本文目录
- 燃料电池汽车的核心技术
- 电动汽车的关键技术有哪些
- 燃料电池电动汽车控制系统的主要关键技术有哪些
- 电动汽车有哪些关键技术
- 2021纯电动汽车有哪些技术突破
- 燃料汽车的关键技术是什么
- 当前什么是新能源汽车呢它有什么分类呢它的关键技术是什么呢
- 电动汽车的关键技术
被誉为新一代环保车型的燃料电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放co2。燃料电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程。各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料电池汽车的研发与推广工作。介绍了丰田公司燃料电池系统(tfcs)及燃料电池堆的结构、设计与控制。着重阐述了燃料电池系统的1项核心技术，即“水管理控制技术”，以及基于燃料电池堆的设计过程与燃料电池堆内部状态的可视化及计测技术。
0 前言
近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油资源也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不产生co2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注。丰田公司于近期设立了“co2零排放目标”，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1)。
fcv 具有以下特点：(1)以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛；(2)行驶中的排放物只有水；(3)由于主要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能；(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程。目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化。考虑到fcv的诸多优点，研究人员认为fcv同样也可满足中长距离的运输需求(图2)。丰田公司于2014年在世界范围内首开先河，上市销售了量产型fcv“mirai”车型。此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料电池系统的新型燃料电池城市客车“sora”(图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4)。
1 丰田公司燃料电池系统
丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料电池系统(tfcs)(图5)。
燃料电池系统由进行发电的燃料电池堆、供应氢燃料的氢气系统、供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6)。燃料电池堆发出的电能通过燃料电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系统供电(图7)。就对燃料电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化。不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要。本文论述了基于燃料电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制。
2 燃料电池堆
燃料电池堆通过设计单电池的电极面积和单电池数量，从而获得所需的电能。在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成(mea)、显微渗透层(mpl)、气体扩散层(gdl)、用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部件构成(图8)。
丰田公司通过对燃料电池流道及mea 进行改进，使燃料电池系统实现了高密度化。此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件。同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺寸。而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻了，使电池具备较高的功率密度(3.1 kw/l 与2.0 kw/kg，图9)。结果表明，燃料电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)。不仅如此，为避免降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(pac)，从而显著降低了成本。
2.1 高电流密度化
电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的。超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的“活性化超电压”，源于电子、质子移动的“电阻超电压”和源于反应过程的“浓度超电压”(图11)。就聚合物电解质燃料电池(pefc)而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化。另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应增加。通过以上分析，如要实现燃料电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料电池水管理技术的核心理念。
2.2 降低浓度超电压
在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水会滞留于空气极侧的电池流道、gdl、mpl 及mea中，从而产生浓度超电压。在通常情况下，与气体流道不接触的gdl及mea内容易积存液态水。而在丰田的mirai车型上配装的燃料电池堆的单元流道结构，采用了3d细网格状结构。在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12、图13)。此外，在gdl内，通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化。而在mpl方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2倍，进而降低了浓度超电压。
2.3 降低电阻超电压
为了确保pefc中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态。在常规的燃料电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料电池堆并进行加湿处理。配装在mirai车型上的tfcs，可通过结构简化以提高可靠性。丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)。自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿。该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合。
燃料电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低。在mea 内部的催化剂附近，质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所增加。在外观上，催化剂有效表面积减少，使燃料电池性能恶化。通过增加包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变。在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效增加催化剂的表面积。同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向。除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性控制在最小限度以内(15、图16)。
另一方面，由于燃料电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步老化。同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题。研究人员采取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3d细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保了其耐久性能(图17)。
3 燃料电池堆的水管理控制
为使燃料电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了mea构件的电阻，进而对燃料电池的运转条件进行调整。
3.1 基于交流阻抗法的含水量计测
图18示出了常规燃料电池的等效电路。图中rohm为电解质膜的电阻，rvoid为gdl的电阻，rion为电解质的电阻。这些电阻会随着含水率的不同而发生变化。在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态。在冷却过程中，由于gdl内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所增加，所以rvoid值会相应增大。相反，在高温运转时等含水率较低的状态下，rohm和rion会有所增大，并产生电阻超电压。
燃料电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测的。rohm是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值(hfr)而计算得出的。另一方面，rvoid是根据lfr，再针对rohm及rion进行计算而得出的。
3.2 燃料电池堆的自加湿控制
tfcs在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理。为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以增加氢循环量。在确保了必要的氢循环量之后，通过降低氢气极入口压力的方式，促使氢气极表面的水实现不断流动。由于上述对策的运用，催化剂附近环境较为湿润，即便不采用外部加湿处理，也能有效提高系统运转时的环境温度(图19)。
3.3 燃料电池高温运转时的水管理控制
以计测方式得出的阻抗值为基础，控制mirai车型氢气泵流量、燃料电池水温等参数，由此进行水管理。图20表示进行水管理控制时车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。图21则示出了在未进行水管理控制的条件下，车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。在进行水管理控制的条件下，rohm数值较为稳定，冷却水温度上升情况受到抑制，由此可以得到燃料电池堆的输出功率。另一方面，在未进行水管理控制的条件下，由于受到冷却水温度的影响，阻抗值出现了较大的变动，同时也无法确保同样的输出功率。此时，燃料电池堆的电池特性也面临着同样问题，即在全电流区的阻抗值较高，无法输出规定的电压。可认为该现象是电解质膜等部件的电阻超电压有所增加的原因之一(图22)。另外，由于电压降低，燃料电池堆的发热情况也会逐步加剧，进而导致冷却水温度上升。该结果表明，电解质及电解质膜的含水率有所降低，导致燃料电池发电特性面临着进一步恶化的现象。
由以上分析可知，水管理控制可使电解质膜等部件处于稳定状态并得以润湿，同时改善燃料电池堆的发电特性，并能有效抑制冷却水温度的上升。
3.4 0 ℃下起动时的水管理控制
燃料电池系统在0 ℃下起动时面临的主要问题是燃料电池系统内部的残留水及由于发电过程中生成的水会出现冻结现象，无法向mea 及时供应工作所需的氢气与氧气。由此面临的最恶劣情况即为燃料电池无法正常发电。
图23示出了在0 ℃环境下的系统控制流程图。在0 ℃环境下燃料电池系统采用的水管理技术理念主要是确保起动时气体供应系统得以正常运转。在水即将冻结时，采用可使燃料电池系统升温到0 ℃以上的“快速暖机”控制系统。
3.5 降低含水量控制
通过测量阻抗值，可以计算出燃料电池堆发电部位的含水量。gdl内的含水量能充分利用rvoid进行管理。降低含水量控制是在运转过程中及系统停止运行时，控制冷却水温度、空气流量、氢气循环量等参数，并合理调节阻抗值，以便即使在0 ℃以下的环境内进行起动时，也不会面对由于气体扩散所导致的问题，从而使燃料电池实现顺利起动(图24)。
3.6 快速暖机控制
在燃料电池堆的温度处于0 ℃以下时，发电特性比正常运转时更低。同时，由于生成的水逐渐冻结，导致燃料电池堆无法实现持续发电(图25)。因此，当冷起动时的温度在0 ℃以下时，为了能继续发电，须使燃料电池堆的温度处于0 ℃以上。
燃料电池堆在发电时，随着各类能量损失的出现，会同时出现发热现象。燃料电池堆处于正常运转工况时，须使发热量处在最小限度内，并高效运转。如需实现燃料电池堆的快速升温，应降低反应过程所需的空气量，进而逐渐增大浓度超电压(图26)。
图27示出了在-15 ℃温度环境下的快速暖机控制。根据燃料电池温度为-15 ℃时的实际车辆评价结果，从系统校验后的8 s开始，燃料电池堆即可进行发电。由于一方面须维持一定的输出功率，另一方面须缓慢地降低电压，使燃料电池堆的发热量有所增加，最终将燃料电池输出功率控制为5~90 kw。此外，目前已确认了燃料电池堆可在32 s左右的时间内增温至0 ℃以上。
4 结语
本文以燃料电池系统的1项核心技术“水管理”为研究对象。运用可视化及计测技术，实现了定量化处理，将该技术有效运用于燃料电池堆的设计与系统控制过程中。水管理是燃料电池堆的1项关键技术，今后还将依据相关原理，对燃料电池堆的运作机理进行说明，从而推进燃料电池堆系统的小型化、低成本化,以及性能提升等方面的工作。
注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期
作者：?今西啓之等
整理：彭惠民
：伍赛特
电动汽车的关键技术有电驱系统，电池系统和电控系统。
电驱系统电驱系统，也叫电驱动系统，一般由电机，传动机构和变换器组成。当前新能源汽车主要有纯电动汽车、燃气汽车、混合动力汽车和空气动力汽车。
燃料电池系统组成：阳极供氢系统、 阴极供气系统、 电堆液冷系统、 进气加湿系统、 电堆反应系统
bop部件组成： 罐、不同阀、不同泵、节气门、滤清器、加湿器、水箱、热交换器、离子过滤器; 控制系统、逆变系统、传感器等
燃料电池涉及学科及知识领域：1.机械 -不同结构部件 -水循环 -液冷系统压力反馈 -液冷系统恒温控制-循环控制。2.电气：-整流逆变-dcdc。3.控制 ：-阀、泵、电机、节气门等控制。
涉及到的学科领域：
1.热力学 ：-电堆温度、液冷系统温度、气相及液相影响、 -化学变化、不同部件热损耗等-熵、焓、温度、压力、流量、摩尔质量计算 ；-温度、压力对化学变化的影响 、-质量、能量守恒
2.化学：-化学物质的属性 -化学平衡方程 -混合物及临界状态计算
3.动力学 ：-流体力学 -物质状态 -气、液物质黏度 -流量影响
燃料电池系统级建模需要满足 ：
燃料电池的控制系统hil以及mil的需求、基于matlab/simulink、具备不同部件的模型库 、快速搭建系统级模型、方便的前后处理及运行调试；建模需要遵循 ：基本数学建模理论、热力学基本定律 、电化学基本理论、热及质子传输基本理论；基本的化学物质的热物理参数：支持不同的燃料、介质等选择。
可参考山东氢探新能源的thermolib模型。
thermolib热力学及燃料电池仿真模型 1.基于matlab/simulink环境 2.热力学及燃料电池仿真的模型软件。3.用于hil以及mil开发阶段 4.低成本、快速搭建燃料电池系统 5.提供了燃料电池模型仿真所需要的热力学、流体力学电化学反应等模型库 6.提供泵、阀、压缩机、增湿器、冷却系统、罐等外围模型。
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电动汽车的关键技术有电驱系统，电池系统和电控系统。电驱系统电驱系统，也叫电驱动系统，一般由电机，传动机构和变换器组成。当前新能源汽车主要有纯电动汽车、燃气汽车、混合动力汽车和空气动力汽车。
电机电机（ele ct rical machine），有两种类型，一种是把电能转换为机械能的装置，称为电动机（motor），另一种类型是把机械能转换为电能的装置，称为发电机（generator）。
无论是电动机还是发电机，两者都在汽车上有广泛应用，在电驱动系统中，电机一般都是的是指电动机，也叫驱动电机，主要作用是把储存到动力电池的电能转换为机械能，为电动汽车提供前进的动力。
电机主要由定子和转子两部分组成，分为直流电机和交流电机两种大的类型。
对电动汽车来说，驱动电机需要组顶满足回口认宽调速范围、快速响应、轻量化、高效率、能量回泄高精收、高可靠性、安全性、成本可持续降低等要求，目前电动汽车常用的电机都是交流电机，其中三相感应异步电机和永磁同步电机是用得最多的两种。
差速器的主要作用是汽车转弯时使得两侧车轮转速不同，无论是电动汽车，还是燃油汽车部件是一样的，这里不再多提。
而对于减速器，一般由高速轴承和不同齿数的齿轮组成，通过输入轴上齿数少的小齿轮，啮合到输出轴上的齿数多的大齿轮，达到减速和增大转矩的目的。大小齿轮的齿数之比，就是传动比。实际上，作为动力传递机构，减速器早已广泛应用在各种机械的传统系统中。
电动汽车的减速器可以看成燃油汽车的变速箱，由于电机本身具有足够宽度的调速性能，因而减速器一般都是固定传动比的单级减速器，也就是只有一个档位的变速箱。
（图/文/摄： 问答叫兽） @2019
在很多方面纯电动汽车技术都取得了突破：
1、获评前沿技术的技术为：新能源汽车用超级铜线
2、 基于ai算法的电池热失控云端预警技术
3.、无线智能网格网络的电池管理系统
4.、高转矩密度重载电动轮系统关键技术
5、 高效质子交换膜电解制氢技术
6、获评创新技术的所属企业与具体技术为：中国第一汽车集团有限公司的超高性能永磁同步电驱系统关键技术
7、中国汽车技术研究中心有限公司的动力电池热失控热扩散测试技术
8、 特斯拉公司的优化热源的电动汽车热泵技术
9、宁德时代新能源科技股份有限公司的多功能复合集流体技术
10、华为技术有限公司的大阵列高分辨毫米波雷达
11、地平线公司的基于高效能ai芯片的车载智能交互下载亚博的解决方案
12、蜂巢能源科技有限公司的动力电池正极材料无钴突破性技术
13、特来电新能源股份有限公司的面向电动汽车超大规模接入的充电网技术
14、上海氢晨新能源科技有限公司的重型商用车大功率金属极板燃料电池电堆技术
拓展资料
“全球新能源汽车前沿及创新技术”是首个面向全球新能源汽车技术领域的评选，评选工作由28位国内外在新能源汽车整车、关键零部件及材料等科技创新领域有重要建树、学术上有较深造诣的科学家及知名专家组成的世界新能源汽车大会科技委员会具体负责。该评选是世界新能源汽车大会的重要同期活动，旨在准确把握全球新能源汽车在前沿技术研究及创新技术应用方面的最新进展，促进国内外关键技术的合作与交流，引导新能源汽车核心技术的加速突破。评选结果在每年的世界新能源汽车大会上向全球发布，此前2019年、2020年连续两年举办，受到了行业内外的高度关注。
燃料汽车的关键技术有燃料电池技术，驱动电机技术，电子控制技术，整车系统优化技术等，难以推广主要原因是技术困难和成本高昂以及燃料制取和储存困难和安全等原因制约其推广与发展，
新能源汽车是指以新结构和新技术制造的汽车。大多数车辆都由石油和混合动力发动机提供动力；另一种是全部由电力驱动。带有油动力电动汽车的车辆包含控制系统、辅助系统和动力系统。而电动汽车则由电池的电流驱动。
从表面上看，新能源汽车是指使用非常规化石油能源作为能源的汽车，例如电力、太阳能、氢推进等，天然气、甲醇和二甲醛等能源对环境的危害较小，但未定义为新能源汽车。尽管太阳能和氢都可以作为能源，但这些车辆主要将其电力转换成为车辆供电的发电机。
新能源汽车目前主要包括混合动力汽车和电动汽车。所谓的电动汽车主要由电能驱动，这意味着它具有很高的电池电量，意味着汽车具有非常大的电池，非常好的电池技术和电驱动器。目前，此类电池标准不高，电池容易出现故障。
因此要对其进行良好地维修和保养。在电池运行时，它们的充电和损耗很难控制，更容易发生故障。另外，大多数电池由许多的小型锂电池组成，小电池状态很难保持一致，因此在一定程度上影响它们的寿命，减少能量等。
基于此，目前市场上主要的新能源汽车是油电混合动力汽车。汽车主要由电池和辅助驱动系统提供动力，如果电力充足，则汽车将由电池驱动，并且无须驱动即可启动助手。电池电流恒定，支撑系统自动启动，为汽车提供稳定的推力。事实证明，混合动力车在节能措施上非常有效，并为大力推行新能源汽车技术带来了巨大优势。
对于新能源汽车，关键技术集中在两个领域：电池技术和驱动控制。在电池技术中，电动汽车和具有混合动力驱动的汽油动力汽车均由电力驱动，这也与电池技术有关。在生产成本、电池安全性、尺寸、电池寿命、稳定性等方面，如何处理这些关键组件非常重要。
驱动控制也是电动汽车最重要的技术之一，其使用以平衡的方式进行调节和控制，这使汽车拥有可靠的电源并延长了其电池的使用寿命。混合驱动器必须很好地调节其驱动器控制，这一点也很重要。电池驱动器和辅助驱动器必须设置正确，以便车辆的驱动器可靠。
电动汽车的关键技术有电驱系统、电池系统和电控系统。
对电动汽车来说，驱动电机需要组顶满足回口认宽调速范围、快速响应、轻量化、高效率、能量回泄高精收、高可靠性、安全性、成本可持续降低等要求，目前电动汽车常用的电机都是交流电机其中三相感应异步电机和永磁同步电机是用得最多的两种。
