淺析如何用車載甲醇發(fā)電給動力電池充電

中國新能源汽車分為三類，純電動汽車、插電式(含程式)混合動力汽車、燃料電池汽車。目前動力電池技術水平明顯提升，但其瓶頸還沒有真正突破。正如交通運輸部有關領導在電動汽車百人會2016年度會議上抱怨的那樣：目前的新能源汽車整車的技術水平離終端用戶的要求距離較遠，是在折騰基層的駕駛員。新能源汽車必須滿足用戶的基本要求，讓以交通運輸部為代表的客戶滿意是必須的，要完成這一任務十分很艱巨。唯一可以做的是不斷地創(chuàng)新，加快創(chuàng)新速度。本文對電動汽車用富氫增程器予以介紹與研究，其基本意圖，對破解目前新能源汽車破解瓶頸有較大的幫助。

一、程器的概念

增程器只是個廣義的名稱。純電動汽車對用戶而言一次充電后續(xù)駛里程短的瓶頸。為了增加純電動汽車行一次性行駛駛里程，業(yè)界已經提出較大的方案，其中在純電動汽車上加裝一個附加儲能部件的技術方案，這比混合動力方案有了明顯的優(yōu)化。確保了“純電驅動”技術路線得到貫徹執(zhí)行，在純電動汽車的基礎上增加一個增程器，國家是有補貼的。

增程器的形式通常有：小型發(fā)電機、蓄電池和燃料電池等。普遍的做法是用小型發(fā)電機，來做程器。技術上，程器是小型發(fā)電機系統(tǒng)，來給動力電池補充電能。

二、程器汽車能量傳遞路徑

程器(小型發(fā)電機)發(fā)的電，是給車載動力電池進行充電用的，不直接給電機供電。從整車上來講，是在純電動汽車基礎上，加了一個發(fā)電機系統(tǒng)而已，其能量專遞路徑邏輯如圖1所示。

圖1 程器汽車能量傳遞路徑

能量傳遞路徑是串聯(lián)的，結構簡單。程器(小型發(fā)電機)可以高度集成一個總成，安裝位置較為靈活。程器(小型發(fā)電機)電能輸入動力電池的接口按照國家有關現(xiàn)行標準即可。

程器汽車是以純電動汽車為基礎的，不同的地方是，比純電動汽車動力電池容量要低得多，一次續(xù)駛里程比純電動汽車要長許多，與傳統(tǒng)燃料車基本相同。目前一些的電動汽車里程短，用戶是不滿意的，即使高頻次充電也是不得已的辦法。這個水平的電動汽車是無法取代傳統(tǒng)汽車的。

三、程器電動汽車動力總成邏輯關系圖

程器電動汽車動力總成邏輯關系如圖2所示：

圖2 電動汽車程器動力總成邏輯關系

從圖2的邏輯關系上可以看出：

程器是一個相對獨立的總成，由發(fā)動機+發(fā)電機組成。程器不工作時，此車就是一臺純電動汽車，從功能上看，程器是一個載充電機裝置。

配程器的電動汽車，發(fā)動機(內燃機)僅為發(fā)電機提供動力，可以采用電機直驅，無需變速箱離合器等機械結構，與車輛無機械連接，實現(xiàn)了動力解耦，機械結構簡單，車輛性能更加穩(wěn)定可靠。

配程器的電動汽車，全工況范圍內電機無級調速驅動，具有純電動車輛同等的平順性及舒適性，為駕乘帶來最佳體驗;低速時自動切換到純電動模式，在堵車、低速工況，更加安靜、節(jié)能。

四、市面目前程器產品基本情況

1)市面目前不同品牌程器產品有汽油、柴油的兩大類：

(1)汽油程器產品及參數(shù)如圖3、圖4所示：

圖3 市面不同品牌的程器產品外形圖

圖4 汽油程器基本參數(shù)

(2)柴油程器產品外形、基本配置、參數(shù)如圖5、6、7所示：

圖5 柴油程器產品外形圖(1000*1000*700)

(2)柴油程器基本配置示意圖

圖6 柴油程器基本配置示意圖

表1 柴油程器基本參數(shù)

2)市面目前程器產品基本特點

①無論汽油還是柴油的程器都是2缸機，而發(fā)動機基本上4缸機，也有6缸以上的機器。這一點與目前插電式混合動力是本質區(qū)別的。插電式混合動力是配發(fā)動機的，而程器陪的小功率內燃機，其已經沒有發(fā)動機的功能了。

②技術特點：以斯太爾增程器為例。斯太爾增程器的核心部件主要由三個部分構成， M12發(fā)動機、TFM電機，以及電機控制系統(tǒng)。 M12 Rex增程器采用臥式2缸柴油機設計，結合高壓共軌、渦輪增壓、內置中冷器等技術，特別是采用博世最新一代電控高壓共軌噴射系統(tǒng)及SCR尾氣后處理技術，具有體積小、重量輕、油耗低等特點。其柴油機輸出功率為40kW，采用一體式設計發(fā)電機，凈功率輸出為37kW?；谶@些獨特高超的性能，M12 REX增程器應用范圍廣泛，可應用于新能源專用車、物流車、6-12米客車以及港口碼頭專用車領域等。

③無論汽油還是柴油的程器都是燃油內燃機技術，這一點發(fā)動機沒有區(qū)別，尤其要必須要應用尾氣環(huán)保技術。

④目前市面上，無論汽油還是柴油的程器都是國外品牌，或者是外資企業(yè)的產品，核心技術被國外品牌控制。

五、目前市面上燃油程器的不足

中國發(fā)展新能源汽車，有“彎道超車”的初衷，如何“彎”道?筆者理解，“純電驅動”基本找到彎道超車的落腳點，已經具有“中國特色”。驅動模式已經明確，但是驅動車載電機的“電”如何上車，基本是2種，一是動力電池接受電網充電;二是車載燃料發(fā)電。

接受電網充電技術有了長足的進步，但是動力電池比能量太低，純電動汽車一次續(xù)駛里程與燃油汽車、CNG汽車相比，相差太遠，充電時間與加燃油、加天然氣相比，時間太長。

車載發(fā)電機發(fā)電基本途徑有：內燃機發(fā)電、燃料電池2種。燃料電池發(fā)電目前已經列于國家級示范推廣項目。

而燃油內燃機發(fā)電技術已經很成熟了。但是車載燃油內燃機(程器)發(fā)電，依然燒的是油，與燃油發(fā)動機燒油的基本原理是相同的，沒有區(qū)別，不直接驅動，但是在轉成電以后，效率變得更低了。

目前基本有天然氣、氫氣供給車載載燃氣內燃機發(fā)電。這個技術方案又面臨氣體如何上車及安全如何保障?如果程器使用的內燃機使用燃料依然是汽(柴)油，必須要用三元催化技術，進行尾氣處理。目前程器汽車對燃油的依賴是客觀存在的，達不到零排放的要求，離發(fā)展新能源汽車的初衷還有相當一段的距離。

六、在燃油燃油程器上的再創(chuàng)新

主要思路是借用甲醇裂解富氫技術(華中科技大學能源與機械工程學院《甲醇裂解醇氫科研項目組》蔣炎坤教授團隊的專利)，對目前市面上的程器進行優(yōu)化。具體思路如下：

1)車載甲醇裂解制富氫的機理介紹

在車載甲醇裂解制富氫裝置中，熱力學上的甲醇裂解是一個吸熱反應過程，甲醇(CH3OH)在催化劑和一定溫度作用下(吸熱過程反應)產生C-H和C-O鍵的催化活性及C-C鍵的偶聯(lián)反應，實現(xiàn)甲醇裂解變成為氫氣(H2)和一氧化碳(CO)(反應式：CH3OH→CO+2H2)。

眾所周知，車載內燃機(發(fā)動機)所產生的熱量的1/3在做功、1/3在制冷降溫、1/3因燃燒不充分而通過廢氣排放到外部浪費。這個外排能量是可用起來的。

2)車載甲醇裂解制富氫裝置原理介紹

在車輛上把原來的消聲器，用甲醇制氫裝置換即可。利用發(fā)動機的尾氣余熱，產生約400℃的高溫，使一定純度的甲醇(75%)在隔絕空氣的封閉容器內，經催化，裂解為氫氣和一氧化碳氣。基本成分有：64%的氫氣、32%的一氧化碳氣、剩余甲烷等的混合氣體。

七、富氫程器與燃油程器相比的優(yōu)點

1)可以利用尾氣的自身熱量裂解甲醇，無需在車輛上專設供熱裝置。既利用了尾氣余熱，又節(jié)省了裂解甲醇所需的能耗。

2)車輛中無需裝設高壓氣瓶儲氫，也無需到加氫站去加氫續(xù)行。排除了運氫和儲氫環(huán)節(jié)中的各項難題。

3)發(fā)動機啟動和怠速時、尾氣溫度很低，不能完成甲醇裂解的化學反應。但是可利用電動汽車蓄電池的能量，啟動發(fā)動機，帶動內燃機，內燃機沒有啟動和怠速。

4)無需高純高純度(90%以上)的精甲醇，用75%純度的粗甲醇即可，具有普遍推廣的的經濟價值。

八、當前車載甲醇裂解制氣體主要與汽(柴)油參燒

主要原因是：氣態(tài)氫本身的燃燒熱值較高，加上強勁的火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒛艽龠M其他燃料加速燃燒。但是氣態(tài)氫質量密度小，無法滿足大型發(fā)動機做功要求，于是參燒是一個比較靠譜的方案。

不同燃料參燒方案的不足：車上必須要求有兩套不同的燃料供給燃料系統(tǒng)，這也是用戶不能接受的。這說明，即使參燒方案，原理科學，技術可行，但是市場上也是行不通的。

九、車載甲醇裂解制氣用于改裝現(xiàn)有的程器，市場上是完全是可行的

目前市面上程器基本上是汽油、柴油的2缸內燃機，功率在30Kw-40Kw之間。用甲醇裂解富氫技術(華中科技大學能源與機械工程學院《甲醇裂解醇氫科研項目組》蔣炎坤教授團隊專利)來改裝目前市面上程器，不用兩種以上燃料的進行參燒了。

一般情況下甲醇熱值較低(汽油的40%)，但是在車載式甲醇裂解制氣的幫助下，其熱值較低可以提高到(汽油的90%)以上，再加上程器功率較小，甲醇與富氫(由甲醇裂解而來)兩種燃料參燒比例由目前的2：8會更高。由于甲醇與富氫參燒過程，對用戶來說是透明的，市場上完全可以接受的。

①甲醇熱值較裂解前提高了27%以上。

②甲醇裂解氣含H2、CO、CH4可燃混合氣體，其產氣率高達95%及以上。

④汽油摻燒甲醇裂解氣發(fā)動機動力保持在95%以上;

④用100%甲醇替代汽油，滿足節(jié)約汽油100%的要求。

十、公交車上《車載甲醇裂解制氣裝置系統(tǒng)》介紹

1) 車載甲醇裂解制氣系統(tǒng)組成

圖7 車載甲醇裂解制氣系統(tǒng)組成示意圖

注：(1.電源(蓄電池) 2.點火開關 3.電磁開關 4.甲醇泵 5.甲醇箱 6.溫度傳感器 7.甲醇裂解裝置 8.甲醇噴射器 9.發(fā)動機 10.燃油箱 11.電磁閥 12.氫氣、一氧化碳儲罐 13.壓力傳感器 14.顯示屏 15.電加熱器 16.控制器ECU)

2)甲醇裂解制氣系統(tǒng)工作過程

①點火開關開啟，甲醇泵4開始工作，甲醇泵4 將甲醇箱5的甲醇導入進入預熱管;

②預熱后的甲醇經尾氣再加熱，由裝置下部的4個甲醇霧化噴入口進入甲醇裂解裝置7內部;

③甲醇裂解裝置7內部的甲醇在耐高溫、耐氧化催化劑和約400℃溫度作用下、分解成氫氣(H2)和一氧化碳(CO)。氫氣(H2)和一氧化碳(CO);

④進入儲氣罐12冷卻、儲存;

⑤依據(jù)發(fā)動機的工況變化，控制器ECU16發(fā)出指令，在進氣門打開時、打開電磁閥11，氫氣(H2)和一氧化碳(CO)噴入進氣歧管進氣門處，和新鮮空氣(可燃混合氣)一同進入發(fā)動機氣缸，參與燃燒;

⑥溫度傳感器6將溫度信號傳輸給控制器ECU16，按甲醇裂解裝置7內的溫度高低，控制電磁閥8的開、閉，調節(jié)進入氣缸的甲醇供給量和電加熱器15的通斷;

⑦當發(fā)動機排出的尾氣不能保證甲醇裂解需要的溫度時，控制器ECU16發(fā)出指令，電加熱裝置導通工作，保證甲醇裂解的正常溫度，使裂解持續(xù)進行;

⑧當發(fā)動機尾氣足夠供給裂解裝置所需的熱量時，溫度傳感器輸出信號給控制器ECU16發(fā)出指令，電加熱器15斷電，仍由發(fā)動機尾氣獨立供熱。

⑨在發(fā)動機起動或怠速時，發(fā)動機尾氣的溫度太低，控制器ECU16發(fā)出指令，電加熱器15導通，由蓄電池供電，保證裂解裝置7的正常裂解溫度，使裂解反應正常進行。裂解產生的低壓氫氣(H2)和一氧化碳(CO)進入不銹鋼的氣體儲罐12;

⑩在控制器ECU16的指令，控制電磁閥11的關閉，按發(fā)動機工況、供給不同定量的低壓氫氣(H2)和一氧化碳(CO)，和空氣混合，(可燃混合氣)一起進入氣缸參與燃燒。

3)發(fā)動機尾氣通過裂解器的路徑分析

①甲醇裂解裝置7內部結構組成示意圖

圖8 甲醇裂解裝置7內部結構組成

注(1.催化劑 2.氫氣(一氧化碳)出口 3.外殼與保溫層; 4.低溫廢氣出口 5.高溫廢氣入口 6.甲醇噴口 7.甲醇預熱管 8.甲醇入口 9.電加熱器 10.溫度傳感器)

②催化劑布置結構

催化劑布置結構原則，要能充分利用發(fā)動機尾氣的熱能，從發(fā)動機尾氣中吸收熱量，催化劑分成三部分、發(fā)動機尾氣分成4部分，進行熱交換，以加大接觸傳熱面積，見圖10。

圖9 發(fā)動機尾氣通過裂解器的路線示意圖

注：(1.發(fā)動機尾氣進口 2.尾氣4個通道 3.裂解器外殼與保溫層 4.催化劑 5.發(fā)動機尾氣出口)

十二、富氫程器推廣的意義

富氫程器推廣的意義，實現(xiàn)了發(fā)展新能源汽車的初衷：

1.實現(xiàn)能完成節(jié)能減排的目標，用100%甲醇替代汽油，滿足節(jié)約汽油100%的要求，滿足國五排放要求;

2.鞏固了“純電動驅動”的技術路線，彎道突破了目前動力電池比能量瓶頸;

3.為用戶帶來新的價值，75%的甲醇價格是汽油價格五分之一，用戶使用費用降低80%;

4.降低新能源汽車制造成本，電動汽車車載動力電池少裝四分之三以上。