概況

當前汽車行業的技術發展熱點：安全、節能、環保。

其中，為提高節能和環保性能，可以采取的技術措施總的來說包括：

1. 重點從整車重量和幾何尺寸入手，降低現有車輛的行駛阻力

2. 提高現有汽/柴油內燃機的熱效率

3. 采用替代燃料（能源）

4. 采用以電動車輛為代表的新型動力技術

就目前的技術水平而言，各種方案都具有一定的可行性；但也存在一些問題，而有些目前很難解決的矛盾，是制約該技術發展的根本因素。

汽車的輕量化設計和低風阻技術，也是近年來的行業研究重點之一。但不得不承認，對于大多數車輛來說，由于制造成本的限制（主要是新型高強度、低密度材料）以及運輸任務的要求，大幅度減輕重量和幾何尺寸存在較大困難。（輪胎的新技術可以降低滾動阻力，但滾動阻力對整車的行駛阻力來說往往不是主要的。）

大幅度改進現有內燃機的熱效率，無疑是提高燃料利用率、降低單位行程污染物排放的極其有效的手段。但限于熱機循環的熱力學性質，以及內燃機研究、制造的水平，想要內燃機在整個工作區間（即不同的轉速和轉矩/功率）內都有較高的熱效率，是不現實的。而單純由常規內燃機驅動的車輛，隨著行駛環境和駕駛員意圖的不同，又不得不在相當大的工作區間工作。

替代能源技術的研究目前發展很迅速。如各種醇類（添加）燃料、壓縮天然氣、液化石油氣、氫氣以及生物柴油等（比較前瞻性的還有可燃冰等）。

常規內燃機稍加改動，就可以使用這些替代能源，的確可以明顯減少對石油燃料的依賴，而且其排放污染物也比汽油、柴油少得多。

但目前存在的問題主要有：替代燃料車輛的動力性比采用石油燃料要差；替代燃料的產能遠不及石油，有的還需要犧牲大面積的耕地；其制造和儲運環節存在安全問題；其補充設施（主要是各類加氣站）目前還不夠普及；氫氣和生物采油等制備成本并不低。

電動車輛技術

電動車輛則是另一個節能、減排的發展方向。此處所指的“電動車輛”，是一個廣義概念，大體上包含下列分支：純電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車。

一、純電動汽車 顧名思義，也就是完全由電力驅動、而沒有其他動力設備和能源裝置的車輛。其動力系統很簡單：電池組—電動機—車輛傳動系…

電動機的效率遠高于內燃機，而且在工作時沒有任何化學污染物的排放，對節能和環保都有很大的意義。而且其機械傳動和控制系統也不是非常復雜。

但純電動車輛也存在一些問題：

（1）最主要的，純電動車輛電池組的能量密度偏低。無論采取何種先進電池技術，就目前技術水平而言，單位重量的電池所能儲存的電能，遠低于同樣重量燃油所能釋放出來的機械功。這就意味著，要么犧牲動力性和續駛歷程、要么極大的增加車載電池的重量。而對于很多運輸任務而言，這兩個選擇都是難以接受的。

（2）另外，純電動車輛的充電場所和充電時間都存在問題。

（3）如果我們深入研究其能量轉換鏈，會發現，純電動車輛最終很可能還是依賴化石燃料（或者水電、核能；單純的太陽能或者風能等完全清潔能源基本上不現實）。

石油或者煤炭經過發電設備轉化成電能、經過輸變電、給電動車的電池充電、再由電池放電給電機做功。能量轉換次數較多，最終對化石燃料的利用率并不很高；而且所謂“零排放”只是對于車輛行駛環境而言，發電的過程及其設備維護很可能還是存在污染。（對于發電行業來說，雖然采用的技術在不斷地升級，如開發出了超高壓、超臨界、超超臨界機組，開發出了流化床燃燒和整體氣化聯合循環發電技術，但這種努力的結果是：機組規模巨大、超高壓遠距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率仍然只有35%左右，大規模的污染仍然沒有得到根本解決。）

（4）大容量電池組的成本較高，維護較復雜，其制造和維護過程中很可能會產生大量污染物。

二、燃料電池車輛

目前車輛行業界的一個共識：電動車輛、乃至所有“清潔能源汽車”的終極技術目標，就是燃料電池。

1.基本定義 燃料電池是將所供燃料的化學能直接變換為電能的一種能量轉換裝置，是通過連續供給燃料從而能連續獲得電力的發電裝置。由于其具有發電效率高，適應多種燃料和環境特性好等優點，近年來已在積極地進行開發。

依據電解質的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。

燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結構、積木性強、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。

2.基本結構與工作原理

（1）燃料電池

燃料電池從本質上說是一種電化學裝置，其基本組成與一般電池相同。

為實現較大功率的輸出，燃料電池通常由若干“單體電池”組成。與普通電池類似，單體燃料電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質組成。

不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排出，燃料電池就能連續地發電。

這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理。

氫-氧燃料電池原理圖

這個反映是電觧水的逆過程。電極應為：

負極： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-

正極： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-

電池反應：H2 + 1/2O2==H2O

另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。

燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側氣體流路構成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。

在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H+）相關，發生的反應為：

燃料極：H2 =2H+ + 2e- （1）

空氣極：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2）

全體：H2+1/2O2 = H2O （3）

氫氧燃料電池組成和反應循環圖

在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移動到電解質中與空氣極側供給的O2發生反應。e- 經由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e- 不間斷地經由外部回路，因而就構成了發電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外沒有其他的反應，H2 所具有的化學能轉變成了電能。但實際上，參與電化學反應的電極存在一定的電阻，電流通過時會引起了部分熱能產生，由此減少了轉換成電能的比例。

表1 燃料電池的分類

（2）燃料電池電動車的系統組成

組成燃料電池電動車的動力系統有三個關鍵零組件，即

①重組器（reformer）：將甲醇、汽油等液體燃料重組為富氫氣（hydrogen-rich）氣體燃料，提供予燃料電池反應。

②燃料電池（fuel cell stack）：燃料電池是燃料電池電動車的動力源，其提供氫氣與空氣中的氧氣反應并產生電流與電壓，同時產生廢熱（水）等副產物。

③電力轉換器（inverter／converter）：將燃料電池產生的電力轉換為直流電或交流電，或具備升壓或降壓以調整電力輸出。

3.技術特色及發展現狀

燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發電裝置和替代內燃機的動力裝置。國際能源界預測，燃料電池是21世紀最有吸引力的發電方法之一。

根據工作溫度的不同，把堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型質子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內）和磷酸型燃料電池（PAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，工作溫度為650℃）和固體氧化型燃料電池（SOFC，工作溫度為1000℃）稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質量排氣而進行聯合開發的燃料電池。

燃料電池最大的優點在于能量轉換次數少，燃料利用率高。

傳統的火力發電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發電機這些龐大的設備上，燃燒時還會排放大量的有害物質。而使用燃料電池發電，是將燃料的化學能直接轉換為電能，不需要進行燃燒，沒有轉動部件，理論上能量轉換率為100%，裝置無論大小實際發電效率可達40%～60%，可以實現直接進入企業、飯店、賓館、家庭實現熱電聯產聯用，沒有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達80%，裝置為集木式結構，容量可小到只為手機供電、大到和目前的火力發電廠相比，非常靈活。

此外，燃料電池還具有以下優點：

（1）部分負荷時也能保持高的效率；

（2）通過與燃料供給裝置的組合，可適用較大范圍的不同燃料；

（3）輸出功率可按“積木式”靈活調節；

（4）電池本體的負荷響應性好；

（5）NOX及SOX等的排出量少，有利環保。

近20多年來，燃料電池經歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發展階段，燃料電池的研究和應用正以極快的速度在發展。AFC已在宇航領域廣泛應用，PEMFC已廣泛作為交通動力和小型電源裝置來應用，PAFC作為中型電源應用進入了商業化階段，MCFC也已完成工業試驗階段，起步較晚的作為發電最有應用前景的SOFC已有幾十千瓦的裝置完成了數千小時的工作考核，相信隨著研究的深入還會有新的燃料電池出現。

美、日等國已相繼建立了一些磷酸燃料電池電廠、熔融碳酸鹽燃料電池電廠、質子交換膜燃料電池電廠作為示范。日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力部門使用，其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到"電站"階段。已建成兆瓦級燃料電池示范電站進行試驗，已就其效率、可運行性和壽命進行了評估，期望應用于城市能源中心或熱電聯供系統。日本同時建造的小型燃料電池發電裝置，已廣泛應用于醫院、飯店、賓館等。

在車輛工程領域，目前比較普遍的方案是氫動力質子交換膜燃料電池（PEMFC）

在燃料電池發動機方面突破大功率氫燃料電池組制備的關鍵技術，轎車用凈輸出30KW、客車用凈輸出60KW和100KW的燃料電池發動機，已在同濟大學和清華大學燃料電池發動機測試基地通過嚴格的測試并裝車運行，燃料電池轎車已累計運行4000多km，燃料電池客車累計運行超過8000km。

由于氫氣里沒有腐蝕性的雜質，也沒有碳阻塞燃燒室，燃料電池車很少需要維修。

此外，氫燃料車比汽油車安全。即使在失火的情況下也便于逃生。汽油車發生事故或遇火，油箱會爆炸，油產生的熱和毒氣都會致命。而氫燃料車在猛烈的撞擊下，甚至儲氫罐破裂都不會引起大火，在逃生時不會被大火燒傷。即使氫采用壓縮儲存，也僅易燃。若撞擊后氫燃料外溢沒有著火，它會蒸發到空氣中，不產生污染。即使失火也不會爆炸，因為氫氣只有與氧氣或空氣在密閉的空間里混合才會爆炸。

氫燃料電池車的尾氣排放物是水，對環境的污染為零。

4.需要解決的問題

對于純燃料電池車或基于氫能源的其他類型車，怎樣合理控制制氫成本和建立社會網絡化的儲氫站是一個重要工程；在行駛的汽車里怎樣保存氫燃料也是一個重要課題。

儲氫技術基本上有三種，一是在超低溫-253°將氫呈液態保存，二是用高壓（約5000磅/平方英寸）壓縮氣態氫，提高能量密度，三是用金屬氫化合物在普通常溫下儲存氫；具體來說，燃料電池電動車普及化道路上尚需攻克的課題主要有：

（1）氫氣燃料的供給

如前所述，燃料電池電動車以燃料的氫氣與空氣的氧氣反應，以其產生的電力推動馬達而得以行駛。相較于傳統電動車，燃料電池電動車的燃料電池可視為小型發電廠，且燃料電池電動車可以改善傳統電池過重、電能容量及長時間充電的缺點，燃料電池發電可視為水電解的逆反應，發電過程中只有水份的排放，是清凈的動力能源。而這些都依賴于氫能源的充足供給。

以國外的情形為例：日本經濟產業省原來預估2010年底，燃料電池電動車可以達到5萬臺，2020年達到500萬臺的目標，目前看來似乎有些過熱，各個車廠開始以較務實的態度對應這件事情。Toyota預定2003年燃料電池電動車商品化，且希望將價格訂在日幣1000萬元以下才具產品競爭力。但短期內，燃料電池價格不易降至數百萬日元內。同期從事研發工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等車廠都認為燃料電池電動車發展的難題是─氫氣燃料的供給。特別是氫氣供應站與氫氣燃料的環境整備 （infrastructure）。燃料電池電動車可以純氫氣為燃料，抑或以碳氫系燃料如甲醇、天然氣、汽油等經由重組取得富氫氣燃料，其熱值等性質雖各有所長，以儲存性與管理而言，甲醇與高品質的汽油經由重組似乎較具優勢。

（2）燃料重組

燃料重組，最大的問題在于重組過程中造成的高溫現象，甲醇重組時溫度約300℃，汽油重組時的溫度則高達800℃（碳與氫分子鍵結強，不易打斷），已經在道路行駛測試（fleet test）的甲醇重組方式燃料電池電動車，因為高溫而需要配置大型冷卻風扇，產生令人不快的噪音問題，雖然靜肅性 （如：馬達運轉等）仍較傳統電動汽車優越，但燃料重組時大型冷卻風扇噪音問題亦不得不重視。而且大型冷卻風扇亦會造成能量消耗，燃料重組方式燃料電池電動車因兼顧能源效率與噪音問題，事實上、較Toyota 的Prius 的復合動力能源效率相異不大，看不出燃料電池電動車的顯著優勢。更何況燃料重組時并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2甚至NOx和SOx排出。以甲醇重組并完成日本道路行駛測試的Mazda認為“唯有以純氫氣作為燃料的燃料電池電動車才具有挑戰性！”甲醇與汽油重組衍生的各種問題，特別是高溫，是燃料電池電動車普及化的一大障礙。另外，高效率的重組器開發亦刻不容緩。

（3）純氫氣燃料儲存方式

純氫氣燃料，似乎是燃料電池電動車未來可能普及化的燃料供應方式，然而氫氣的儲存卻是另一問題點。目前即使是氣密性最佳的燃料容器，充氣后長時間放置很可能即漏失完畢！

氫氣燃料儲存方式有高壓儲氫（compressed hydrogen gas），可能引發安全上的顧慮，理論上較高的壓力儲氫量越多，但高壓儲氫材料容器的價格昂貴，尤其是燃料電池電動車，這種移動式載具必須考慮碰撞的安全性；低溫儲氫，要儲存氫氣燃料于 -273℃環境，其所需低溫儲存處理的能量消耗亦不容忽視，且應考慮前述漏失問題；較安全且可行的方案是儲氫合金（metal hydride，儲存效率仍有極大的改善空間。

（4）純氫氣燃料的制備

依照日本經濟產業省預估2020年達到500萬臺的燃料電池電動車目標，相當于一年需要37億5000mm3的氫氣，這樣的消耗量單靠天然氣提煉氫氣是不可能符合需求，況且在精制氫氣時亦會衍生一定數量的CO2排放，與降低CO2排放訴求的燃料電池電動車互為矛盾，其實只是CO2排放只是改變為燃料電池電動車以外發生的場所罷了。

為了不增加制造純氫氣燃料時所帶來的環境污染，以太陽能發電的電力對水產生電解制造純氫氣似乎可行。實際上，Honda 在美國加州的研發中心即利用太陽能發電制造純氫氣，并由供應站供給氫氣進行相關實驗，每輛車單以太陽能發電制造純氫氣即可獲得一年約7600L，相當于每天20.8L氫氣，以目前供給氫氣1.0L行駛1.8km的實驗車為例，每天可行駛37.4km，一年可累積里程13,680km，基本上可以滿足普通行駛要求。不過、配置在每臺燃料電池電動車上的太陽電池面積是車輛平面投影面積的4倍，太陽電池的能源利用效率與如何小型化又是另一個課題！

（5）燃料電池價格

目前燃料電池因需要使用一定量的貴重金屬（主要是鉑），燃料電池廠預計短期內不易降至量產化價格。除了膜組合體中貴重金屬如何降低使用量之外，開發耐高溫（200℃）與耐不純物的質子交換膜等都是當前重要的課題。

現階段燃料電池電動車普及化最大的課題是，氫氣的儲存方式與供給體制。如何增加氫氣儲存效率(開發高效率儲氫合金材料)與氫氣供應站的普及化都是燃料電池電動車技術能否普及化的因素。而欲促進燃料電池電動車普及化，現階段與未來應朝下列幾個方向發展：

1、增加重組過程中富氫氣的比例

2、改善反應氣體供應方式

3、改善氫氣的使用效率

4、改善燃料系統對硫成分的抗性

5、縮短啟動時間

6、動力系統的熱管理

7、動力系統的最佳化設計

8、減少燃料電堆的容積與重量

三、混合動力汽車（HEV）

1.定義 目前，關于“混合動力”的定義比較多，一般比較通行的是：一輛汽車，同時擁有兩種、或兩種以上的動力裝置（也有的用“能源裝置”術語，但不夠嚴謹），其中有一種必須是電能動力。

而一般來說，除了電力之外的動力，另一種都是車用內燃機。所以“混合動力”又常被稱作“油電混合”。

2.基本工作原理

與純電動車和燃料電池車（以及單純太陽能汽車等）方案相比，可以說混合動力采用的是一種不那么激進的“中庸之道”。

其全部能源歸根結底還是來自車載燃油，燃油還是通過傳統熱力學過程由熱機轉化成機械能。

也就是說，混合動力整車的能源利用率不會高于車載內燃機的最佳熱效率。

其節能減排的基本出發點是：優化發動機的工作區間。

（可以類比無級變速器。無級變速器可以在某功率下尋求燃油消耗率最小的工作點，而混合動力可以將發動機控制在整個萬有特性圖中的最經濟點。）

例如，發動機的最經濟工作點是：n=2000rpm，Pe=40Kw。

當車輛負荷較輕時，比如，僅需要20Kw的功率。此時，發動機仍工作在最經濟點，輸出40Kw功率；多余的20Kw由電系統回收，儲存在電池中。（或者發動機完全關閉，單純由電系工作。）

轉速和車速的協調由傳動系的傳動比實現，所以很多HEV配置無級變速器。

當車輛負荷較大時，比如，需要60Kw的功率。此時，發動機仍工作在最經濟點，輸出40Kw功率；不足的20Kw由電系統提供，電池對外放電。（或者發動機完全關閉，單純由電系工作。）

混合動力技術能夠提高燃油經濟性和排放性的具體原因，可參閱《汽車理論》第二章 第五節。

就目前技術水平而言，與常規動力車輛相比，混合動力車輛的油耗可以降低一半左右，排放污染物水平減少的幅度更大。

3.技術類型

混合動力車輛，根據“油”與“電”的不同組合方式，有串聯、并聯和混聯之分。較常見的是前兩者。

（1）所謂“串聯”，就是發動機-發電機-電動機-車輛傳動裝置…成線形串成一列。在發電機和電動機之間是蓄電池端口，由控制器控制。能量基本流程：

①發動機工作在最經濟點，燃油的化學能由內燃機轉化成機械能（或者關閉發動機，完全由電池提供能源）；

②帶動發電機全部轉化成電能；

③如果發電量不足，則由電池補充；如果發電量超過需求，則將多余的部分儲存在電池中；

④電能經過電池的調節后傳遞給電動機，再次轉化成機械能；

⑤機械能帶動車輛傳動系統，提供驅動輪驅動力…

由于所有能量都要經過發電-電動的反復轉換，效率較差；而且由于串行布置，所有動力總成都要滿足車輛最大功率的需求，體積和質量都難以控制。

但串聯式方案由于發動機和驅動輪之間沒有直接的聯接，發動機工作不受行駛環境和駕駛員意圖的影響，容易控制在理想工作點，整套控制系統也較簡單（相對并聯和混聯）。

目前，如果選用效率較高的發電機和電動機，串聯式混合動力車輛的效能還是可以接受的。

（2）所謂“并聯”，指的是“油”和“電”都可以單獨驅動汽車行駛。它的核心電系是一個在控制器控制下的電機，可以適時的充當電動機或者發電機。

①發動機工作在最經濟點，燃油的化學能由內燃機轉化成機械能（或者關閉發動機，完全由電池提供能源）；

②如果該功率不足，則電池放電，電機對外輸出機械功，在動力合成裝置的協調下該機械功與來自內燃機的機械功匯合，共同驅動車輛；如果發動機功率過剩，那么動力合成裝置將一部分功率分配給電機，電機發電，將剩余的能量儲存起來；

③從動力合成裝置輸出的機械功驅動車輛…

很顯然，并聯式方案更復雜，而且發動機與驅動輪存在機械連接，對控制器的要求更高。

但其最大的優點是效率高。驅動輪輸出功率中的很大一部分直接來自發動機，而不需要發電-電動的轉換。另外，由于內燃機和電機的功率是相加后共同滿足行駛需求，它們各自的額定功率都可以遠小于整車的功率需求，可以做到小型化、輕量化，這對于許多小型車輛而言是必須的。

（3）還有一種“混聯”。從理論上說，其綜合性能最佳；但系統組成非常龐大，傳動布置非常困難，對控制系統的要求也非常高。在此不多介紹。

4.特點總結

總之，混合動力技術的優點包括：

（1） 所采用的動力總成都是對已有技術的繼承，需要完全重新研制的設備不多。

（2） 由于所有能源從本質上還是來自車載燃油，能夠比較準確的定量評價對燃油經濟性和排放性的貢獻。

（3） 是目前唯一可以回收制動能量（部分）的技術。

（4） 對蓄電池技術要求相對不高。

（5） 利用普通加油站。

而存在的問題主要有：

（1） 沒有完全擺脫對化石燃料的依賴。這是最致命的缺陷，所以一般認為混合動力技術只是燃料電池車輛普及之前的一個過渡。

（2） 在所有電動車輛技術中，其控制系統最為復雜。對控制器軟硬件水平以及車上信號通信的要求非常高。（因此，實際混合動力車輛的效能與仿真計算相比，存在一定差異。）

（3） 由于各動力裝置的工作狀況切換比較頻繁，其壽命存在問題。而且大量的瞬態工作過程對油耗和排放都帶來一定負面影響。

（4） 專門用于混合動力車輛的高效率、低排放內燃機的研發還需加快進度。

（5） 研發和制造成本較高。

這是所有電動車輛（乃至所有新型節能車輛）的共性。如果沒有政策性傾斜，單憑其技術優勢和消費者對環境問題的自覺認知，市場競爭力不佳。因為其初始購車費用和日程養護、維修費用的增加，遠遠超過節能所帶來的收益。