第四节　其他类型燃料汽车

一、燃料电池电动汽车

采用燃料电池作为电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV）。FCEV一般以质子交换膜燃料电池PEMFC作为车载能量源。

FCEV按燃料特点可分为直接燃料电池电动汽车和重整燃料电池电动汽车。直接燃料电池电动汽车的燃料主要是氢气；重整燃料电池电动汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等。直接燃料电池电动汽车排放无污染，被认为是最理想的汽车，但存在氢的制取和存储困难等缺点；重整燃料电池电动汽车的结构比氢燃料电池电动汽车复杂得多。

FCEV按燃料氢的存储方式可分为压缩氢燃料电池电动汽车、液氢燃料电池电动汽车和合金（碳纳米管）吸附氢燃料电池电动汽车。FCEV按“多电源”的配置不同，可分为纯燃料电池驱动（PFC）的FCEV、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV、燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV以及燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV。

1.纯燃料电池驱动（PFC）的　FCEV

纯燃料电池驱动的电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。纯燃料电池驱动的电动汽车的动力系统如图1-12所示。

纯燃料电池驱动系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电动机，驱动电动机将电能转化为机械能再传给传动系统，从而驱动汽车行驶。

2.燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的　FCEV

燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的燃料电池电动汽车的动力系统如图1-13所示。该结构是一个典型的串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电动机提供能量，驱动电动机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车行驶；在汽车制动时，驱动电动机变成发电机，蓄电池将储存回馈的能量。在燃料电池和蓄电池联合供能时，燃料电池的能量输出变化较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的高频部分由蓄电池分担。

3.燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的　FCEV

燃料电池与超级电容的结构跟燃料电池与蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量密度较小。随着超级电容技术的不断进步，这种结构将成为一种新的重要的研究方向。

4.燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的　FCEV

燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统如图1-14所示，该结构也为串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电动机提供能量，驱动电动机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车行驶；在汽车制动时，驱动电动机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。在燃料电池、蓄电池和超级电容联合供能时，燃料电池的能量输出较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的低频部分由蓄电池承担，能量需求变化的高频部分由超级电容承担。

说明，在3种混合驱动中，（FC+B+C）组合被认为能够最大限度满足整车的启动、加速、制动的动力和效率需求，但成本最高，结构和控制也最为复杂。目前燃料电池电动汽车动力系统的一般结构是（FC+B）组合。

二、气体燃料汽车

气体燃料汽车主要包括天然气汽车、液化石油气汽车和生物燃料汽车。

1.天然气汽车

天然气汽车是指以天然气作为燃料的汽车。按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气汽车可以分为压缩天然气汽车（CNGV）和液化天然气汽车（LNGV）。

压缩天然气是指压缩到20.7～24.8MPa的天然气，储存在车载高压气瓶中。它是一种无色透明、无味、高热量、比空气轻的气体，主要成分是甲烷，由于组分简单，易于完全燃烧，加上燃料含碳少、抗爆性好、不稀释润滑油，能够延长发动机使用寿命。

液化天然气是指常压下、温度为-162℃的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。液化天然气燃点高、安全性能强，适于长途运输和储存［主要成分是甲烷，先将气田生产的天然气净化处理，再经超低温（-162℃）加压液化就形成液化天然气］。

注意，1m3天然气相当于1.1～1.3L汽油，它作为车用燃料，比汽油、柴油便宜，可节省约30％的燃料费用。同样储存量（同样的续驶里程），使用液化天然气（LNG）的重量是压缩天然气（CNG）的重量的1/3；LNG瓶装载的天然气是CNG储气瓶的2.8倍以上。天然气的燃点约为537℃，不会轻易被点燃，同时天然气爆炸极限范围窄，而且天然气密度低，相对密度为0.55左右，即使有少量泄漏也会很快升空挥发，在自然环境中难以形成遇火爆燃的条件。

2.液化石油气汽车

以液化石油气为燃料的汽车称为液化石油气汽车。液化石油气汽车和天然气汽车结构类似，也是增加了一套燃气供给系统。

液化石油气（LPG）是丁烷和丙烷的混合物。它无色无味，在常温下密度比汽油低一些，沸点也比汽油低，其着火温度与汽油相当，并且辛烷值高于汽油，抗爆性好于汽油。

液化石油气的另一特征是，它们在室温和相对较低的压力下（400～1200kPa）会转化为液体。

3.生物燃料汽车

生物燃料是指生物资源生产的醇类燃料和生物柴油等，它可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。生物燃料汽车就是以生物燃料为能源的汽车。

（1）甲醇燃料汽车　甲醇燃料汽车是指利用甲醇燃料作为能源驱动的汽车。甲醇作为燃料在汽车上的应用主要有掺烧和纯甲醇替代两种。掺烧是指将甲醇以不同的比例（如M10、M15、M30等）掺入汽油中，作为发动机的燃料，一般称为甲醇汽油；纯甲醇替代是指将高比例甲醇（如M85、M100）直接用作汽车燃料。

甲醇燃料汽车是我国新能源汽车战略中的重要组成部分，属于醇醚类汽车的代表，醇燃料已经被确定为今后20～30年过渡性车用替代燃料。

（2）乙醇燃料汽车　乙醇燃料汽车是使用车用乙醇汽油作为主要动力燃料的汽车。一直以来，生物乙醇燃料备受争议，因为有人批评大规模使用乙醇作为燃料，会导致食品价格上涨，此外，传统制造乙醇过程中会消耗很多能源，因此，从“油井到车轮”的全过程来看，乙醇燃料并不环保。

（3）二甲醚燃料汽车　二甲醚作为环保、清洁、安全的新型替代能源，已经得到国际社会的公认，二甲醚是汽车发动机，特别是柴油发动机燃料的理想替代品。

由于二甲醚具有低沸点、高饱和蒸气压、低黏性、优良的压缩性、高十六烷值、含氧34.8％、较低热值等特点，二甲醚燃料发动机技术已引起西方发达国家政府和专家的高度重视。近年来，欧美和日韩等国家十分看好二甲醚燃料汽车的市场前景和环保效益，纷纷开展二甲醚燃料发动机与汽车的研发。

4.氢燃料汽车

氢燃料汽车是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料燃烧而产生动力的汽车，是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，具有无污染、零排放、储量丰富等优势，因此，氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。

2006年，宝马推出世界上第一款氢动力豪华轿车——BMW氢能7系，该车型的研发采用了同所有其他BMW批量生产的车一样的标准开发流程，宝马公司生产的Hydrogen7系的氢动力汽车是在宝马760Li基础上改装的，由能够使用氢燃料和汽油的191kW/191kW的12缸发动机提供动力，最小转弯直径为12.6m；综合油耗为汽油13.9L/100km；综合氢耗，液氢为3.6kg/10km；排放达标为EU4；汽油模式续驶里程为500km；液氢模式续驶里程为200km；总续驶里程为700km；0～100W·h加速时间为9.5s；最高车速为230km/h（福特汽车公司为世界首个正式生产氢燃料发动机的汽车制造商）。

5.太阳能汽车

太阳能汽车是利用太阳能电池将太阳能转换为电能，并利用该电能作为能源驱动行驶的汽车，它是电动汽车的一种。

太阳能汽车主要由太阳能电池组、向日自动跟踪器、驱动系统、控制器、机械系统等组成。

（1）太阳能电池组　它是太阳能汽车的核心，由一定数量的单体电池串联或并联组成电池方阵；太阳能单体电池由半导体材料制成，当太阳光照射在该半导体材料上时，半导体的电子-空穴对被激发，形成“势垒”，也就是p-n结；由于势垒的存在，在p型层产生的电子向n型层移动而带正电，而在n型层产生的空穴向p型层移动而带负电，于是在半导体元件的两端产生p型层为正的电压，即形成了太阳能电池。太阳能电池的电流大小与太阳光照射强度的大小和太阳能电池面积的大小成正比。车用太阳能电池将很多太阳能电池排列组合成太阳能电池板，以产生所需要的大电流和高电压。

（2）向日自动跟踪器　太阳能电池能量的多少取决于太阳能电池板接收太阳辐射能量的数量，由于相对位置的不断变化，太阳电池板接收的太阳辐射能量也在不断变化。向日跟踪器的作用就是保持太阳电池板正对着太阳，最大限度地提高太阳电池板接收太阳辐射能的能力（太阳能汽车由太阳能电池板在向日自动跟踪器的控制下始终正对太阳，接收太阳光，并转换成电能，向电动机供电，再由电动机驱动汽车行驶，它实际上是一种电动汽车，其工作原理与串联式混合动力汽车SHEV基本相同）。

（3）驱动系统　太阳能汽车采用的驱动电动机主要有交流异步电动机、永磁电动机、直流电动机等，其驱动系统与EV基本相同。

（4）控制器　控制器主要对太阳能电池组进行管理和对电动机进行控制，其作用与电动汽车控制系统相同。

（5）机械系统　机械系统主要包括车身系统、底盘系统和操纵系统等。太阳能汽车最具魅力的可以说是车身了。除满足汽车的安全和外形尺寸要求外，汽车的外形是没有其他限制的。一般来说，太阳能汽车的外形设计要使行驶过程中的风阻尽量小，同时又要使太阳能电池板的面积尽量大。太阳能汽车要求底盘的强度和安全度达到最大，而且重量尽量轻。