13 储氢罐在整车上的位置与加注口

丰田Mirai FC不仅仅是一辆氢燃料电池车，它还是一台小型发电机。区别在于原料由汽油换成了氢气。当Mirai FC停在车库的时候，可以通过插座向电子产品供电，并且Mirai FC的供电对象不仅限于电子产品，甚至当家里停电时，借助汽车上的交流充电口也可维持家用电器一段时间的正常运行，供电量达60 kWh，最大供电量达9 kW，这足以满足普通家庭的日常消耗，如图14所示。而这对于像日本、美国西海岸这样经常因地震而断电的地区来说显得相当重要。

图14 丰田 Mirai FC电源接口

限制氢燃料电池汽车发展的“拦路虎”就是加氢站的普及难度大。据不完全统计，我国境内现已建成加氢站仅9座，与邻国日本相比，少得可怜。这也是Mirai迟迟未在国内上市的一个重要原因，并且建加氢站不同于建充电桩，整个环节中的制氢、储氢以及运输氢难度都远远高于充电桩。现如今日本和美国加州都在大力投入加氢站网络建设，为氢燃料电池汽车在其地区的推广添加了助力。

7 总结

综合上文所述，考虑到氢能与燃料电池优点，我们能得出真正实现汽车绿色能源解决方案的途径就在氢能。

[1] 程一步.氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析[J].石油石化绿色低碳.2018,02.

[2] 付甜甜.电动汽车用氢燃料电池发展综述[J].电源技术.2017,04.

[3] 孙逢春,孙立清,白文杰. 氢燃料电池技术及其在汽车领域的应用现状[C].中国太阳能学会2001年学术会议论文摘要集.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] 苏炜祺. 啥时候入华呢？析丰田Mirai氢燃料电池车. http://www. pcauto.com.cn/tech/1106/11063295.html. 2017.12.

[8]代替锂离子电池，我们都有哪些选择？http://www.elecfans.com/ dianyuan/373644.html?E468A35124C7. 电子发烧友网. 2015.6.

[9] 钜大LARGE. 锂离子电池的关于容量衰减分析. 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

B

1671-7988(2018)20-24-04

U473.4

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1671-7988(2018)20-24-04

U473.4

王瑜，就职于江苏省交通技师学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.008