新能源汽車結(jié)構(gòu)與工況實訓指導書

1、精選文庫新能源汽車應用技術課程新能源汽車結(jié)構(gòu)與工況實訓指導書一、實驗目的與要求1.通過實驗，學生應了解認識以氫為燃料的燃料電池汽車動力電池的基本構(gòu)成和工作原理；2.通過實驗，學生應掌握油-電混合動力汽沁能源汽車車動力總成及其主要部件的結(jié)構(gòu)與功能；3.通過實驗，學生應了解油-電混合動力汽車運行工況，分析汽油機子系統(tǒng)和電機子系統(tǒng)自動交替工作的運行狀態(tài)，總結(jié)其特點。二、實驗的主要儀器設備豐田普瑞斯2007版PSHEV油-電混合動力汽車1臺；NJLGPE-02燃料電池仿真實訓系統(tǒng)1套。圖1豐田普瑞斯油-電混合動力汽車 圖2 燃料電池仿真實訓系統(tǒng)平臺豐田PRIUS-普瑞斯2007版PSHEV油-電混合動

2、力汽車1臺?；緟?shù)：裝有THS混合動力系統(tǒng)(Toyota Hybrid System)；1.5L直列四缸汽油機功率51.5 kW；驅(qū)動電機為500 V永磁無刷電機功率33 kW；電動/發(fā)電機為永磁交流同步電機；201 V鎳-氫動力電池重75 kg(由250個單體電池串連，每個1.2 V)；整車質(zhì)量1240 kg；最高車速160 km/h；油耗3.61 L/100 km。質(zhì)子交換膜燃料電池仿真實訓系統(tǒng)以空冷型百瓦級PEMFC為測控對象，采用LabVIEW進行軟件設計，利用該平臺可以展現(xiàn)燃料電池的工作原理，測試燃料電池堆的性能和運行狀態(tài)，全面監(jiān)測各種參數(shù)與電池堆性能之間的關系，通過控制單元控制電

3、池實際運行所需的工作條件。實訓系統(tǒng)包括：風冷型質(zhì)子交換膜燃料電池堆、供氣單元、電力電子轉(zhuǎn)換單元、控制單元、負載實驗單元、系統(tǒng)控制分析軟件六部分。三、基礎知識新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結(jié)構(gòu)的汽車。新能源汽車包括混合動力汽車（HEV）、純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、氫發(fā)動機汽車、其他新能源（如高效儲能器、二甲醚）汽車等各類別產(chǎn)品。1. 質(zhì)子交換膜燃料電池的原理質(zhì)子交換膜燃料電池，簡稱PEMFC，由于它適用范圍廣，無需特殊

4、的運行條件，可靠性高等特點，使得它成為目前全球發(fā)展最迅速的一種燃料電池。PEMFC它由雙極板(流場板)、擴散電極、和膜組成一個單電池，它的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3質(zhì)子交換膜燃料電池單電池結(jié)構(gòu)原理圖 圖4質(zhì)子交換膜燃料電池電堆雙極板常用的材料有石墨板和改性金屬板,在雙擊板的兩側(cè)分別加工有燃料和氧化劑的流場，流場主要是引導反應劑在電池氣室內(nèi)的流動，確保整個電極反應劑的均勻分布并排出生成物。另外，雙擊板還具有傳輸電流和阻氣作用。擴散電極分為兩部分，擴散層和催化層。擴散層一般以碳紙或碳布為基底，并涂以具有疏水功能的聚四氟乙烯(PTFE)，使其具有多孔結(jié)構(gòu)。它的功能是支撐催化層、導電及為氣體擴散和生成水排出

5、提供通道。催化層是由催化劑Pt/C(或其它形式的催化劑)和(或)疏水性的PTEF構(gòu)成，它分別是燃料和氧化劑發(fā)生電化學反應的場所。膜是電池的關鍵部件，目前主要采用全氟磺酸型質(zhì)子交換膜(Nafion膜)。其主要擔當水合H+的傳輸。并隔離陰陽極的燃料和氧化劑。單電池輸出功率取決于單電池的輸出電壓和工作電流。由于單電池往往功率較小，無法直接驅(qū)動負載，在實際應用中都是由多個單電池串聯(lián)構(gòu)成不同等級功率的電堆，以適應不同負載的需要。電堆功率的大小由單電池的個數(shù)和功率決定。圖4為實際電堆照片圖。PEMFC單電池的工作原理如圖5所示。圖5 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理圖燃料H2和氧化劑O2(或空氣)分別送入陽極

6、和陰極流道，H2和氧化劑分別通過陽極和陰極擴散層到達各自的催化層，陽極H2在催化劑的作用下發(fā)生電極反應：生成的H+穿過電解質(zhì)膜到達陰極，同時產(chǎn)生的電子經(jīng)過外電路也到達陰極。此時陰極的氧化劑同樣在Pt催化劑作用下和H+及電子發(fā)生反應生成水，水通過電極隨反應尾氣排出。陰極反應式為：總化學反應為： PEMFC具有以下主要特點：(1) 可在室溫條件下運行，并啟動迅速。(2) 能量轉(zhuǎn)化效率高。效率高達50%-60%，通過對余熱的二次利用，總效率可高達80%-85%，是普通內(nèi)燃機的2-3倍。(3) 無污染，可實現(xiàn)零排放。工作過程的唯一產(chǎn)物是水。(4) 運行噪聲低，可靠性高。無機械運動部件，工作時僅有氣體和

7、水的流動。(5) 成本高(目前主要表現(xiàn)為材料價格昂貴)。2. 混合動力汽車混合動力是指那些采用傳統(tǒng)燃料的，同時配以電動機/發(fā)動機來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型。按照燃料種類的不同，主要又可以分為汽油混合動力和柴油混合動力兩種。目前國內(nèi)市場上，混合動力車輛的主流都是汽油混合動力，而國際市場上柴油混合動力車型發(fā)展也很快。混合動力汽車的優(yōu)點是：（1）采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機功率不足時，由電池來補充；負荷少時，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。（2

8、）因為有了電池， 可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。 （3）在繁華市區(qū)，可關停內(nèi)燃機，由電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)“零”排放。（4）有了內(nèi)燃機可以方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。（5）可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資。（6）可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長使用壽命，降低成本?；旌蟿恿ζ嚨娜秉c:長距離高速行駛基本不能省油?；旌蟿恿ζ嚨年P鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關系到混合動力汽車整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動機與電機離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機電機和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。 混合動力總成以動力傳

9、輸路線分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等三種。（1）串聯(lián)式動力由發(fā)動機、發(fā)電機和電動機三部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)方式組成SHEV動力單元系統(tǒng)，發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構(gòu)驅(qū)動汽車。小負荷時由電池驅(qū)動電動機驅(qū)動車輪，大負荷時由發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電驅(qū)動電動機。當車輛處于啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機、電動機組和電池組共同向電動機提供電能；當電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機，當電池組缺電時則由發(fā)動機-發(fā)電機組向電池組充電。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運行工況，可以將發(fā)動機調(diào)整在最佳工況點附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電

10、池和電動機的輸出來達到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機避免了怠速和低速運轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機械效率較低。（2）并聯(lián)式裝置的發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動汽車，發(fā)動機與電動機分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動又可以單獨驅(qū)動。當汽車加速爬坡時，電動機和發(fā)動機能夠同時向傳動機構(gòu)提供動力，一旦汽車車速達到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動機維持該速度。電動機既可以作電動機又可以作發(fā)電機使用，又稱為電動發(fā)電機組。由于沒有單獨的發(fā)電機，發(fā)動機可以直接通過傳動機構(gòu)驅(qū)動車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，機械效率損耗與普通汽

11、車差不多，得到比較廣泛的應用。 （3）混聯(lián)式裝置包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點。動力系統(tǒng)包括發(fā)動機、發(fā)電機和電動機，根據(jù)助力裝置不同，它又分為發(fā)動機為主和電機為主兩種。以發(fā)動機為主的形式中，發(fā)動機作為主動力源，電機為輔助動力源；以電機為主的形式中，發(fā)動機作為輔助動力源，電機為主動力源。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是控制方便，缺點是結(jié)構(gòu)比較復雜。四、實驗的內(nèi)容與方法、步驟1. 豐田油-電混合動力汽車實驗內(nèi)容（1）豐田混聯(lián)式油-電混合動力汽車動力總成的及其主要部件的結(jié)構(gòu)與功能。高壓電池發(fā)電機MG1發(fā)動機變頻器電動機MG2行星齒輪組圖6 豐田普瑞斯THS II混和動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖THS II 結(jié)構(gòu)-發(fā)動機采用1NZ-FX

12、E阿特金森式直列/4缸16氣門雙頂置凸輪軸 1.5升 汽油發(fā)動機。THS II 結(jié)構(gòu)-驅(qū)動橋包含交流500V電動機，發(fā)電機, 行星齒輪, 減速齒輪和主減速齒輪。使用連續(xù)變速傳動裝置，達到操作的平滑性和寧靜性。圖7 THS II 結(jié)構(gòu)-發(fā)動機 圖8 THS II 結(jié)構(gòu)-驅(qū)動橋圖9 THS II結(jié)構(gòu)-HV電池 圖10 THS II結(jié)構(gòu)-變頻器THS II結(jié)構(gòu)-HV電池采用201.6V 直流HV全封閉的鎳氫 (Ni-MH)蓄電池以減輕重量，安裝位于后備箱內(nèi)后排座位下。THS II結(jié)構(gòu)-變頻器變頻作用：直流 交流高電壓；變壓作用：直流200V升至直流500V；直流-直流轉(zhuǎn)換：直流 200V降至直流12

13、V；A/C 變頻器：DC AC驅(qū)動，A/C 壓縮機。（2）觀察混聯(lián)式油-電混合動力汽車基本運行工況混聯(lián)式油-電混合動力汽車行駛方式：車輛可由汽油機來驅(qū)動，而無需對車輛進行充電；如果車輛電池的電量消耗，發(fā)動機會驅(qū)動發(fā)電機，對電池充電；車輛只有在“READY” 燈點亮時，才可行駛；為了改善燃油經(jīng)濟性，當車輛停止時，發(fā)動機停機；車輛起動后，發(fā)動機的起動由系統(tǒng)自動控制。油-電混合動力汽車的幾種典型運行工況：發(fā)動機為動力電池充電：動力電池容量低于額定值時，發(fā)動機自動為動力電池充電。啟動與低速行駛：汽車由靜止開始低速行駛時由驅(qū)動電機推動汽車前進。車速到達一定值時，“電動/發(fā)電機”處于電動機狀態(tài)，啟動發(fā)動機

14、；發(fā)動機啟動后，“電動/發(fā)電機”處于發(fā)電機狀態(tài)，向動力電池充電。正常時速行駛：汽車由發(fā)動機驅(qū)動。加速行駛：發(fā)動機節(jié)氣門全開；發(fā)動機-驅(qū)動電機混合驅(qū)動。發(fā)動機動力傳遞路線是：發(fā)動機THS混合動力系統(tǒng)車輪；動力電池動力傳遞路線是：動力電池電流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電機THS混合動力系統(tǒng)車輪；發(fā)動機-驅(qū)動電機的動力在THS混合動力系統(tǒng)上混合。由教師駕駛車輛行駛，模擬混聯(lián)式油-電混合動力汽車三種基本運行工況，學生觀察并思考。發(fā)動機為動力電池充電工況演示驅(qū)動電機驅(qū)動低速行駛工況演示油-電混合動力驅(qū)動低速行駛工況演示圖11 充電工況演示 圖12 電機驅(qū)動低速行駛工況演示圖13油-電混合動力驅(qū)動低速行駛工況演示2. 氫

15、燃料電池實驗內(nèi)容燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實訓平臺如圖14所示，平臺中的設備主要包括：兩級減壓閥，減壓閥，壓力表，氣體流量計，燃料電池，電壓表和電流表各1個，功率表（可選作電壓表和電流表）3個，電源開關1個，負載開關2個，變阻器和LED燈各一組，直流電機及其調(diào)速器旋紐各一個，直流可編程電子負載1個，電路接口若干。圖14 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實訓平臺展示燃料電池的工作原理，系統(tǒng)包括：一個PEM燃料電池，一個流量計顯示氫氣流速，一個減壓閥顯示進氣壓力，系統(tǒng)由一個風扇冷卻和供氣。控制器自動的監(jiān)視所有主要參數(shù)，并使系統(tǒng)操作安全，包括故障報警、誤操作時的獨立切斷；數(shù)碼管顯示系統(tǒng)的氫氣流量，輸出功率，電堆溫度，輸出電壓，負載電流。計算機實時紀錄不同的特性曲線，如V-I、P-I、P-V的動態(tài)變化曲線，檢測曲線上不同參數(shù)及各種參數(shù)間的作用。直流電機作為演示用負載，可實現(xiàn)電動汽車的負載特性，體現(xiàn)電動汽車不同的運行工況，并可以檢驗實驗過程中的不同參數(shù)?？梢栽O定負載的動態(tài)變化過程并檢測相應的性能參數(shù)。由教師操作，燃料電池工作開始發(fā)電，模擬負載變化后，記錄燃料電池系統(tǒng)的各項參數(shù)的變化規(guī)律，學生觀察并思考分析。圖15 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實訓平臺數(shù)據(jù)采集五、實驗報告要求1通過查找資料、教師講解與實物觀察，詳