厲害了，用車載甲醇發電給動力電池充電
中國新能源汽車分為三類，純電動汽車、插電式(含増程式)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新，加快創新速度。本文對電動汽車用富氫增増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、増程器的概念
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化。確保了“純電驅動”技術路線得到貫徹執行，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：小型發電機、蓄電池和燃料電池等。普遍的做法是用小型發電機，來做増程器。技術上，増程器是小型發電機系統，來給動力電池補充電能。
二、増程器汽車能量傳遞路徑
増程器(小型發電機)發的電，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，加了一個發電機系統而已，其能量專遞路徑邏輯如圖1所示。
圖1 増程器汽車能量傳遞路徑
能量傳遞路徑是串聯的，結構簡單。増程器(小型發電機)可以高度集成一個總成，安裝位置較為靈活。増程器(小型發電機)電能輸入動力電池的接口按照國家有關現行標準即可。
増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，一次續駛里程比純電動汽車要長許多，與傳統燃料車基本相同。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汽車的。
三、増程器電動汽車動力總成邏輯關系圖
増程器電動汽車動力總成邏輯關系如圖2所示：
圖2 電動汽車増程器動力總成邏輯關系
從圖2的邏輯關系上可以看出：
増程器是一個相對獨立的總成，由發動機+發電機組成。増程器不工作時，此車就是一臺純電動汽車，從功能上看，増程器是一個載充電機裝置。
配増程器的電動汽車，發動機(內燃機)僅為發電機提供動力，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，實現了動力解耦，機械結構簡單，車輛性能更加穩定可靠。
配増程器的電動汽車，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、節能。
四、市面目前増程器產品基本情況
1)市面目前不同品牌増程器產品有汽油、柴油的兩大類：
(1)汽油増程器產品及參數如圖3、圖4所示：
圖3 市面不同品牌的増程器產品外形圖
圖4 汽油増程器基本參數
(2)柴油増程器產品外形、基本配置、參數如圖5、6、7所示：
圖5 柴油増程器產品外形圖(1000*1000*700)
(2)柴油増程器基本配置示意圖
圖6 柴油増程器基本配置示意圖
表1 柴油増程器基本參數
2)市面目前増程器產品基本特點
?、贌o論汽油還是柴油的増程器都是2缸機，而發動機基本上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別的。插電式混合動力是配發動機的，而増程器陪的小功率內燃機，其已經沒有發動機的功能了。
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發動機、TFM電機，以及電機控制系統。 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。
?、蹮o論汽油還是柴油的増程器都是燃油內燃機技術，這一點發動機沒有區別，尤其要必須要應用尾氣環保技術。
?、苣壳笆忻嫔希瑹o論汽油還是柴油的増程器都是國外品牌，或者是外資企業的產品，核心技術被國外品牌控制。
五、目前市面上燃油増程器的不足
中國發展新能源汽車，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。
車載發電機發電基本途徑有：內燃機發電、燃料電池2種。燃料電池發電目前已經列于國家級示范推廣項目。
而燃油內燃機發電技術已經很成熟了。但是車載燃油內燃機(増程器)發電，依然燒的是油，與燃油發動機燒油的基本原理是相同的，沒有區別，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？如果増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。目前増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，離發展新能源汽車的初衷還有相當一段的距離。
六、在燃油燃油増程器上的再創新
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)，對目前市面上的増程器進行優化。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鍵的偶聯反應，實現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?；境煞钟校?4%的氫氣、32%的一氧化碳氣、剩余甲烷等的混合氣體。
七、富氫増程器與燃油増程器相比的優點
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行。排除了運氫和儲氫環節中的各項難題。
3)發動機啟動和怠速時、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：氣態氫本身的燃燒熱值較高，加上強勁的火焰傳播速度、能促進其他燃料加速燃燒。但是氣態氫質量密度小，無法滿足大型發動機做功要求，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，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有的増程器，市場上是完全是可行的
目前市面上増程器基本上是汽油、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)來改裝目前市面上増程器，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，再加上増程器功率較小，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。
?、偌状紵嶂递^裂解前提高了27%以上。
?、诩状剂呀鈿夂琀2、CO、CH4可燃混合氣體，其產氣率高達95%及以上。
?、芷蛽綗状剂呀鈿獍l動機動力保持在95%以上；
?、苡?00%甲醇替代汽油，滿足節約汽油100%的要求。
十、公交車上《車載甲醇裂解制氣裝置系統》介紹
1) 車載甲醇裂解制氣系統組成
圖7 車載甲醇裂解制氣系統組成示意圖
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)甲醇裂解制氣系統工作過程
?、冱c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；
?、陬A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)；
?、苓M入儲氣罐12冷卻、儲存；
?、菀罁l動機的工況變化，控制器ECU16發出指令，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)一同進入發動機氣缸，參與燃燒；
?、逌囟葌鞲衅?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，調節進入氣缸的甲醇供給量和電加熱器15的通斷；
⑦當發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，使裂解持續進行；
⑧當發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發出指令，電加熱器15斷電，仍由發動機尾氣獨立供熱。
⑨在發動機起動或怠速時，發動機尾氣的溫度太低，控制器ECU16發出指令，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；
?、庠诳刂破鱁CU16的指令，控制電磁閥11的關閉，按發動機工況、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)
?、诖呋瘎┎贾媒Y構
催化劑布置結構原則，要能充分利用發動機尾氣的熱能，從發動機尾氣中吸收熱量，催化劑分成三部分、發動機尾氣分成4部分，進行熱交換，以加大接觸傳熱面積，見圖所示。
圖9 發動機尾氣通過裂解器的路線示意圖
注：(1.發動機尾氣進口 2.尾氣4個通道 3.裂解器外殼與保溫層 4.催化劑 5.發動機尾氣出口)
十一、富氫増程器推廣的意義
富氫増程器推廣的意義，實現了發展新能源汽車的初衷：
1.實現能完成節能減排的目標，用100%甲醇替代汽油，滿足節約汽油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。
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