车载甲醇如何给动力锂电池充电

我国新能源汽车分为三类，纯电动汽车、插电式(含増程式)混合动力汽车、燃料动力电池汽车。目前动力锂电池技术水平明显提升，但其瓶颈还没有真正突破。正如交通运输部有关领导在电动汽车百人会2016年度会议上抱怨的那样：目前的新能源汽车整车的技术水平离终端用户的要求距离较远，是在折腾基层的驾驶员。新能源汽车必须满足用户的基本要求，让以交通运输部为代表的客户满意是必须的，要完成这一任务十分很艰巨。唯一可以做的是不断地创新，加快创新速度。本文对电动汽车用富氢增増程器予以介绍与研究，其基本意图，对破解目前新能源汽车破解瓶颈有较大的帮助。

一、増程器的概念

增程器只是个广义的名称。纯电动汽车对用户而言一次充电后续驶里程短的瓶颈。为了新增纯电动汽车行一次性行驶驶里程，业界已经提出较大的方法，其中在纯电动汽车上加装一个附加储能部件的技术方法，这比混合动力方法有了明显的优化。确保了纯电驱动技术路线得到贯彻执行，在纯电动汽车的基础上新增一个增程器，国家是有补贴的。

增程器的形式通常有：小型发电机、蓄电池和燃料动力电池等。普遍的做法是用小型发电机，来做増程器。技术上，増程器是小型发电机系统，来给动力锂电池补充电能。

二、増程器汽车能量传递路径

増程器(小型发电机)发的电，是给车载动力锂电池进行充电用的，不直接给电机供电。从整车上来讲，是在纯电动汽车基础上，加了一个发电机系统而已，其能量专递路径逻辑如图1所示。

图1増程器汽车能量传递路径

能量传递路径是串联的，结构简单。増程器(小型发电机)可以高度集成一个总成，安装位置较为灵活。増程器(小型发电机)电能输入动力锂电池的接口按照国家有关现行标准即可。

増程器汽车是以纯电动汽车为基础的，不同的地方是，比纯电动汽车动力锂电池容量要低得多，一次续驶里程比纯电动汽车要长许多，与传统燃料车基本相同。目前一些的电动汽车里程短，用户是不满意的，即使高频次充电也是不得已的办法。这个水平的电动汽车是无法取代传统汽车的。

三、増程器电动汽车动力总成逻辑关系图

増程器电动汽车动力总成逻辑关系如图2所示：

图2电动汽车増程器动力总成逻辑关系

从图2的逻辑关系上可以看出：

増程器是一个相对独立的总成，由发动机+发电机组成。増程器不工作时，此车就是一台纯电动汽车，从功能上看，増程器是一个载充电机装置。

配増程器的电动汽车，发动机(内燃机)仅为发电机供应动力，可以采用电机直驱，无需变速箱离合器等机械结构，与车辆无机械连接，实现了动力解耦，机械结构简单，车辆性能更加稳定可靠。

配増程器的电动汽车，全工况范围内电机无级调速驱动，具有纯电动汽车辆同等的平顺性及舒适性，为驾乘带来最佳体验;低速时自动切换到纯电动模式，在堵车、低速工况，更加安静、节能。

四、市面目前増程器产品基本情况

1)市面目前不同品牌増程器产品有汽油、柴油的两大类：

(1)汽油増程器产品及参数如图3、图4所示：

图3市面不同品牌的増程器产品外形图

图4汽油増程器基本参数

(2)柴油増程器产品外形、基本配置、参数如图5、6、7所示：

图5柴油増程器产品外形图(1000*1000*700)

(2)柴油増程器基本配置示意图

图6柴油増程器基本配置示意图

表1柴油増程器基本参数

2)市面目前増程器产品基本特点

①无论汽油还是柴油的増程器都是2缸机，而发动机基本上4缸机，也有6缸以上的机器。这一点与目前插电式混合动力是本质差别的。插电式混合动力是配发动机的，而増程器陪的小功率内燃机，其已经没有发动机的功能了。

②技术特点：以斯太尔增程器为例。斯太尔增程器的核心部件重要由三个部分构成，M12发动机、TFM电机，以及电机控制系统。M12Rex增程器采用卧式2缸柴油机设计，结合高压共轨、涡轮增压、内置中冷器等技术，特别是采用博世最新一代电控高压共轨喷射系统及SCR尾气后处理技术，具有体积小、重量轻、油耗低等特点。其柴油机输出功率为40kW，采用一体式设计发电机，净功率输出为37kW。基于这些独特高超的性能，M12REX增程器应用范围广泛，可应用于新能源专用车、物流车、6-12米客车以及港口码头专用车领域等。

③无论汽油还是柴油的増程器都是燃油内燃机技术，这一点发动机没有差别，尤其要必须要应用尾气环保技术。

④目前市面上，无论汽油还是柴油的増程器都是国外品牌，或者是外资公司的产品，核心技术被国外品牌控制。

五、目前市面上燃油増程器的不足

我国发展新能源汽车，有弯道超车的初衷，如何弯道?笔者理解，纯电驱动基本找到弯道超车的落脚点，已经具有我国特色。驱动模式已经明确，但是驱动车载电机的电如何上车，基本是2种，一是动力锂电池接受电网充电;二是车载燃料发电。

接受电网充电技术有了长足的进步，但是动力锂电池比能量太低，纯电动汽车一次续驶里程与燃油汽车、CNG汽车相比，相差太远，充电时间与加燃油、加天然气相比，时间太长。

车载发电机发电基本途径有：内燃机发电、燃料动力电池2种。燃料动力电池发电目前已经列于国家级示范推广项目。

而燃油内燃机发电技术已经很成熟了。但是车载燃油内燃机(増程器)发电，依然烧的是油，与燃油发动机烧油的基本原理是相同的，没有差别，不直接驱动，但是在转成电以后，效率变得更低了。

目前基本有天然气、氢气供给车载载燃气内燃机发电。这个技术方法又面对气体如何上车及安全如何保障?假如増程器使用的内燃机使用燃料依然是汽(柴)油，必须要用三元催化技术，进行尾气处理。目前増程器汽车对燃油的依赖是客观存在的，达不到零排放的要求，离发展新能源汽车的初衷还有相当一段的距离。

六、在燃油燃油増程器上的再创新

重要思路是借用甲醇裂解富氢技术(华中科技大学能源与机械工程学院《甲醇裂解醇氢科研项目组》蒋炎坤教授团队的专利)，对目前市面上的増程器进行优化。具体思路如下：

1)车载甲醇裂解制富氢的机理介绍

在车载甲醇裂解制富氢装置中，热力学上的甲醇裂解是一个吸热反应过程，甲醇(CH3OH)在催化剂和一定温度用途下(吸热过程反应)出现C-H和C-O键的催化活性及C-C键的偶联反应，实现甲醇裂解变成为氢气(H2)和一氧化碳(CO)(反应式：CH3OH→CO+2H2)。

众所周知，车载内燃机(发动机)所出现的热量的1/3在做功、1/3在制冷降温、1/3因燃烧不充分而通过废气排放到外部浪费。这个外排能量是可用起来的。

2)车载甲醇裂解制富氢装置原理介绍

在车辆上把原来的消声器，用甲醇制氢装置换即可。利用发动机的尾气余热，出现约400℃的高温，使一定纯度的甲醇(75%)在隔绝空气的封闭容器内，经催化，裂解为氢气和一氧化碳气。基本成分有：64%的氢气、32%的一氧化碳气、剩余甲烷等的混合气体。

七、富氢増程器与燃油増程器相比的优点

1)可以利用尾气的自身热量裂解甲醇，无需在车辆上专设供热装置。既利用了尾气余热，又节省了裂解甲醇所需的能耗。

2)车辆中无需装设高压气瓶储氢，也无需到加氢站去加氢续行。排除了运氢和储氢环节中的各项难题。

3)发动机启动和怠速时、尾气温度很低，不能完成甲醇裂解的化学反应。但是可利用电动汽车蓄电池的能量，启动发动机，带动内燃机，内燃机没有启动和怠速。

4)无需高纯高纯度(90%以上)的精甲醇，用75%纯度的粗甲醇即可，具有普遍推广的的经济价值。

八、当前车载甲醇裂解制气体重要与汽(柴)油参烧

重要原因是：气态氢本身的燃烧热值较高，加上强劲的火焰传播速度、能促进其他燃料加速燃烧。但是气态氢质量密度小，无法满足大型发动机做功要求，于是参烧是一个比较靠谱的方法。

不同燃料参烧方法的不足：车上必须要求有两套不同的燃料供给燃料系统，这也是用户不能接受的。这说明，即使参烧方法，原理科学，技术可行，但是市场上也是行不通的。

九、车载甲醇裂解制气用于改装现有的増程器，市场上是完全是可行的

目前市面上増程器基本上是汽油、柴油的2缸内燃机，功率在30Kw-40Kw之间。用甲醇裂解富氢技术(华中科技大学能源与机械工程学院《甲醇裂解醇氢科研项目组》蒋炎坤教授团队专利)来改装目前市面上増程器，不用两种以上燃料的进行参烧了。

一般情况下甲醇热值较低(汽油的40%)，但是在车载式甲醇裂解制气的帮助下，其热值较低可以提高到(汽油的90%)以上，再加上増程器功率较小，甲醇与富氢(由甲醇裂解而来)两种燃料参烧比例由目前的2：8会更高。由于甲醇与富氢参烧过程，对用户来说是透明的，市场上完全可以接受的。

①甲醇热值较裂解前提高了27%以上。

②甲醇裂解气含H2、CO、CH4可燃混合气体，其产气率高达95%及以上。

④汽油掺烧甲醇裂解气发动机动力保持在95%以上;

④用100%甲醇替代汽油，满足节约汽油100%的要求。

十、公交车上《车载甲醇裂解制气装置系统》介绍

1)车载甲醇裂解制气系统组成

图7车载甲醇裂解制气系统组成示意图

注：(1.电源(蓄电池)2.点火开关3.电磁开关4.甲醇泵5.甲醇箱6.温度传感器7.甲醇裂解装置8.甲醇喷射器9.发动机10.燃油箱11.电磁阀12.氢气、一氧化碳储罐13.压力传感器14.显示屏15.电加热器16.控制器ECU)

2)甲醇裂解制气系统工作过程

①点火开关开启，甲醇泵4开始工作，甲醇泵4将甲醇箱5的甲醇导入进入预热管;

②预热后的甲醇经尾气再加热，由装置下部的4个甲醇雾化喷入口进入甲醇裂解装置7内部;

③甲醇裂解装置7内部的甲醇在耐高温、耐氧化催化剂和约400℃温度用途下、分解成氢气(H2)和一氧化碳(CO)。氢气(H2)和一氧化碳(CO);

④进入储气罐12冷却、储存;

⑤依据发动机的工况变化，控制器ECU16发出指令，在进气门打开时、打开电磁阀11，氢气(H2)和一氧化碳(CO)喷入进气歧管进气门处，和新鲜空气(可燃混合气)一同进入发动机气缸，参与燃烧;

⑥温度传感器6将温度信号传输给控制器ECU16，按甲醇裂解装置7内的温度高低，控制电磁阀8的开、闭，调节进入气缸的甲醇供给量和电加热器15的通断;

⑦当发动机排出的尾气不能保证甲醇裂解要的温度时，控制器ECU16发出指令，电加热装置导通工作，保证甲醇裂解的正常温度，使裂解持续进行;

⑧当发动机尾气足够供给裂解装置所需的热量时，温度传感器输出信号给控制器ECU16发出指令，电加热器15断电，仍由发动机尾气独立供热。

⑨在发动机起动或怠速时，发动机尾气的温度太低，控制器ECU16发出指令，电加热器15导通，由蓄电池供电，保证裂解装置7的正常裂解温度，使裂解反应正常进行。裂解出现的低压氢气(H2)和一氧化碳(CO)进入不锈钢的气体储罐12;

⑩在控制器ECU16的指令，控制电磁阀11的关闭，按发动机工况、供给不同定量的低压氢气(H2)和一氧化碳(CO)，和空气混合，(可燃混合气)一起进入气缸参与燃烧。

3)发动机尾气通过裂解器的路径分析

①甲醇裂解装置7内部结构组成示意图

图8甲醇裂解装置7内部结构组成

注(1.催化剂2.氢气(一氧化碳)出口3.外壳与保温层;4.低温废气出口5.高温废气入口6.甲醇喷口7.甲醇预热管8.甲醇入口9.电加热器10.温度传感器)

②催化剂布置结构

催化剂布置结构原则，要能充分利用发动机尾气的热能，从发动机尾气中吸收热量，催化剂分成三部分、发动机尾气分成4部分，进行热交换，以加大接触传热面积，见图10。

图9发动机尾气通过裂解器的路线示意图

注：(1.发动机尾气进口2.尾气4个通道3.裂解器外壳与保温层4.催化剂5.发动机尾气出口)

十二、富氢増程器推广的意义

富氢増程器推广的意义，实现了发展新能源汽车的初衷：

1.实现能完成节能减排的目标，用100%甲醇替代汽油，满足节约汽油100%的要求，满足国五排放要求;

2.巩固了纯电动驱动的技术路线，弯道突破了目前动力锂电池比能量瓶颈;

3.为用户带来新的价值，75%的甲醇价格是汽油价格五分之一，用户使用费用降低80%;

4.降低新能源汽车制造成本，电动汽车车载动力锂电池少装四分之三以上。