武漢理工新能源汽車結構與原理復習PPT

混聯(lián)式混合動力為提高氣體燃料的能量密度，在汽車上使用天然氣時，或是將天然氣加壓，或是將天然氣液化。天然氣壓縮后儲存在高壓氣瓶中放在車上相當于普通汽車的油箱，氣瓶中氣體的壓力一般為20MPa，這就是所謂的CNGV(CompressedNaturalGasVehicle)，即壓縮天然氣汽車。將天然氣在常壓下-162℃時液化后裝入低壓保溫容器中放在汽車上作為燃料，就是所謂的LNGV(LiquidNaturalGasVehiele)，即液化天然氣汽車。在油田輕烴回收裝置中處理天然氣時和在石油煉制過程中都有一種以丙烷和丁烷為主的副產品。它們也是天然氣組成的一部分，較易液化，在常壓下是氣態(tài)，也可做汽車燃料，這就是液化石油氣LPG(LiquefiedPetroleumGas)?？咳紵齃PG獲取動力的汽車叫液化石油氣汽車，英文縮寫為LPGV，習慣上也將LPGV作為天然氣汽車的一種。氫氣具有比任何燃料都高的比能量燃料比能量(Wh/kg)能量密度(Wh/L)壓縮氫氣a33600600液態(tài)氫氣b336002400儲氫鎂24002100儲氫釩7004500甲醇57004500汽油124009100a:環(huán)境溫度@20MPa壓力；b:低溫環(huán)境@0.1MPa壓力4.1.2燃料電池概述燃料電池用于FCEV時的不足

燃料電池可持續(xù)發(fā)電，但不能開開停停。

不能被充電，不能接受FCEV制動或下坡時所反饋的再生制動電能，需要配備其它形式的蓄電池來存儲燃料電池的多余電能和制動或下坡時所反饋的電能。燃料電池分類質子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCells，

PEMFC；SolidPolymer

FuelCells

，SPFC）堿性燃料電池(AlkalineFuelCells，AFC)磷酸燃料電池(PhosphoricAcidFuelCells，

PAFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MoltenCarbonateFuelCells，

MCFC)固態(tài)氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCells，

SOFC)直接甲醇燃料電池(DirectMethanolFuelCells，

DMFC)

4.2.2直接甲醇燃料電池使用甲醇燃料的PEMFC

組成CH3OH

H2OH2

CO2

工作原理

甲醇與水混合和蒸發(fā)后，通過車載重整器轉化為氫氣和二氧化碳氣體。重整反應：CH3OH+H2O→3H2+CO2

凈化器除去重整產物中使催化劑中毒的二氧化碳等有害氣體.凈化后的氫氣供給PEMFC系統(tǒng)發(fā)電并生成可循環(huán)使用的純水。甲醇容器蒸發(fā)器重整器凈化器PEMFC水箱CO2H2H2O空氣CH3OHH2O2.3.3

類型鉛酸電池

閥控鉛酸電池(VRLA)(2V)鎳基電池

鎳—鎘電池(Ni-Cd)(1.2V)

鎳—鋅電池(Ni-Zn)(1.6V)

鎳氫電池(Ni-MH)(1.2V)金屬空氣電池

鋅空氣電池(Zn/Air)(1.2V)

鋁空氣電池(Al/Air)(1.4V)鈉-β電池

鈉硫電池(Na/S)(2V)

鈉鎳氯化物電池(Na/NiCl2)(2.5V)常溫鋰電池

鋰聚合物電池(Li-Polymer)(3V)

鋰離子電池(Li-Ion)(4V)電性能表征電池放電時電壓特性的專業(yè)術語有以下幾個:a、額定電壓(或稱公稱電壓)，系指該電化學體系的電池工作時公認的標準電壓:b、工作電壓，系指電池在某負載下實際的放電電壓，通常是指一個電壓范圍;c、中點電壓，系指電池放電期間的平均電壓或中心電壓:d、終止電壓，系指放電終止時的電壓值，視負載和使用要求不同而異。電性能5、電池容量及其影響因素電池的電容量，簡稱為容量，單位為庫侖(C)或安時(Ah)。表征電池容量特性的專用術語有以下三個:a、理論容量理論容量系指根據(jù)參加電化學反應的活性物質電化學當量數(shù)計算得到的電量。通常，理論上1電化當量物質((1電化當量物質的量，等于活性物質的原子量或分子量除以反應物的電子數(shù))將放出1法拉第電量，即96500C或26.8Ah。電性能b、實際容量實際容量系指在一定的放電條件下，即在一定的放電電流和溫度下，電池在終止電壓前所能放出的電量。

c.額定容量額定容量系指在設計和生產電池時，規(guī)定或保證在指定的放電條件下電池應該放出的最低限度的電量。電性能電池的容量與電池的放電倍率、放電形式、放電終止電壓和放電溫度等放電條件有關。電池的放電電流強度用放電倍率(簡稱放電率)來表示。定義:

電倍率=額定容量(Ah)/放電電流(A)也就是說，電池的放電倍率用放電時間來表示，或者說以一定的放電電流放完額定容量的電量所需的小時數(shù)來衡量。電性能例如:某電池的額定容量為100Ah，若用50A的恒流放電，則放完100Ah的電量需要2小時，我們說用2小時率放電，用符號“C/2”或“0.5C”表示。若用1小時率的恒流放電，放完100Ah的電量，放電電流為100A，用符號“1C”表示。所以放電倍率所表示的放電時間越短，即放電倍率就越高，放電電流越大。鋰離子電池的數(shù)學模型鋰離子電池建模的基礎是如何確定鋰離子電池的電動勢、內阻的特性函數(shù)。這些特性函數(shù)的確定是基于電池荷電狀態(tài)值SOC(StateofCapacity)變化關系的結果上得到的。比如：100Ah的容量，用了20Ah，簡單認為soc=0.8電池放電至不能再放的時候，放電深度DOD達到

100%鋰離子電池的荷電狀態(tài)值鋰離子動力電池的兩個基本特性:

1、電池的容量與放電電流有關，放電電流越大，則在該電流下所能放出的有效容量就越少，這種特性簡稱容量特性2、電池的工作電壓與放電的深度有關，放電電流及放電深度越大，電池的工作電壓下降得越多，這種特性我們簡稱為電壓特性2.3.9

各種電池的比較※比較：特點電池類型主要優(yōu)缺點發(fā)展?jié)摿RLA技術成熟、成本低廉、可實現(xiàn)快速充電、比功率高近期目標比能量低潛力巨大Ni-Cd技術成熟、可實現(xiàn)快速充電、比功率高近期目標成本高、比能量低潛力大Ni-Zn比能量高、比功率高、成本低中期目標循環(huán)壽命短潛力大Ni-MH比能量高、比功率高、可實現(xiàn)快速充電近期目標成本高潛力巨大Zn/Air機械式充電、成本低廉、非常高的比能量中期目標比功率低、不能接受再生制動能量潛力巨大Al/Air機械式充電、成本低、豐常高的比能量中期目標非常低的比功率、不能接受再生制動能量潛力低2.3.9

各種電池的比較※比較：特點電池類型主要優(yōu)缺點發(fā)展?jié)摿a/S比能量高、比功率高中期目標成本高、安全問題、需要熱管理系統(tǒng)潛力一般Na/NiCl2比能量高中期目標成本高、需要熱管理系統(tǒng)潛力大Li-Polymer非常高的比能量、高的比功率中期目標低溫性能差潛力大Li-Ion非常高的比能量、非常高的比功率中期目標成本高潛力巨大充電特性2.2.7

各種電機的比較驅動電機的基本性能比較項目直流電機感應電機永磁電機開關磁阻電機比功率低中高較高峰值效率(%)85~8994~9595~9790負荷效率(%)80~8790~9285~9778~86功率因數(shù)(%)-82~8590~9360~65恒功率區(qū)-1:51:2.251:3轉速范圍(r/min)4000~600012000~150004000~10000可>15000可靠性

一般好優(yōu)良好結構的堅固性差好一般優(yōu)良電機外廓大中小小電機質量大中小小電機成本($/kW)108~1210~156~10控制操作性能最好好好好控制器成本低高高一般3.2.2

串聯(lián)混合動力電動汽車的工作模式啟動/正常行駛/加速模式發(fā)動機通過發(fā)電機和蓄電池一起輸出電能并傳遞給功率轉換器，然后驅動電動機，通過機械傳動裝置驅動車輪。發(fā)動機發(fā)電機功率轉換器蓄電池電動機傳動裝置油箱電力接連機械連接液流連接3.2.2

串聯(lián)混合動力電動汽車的工作模式輕載模式發(fā)動機發(fā)出的功率大于車輛所需功率，多余的能量通過發(fā)電機給蓄電池充電直到SOC達到預定的限值。發(fā)動機發(fā)電機功率轉換器蓄電池電動機傳動裝置油箱電力接連機械連接液流連接3.2.2

串聯(lián)混合動力電動汽車的工作模式減速/制動模式電動機把驅動輪的動能轉化為電能，并通過功率轉換器給蓄電池充電。發(fā)動機發(fā)電機功率轉換器蓄電池電動機傳動裝置油箱電力接連機械連接液流連接3.2.2

串聯(lián)混合動力電動汽車的工作模式蓄電池充電模式停車時，發(fā)動機可通過發(fā)電機和功率轉換器給蓄電池充電。發(fā)動機發(fā)電機功率轉換器蓄電池電動機傳動裝置油箱電力接連機械連接液流連接

并聯(lián)式混合動力技術特點１）發(fā)動機、電機能同時驅動車輛２）適合一般公路工況３）發(fā)動機、電機速度與車速相關，控制復雜４）發(fā)動機不僅滿足車輛能量需求，還要起驅動作用、電機起系統(tǒng)動力和能量調節(jié)作用５）電池配備較少，系統(tǒng)尺寸和重量?。叮┫到y(tǒng)機電耦合方案較為復雜4.1.2燃料電池概述優(yōu)點

高效：無燃燒，能量轉換不受卡諾循環(huán)的限制，效率高達50%~60%，通過對余熱的二次利用，總效率可高達80%~85%，能量利用效率是普通內燃機的2~3倍。

環(huán)境友好：清潔無污染，氫/氧燃料電池的產物只有水，屬于零排放或接近零排放（考慮到燃料重整時）

安靜：無振動與噪聲。

可靠性高：無機械運動部件，工作時僅有氣體和水的流動。

燃料補充迅速、易于獲得。

燃料電池的效率隨輸出功率變化的特性比內燃機更適合于汽車的實際運行。燃料電池的效率在額定功率附近可達60％，部分功率下運行時效率會高于額定功率下的效率，可達約70%，過載功率下運行時效率略低于額定功率的效率，可達50~55％。

過載能力強，更適合于汽車的加速、爬坡等工況。燃料電池的短時過載能力可達200％的額定功率。4.1.2燃料電池概述燃料電池與普通蓄電池的區(qū)別

本質區(qū)別

燃料電池是一種能量轉換裝置，在工作時必須有燃料輸入，才能產出電能，不存在充電問題。

普通蓄電池是一種能量儲存裝置，必須先將電能儲存到電池中，在工作時只能輸出電能，在工作時不需輸入燃料。

燃料電池通過不斷供給燃料，可連續(xù)放電。

普通蓄電池必須重復充電后才可重復使用，放電是間斷的。

燃料電池需要一套燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備，才能獲得氫氣，燃料會隨著電能的產生逐漸消耗，質量逐漸減輕。

普通蓄電池沒有其它輔助設備，不論是充滿電還是放完電，其質量和體積基本不變。

燃料電池產生電能時，反應物質不斷地消耗不再重復使用，要不斷地輸入反應物質。

普通蓄電池充放電時，活性物質反復進行可逆性化學變化，活性物質并不消耗。4.1.2燃料電池概述FCEV對燃料電池的要求

由單元電池組成的燃料電池組的比能量不低于150~200Wh/kg，比功率不低300~400W/kg。達到或超過美國先進電池聯(lián)合體(USABC)提出的電池性能指標水平。

各種輔助裝備的外形尺寸和質量應盡可能地減少，實現(xiàn)FC發(fā)動機小型化和輕量化，符合FCEV裝車的要求。

燃料充添方便迅速，燃料電池能打開進行電極、電解質和催化劑的維護和更換。

可在常溫條件下工作，不會發(fā)生燃料氣體和電解液的泄漏或結冰，有可靠的安全性能。

可在負荷變化情況下正常運轉，能對FCEV行駛工況的變化快速響應。

各種結構件有足夠的強度和可