第8章 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)簡(jiǎn)介《新能源汽車(chē)整車(chē)控制技術(shù)》教學(xué)課件

8.1燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的類(lèi)型8.2質(zhì)子交換膜燃料電池8.3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與車(chē)載氫氣安全第8章

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)簡(jiǎn)介燃料電池電動(dòng)汽車(chē)是指以氫氣、甲醇等為燃料,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流,依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)。其電池的能量是通過(guò)氫氣和氧氣的化學(xué)作用,而不是經(jīng)過(guò)燃燒直接變成電能或動(dòng)能的。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì),燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2～3倍。單個(gè)的燃料電池必須組合成燃料電池組,以便獲得必需的動(dòng)力,滿足車(chē)輛使用的要求。從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面而論,燃料電池電動(dòng)汽車(chē)是一種理想的車(chē)輛,所以,燃料電池電動(dòng)汽車(chē)被認(rèn)為是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的終極目標(biāo)8.1燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的類(lèi)型及構(gòu)成

8.1.1按有無(wú)蓄能裝置分類(lèi)根據(jù)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)是否配備蓄能裝置,可把燃料電池電動(dòng)汽車(chē)分為純?nèi)剂想姵仉妱?dòng)汽車(chē)和混合型燃料電池電動(dòng)汽車(chē)兩大類(lèi)。1.純?nèi)剂想姵仉妱?dòng)汽車(chē)純?nèi)剂想姵仉妱?dòng)汽車(chē)的燃料電池是電動(dòng)汽車(chē)上電能的唯一來(lái)源。2.混合型燃料電池電動(dòng)汽車(chē)混合型燃料電池電動(dòng)汽車(chē)上除燃料電池外,還同時(shí)配備了蓄能裝置(如蓄電池、超級(jí)電容或飛輪電池等)8.1.2按燃料電池與蓄電池的結(jié)構(gòu)關(guān)系分類(lèi)根據(jù)混合型燃料電池電動(dòng)汽車(chē)中燃料電池和蓄電池的電路結(jié)構(gòu),可將混合型燃料電池電動(dòng)汽車(chē)分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種1.串聯(lián)式燃料電池電動(dòng)汽車(chē)燃料電池相當(dāng)于車(chē)載發(fā)電裝置,通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓變換后對(duì)蓄電池充電,再由蓄電池向電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的全部電力2.并聯(lián)式燃料電池電動(dòng)汽車(chē)并聯(lián)式燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)由燃料電池和蓄電池共同向電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。8.1.3按提供的燃料不同分類(lèi)

根據(jù)燃料電池所提供的燃料不同,燃料電池電動(dòng)汽車(chē)又可分為直接燃料電池電動(dòng)汽車(chē)和重整燃料電池電動(dòng)汽車(chē)兩大類(lèi)。1.直接燃料電池電動(dòng)汽車(chē)直接燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的燃料主要是純氫,也可以用甲醇等燃料。采用純氫作燃料的燃料電池電動(dòng)汽車(chē),其氫燃料的儲(chǔ)存方式有壓縮氫氣、液態(tài)氫和合金(碳納米管)吸附氫等幾種。2.重整燃料電池電動(dòng)汽車(chē)重整燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的燃料主要有汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等。重整燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)要比氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)復(fù)雜得多。8.1.4燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的構(gòu)成

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的基本組成部分有燃料電池系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、輔助蓄能裝置及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。1.燃料電池系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的核心是燃料電池電堆。此外,其還配備了氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、氣體加濕系統(tǒng)、水循環(huán)及反應(yīng)物生成處理系統(tǒng)等,用以確保燃料電池堆正常工作。2.輔助蓄能裝置混合式燃料電池電動(dòng)汽車(chē)還配備輔助蓄能裝置。輔助蓄能裝置可采用蓄電池、超級(jí)電容和飛輪電池中的一種組成雙電源的混合動(dòng)力系統(tǒng),或采用蓄電池+超級(jí)電容、蓄電池+飛輪電池的三電源系統(tǒng)3.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)用于將電源所提供的電能轉(zhuǎn)換為電磁轉(zhuǎn)矩,并通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。與純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)一樣,燃料電池電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也可采用直流有刷電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)、交流同步電動(dòng)機(jī)、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。4.電子控制系統(tǒng)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的電子控制系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)控制器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、輔助蓄能裝置能量管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器及整車(chē)協(xié)調(diào)控制器等,各控制功能模塊通過(guò)總線連接8.1.5燃料電池汽車(chē)的效率

氫燃料電池的效率大約在60%,甲醇燃料電池的效率是8%

45%,而內(nèi)燃機(jī)的效率僅為30%

40%。當(dāng)前乘用車(chē)的負(fù)載率在15%

20%,而公共汽車(chē)或卡車(chē)則在30%左右。在這種負(fù)載率下,無(wú)論是噴射汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或是柴油發(fā)動(dòng)機(jī),其效率都在25%

30%,而使用氫氣的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在這一負(fù)載范圍內(nèi)的效率高達(dá)50%以上。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)與先進(jìn)噴射汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率比較燃料電池車(chē)輛與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的效率比較8.1.6燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的性能與關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車(chē)而言,最被關(guān)注的性能指標(biāo)主要有續(xù)駛里程、最高車(chē)速、最大爬坡度、最大轉(zhuǎn)矩、功率及最大功率等。這些性能指標(biāo)的高低,除了與燃料電池技術(shù)這一關(guān)鍵因素有關(guān)外,還與車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)、輔助蓄能裝置、電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)、系統(tǒng)管理策略與電子控制技術(shù)等有關(guān)8.2質(zhì)子交換膜燃料電池

現(xiàn)代燃料電池電動(dòng)汽車(chē)主要裝用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供電能,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)以氫氣為燃料,由單體燃料電池組成的燃料電池組(堆),以及氣體供應(yīng)系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)等輔助裝備共同組成。當(dāng)前常見(jiàn)的燃料電池組主要類(lèi)型為質(zhì)子交換膜燃料電池組。8.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池的基本性能質(zhì)子交換膜燃料電池又名固體高聚合物電解質(zhì)燃料電池,其燃料有:壓縮氫氣、液化氫、儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)存的氫氣、甲醇改質(zhì)產(chǎn)生的氫氣、汽油改質(zhì)產(chǎn)生的氫氣等。氧化物有:氧化劑和空氣。其工作溫度一般在80℃左右,當(dāng)溫度在80℃左右時(shí)易于快速起動(dòng),電池能夠在-20℃時(shí)起動(dòng)。8.2.2單體質(zhì)子交換膜燃料電池

1.單體質(zhì)子交換膜燃料電池的構(gòu)造單體質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件包括:陰極(氫燃料極)、陽(yáng)極(氧化極)、質(zhì)子交換膜和催化劑等2.單體質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理8.2.3燃料電池組(堆)

燃料電池組的構(gòu)造燃料電池組是由多個(gè)單體質(zhì)子交換膜燃料電池串聯(lián)組成,單體質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓為0.7~1V,串聯(lián)成燃料電池組的總電壓達(dá)250~500V,以保證燃料電池汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需要的工作電壓和電流質(zhì)子交換膜燃料電池組l―端板;2―質(zhì)子交換膜;3―正極雙集板;4―負(fù)極雙集板8.3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與車(chē)載氫氣安全

8.3.1燃料電池發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)的燃料電池堆是不能發(fā)電并用于汽車(chē)的,它必須和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和一個(gè)能使上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)8.3.2燃料電池的電源復(fù)合結(jié)構(gòu)

純?nèi)剂想姵?PFC)只有燃料電池一個(gè)能量源。這種結(jié)構(gòu)中燃料電池的額定功率大,成本高,對(duì)冷起動(dòng)時(shí)間、耐起動(dòng)循環(huán)次數(shù)、負(fù)荷變化的響應(yīng)等提出了很高的要求。1.燃料電池+輔助電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+B)結(jié)構(gòu)FC+B結(jié)構(gòu)中,有燃料電池和輔助動(dòng)力裝置(蓄電池或超級(jí)電容)兩個(gè)動(dòng)力源。2.燃料電池+輔助電池+超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+B+C)結(jié)構(gòu)燃料電池+蓄電池+超級(jí)電容的混合電源,超級(jí)電容具有大電流的充電和放電特性單向DC/DC燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.3.3FCEV的多電源電力總成控制策略FCEV的多電源電力總成的管理是一個(gè)多層次的管理系統(tǒng)，F(xiàn)CEV上的最髙層次的管理是整車(chē)管理，整車(chē)管理策略是以整車(chē)性能、節(jié)能、環(huán)保等方面管理為