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燃料電池汽車能量轉換效率

汽車 更新时间:2024-09-12 04:00:30

全國兩會召開期間,衆多參會代表在提案中明确建議加快推進國内氫能及燃料電池汽車産業發展。燃料電池汽車憑借其清潔環保、加注時間短、續駛裡程長等優勢,産業熱度正在快速提升。

對于車輛性能,大家最關心之一就是續駛裡程。都說燃料電池汽車續駛能力強,果真如此嗎?據權威媒體報道,最新現代NEXO,其續駛裡程能夠達到805公裡;2018款本田Clarity最大續駛裡程可達750公裡;豐田Mirai續駛裡程為500公裡。這些一目了然的數據,無一不在為燃料電池汽車續駛能力提供着有力注解。

續駛裡程,于傳統燃油車而言,知道油箱容積,除以百公裡耗油量,我們便可推算出車輛續駛裡程。對于純電動汽車,知道百公裡耗電量以及儲電量,即可推算出車輛續駛裡程。那麼,燃料電池汽車的續駛裡程應該如何推算呢?

計算燃料電池汽車續駛裡程,必須要了解影響燃料電池續駛裡程的三大因素:儲氫量、燃料電池動力系統效能、燃料電池汽車總成。

正所謂巧婦難為無米之炊,燃料電池汽車的儲氫量影響着車輛續駛裡程。

儲氫量,指燃料電池汽車車載供氫系統的儲氫量。車載氫系統是燃料電池汽車的重要部件,由儲氫瓶、組合瓶閥、溢流閥、減壓器、壓力傳感器、管道及管道連接件等組成。

其中,儲氫瓶相當于傳統燃油車的油箱,其儲氫量有如油箱儲油量。目前,國内外主流儲氫瓶為高壓氣态瓶,國内使用Ⅲ型瓶(金屬内膽碳纖維全纏繞氣瓶),國外使用Ⅳ型瓶(塑料内膽碳纖維全纏繞氣瓶)。

燃料電池汽車能量轉換效率(如何簡單估算燃料電池汽車續駛裡程)1

商用車與乘用車的供氫系統所攜帶的儲氫瓶數量不同,商用車通常有2到10個35兆帕儲氫瓶,乘用車有2-3個70兆帕儲氫瓶。如福田8.5米燃料電池客車攜帶4個35兆帕儲氫瓶,最新的現代NEXO則攜帶3個70兆帕儲氫瓶,Mirai攜帶2個70兆帕儲氫瓶。

假設在溫度相同、儲氫瓶充滿的狀态下,根據氣體方程PV=nRT,我們可以看出,壓力越大、容積越大,儲氫量就越多。

可以說,不談儲氫量的續駛裡程都是耍流氓,當我們談續駛裡程時,首要應了解的是車輛儲氫量。

了解完儲氫量,讓我們看一下第二個重要影響因素:燃料電池動力系統效能。

燃料電池動力系統由燃料電池與輔助系統(BOP)組成,燃料電池由電堆與DC/DC組成,BOP包括氫氣循環系統、加濕器以及空氣壓縮機等。

燃料電池是一種把氫燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置。燃料電池生成電流,BOP則維持電池堆持續穩定運行,它們組成的燃料電池動力系統好比一個發電廠。

燃料電池汽車能量轉換效率(如何簡單估算燃料電池汽車續駛裡程)2

我們将燃料電池動力系統最終輸送給汽車驅動系統的電能能力稱為輸出效能。那麼,相同供氫前提下,“發電廠”的電能輸出越多,輸出效能越高,續駛裡程自然就長。

影響燃料電池動力系統輸出效能的是哪些方面呢?

首先是氫氣利用率,當氫氣輸入燃料電池中時,并不能百分之百用作電化學反應,有一部分會用于電池吹掃等輔助系統工作,該部分氫氣量消耗越少,氫氣利用率越高。

其次是氫氣轉化率,即燃料電池将氫氣的化學能轉化為電能的工作效率,這取決于燃料電池本身的氫氣轉化能力,轉化率高,産生電能越多。

最後是電能輸出率,生成電能後,一部分用于維持BOP運轉,剩下的才是輸送給汽車驅動系統的。

因此,“發電廠”最終輸出電能的效能才是決定續駛能力的關鍵因素。對于相同功率的電池,燃料電池動力系統輸出效能越高,可輸出驅動車輛行駛的電功就越高,續駛裡程自然也就越長。

影響燃料電池續駛裡程的最後一個因素是車輛總成。

車輛總成指由若幹零件、部件、組合件或附件組合裝配而成,并具有獨立功能的汽車組成部分,如電機、前橋、後橋、車身、車架等。

各家汽車制造商的車輛總成技術能力高低不同,假設相同的供氫量、配備同品牌燃料電池動力系統,然而其他車輛總稱性能差異也會導緻最終車輛的續駛能力各有千秋,相信廣大老司機都很清楚這一點。

同時,同一車輛在不同運行工況下,如溫度、路況、氣候、載客量等情況各異,其續駛裡程也會有所差别。例如,在平坦的路面上運行比在崎岖爬坡的道路上運行續駛裡程更長;車輛滿載狀态比車輛空載狀态下更耗氫,續駛裡程自然會縮短。

由此可知,車輛的燃料電池動力系統的輸出效能及車輛總成決定了燃料電池汽車的綜合續駛能力,在此前提下,車輛的儲氫量進一步決定了該車續駛裡程。

因此,我們隻要獲得這兩個數據:車輛百公裡耗氫量、車載供氫系統儲氫量,就可以粗略推算出一輛燃料電池汽車的續駛裡程。

以Mirai為例,車載供氫系統儲氫量為5kg,目前百公裡耗氫約1kg,因此續駛裡程大緻為500公裡。我國技術發展路線不同,以發展商用車為主,且大多采用電電混合技術路線,因此儲氫量與锂電池的儲電量共同決定了車輛的續駛裡程。目前8.5米公交車百公裡耗氫量約為5kg,10.5米公交車約為6kg,12米公交車約為7kg,我們隻要知道車輛儲氫量,推算出這部分續駛裡程,再加上車載锂電池可供續駛裡程,就可知道車輛的續駛裡程啦。

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