第20章 电力推进
随着废气排放减少法规的收紧，电动汽车的前景大大改善。然而根据吕根岛的报告（德国出版），发电站发每千瓦电量产生的二氧化碳量要比汽油发动机多。因此，尽管电动汽车可以用来减少城市地区的排放，但除非核电产生电力，否则不能解决整体问题，至少在二氧化碳排放对全球变暖的影响方面是这样的。但是，还有其他的电力来源，例如燃料电池，用于运输应用。
常规电力牵引系统的主要缺点是架空或路边电力线安装成本太昂贵，而作为替代的电池太笨重且充电时间太长。事实上，目前按100英里范围提供一次是不切实际的。如果要安装更大的电池组，所导致的重量增加将需要更大的电动机来推动车辆，随之而来的能量消耗也会增加。尽管如此，在撰写本文时的预测：在2001年到2005年之间，尽管电动汽车现在显得不太可能大量销售，但电动汽车将广泛普及。它们的主要优点是相对静音和无振动，并且电动马达只有旋转运动部件。
详细介绍电力列车设计不在本书的讨论范围之内。 因此，接下来的目的仅仅是介绍并展示各类电动车相关的前景和整体理念。
20.1电池
除了广泛用于专用车辆的铅酸类型之外，在撰写本文时（1999年）正在开发的电动车辆中最常用的电池是镍镉（NiCd）型电池。然而，日产将其锂电池用于Prairie Joy电动汽车，该电动汽车首先在日本出售，后来在美国销售。最近，日产已经宣布其Altra EV具有相同类型的电池。但是，更昂贵的镍金属氢化物（NiMH）电池更轻，具有两倍的电荷密度，并且比同等的铅酸电池高得多的能量输出。此外，他们可以更快地充电。在美国生产的汽车中只要有1％使用这种电池供电，那么镍生产将需要大量增加。
另一个潜在的有力竞争者是钠硫电池。不过，里卡多咨询工程师技术总监莫纳汉先生指出，内燃机作为原动机已有30年多的时间，为了匹配50升汽油的能量当量和重量，钠硫电池将必须重达1.5吨，其体积将达到1500升。此外，为了匹配汽油或柴油推进系统，电池电动汽车整体必须改进20倍。
为了提高铅酸蓄电池的充电速度，人们做了各种尝试，因为它们已经用于例如牛奶车上一个多世纪，目前是最高度发展的。特别值得感兴趣的是间歇性地施加高电压充电电流的可能性，使电板可以在电荷突发之间冷却。已经达成了这样的效果：通过这种方式，电池可以在约15分钟内充满电且不会损害其使用寿命。
20.2电池电动车
本田已经在其电动车中安装了24节12 V镍氢电池，用于出口到美国，而丰田在其电动车中也一直使用相同类型的电池。 自1971年以来，丰田开发了一款电动面包车TownAce，Crown Majesta Saloon，RAV4和最后提到的是迷你电动通勤车e-com。
RAV4 EV的传动系（图20.1）由电池组，电动机和控制组件组成。 尽管与内燃机动力车辆相比是一种麻烦的装置，但至少它既没有排气系统也没有传统的变速器：电动机通过简单的减速器将其驱动传递到车轮。据称，通过优化这种传动系统的每个方面以及使用再生制动，每次充电的续航里程为124英里。
图20.1代表丰田电池供电的RAVA电动车的布局框图
日产的Altra代表了一大进步。它由一台水冷却的永磁体同步电动马达驱动，在13000转/分钟的转速情况下发出 62 kW的功率 and 159 N·m的扭矩。该电机的一个关键特性是使用高效率的钕 - 铁 - 硼（Nd-Fe-B）磁体。这结果就是一台重39kg，功率与重量比值为1.61.6 W/kg的电机。顺便提一下，它的速度比8000到9000转/分钟的平均值要高得多。
这款锂铁电池组由索尼开发。其输出电压是345V来自12个模块，每个模块包含8个单元。每个单元的输出完全充电状态下是36 V和放电状态下是20 V。总重量为350千克，能量密度为90Wh/kg，功率密度为300W/kg。基于能量密度降低5％，标称寿命为1200次循环，但在寿命超过2000次循环后，测试过程中没有出现明显的效率损失。
安装在地板下方的托盘上的电池，位置位于前后轴之间的中间，配有专门的风冷系统。
日产开发了一款水冷式控制器，其双CPU使系统显得富余。其输入范围为216至400 V。其输入数据为电池充电状态，温度，行驶历史，再生制动系统和辅助系统的使用情况。 根据这些基础信息，它可以准确预测剩余可用的操作范围。 它还控制电池冷却系统中的继电器，并确定电池充电策略。
电池通过插入汽车前端口的外部感应充电器，如果端口未关闭，则不能驱动该端口。完全充电需要5小时，理想条件下的最大范围为193公里，在繁忙的城市条件下则为135公里。
对于再生制动，当驾驶员将他的脚抬离油门踏板时，系统进入工作。 如果驾驶员使用刹车，则提供相当高的助力水平。采用电动助力转向系统，但只有在真正需要时该系统才提供帮助。辅助系统由12 V铅酸电池供电，由主电池系统通过水冷式DC / DC变压器对其充电。
20.3燃料电池
1839年，威廉格罗夫爵士发明了燃料电池，它反转了水的电解过程。然而，其应用于道路车辆的潜力直到20世纪60年代才开始受到认真的调查，即使如此，现在也没有发展到商业阶段。但是，最近加利福尼亚州空气资源委员会（Carb）宣布，到1998年无排放车辆必须占该州汽车销售的2％，因此该主题再次引起关注。然而，由于Carb一开始规定的截止日期太过于紧张，所以汽车制造商成功地推迟到了2003年，但强制销售比例修改为为10％。
20世纪50年代开发用于太空的燃料电池相比于地面车辆具有许多优点。它们包括相对安静，无振动，并且不会产生有毒排放物。此外，燃料和维护成本几乎已经确定会低于柴油动力等值。
燃料电池不需要储存能量：它们仅仅是用于发电的电化学反应的容器，因此比电池单元小得多并且轻得多。它们的内部电阻也比传统电池低得多，所以它们的输出功率很大程度上取决于通过系统吹入并转换成水的氢气量。至少在最初阶段，他们接受的主要障碍将是建立全国范围的氢燃料分销网络的成本。这是从甲醇生产氢气的主要诱因，第20.9节。
燃料电池有五大类：固体聚合物，固体氧化物，熔融碳酸盐，碱性和磷酸。 最后提到的是目前在固定工业或市政应用中最广泛使用的。 它以超过40％的效率发电，但是必须在200°C左右运行。汽油发动机的效率约为30％，柴油发动机的效率为40％，但在城市运行中，这些数字可能会降至10％。尽管在太空中使用的碱性燃料电池效率为70％，但对于商业开发来说太昂贵了。
氧气和氢气都是燃料电池操作所必需的。前者可以从通过阳极的空气中获取，但是施加于阴极的氢气比包括甲醇在内的碳氢化合物燃料成本更高。它可以从这些燃料中获得，尽管从长远来看，生产氢气的替代方法被认为更具吸引力。
在车辆上储存氢气的三种方法如下：在约100和200巴之间的高压储存，通过将其吸附在例如活性炭和某些金属合金中而在约35巴下进行低压储存和低温储存。 在大气压下，氢气必须冷却到-250°C才变成液体，所以最后提到的储存方法存在严重的实际困难。戴姆勒 - 克莱斯勒Netcar 4是一款实验型中型厢式货车，其燃油箱采用热水瓶原理设计。它能容纳100升液态氢，温度为-275°C，行驶里程最高可达450公里。
基本上，在燃料电池中，将氢气和氧气分别施加到两个催化电极中，两电极之间是电解质。输出电压通常约为0.7V，因此通常需要将大量通常由碳片隔开的电池组装到外壳中。电极成分可以是如编织碳纤维之类的材料，其涂覆或浸渍有铂催化剂，并且电解质可能是湿多孔膜。
20.4燃料电池：基本原理
氢气通过负极，氧气通过正极，图20.2。 阴极中的铂催化剂释放的离子通过膜迁移到阳极，在那里它们与氧结合形成水。 尽管负氢电子也被吸引到阳极，但它们不能穿过膜，所以它们必须通过电路才能到达它。 通过此电路的电子可用于为任何形式的电子设备（如电机）供电，或为电池充电。氢原子和氧原子的组合形成水，并且在该过程中产生一些热量。
图20.2显示氢从负电极通过电解质流向正电极时被离子化的图，在那里它与离子化的氧结合。负电子和正电子都从它们各自的电极通过电路流到逆变器，该逆变器向电动机提供交流电
虽然燃料电池相对紧凑，但外围设备可能体积庞大，但随着进一步发展这个问题将得到解决。丰田公司设计了一种燃料电池，通过使碳分离器和膜等部件尽可能薄，将组件的尺寸和重量保持在最低限度。氢气通道在一侧形成，而氧气通道形成在与每个隔板另一侧的直角上，如图20.3所示。由于化学反应通过湿膜更快速地进行，所以空气供应在通过通道之前需要被加湿。
这种燃料电池在40至80℃的温度下表现令人满意。 但是，在这两个限制之间，温度越高，电池效率越高，因此丰田将其维持在该范围的较高端。 从放热反应产生的水中获取从合金释放氢气所需的热量，声称已经实现了约65％的整体能源效率。
上两段中描述的所有措施的成果是可以为45kW电机供电的电池单元。它重120公斤，长约100100500cm，安装在车辆地板下。其输出功率比电机的最大输出功率低20kW，弥补了电池为了加速电机能量供应不足的问题。当车辆在轻载和中等负载下运行时，燃料电池为电池充电。在减速期间，再生制动也起作用。
20.5车辆上的低压储氢
丰田1986年10月进一步引进了一种节省空间的氢燃料储存方法。活性炭中低压吸附天然气的方法已详细描述于T.K. Garrett，Pentech Press / Wiley的汽车燃料和燃料系统。丰田采用的方法与之类似，但他们使用的是钛合金来吸附氢。
图20.3丰田包装的单个单元的表示。 整个100times;100times;500厘米的包装重量为120千克，输出功率为20千瓦，加速时由电池产量补充。空气和氢气都通过电池，所以只有一部分这些气体被使用，其余部分被再循环
丰田声称，这种合金可以吸附并且在受热时释放相比于迄今用于此目的的其他材料两倍的氢。 事实上，以这种方式，储存的氢气的量是储存在相同体积的气缸中的高压气体的五倍。合金中的每个原子吸附两个氢原子，然后它们比液态氢更接近。吸附的原理如图20.4所示。由于氢的吸附产生热量，所以在加油过程中必须冷却金属合金。
通过比较120 kg燃料电池加上100 kg氢气储存装置的重量和与之相当的丰田的450 kg密封镍金属氢化物电池的重量，可以看出该系统一些成功的想法（图20.5），由汽油发动机、发电机和电动机驱动的混合动力车辆。这个100公斤的镍金属氢化物装置储存2公斤的氢气，相当于在20兆帕压力下储存的20 000升氢气。
20.6巴士，美国和加拿大的燃料电池
从1990年到1995年，燃料电池的功率密度增加了近七倍。到1996年初，美国政府提供资金用于生产能够每天为300辆轻型汽车提供压缩氢气的加油站，芝加哥市公共交通部门计划运行两辆燃料电池公交车，行驶400英里需要一次冲电。温哥华市政府也开展了一个类似的项目。
图20.4钛分子（外立方体）的八个面心中心原子中的四个分别代表合金中四种金属原子的1/2，而剩下的两个原子是全原子。这是因为实际的分子结构比这里显示的更复杂：金属立方体的六个面中的四个具有与其重合的另一个立方体。中心氢立方体在其每个角处具有1/2个氢原子，因此结果是氢与金属之比为2:1
图20.5丰田燃料电池动力汽车的布局图，其中氢气通过吸附储存在金属合金中
这两个项目是基于酸性电化学过程，其中载有铂催化剂的氟化聚合物离子交换膜用作电解质。据说这种燃料电池每消耗升产生1千瓦的功率。产生的电能可以用来给电池充电，与燃料电池的输出并行，然后驱动电动机用以提供额外的加速功率。
这两个项目的燃料电池均由加拿大的Ballard Power Systems提供，使用Johnson Matthey的催化剂。通过进一步发展来提高效率，引入再生制动，并安装额外的电池以储存额外的能量，希望能将范围增加约40％。用于这种类型的燃料电池的体积比较正常，但其成本相对较高。然而，如果大批量生产变得切实可行，成本高的缺点最终可能会被克服。此外，如果政府真的认真对待污染严重削减，通过免税购激励客户购买这些成本更高的车辆。
20.7 Zevco汽车燃料电池，欧洲
英国拉姆斯盖特的Zevco（零排放汽车公司）和比利时的Geel开发了一种适用于公路车辆的碱性燃料电池。这种类型的推进装置特别适用于在固定路线上运行的车辆，例如机场使用的车辆，以及邮政和各种城市进行交付的车辆。出于以下三个原因选择了一辆出租车进行道路验证测试和开发。首先，与大多数汽车不同，出租车的发电机安装在底盘上，因此特别适用于转换，只需将传统发动机直接替换为燃料电池和电动推进系统即可。其次，出租车的行驶范围在主要城市中，它们的平均速度（包括时间平稳）约为17公里/小时，因此它们不一定需要高功率推进装置。第三，氢燃料方便收集，可以由司机从几个的中央仓库收集。
使用液体电解质氢氧化钾（KOH），并且催化板在碳基质中是铂和银。每个电池包含阳极和阴极，KOH位于它们之间。这个子组件夹在两个注塑成型的歧管之间，这两个歧管将两种气体均匀地分布在适当的板上。每一种气体的一部分被消耗在发电中，而剩余的一部分被再循环，在它再次通过板之前添加新鲜气体。产生的水作为蒸汽分散到大气中，尽管一小部分被冷凝并用于维持电解质的强度。
根据所需的功率输出，可以让多个0.7V电池进行组装。这些燃料电池组件既用于为电动机供电，也用于为电池充电，后者可用于提高加速或爬高陡坡的功率。Zevco燃料电池组在70°C运行时功率为5千瓦，但预计产量为10千瓦和24千瓦。
尽管这种类型的燃料电池出租车的价格可能比同等柴油动力车少至多2500英镑，但据其声称能够满足每日所需的距离，约为165公里，每天的燃油成本为6英镑.，而不是15英镑柴油。不过，成本可能会受到未来税收政策变化的影响。
如果对氢气的需求增
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