新能源汽車與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù) 課件 第1章 新能源動力

新能源汽車與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)第1章新能源動力“十四五”時期國家重點出版物出版專項規(guī)劃項目新能源與智能網(wǎng)聯(lián)汽車新技術(shù)系列叢書中國機械工業(yè)教育協(xié)會“十四五”普通高等教育規(guī)劃教材本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.1新能源汽車汽車工業(yè)是制造業(yè)的支柱,也是關(guān)系到國計民生的大產(chǎn)業(yè),很難找到一個產(chǎn)業(yè)有如此大的影響力。2023年我國汽車銷量為3009.4萬輛,連續(xù)15年全球第一,千人汽車保有量約為248輛(美國約為830輛),全國新能源汽車保有量為1821萬輛,全國汽車保有量為4.2億輛

(美國為2.7億輛)。

汽車產(chǎn)業(yè)占我國國內(nèi)生產(chǎn)總值的10%左右(德國約為20%),國家發(fā)展和改革委員會統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明汽車產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)占全國就業(yè)總?cè)藬?shù)的1/6。行業(yè)背景1.1新能源汽車傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€非常成熟的“需求、研發(fā)、制造、銷售”一體化網(wǎng)絡(luò)圖1傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈1.1新能源汽車國內(nèi)外環(huán)保意識(氣候變化及其帶來的破壞)、城鎮(zhèn)化進程(到2030年全球城鎮(zhèn)化將達60%)、新政策法規(guī)(CO2立法、車輛限行、新能源補貼)、節(jié)能意識(能源衰竭及油價上漲)、文化發(fā)展(可持續(xù)交通成為城市生活的元素,承擔(dān)社會責(zé)任)和客戶需求(觀念的變化、個性化、共享經(jīng)濟)的變化，汽車工業(yè)正在向電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的趨勢發(fā)展。減少CO2的排放是汽車技術(shù)創(chuàng)新中最為重要的部分。汽車工業(yè)發(fā)展新趨勢交通問題能源問題環(huán)境問題1.1新能源汽車【例1-1】一輛日常出行的插電式混合動力汽車（PHEV）每天行駛里程為64km，該車的電能消耗率為155Wh/km，傳動效率為100%，假設(shè)為車輛充電的電網(wǎng)輸配電的損失率為10%，燃煤電廠的CO2排放量為950g/(kWh)，計算為其提供電能的電廠的CO2排放量。解：本題前提是此PHEV僅工作在用電模式，每日行駛64km消耗電能64×155=9.92kWh。將車輛消耗的電量折算為電廠的發(fā)電量9.92kWh/(1-10%)=11.02kWh。根據(jù)電廠CO2的排放程度，得到其排放量為：950g/(kWh)×11.02kWh=10.469kg。1.1新能源汽車國務(wù)院辦公廳《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》發(fā)布時間：2012年6月28日。國務(wù)院辦公廳《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》發(fā)布時間2020年11月2日。產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃特點強調(diào)“三縱三橫”研發(fā)布局。三縱：純電動汽車、插電式混合動力（含增程式）汽車、燃料電池汽車三橫：動力電池與管理系統(tǒng)、驅(qū)動電機與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)燃料電池汽車。力爭經(jīng)過15年持續(xù)努力，燃料電池汽車實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。基礎(chǔ)設(shè)施體系。有序推進氫燃料供給體系建設(shè)。到2025年，純電動乘用車新車平均電耗將至12KW·h/100km，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售量的20%左右。1.1新能源汽車新規(guī)劃更能適應(yīng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)由零部件、整車研發(fā)生產(chǎn)及營銷服務(wù)的“鏈?zhǔn)疥P(guān)系”，演變?yōu)槠嚒⒛茉?、交通、信息通信等多領(lǐng)域多主體參與的“網(wǎng)狀生態(tài)”的新特征，力爭在核心技術(shù)創(chuàng)新、質(zhì)量保障體系、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面鼓勵突破。新能源汽車主要技術(shù)圖2新能源汽車主要技術(shù)本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.2電池各種儲能形式的理論能量密度如下:核燃料?氣體燃料>內(nèi)燃機傳統(tǒng)液體燃料/鋰金屬/鋰空氣電池>燃料電池>鋰離子電池>普通電池>超級電容器各種儲能形式裝機狀態(tài)的實際能量密度如下:氣體燃料>內(nèi)燃機傳統(tǒng)液體燃料>燃料電池>鋰離子電池>普通電池>超級電容器動力蓄電池系統(tǒng)是整車的能量源,為整車提供驅(qū)動電能,是電動汽車最重要的子系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的體積、形狀和技術(shù)參數(shù)會影響電動汽車的行駛性能。1.2電池動力蓄電池特點表1各類電池特點對比1.2電池1)能量密度高,以提高運行效率和續(xù)駛里程。2)輸出功率密度高,以滿足駕駛性能要求。3)工作溫度范圍寬廣,以滿足夏季高溫和冬季低溫的運行需要。4)循環(huán)壽命長,保證電池的使用年限和行駛總里程。5)無記憶效應(yīng),以滿足車輛在使用時常處于非完全放電狀態(tài)下的充電需要。6)自放電率小,滿足車輛較長時間的擱置需求。7)安全性好、可靠性高及可循環(huán)利用。特性詳解分類圖3動力蓄電池分類1.2電池性能指標(biāo)電動勢：電池的電動勢，又稱電池標(biāo)準(zhǔn)電壓或理論電壓，為電池斷路時正負(fù)兩極間的電位差。標(biāo)稱電壓：在正常工作過程中表現(xiàn)出來的電壓，比如二次鎳氫電池標(biāo)稱電壓為1.2V，鋰電池3.7V。開路電壓：外線路中沒有電流通過時，電池兩極之間的電位差。負(fù)載電壓：外線路中有電流通過時，電池兩極之間的電位差。中點電壓：放到50%容量時電池的電壓。主要用來衡量大電流放電系列電池高倍率放電能力，是電池的一個重要指標(biāo)。電池容量：在一定的放電條件下，可以從電池獲得的電量。一般用Ah或mAh來表示，它直接影響到電池的最大工作電流和工作時間。電池內(nèi)阻：電流通過電極或電池時所受到的阻力，包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化所造成的極化內(nèi)阻。1.2電池電池荷電狀態(tài)：表征電池的剩余容量，從電量的角度，定義為電池在一定的放電倍率下，剩余電量與相同條件下實際容量得到比值。電池內(nèi)阻：電流電流通過電極或電池時所受到的阻力,包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化所造成的極化內(nèi)阻。電池自放電：電池在儲存過程中由于非成流反應(yīng)而引起的放電容量下降的現(xiàn)象。電池自放電又稱荷電保持能力,即在開路狀態(tài)下,電池儲存的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力,它是衡量電池性能的主要參數(shù)之一。電池功率：在一定的放電制度下,單位時間內(nèi)電池所輸出的能量。電池比能量

：電池能量即能量儲存密度,有體積比能量和質(zhì)量比能量兩種。比功率：單位質(zhì)量或單位體積的電池所輸出的功率稱為比功率。電池循環(huán)壽命：按照一定的制度進行充放電,其性能衰減到某一程度時的循環(huán)次數(shù)。它是衡量電池壽命的重要指標(biāo),對電池的使用有直接影響。1.2電池有兩塊鋰離子電池:一臺筆記本計算機電池額定容量為4400mA·h,一款手機電池額定容量為5000mA·h。從外形上看,筆記本計算機電池比手機電池大許多,但容量卻比手機電池的少,手機電池是否比筆記本計算機電池耐用,如何理解?【例1-2】解:手機電池的額定電壓為3.7V,額定容量為5000mA·h,額定能量為3.7V×5000mA·h=18.5W·h。筆記本計算機電池的額定電壓為11.1V,額定容量為4400mA·h,額定能量為11.1V×4400mA·h=48.84W·h。如果有一個5W燈泡,工作電壓為2.5~12V,即在前面的這兩個電壓平臺下都可以工作,那么手機電池可供此燈泡連續(xù)工作18.5W·h/5W=3.7h,而筆記本計算機1.2電池鋰離子電池結(jié)構(gòu)原理鋰離子電池以碳為負(fù)極,以含鋰的化合物為正極;在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池名稱的由來。鋰離子電池由正極、負(fù)極、電解質(zhì)和隔膜等組成。根據(jù)電解質(zhì)的不同,鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。圖3電解質(zhì)分類1.2電池正極:由含鋰的過渡金屬氧化物組成,常用的材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰。負(fù)極:石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中間相碳微粒。電解質(zhì):大部分是由六氟磷酸鋰(LiPF6)加上有機溶劑配成。六氟磷酸鋰由五氯化磷和溶解在無水氟化氫中的氟化鋰反應(yīng)結(jié)晶而成。隔膜:一種特殊的復(fù)合膜,它的功能是隔離正、負(fù)極,阻止電子穿過,同時能夠允許鋰離子通過,從而完成在電化學(xué)充放電過程中鋰離子在正、負(fù)極之間的快速傳輸。目前隔膜主要是聚乙烯(Polyethylene,PE)或者聚丙烯(Polypropylene,PP)微孔膜。電池本質(zhì)上為一個能量轉(zhuǎn)化器1.2電池當(dāng)外部電源給電池充電時,正極上的電子e通過外部電路到達負(fù)極,鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里,“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游”到負(fù)極,與先前就過來的電子結(jié)合在一起。當(dāng)電池放電時,機理與充電時剛好相反,以LiFePO4為例,其化學(xué)反應(yīng)方程式為：當(dāng)對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。當(dāng)對電池進行放電時,嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極。搖椅式工作原理只是反映了鋰離子和電極材料之間的作用,而沒有反映電解質(zhì)的作用。事實上,電解質(zhì)是決定鋰離子電池性能的重要因素。（1.1）1.2電池①能量比相對較高。目前，單體已達到200-300Wh/kg，較鉛酸電池優(yōu)勢明顯。②使用壽命長。使用壽命可達到6年以上，以磷酸亞鐵鋰為正極的電池1C（100DOD）充放電為例，可以有10000次的充放電記錄。③額定電壓高。單體工作電壓為3.7V或3.2V，約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓，便于組成電池電源組。④高功率承受力。磷酸亞鐵鋰離子電池達到15-30C充放電，便于高強度的啟動加速。⑤自放電率很低。這是該電池最突出的優(yōu)越性之一，目前一般可做到一個月1%以下，不到鎳氫電池的1/20；且無記憶效應(yīng)。⑥重量輕。相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/5。⑦高低溫適應(yīng)性強。在-20℃~60℃使用，經(jīng)過工藝處理，可在-45℃環(huán)境下使用。⑧綠色環(huán)保。不論生產(chǎn)、使用和報廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。⑨生產(chǎn)基本不消耗水。對我國缺水地區(qū)來說，十分有利。鋰離子電池的優(yōu)點1.2電池①鋰原電池均存在安全性差，有發(fā)生爆炸的危險。鋰離子電池近年來在國內(nèi)外已建成的大規(guī)模儲能電站，著火爆炸事故不斷（包括磷酸鐵鋰電池），據(jù)不完全統(tǒng)計，2011-2021年達34起以上，造成巨大損失。此電池電解液使用易燃易爆的有機溶劑，決定了其非本征安全的特性。②鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，安全性較差。③鋰離子電池均需保護線路，防止電池被過充過放電。④在不使用的狀態(tài)下存儲一段時間后，其部分容量會永久喪失。⑤生產(chǎn)要求條件高，成本高。鋰離子電池的缺點1.2電池電池單體與動力蓄電池組鋰離子電池單體/電芯(Cell)有方形和圓柱形兩種。單體正極材料:有LiCoO2、Li2Mn2O4、LiFePO4、三元素NCM/NCA等。單體負(fù)極材料:一般為石墨、碳纖維、金屬氧化物(如SnO、SnO2)等。電解質(zhì):一般為LiPF6。衡量鋰離子電池性能的兩個重要指標(biāo):一是比容量和能量密度,二是充放電倍率。表2幾種電極材料和電池單體的比容量、能量密度數(shù)據(jù)1.2電池將n個Cell經(jīng)np個并聯(lián)和ns個串聯(lián)再裝配成模塊(Module),np個并聯(lián)在一起的Cell稱為1個電池磚(Block)。即1個Module有ns個Block,1個Block里有np個Cell。電池模塊1.2電池單個電芯容量小、電壓低,動力蓄電池為了獲得更高的容量和電壓平臺,往往將電芯并聯(lián)或串聯(lián)使用,為了獲得更高的容量,先將電芯并聯(lián),形成單體電池,再將單體串聯(lián)獲得高電壓平臺,從而形成動力蓄電池組。優(yōu)越的動力蓄電池組應(yīng)滿足高能量密度、結(jié)構(gòu)可靠、安全性和熱管理等要求。動力蓄電池組對于動力蓄電池而言,必須保證單體電池內(nèi)并聯(lián)的電芯電壓平臺的一致性,否則容易出現(xiàn)單體內(nèi)部環(huán)流。1.2電池電池組的單體數(shù)、容量和能量:將n′個模塊經(jīng)串聯(lián),將導(dǎo)線、集流體、熔絲、電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem,BMS)、箱體、蓋板等焊接和裝配(Packing)成動力蓄電池組或電池包。其中一節(jié)或幾節(jié)電芯電壓低或出現(xiàn)內(nèi)部短路,其他電芯會對其放電,單體電池的能量會使短路電芯溫度急速升高,極易引發(fā)熱失控,最終可能導(dǎo)致整個單體電池的損壞,甚至引發(fā)相鄰單體或整包的損毀。還必須保證串聯(lián)的單體電池內(nèi)阻及容量的一致性,內(nèi)阻互差大容易造成局部熱失控,容量互差大則影響電池的有效容量和使用壽命。1.2電池電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(BMS)是對蓄電池組進行安全監(jiān)控及有效管理,提高蓄電池使用效率的裝置。對于電動汽車而言,通過該系統(tǒng)對電池組充放電的有效控制,可以達到增加續(xù)駛里程、延長使用壽命、降低運行成本的目的,并保證動力蓄電池組應(yīng)用的安全性和可靠性。動力BMS已經(jīng)成為電動汽車不可缺少的核心部件之一。鋰離子電池在成組使用時,更容易發(fā)生過充電、過放電的現(xiàn)象,其根源在于電池的一致性差異。BMS的基本功能有:單體電池電壓采集、單體電池溫度采集、電池組電流檢測、單體/電池組SOC測算、電池組健康狀態(tài)評估、充放電均衡功能、絕緣檢測及漏電保護、熱管理控制、關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄、電池故障分析與在線報警、通信功能。1.2電池圖4BMS組成結(jié)構(gòu)1.2電池SOC均衡方法鋰離子電池SOC測算方法有如下幾種:1)電壓法:不依賴于歷史狀態(tài),無累積誤差,各單體SOC相對獨立;但是鋰離子，電池電壓曲線平緩,不易判斷。2)電阻測量法:用不同頻率的交流電激勵電池,測量電池內(nèi)部交流電阻,通過計算模型得到SOC估計值;但SOC與電阻等參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜,傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法難以建模。3)Ah(安時)積分法:依賴于歷史狀態(tài),有累積誤差,有均衡的情況下SOC測算難度加大;但Ah積分法可以通過補償、校準(zhǔn)提高精度。1.2電池均衡分為主動均衡和被動均衡。被動均衡以電阻能耗法為代表,該方法可以實現(xiàn)充電均衡。主動均衡以DC/DC變換器為代表,基于此主動均衡又可以分為電池組向單體均衡(放電均衡效果尤佳)、單體向電池組均衡(充電均衡效果尤佳)、電池組與單體之間雙向均衡和單體與單體之間均衡4種方式,每種方式均可以實現(xiàn)下圖所示的充電均衡和放電均衡。均衡系統(tǒng)的目的是平衡電池組中單體電池的容量和能量差異,提高電池組的能量利用率。1.2電池?zé)峁芾黼妱悠囎匀际录l出,究其原因主要與BMS的熱管理有關(guān)。由于過高或過低的溫度都將直接影響動力蓄電池的使用壽命和性能,并有可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)的安全問題。電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊、單體間性能、不均衡。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對于電動車輛動力蓄電池系統(tǒng)而言是必需的。

可靠、高效的熱管理系統(tǒng)對于電動車輛的可靠、安全應(yīng)用意義重大。熱管理的功能包括:池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控、電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)低溫條件下的快速加熱、有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)、電池組溫度場的均勻分布。1.2電池電池內(nèi)傳熱的基本方式有以下3種:熱傳導(dǎo):物質(zhì)與物體直接接觸產(chǎn)生的熱傳遞。電池內(nèi)部的電極、電解液、集流體等都是熱傳導(dǎo)介質(zhì)。熱對流:電池表面的熱量通過環(huán)境介質(zhì)(一般為流體)的流動交換熱量,和溫差成正比。熱輻射:主要發(fā)生在電池表面,與電池表面材料的性質(zhì)相關(guān)。熱管理系統(tǒng)按照傳熱介質(zhì)分空冷、液冷和相變材料冷卻,空冷系統(tǒng)又分串行通風(fēng)方式和并行通風(fēng)方式兩種。安全管理安全管理的功能有煙霧報警、絕緣檢測、自動滅火、過電壓和過電流控制、過放電控制、防止溫度過高、在發(fā)生碰撞的情況下關(guān)閉電池等。1.2電池續(xù)航里程和電池組能量的計算新能源汽車的主要性能參數(shù)有續(xù)駛里程、最高車速、起步加速度和超越加速時間、最大爬坡度等。續(xù)駛里程主要與動力電池額定能量、車頭造型、車輛質(zhì)量有關(guān)。后面幾個參數(shù)與電機選配有關(guān)。續(xù)駛里程（D）是電動汽車在動力電池完全充電狀態(tài)下，以一定的行駛工況，能連續(xù)行駛的最大距離，單位為km。對于純電動汽車，計算續(xù)駛里程應(yīng)考慮三方面問題：實際可提供的能量。包括動力電池組的設(shè)計能量或額定能量、放電深度（Depthofdischarge）以及汽車的機械效率、電氣效率、再生制動回收的能量。行駛工況。汽車驅(qū)動所需能量。取決于汽車行駛阻力，包括滾動阻力、空氣阻力（與車輛區(qū)隔、風(fēng)阻系數(shù)有關(guān)）、上坡阻力和加速阻力。1.2電池按照尺寸從小到大，把純電動轎車分為以下類型和區(qū)隔。間隔電池組可提供能量設(shè)電池組額定能量為E，單位是Wh。表3部分純電動轎車類型和區(qū)隔（1.2）1.2電池分四步進行計算電池的實際可提供能量。Step1考慮放電深度DOD。由于電池放電到剩余電量SOC約10%時就需要充電，所以ηDOD=0.90，則電池組釋放能量E1為：Step2考慮能量回收。純電動車制動能量回收的δs（續(xù)駛里程貢獻度）可達10%~30%。引入系數(shù)λ=1+δs，取δs=20%，λ=1.20，則電池組釋放能量E2為：（1.3）（1.4）1.2電池Step3考慮純電動汽車機械效率和電氣效率，設(shè)總效率為η，取η=0.82，則可提供給汽車的能量E3為：考慮能量回收不考慮能量回收Step4考慮設(shè)計裕量。因為SEI膜的不可逆容量損失和焦耳熱損失，故應(yīng)有一個裕量系數(shù)Δ=1.1。考慮能量回收不考慮能量回收1.2電池受力分析計算續(xù)駛里程D（km）和電池包所需的額定能量E。計算之前，先要對汽車做受力分析，這是車輛分析的基礎(chǔ)。（1.4）1.2電池上坡阻力滾動阻力加速阻力空氣阻力純電動轎車受力分析1.2電池續(xù)駛里程測試分為兩種方法:方法一是利用底盤測功機和試驗循環(huán)曲線進行的NEDC工況法;方法二是在試驗道路上進行的等速法。按照方法一,即NEDC工況法估算續(xù)駛里程,也有兩種方法:方法A是利用現(xiàn)成的Cruise軟件進行仿真計算;方法B是手工計算,繪制下表中6個組別的E-D曲線(即“電池組額定能量-續(xù)駛里程”曲線)。續(xù)駛里程D為定值，電池組設(shè)計能量的計算問題表

汽車?yán)m(xù)航里程和電池包能量計算中的關(guān)鍵參數(shù)1.2電池NEDC工況NEDC工況是歐洲續(xù)航測試采用的標(biāo)準(zhǔn),雖然現(xiàn)在國際上常用世界輕型汽車測試規(guī)程(WorldLightVehicleTestProcedure,WLTP)循環(huán)工況,但在國內(nèi)新能源汽車?yán)m(xù)駛里程測定還是使用NEDC工況。整個運轉(zhuǎn)循環(huán)由市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)(1部)和市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)(2部)組成,如圖所示。圖5一個NEDC工況一個NEDC當(dāng)量距離為11.023km。試驗1部由4個城區(qū)循環(huán)單元組成,每個城區(qū)循環(huán)有15個工況,共195s,平均車速為18.7km/h,試驗的當(dāng)量距離為1.017km。整個試驗1部共780s,試驗的當(dāng)量距離為4.067km。試驗2部由1個城郊循環(huán)組成,有13個工況,共400s,平均車速為62.6km/h,試驗的當(dāng)量距離為6.956km。1.2電池NEDC循環(huán)工況的模擬計算式中，Wa為加速段驅(qū)動力做功，單位是J。①加速段：設(shè)加速度為a，初速度為v0，則瞬時速度vt=v0+at，ds=vtdt=(v0+at)dt。設(shè)加速時間為0→t1，行駛距離為0→s1，則驅(qū)動力做功為:1.2電池②勻速段：設(shè)勻速度為v，則ds=vdt。設(shè)行駛時間0→t2，行駛距離為0→s2，則驅(qū)動力做功為式中，Wc為勻速段驅(qū)動力做功，J③減速段：汽車制動過程中，產(chǎn)生兩種摩擦阻力。一個是車輪制動器產(chǎn)生的摩擦阻力使車輪轉(zhuǎn)速減慢，稱之為制動器制動力；另一個是車輪與地面產(chǎn)生的摩擦阻力使汽車減速，稱之為地面制動力。計算時假定制動過程中不消耗能源，而回收的能量已反映在下式中。針對停車工況和減速工況，不需要計算。1.2電池中國循環(huán)工況CLTC我國在WLTP的基礎(chǔ)上建立了適合中國路況的中國輕型汽車行駛工況（CLTC），此標(biāo)準(zhǔn)也將在2025年升級為強制性國家標(biāo)準(zhǔn)。CLTC包括適用于M1類乘用車的CLTC-P(中國乘用車行駛工況)以及適用于N1類和最大整備質(zhì)量不超過3500kg的M2類汽車的CLTC-C(中國輕型商務(wù)車行駛工況)。圖6CLTC-P與NEDC的對比本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.3燃料電池系統(tǒng)概述燃料電池系統(tǒng)由電池電堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和輸出管理子系統(tǒng)(DC/DC轉(zhuǎn)換器)5個子系統(tǒng)組成。圖7燃料電池系統(tǒng)1.3燃料電池系統(tǒng)分類燃料電池是一種類似于普通電池,可以把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的電池,但是它又與普通電池有較大的差別。它通過催化劑促使燃料發(fā)生氧化還原反應(yīng),持續(xù)產(chǎn)生電流,進而起到發(fā)電的作用。燃料電池的分類可以依據(jù)燃料電池的電堆工作溫度、燃料種類、電解質(zhì)性質(zhì)等分類。按照電解質(zhì)性質(zhì)可以分為五大類,分別為:質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)、磷酸燃料電池(PhosphoricAcidFuelCell,PAFC)、堿性燃料電池(AlkalineFuelCell,AFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MoltenCarbonateFuelCell,MCFC)和固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell,SOFC)等。質(zhì)子交換膜燃料電池工作在中低溫度,堿性和磷酸燃料電池工作在中高溫度,固體氧化物和熔融碳酸鹽燃料電池工作在高溫范圍。以氫氣作為燃料,通過電化學(xué)反應(yīng)將氫能轉(zhuǎn)化為電能,具備清潔、高效、燃料來源廣泛等優(yōu)點。1.3燃料電池系統(tǒng)PEMFC電堆結(jié)構(gòu)組成氫燃料電池電堆被稱為氫燃料電池系統(tǒng)的心臟,是氫燃料電池汽車的動力來源,是整個燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中成本和技術(shù)的核心。燃料電池電堆由多個燃料單電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。雙極板與膜電極(質(zhì)子交換膜、MEA-催化劑、碳紙/碳布)交替疊合,各單體之間嵌入密封件,經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢,即構(gòu)成燃料電池電堆。電堆工作時,氫氣和氧氣分別經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板,經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極,通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學(xué)反應(yīng)。本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.4燃料電池工作原理在陽極在陰極反應(yīng)熱燃燒是一個放熱過程，所釋放能量為：化學(xué)反應(yīng)的熱（或焓）是產(chǎn)物與反應(yīng)物生成熱之間的差值燃料電池?zé)崃W(xué)1.4燃料電池工作原理以形成液態(tài)水為例，形成液態(tài)水的熱量為氫的高熱值286kJ/mol（25℃）理論電功：對于氫燃料電池而言，化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的部分反應(yīng)焓（或氫的高熱值）對應(yīng)于吉布斯自由能由于熵ΔS的產(chǎn)生，在能量轉(zhuǎn)換過程中會存在一些不可逆的損耗。ΔS為產(chǎn)物和反應(yīng)物所產(chǎn)生的熵之差（1.5）（1.7）（1.6）1.4燃料電池工作原理燃料電池的理論電勢：一般情況下，電功是電荷和電勢的乘積每消耗1mol氫時，燃料電池反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的總電荷量等于阿伏伽德羅常數(shù)與一個電子電荷量的乘積稱為法拉第常數(shù)：因此，電功為：如上所述，燃料電池中產(chǎn)生的最大電能對應(yīng)于吉布斯自由能ΔG，即：（1.8）（1.9）（1.10）（1.11）1.4燃料電池工作原理則燃料電池的理論電勢為：燃料電池的理論效率對于燃料電池，有用輸出能量是指所產(chǎn)生的電能，而輸人能量為氫的焓，即氫的高熱值。假定所有吉布斯自由能均能轉(zhuǎn)換為電能，則燃料電池最大可能效率（理論值）為根據(jù)燃料電池的效率可定義，ΔG和ΔH同時除以nF，則兩個電勢之比：（1.12）（1.13）（1.14）1.4燃料電池工作原理燃料電池可工作于任意壓力下，通常是從大氣壓直至6~7bar。對于一個等溫過程，由基本的熱力學(xué)知識，可知吉布斯自由能的變化可表示為：得到對于理想氣體：對其積分后壓力效應(yīng)（1.15）（1.16）（1.17）（1.18）1.4燃料電池工作原理根據(jù)化學(xué)反應(yīng)：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)：代入得這就是著名的能斯特方程（NernstEquation）燃料電池車只是氫能應(yīng)用的突破口，應(yīng)結(jié)合雙碳戰(zhàn)略不斷推向前進（1.19）1.4燃料電池工作原理對于氫氧燃料電池反應(yīng)，能斯特方程可寫為：亦或是：遵循反應(yīng)物壓力越高，電池電勢越高的規(guī)律。此外，如果反應(yīng)物被稀釋，例如：用空氣而非純氧，則局部壓力與其濃度成正比，從而導(dǎo)致電池的電勢較低。在空氣與氧對比的情況下，理論的電壓損耗/增益為：壓力效率（1.20）（1.21）1.4燃料電池工作原理活化能是分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量。活化能可以理解為化學(xué)反應(yīng)的能量壁壘，分子需先越過活化能的壁壘，反應(yīng)物才能轉(zhuǎn)化為生成物。對于電化學(xué)反應(yīng)，同樣存在能壘，活化能越小，意味著電化學(xué)反應(yīng)越容易發(fā)生，而活化能的大小與催化劑的屬性密切相關(guān)。由于正、逆向反應(yīng)同時在發(fā)生，電化學(xué)反應(yīng)速率是正向凈反應(yīng)速率，即正向反應(yīng)與逆向反應(yīng)速率之差。對于正向反應(yīng)的發(fā)生，反應(yīng)物分子需要越過正向反應(yīng)的活化能壘ΔE1，同樣，對于逆向反應(yīng)的發(fā)生則需要逆向反應(yīng)的活化能壘ΔE2。當(dāng)ΔE1＜ΔE2，即正向反應(yīng)速率大于逆向反應(yīng)速率，并存在正向反應(yīng)凈速率。此時只有存在正向反應(yīng)凈速率，ΔE1和ΔE2存在以下關(guān)系：催化劑與活化能（1.21）1.4燃料電池工作原理燃料電池的可逆電壓是基于熱力學(xué)平衡狀態(tài)求得，此時正向反應(yīng)速率與逆向反應(yīng)速率相等，也就是沒有凈反應(yīng)速率，即燃料電池沒有對外的電流輸出。沒有凈反應(yīng)速率并不意味著正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)各自沒有進行，此時正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)均在發(fā)生，且進行的速率相同。反應(yīng)速率和電流密度具有相似的概念，均可描述電化學(xué)反應(yīng)進行的速率。由此可以定義平衡態(tài)下的正向（或逆向）電流密度為交換電流密度：巴特勒-沃爾默（Butler-Volmer）方程對于燃料電池，人們需要的是燃料電池輸出電流，對外做電功，即存在正向凈電流密度，因此必須打破正向反應(yīng)與逆向反應(yīng)相等的活化能壘，使得反應(yīng)進行的速率偏向于正向反應(yīng)的進行。（1.22）1.4燃料電池工作原理Butler-Volmer方程給出了電化學(xué)反應(yīng)速率（或電流密度）與活化損失η間的關(guān)系，但公式的形式較為復(fù)雜。塔菲爾從一系列的實驗結(jié)果中歸納總結(jié)出了電極表面過電勢與電流密度間的經(jīng)驗公式——Tafel公式：簡化形式的Tafel公式其中，也可表示為可見活化損失ηact與lnI為線性關(guān)系，斜率為b。Tafel公式的形式較BV方程簡化了許多，兩者均描述反應(yīng)動力學(xué)。（1.23）（1.24）1.4燃料電池工作原理一般情況下，燃料電池輸出性能，就是燃料電池在一定電流密度下的輸出電壓（或一定輸出電壓下的電流密度）。電勢是電子能量的一種衡量方法，而電流密度對應(yīng)著電化學(xué)反應(yīng)的速率。燃料電池對外輸出電流時，由于存在不可逆的動力學(xué)，燃料電池的實際輸出電壓無法達到可逆電壓。事實上，除了由反應(yīng)動力學(xué)造成的電壓損失燃料電池在工作狀態(tài)下還存在其他原因造成的電壓損失。一般而言，電壓損失可概括為一下3種：活化損失：為獲得正向凈反應(yīng)速率，由反應(yīng)動力學(xué)造成的電壓損失，也稱為極化損失。歐姆損失：質(zhì)子和電子傳導(dǎo)中存在阻力而造成的電壓損失。傳質(zhì)損失：反應(yīng)物由流場輸送至催化層，反應(yīng)物濃度降低造成部分電壓損失，為成為濃度損失或濃度差損失。燃料電池的輸出性能1.4燃料電池工作原理燃料電池的實際輸出電壓可以表示為熱力學(xué)提供的電壓上限（可逆電壓）減去各項電壓損失：燃料電池的輸出性能了解各項電壓損失的產(chǎn)生機制，明確如何降低各項損失的技術(shù)途徑，是實現(xiàn)電池設(shè)計優(yōu)化，提升電池性能的基礎(chǔ)。由Tafel公式可知，活化損失ηact隨著反應(yīng)速率的增加而增加，由歐姆定律，歐姆損失ηohm也是隨著輸出電流密度的增加而近似線性增長，而傳質(zhì)損失ηconc也在大電流密度下變得十分顯著。可以判斷，燃料電池的實際輸出電壓隨輸出電流密度的增大而減小。（1.25）1.4燃料電池工作原理常用電流密度-電壓特性圖，即I-V曲線，或稱為極化曲線，來描述一個燃料電池的輸出性能。通常極化曲線可以大致分為3段。燃料電池的輸出性能圖8燃料電池的電壓損耗以及所得的極化曲線1.4燃料電池工作原理活化損失區(qū)。電流密度極小時，電壓隨電流呈快速下降。由BV方程，活化損失ηact與lnI成正比，在小電流密度區(qū)會隨著電流密度的增加而快速增加；由歐姆定律，歐姆損失ηohm與電流密度I成正比關(guān)系，小電流密度區(qū)時歐姆損失很小；傳質(zhì)損失在小電流密度區(qū)時更無從體現(xiàn)。這一段內(nèi)活化損失在各項電壓損失中占主導(dǎo)，因此極化曲線的小電流密度區(qū)稱為活化損失區(qū)。歐姆損失區(qū)。隨著電流密度的增大，電壓呈一段近似線性的下降。由BV方程，電流密度較大后，活化損失的增長不再明顯。而電壓的近似線性下降正對應(yīng)于歐姆定律的特點，這一段內(nèi)電壓損失的增長主要源于歐姆損失的增大，因此這一段稱為歐姆損失區(qū)。1.4燃料電池工作原理質(zhì)傳損失區(qū)。當(dāng)電流密度繼續(xù)增大，對應(yīng)著催化層內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)速率的增長，氣體反應(yīng)物消耗速率和陰極產(chǎn)生水速率增大。一方面氣體反應(yīng)物傳輸?shù)酱呋瘜拥乃俾释邢?，高電流密度下催化層?nèi)氣體反應(yīng)物濃度會有顯著下降，不利于反應(yīng)動力學(xué)；另一方面電化學(xué)反應(yīng)生成物水在催化層內(nèi)的積累也不利于反應(yīng)的持續(xù)進行，液態(tài)水還會堵塞多孔電極內(nèi)氣相輸運通道，更加不利于氣體反應(yīng)物輸運至催化層。當(dāng)電流密度增大到一定程度時，輸出電壓可能會急速下降。這一般由氣體反應(yīng)物供給不足和生成水不能快速排出導(dǎo)致，即傳質(zhì)不良造成的電壓損失，稱這一段為傳質(zhì)損失區(qū)。本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.5燃料電池汽車分類按有無蓄能裝置分類根據(jù)燃料電池汽車是否配備蓄能裝置,可把燃料電池汽車分為純?nèi)剂想姵仄嚭突旌闲腿剂想姵仄噧纱箢?。純?nèi)剂想姵仄嚾剂想姵厥请妱悠嚿想娔艿奈ㄒ粊碓?。要求燃料電池的功率?并且無法回收汽車制動能量。純?nèi)剂想姵仄嚹壳皯?yīng)用較少?；旌闲腿剂想姵仄囃瑫r配備了燃料電池與蓄能裝置(如蓄電池、超級電容器或飛輪電池等)。蓄能裝置可協(xié)助供電,降低燃料電池的需求功率。蓄能裝置可用于汽車制動時的能量回收,提高燃料電池汽車的能量利用率。燃料電池汽車多采用混合型結(jié)構(gòu)。1.5燃料電池汽車分類按燃料電池與蓄電池的結(jié)構(gòu)關(guān)系分類根據(jù)混合型燃料電池汽車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汽車分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。串聯(lián)式燃料電池汽車其燃料電池相當(dāng)于車載發(fā)電裝置,通過DC/DC變換器進行電壓變換后對蓄電池充電,再由蓄電池向電機提供驅(qū)動車輛的全部電力。串聯(lián)式燃料電池汽車的特點與普通的串聯(lián)混合動力電動汽車相似?？刹捎眯」β实娜剂想姵?但要求蓄電池的容量和功率要足夠大。其燃料電池發(fā)出的電能需經(jīng)過蓄電池的電化學(xué)轉(zhuǎn)換過程,從中有能量的轉(zhuǎn)換損失。并聯(lián)式燃料電池汽車由燃料電池和蓄電池共同向電機提供動力。根據(jù)燃料電池與蓄電池能量大小的配置不同,可分為大燃料電池型和小燃料電池型兩種電動汽車。大燃料電池汽車主要由燃料電池提供電力,蓄電池的容量較小,只是在電動汽車起步、加速、爬坡等行駛工況時協(xié)助供電,并在車輛減速與制動時進行能量回收。并聯(lián)式是目前燃料電池汽車采用較多的形式。1.5燃料電池汽車分類按提供的燃料不同分類根據(jù)燃料電池所提供的燃料不同,燃料電池汽車又可分為直接燃料電池汽車和重整燃料電池汽車兩大類。直接燃料電池汽車燃料主要是純氫,也可以用甲醇等。采用純氫作為燃料時,對儲氫裝置的要求較高,氫燃料的儲存方式有壓縮氫氣、液態(tài)氫和合金(碳納米管)吸附氫等。與重整燃料電池汽車相比,直接燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、能量效率高、成本低。重整燃料電池汽車燃料主要有汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等。重整燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)比直接燃料電池汽車復(fù)雜。需要設(shè)置重整裝置,將其他燃料轉(zhuǎn)化為燃料電池所需的氫。比如,甲醇重整燃料電池汽車需要對甲醇加熱至200℃左右以分解出氫,汽油重整燃料電池汽車也需要對汽油加熱至1000℃左右以分解出氫。本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)組成燃料電池汽車動力系統(tǒng)的基本組成部分有燃料電池系統(tǒng)、輔助蓄能裝置、驅(qū)動電機以及電子控制系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)以燃料電池堆為核心,并配備了氫氣供系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和輸出管理子系統(tǒng)(DC/DC轉(zhuǎn)換器)等。輔助蓄能裝置混合式燃料電池汽車還配備輔助蓄能裝置。輔助蓄能裝置可采用蓄電池、超級電容器和飛輪蓄電池中的一種,組成雙電源的混合動力系統(tǒng);或采用蓄電池+超級電容器、蓄電池+飛輪電池的三電源系統(tǒng)。1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)驅(qū)動電機用于將電源所提供的電能轉(zhuǎn)換為電磁轉(zhuǎn)矩,并通過傳動裝置驅(qū)動車輛行駛。與純電動汽車和混合動力汽車一樣,燃料電池汽車采用驅(qū)動電機,也可采用直流有刷電機、交流異步電機、交流同步電機、永磁無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機等。燃料電池汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)必須具有以下特性:1)高功率密度以滿足布置要求。2)瞬時過載能力強,以滿足加速和爬坡要求。3)調(diào)速范圍寬(包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū))。4)轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快。5)在運行的整個轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有高效率,以提高能量利用率。6)四象限運行,狀態(tài)切換平滑。7)高可靠性及容錯控制。8)成本合理。驅(qū)動電機1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)燃料電池汽車的電子控制系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)控制器、DC/DC變換器、輔助蓄能裝置能量管理系統(tǒng)、電機驅(qū)動控制器及整車協(xié)調(diào)控制器等，各控制功能模塊通過總線連接。燃料電池系統(tǒng)控制器用來控制燃料電池的燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)并協(xié)調(diào)各系統(tǒng)工作,以使燃料電池系統(tǒng)能持續(xù)向外供電。DC/DC變換器通過電子控制器控制改變?nèi)剂想姵氐闹绷麟妷骸］o助蓄能裝置能量管理系統(tǒng)對蓄電池的充電、放電、存電狀態(tài)等進行監(jiān)控,使輔助蓄能裝置能正常起作用,實現(xiàn)車輛在起動、加速、爬坡等工況下的協(xié)助供電,并在車輛運行時儲存燃料電池的富余電能,實現(xiàn)汽車制動時的能量回饋。電機驅(qū)動控制器的主要控制功能有:電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、電機工作模式控制(設(shè)有制動能量回饋的電動汽車)、電機過載保護控制等。1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配計算燃料電池的參數(shù)匹配計算驅(qū)動電機在車輛行駛過程中輸出的功率與燃料電池發(fā)出功率和蓄電池發(fā)出功率之和呈功率平衡狀態(tài)。其中在車輛最高速度行駛狀態(tài)下,驅(qū)動電機的輸出功率全部來自主能量源,即此時燃料電池全部承擔(dān)驅(qū)動電機的輸出功率。車輛的功率平衡關(guān)系為:忽略加速阻力和上坡阻力，燃料電池的輸出功率為（1.26）（1.27）1.6燃料電池汽車動力系統(tǒng)蓄電池參數(shù)匹配計算蓄電池容量的選擇蓄電池作為燃料電池汽車動力系統(tǒng)的輔助能量源,依據(jù)車輛峰值功率設(shè)計其容量,需要同時考慮車輛對于最大持續(xù)行進距離的要求。若電池重量隨儲能量變化,則電池容量增大的同時,車身重量也將增大。若電池容量過大,雖然車輛的儲能能力強,但犧牲了車輛的動力性。若電池容量過小,電池功率則不夠提供車輛的峰值功率,所以蓄電池的容量需要權(quán)衡選擇。驅(qū)動電機額定電壓為