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电池电动车(BEV)与燃料电池电动车(FCEV),是敌还是友?

时间:2020-06-02 作者:Stefano Lovati 阅读:
电池电动车(BEV)与燃料电池电动车(FCEV)是两种 “清洁”能源汽车技术,都能够减少温室气体的排放。本文将论述为何这两种技术是互补的,而不是对立的,并讨论它们在运输行业逐步脱碳进程中的相互协作关系。
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电池电动车(BEV,Battery Electric Vehicles)与燃料电池电动车(FCEV,Fuel-cell Electric Vehicles)是两种 “清洁”能源车辆技术,都能够减少温室气体的排放。本文将论述为何这两种车辆技术是互补的,而不是对立的,并讨论它们在运输行业逐步脱碳进程中的相互协作关系。ynzEETC-电子工程专辑

道路运输逐步脱碳和政府减少二氧化碳排放的法规要求正迫使汽车制造商加大新能源车辆(即低排放甚至零排放)的研发和推广力度,以减少对环境的负面影响。ynzEETC-电子工程专辑

在这种大环境下,电池电动车(BEV)与燃料电池电动车(FCEV)之间的比较成了一个热门话题,人们热衷于对比两种技术中哪一种更好。与所有电动车一样,FCEV也使用电能为电动机提供动力,区别在于FCEV使用燃料电池发电,而不是直接从电池中获取电能,如图1所示。由于电力是通过车载氢与空气中氧之间的化学反应而产生的,所以唯一排放的废气是水蒸气。ynzEETC-电子工程专辑

图1:氢燃料电池驱动车辆(图片:美国能源部)ynzEETC-电子工程专辑

对比BEV和FCEV,究竟哪种技术更清洁或产生的污染排放最少?目前并无定论。要比较这两种技术解决方案,首先必须评估整个能源生命周期(即从生产到报废)中产生的排放到底有多少。从它们所使用的能源(电能和氢气)来看,BEV和FCEV都是清洁的。它们的优势在于,电能和氢气都可以从可再生能源(例如太阳能或风能)中获得,而氢气也可以在加氢站现场直接生产。ynzEETC-电子工程专辑

燃料电池的原理

燃料电池单元主要由阳极、阴极和电解质组成。将一些基本电池单元(几百个)连接在一起,以达到特定应用所需的电压。尽管工作原理相同,但根据所使用的电解质类型不同,燃料电池的种类也花样繁多。汽车业最常用的燃料电池是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC),如图2所示。ynzEETC-电子工程专辑

图2:PEMFC的工作原理(图片:Wikipedia)ynzEETC-电子工程专辑

聚合物膜是酸性的,被输送的离子是氢离子或质子。这种电池以纯氢为燃料,空气或纯氧为氧化剂。PEMFC的工作温度接近80°C,具有极高的效率和功率密度,因此非常适用于汽车应用。更有意思的是,PEMFC的运行成本也较低,因为聚合物膜(实际上是一个去离子过滤器)并不昂贵,仅需每30,000英里更换一次即可。只要将PEMFC与可充电电池配对,就可以设计出混合动力车。通过适当配置,汽车制造商可以使之与电动机或汽油发动机汽车一样运行。燃料电池类似于内燃机(ICE),ICE将储存在燃料中的化学能转化为旋转机械能,再由机械能直接使车辆移动,或通过交流发电机转换为电能。燃料电池的转换非常相似,它通过化学过程发电,但这个过程不会产生污染排放。在不久的将来,FCEV将会与BEV以互补的方式运行,促进氢燃料替代石油燃料。ynzEETC-电子工程专辑

FCEV与BEV的比较

我们通过一些关键因素来比较电池电动车和燃料电池电动车:ynzEETC-电子工程专辑

●能量密度(单位质量的能量)。氢气40,000 Wh/kg的能量密度非常亮眼,而最先进的锂离子电池能量密度约为250 Wh/kg。最高级别的电动车Tesla S使用镍、钴和铝(NCA)电池,能够提供248 Wh/kg的能量密度。这意味着氢气每千克可提供数百倍的能量,从而使车辆在不增加重量的情况下延长续航里程。ynzEETC-电子工程专辑

●加燃料和充电时间。FCEV可以在不到五分钟的时间内轻松加满;相比之下,BEV正常充电有时需要几个小时,而超快速充电(如果有这个功能的话)则需近一小时。此外,燃料电池车单次加满提供的行驶里程更长,是长途车辆的理想解决方案。但是,FCEV不能像BEV那样在家中添加燃料。不过,世界上很多国家都有计划增加加氢站的数量,并在几年之内覆盖全国范围。ynzEETC-电子工程专辑

●运行周期。现在,几乎所有的电动车电池都能保证至少八年或100,000英里的运行,这一点很亮眼。车辆锂离子电池的寿命完全取决于其充/放电的循环次数以及热管理系统和电池缓冲器所提供的保护。电池缓冲器可以防止电池完全放电或过度充电,这两种状态都会损害锂离子电池。而燃料电池堆的预估寿命约为5,000小时,相当于150,000英里的行驶里程。但短途行驶会给聚合物膜带来严重压力,因为它会反复潮湿和干燥。若连续运行,燃料电池组应可以无故障运行40,000小时。ynzEETC-电子工程专辑

●整体效率。美国能源部(DOE)的研究显示,额定功率25%的FCEV整体效率约为57%,计算出的理论效率约为60%。如图3所示,美国能源部2020年的目标以星号表示,即65%的总体效率。尽管已经取得不小的进步,并且实际值和计算值之间的差距也减小了,但FCEV制造商仍需要不断改进以实现效率目标。ynzEETC-电子工程专辑

图3: 燃料电池效率与额定功率之间的函数关系(图片:美国能源部)ynzEETC-电子工程专辑

随着车辆设计的行驶里程不断加大,BEV重量迅速增加,而效率却在降低。可以说,BEV短途行驶效率很高,但不适用于长途行驶。图4显示了不同类型车辆的能效与设计里程之间的关系。在短途范围内,BEV达到最高效率水平。但随着里程的增加,内燃机车辆和FCEV变得更加高效。而对长途行驶,FCEV则可提供最高效率。ynzEETC-电子工程专辑

图4: 能效与设计里程之间的关系ynzEETC-电子工程专辑

若能将BEV和FCEV的充电/加气基础设施很好地结合起来,我们就能够利用这两种技术的组合优势。 例如,电动车充电站具备通宵充电的简便性和成本效益,可与针对FCEV车辆长途行驶的加氢站相结合。两种基础设施共同部署的组合策略可以最大程度地提高能源效率,优化可再生能源的利用率,并减少二氧化碳排放。氢气的优势在于,加氢站可以使用可再生能源直接在现场生产,无需连接到更大的加油网络或电网中。或者,也可以通过工业流程生产氢气,然后将其运输到加氢站。ynzEETC-电子工程专辑

结语

如果BEV总重不大(这取决于安装的电池数量和容量),则功耗会降低,可以提供较高的能效。因此,短途行驶的轻型BEV可获得最高的效率。相同重量下,FCEV车辆能够存储更多的能量,燃料电池的加气也可以迅速完成。因此,FCEV非常适于长途行驶或要求停驶时间最少的应用(如卡车、运输巴士或工业车辆)。基于各种交通方式之间的资源共享,未来的交通解决方案将越来越丰富,电池电动车和燃料电池电动汽将是取长补短的友军,而不是非此即彼的敌人。ynzEETC-电子工程专辑

(参考原文:BEVs vs. FCEVs: Competing or Complementary Technologies?ynzEETC-电子工程专辑

责编:Amy GuanynzEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 ynzEETC-电子工程专辑

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