扑面而来的“清洁汽车”

周朝霞

“清洁汽车”多样化是新世纪汽车工业发展的一个方向。世界各大汽车公司均把研制废气排放少、污染程度低,甚至不排放废气的新型汽车即“清洁汽车”当作产品设计的主攻方向。

最近几年,电动汽车是各大汽车公司竞相研制的一种“清洁汽车”,其特点是使用电力作动力,解决了环境污染问题。早在1997年,福特和戴姆勒—奔驰,即现在的戴姆勒—克莱斯勒公司采取了震惊竞争对手的举动,投入7.5亿美元,用于与Ballard公司组建一个合资企业,为的是到2004年生产燃料电池汽车。通用汽车公司和日本丰田公司也不甘落后,在追求同一目标方面联手合作。据统计全球每年大约有5亿到10亿美元投入到这项汽车工业的“曼哈顿计划”之中,甚至福特公司董事长小福特也宣称,燃料电池将“最终结束内燃机一百年的统治”。 我们知道,蓄电池是电动汽车的动力源泉。要使电动汽车能与内燃机汽车相竞争,关键是开发出比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的蓄电池。

目前,各大汽车公司开发的比较成熟的电动汽车蓄电池是铅酸蓄电池。铅酸蓄电池已有100多年的历史,广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它技术成熟、可靠性好、原材料易得、价格便宜,比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点:一是比能量低,质量和体积太大,且一次充电行驶里程较短;另一个是使用寿命短,成本高。 值得注意的是,镍镉蓄电池的应用也比较广泛,仅次于铅酸蓄电池。其比能量可达55W·h/kg,比功率超过190W/kg,可快速充电,循环使用寿命较长,是铅酸蓄电池的两倍多,可达到2000多次,但价格为 铅酸蓄电池的4-5倍。它的初期购置成本虽高,但由于其在比能量和使用寿命方面的优势,因此它长期的实际使用成本并不高。

今后几年,通用汽车公司已把镍氢蓄电池作为电动汽车优先考虑蓄电池。其比能量达75~80W·h/kg,比功率达160~230W/kg,循环使用寿命超过600次。这种蓄电池曾装在几种电动汽车上试用,其中一类车一次充电可行驶345km,有一辆车一年中行驶了8万多公里。由于价格较高,目前尚未大批量生产。估计随着镍氢蓄电池技术的发展,其比能量可超过80w·h/kg,循环使用寿命可超过2000次,远景价格可降至150美元/Kw·h。

美国福特汽车公司开发的电动汽车是使用钠硫蓄电池。钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车蓄电池。它已被美国先进电池联合体(USMABC)列为中期发展的电动汽车蓄电池,德 国ABB公司生产的B240K型钠硫蓄电池,其质量为17.5kg,蓄电量 19.2 Kw·h,比能量达109W·h/kg,循环使用寿命1200次,装车试验时最好的一辆车无故障地行驶了2300km。钠硫蓄电池的问题主要是高温腐蚀严重,电池寿命较短以及稳定性、使用安全性不太理想。

美国DEMI公司现已为电动汽车开发出锌空气电池。 锌空气电池的潜在比能量在200W·h/kg左右。但它目前尚存在寿命短、比功率小、不能输出大电流及难充电等缺点。美国的CRX电动汽车装的锌空气电池,该车还装有镍镉蓄电池以弥补锌空气电池的不足,帮助汽车起动和加速。CRX车的锌空气电池组质量为340kg,充足电后可存储45kw·h的能量,同时装 备CRX的重达159kg的镍镉蓄电池充足电后有4kw·h能量。充电12 分钟可使CRX电动汽车行驶65km,充电一小时则可行驶160km。

尽管美国通用、福特等公司以及 日本丰田公司、法国雪铁龙公司等开发出的电动汽车形形色色,引起观众和商家们的广泛关注。然而,各种型号的电动汽车推出后始终未能得到消费市场的广泛认可和公众的接受,目前电动汽车在市场上可以说是处于停顿状态。分析电动汽车难以推广的原因:一是价格昂贵,比如一辆标致106型普通轿车在法国市场上的价格为5.7万法郎,而同样型号的106型电动汽车的价格却高达8万法郎;二是电池蓄电能力有限,使得电动汽车“自主性”受到限制,目前电动汽车需要8个小时充电,而一次充电后行驶的距离大约在150公里左右,如果中途没有充电站,那么电动汽车便只能瘫痪在那里;三是时速有限,目前设计的电动汽车的最高时速一般是90公里,大体可满足城市交通的需要,但达不到高速公路上行驶的要求。这三方面原因使消费者对电动汽车望而却步。

针对电动汽车存在的不足,目前一些汽车公司开始研制汽油和电力混合动力汽车,由电脑来控制两种燃料的自动转换,在城市行驶时使用电力作燃料,在高速公路和郊外则使用汽车油作燃料,既可控制城市内的废气排放量,又能够不影响汽车在郊外高速公路的使用。

另外,美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车,一次充电可行驶 600km,由到96km/h加速时间为6.5秒。飞轮电池是90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池 的局限,用物理方法实现储能。众所周知,当飞轮以一定角速度旋转时,它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电 能的。高技术型的飞轮用于储存电能,就很像标准电池。飞轮电 池中有一个电机,充电时该电机以电动机形式运转,在外电源的 驱动下,电机带动飞轮高速旋转,即用电给飞轮电池“充电”增 加了飞轮的转速从而增大其功能;放电时,电机则以发电机状态 运转,在飞轮的带动下对外输出电能,完成机械能(动能)到电 能的转换。当飞轮电池输出电能时,飞轮转速逐渐下降,飞轮电 池的飞轮是在真空环境下运转的,转速极高(高达200000r/min), 使用的轴承为非接触式磁轴承。据称,飞轮电池比能呈可达150W ·h/kg,比功率达5000-10000W/kg,使用寿命长达25年,可供电动汽车行驶500万公里。

然而,德国奔驰汽车公司放弃了电动汽车和两用燃料汽车的研制,而是研究更新的技术来解决汽车动力问题,即研制一种汽车使用的燃料电池。这种燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。其原理是利用甲醇电解的反向物理作用,它不经历热机过程,不受热力循环限制,故能量转换效率高,燃料电池的化学能转换效率在理 论上可达100%,实际效率已达60%~80%,是普通内燃机热效 率的2~3倍,给燃料电池汽车充氢就象日常给汽车加油一样简单。现在在电动汽车上应用的是一种被称为质子交换膜的燃料电池。它以纯氢为燃料,以空气作为 氧化剂,使用这种燃料电池的汽车排放出的仅仅是水汽。这种全新燃料汽车的样车已经推出,但要到2004年左右才可能投放市场。

周朝霞
2003年4月
E-mail: zcx0190@sina.com

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