新能源汽車實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書[共10頁]

1、 圖一 圖二1 新能源汽車應(yīng)用技術(shù)課程新能源汽車結(jié)構(gòu)與工況實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1.通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生應(yīng)了解認(rèn)識(shí)以氫為燃料的燃料電池汽車動(dòng)力電池的基本構(gòu)成和工作原理;2.通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生應(yīng)掌握油-電混合動(dòng)力汽沁能源汽車車動(dòng)力總成及其主要部件的結(jié)構(gòu)與功能;3.通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生應(yīng)了解油-電混合動(dòng)力汽車運(yùn)行工況,分析汽油機(jī)子系統(tǒng)和電機(jī)子系統(tǒng)自動(dòng)交替工作的運(yùn)行狀態(tài),總結(jié)其特點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)的主要儀器設(shè)備豐田普瑞斯2007版PSHEV 油-電混合動(dòng)力汽車1臺(tái);NJLGPE-02燃料電池仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)1套。圖1豐田普瑞斯油-電混合動(dòng)力汽車 圖2 燃料電池仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)豐田PRIUS-普瑞斯2007版PSHEV

2、油-電混合動(dòng)力汽車1臺(tái)?；緟?shù):裝有THS 混合動(dòng)力系統(tǒng)(Toyota Hybrid System);1.5L 直列四缸汽油機(jī)功率51.5 kW ;驅(qū)動(dòng)電機(jī)為500 V 永磁無刷電機(jī)功率33 kW ;電動(dòng)/發(fā)電機(jī)為永磁交流同步電機(jī);201 V 鎳-氫動(dòng)力電池重75 kg(由250個(gè)單體電池串連,每個(gè)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(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以空冷型百瓦級(jí)PEMFC 為測(cè)控對(duì)象,采用LabVIEW 進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),利用該平臺(tái)可以展現(xiàn)燃料電池的工作原理,測(cè)試燃料電池堆的性能和運(yùn)行狀態(tài),全面監(jiān)測(cè)各種參數(shù)與電池堆

3、性能之間的關(guān)系,通過控制單元控制電池實(shí)際運(yùn)行所需的工作條件。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包括:風(fēng)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(fù)載實(shí)驗(yàn)單元、系統(tǒng)控制分析軟件六部分。三、基礎(chǔ)知識(shí)新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來源(或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動(dòng)力裝置),綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù),形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。新能源汽車包括混合動(dòng)力汽車(HEV)、純電動(dòng)汽車(BEV,包括太陽能汽車)、燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車、其他新能源(如高效儲(chǔ)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(jiǎn)稱PE

4、MFC,由于它適用范圍廣,無需特殊的運(yùn)行條件,可靠性高等特點(diǎn),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(chǎng)板)、擴(kuò)散電極、和膜組成一個(gè)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 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(chǎng),流場(chǎng)主要是引導(dǎo)反應(yīng)劑在電池氣室內(nèi)的流動(dòng),確保整個(gè)電極反應(yīng)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(kuò)散電極分為兩部分,擴(kuò)散層和催化層。擴(kuò)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

5、撐催化層、導(dǎo)電及為氣體擴(kuò)散和生成水排出提供通道。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(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所。膜是電池的關(guān)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(dān)當(dāng)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(dòng)負(fù)載,在實(shí)際應(yīng)用中都是由多個(gè)單電池串聯(lián)構(gòu)成不同等級(jí)功率的電堆,以適應(yīng)不同負(fù)載的需要。電堆功率的大小由單電池的個(gè)數(shù)和功率決定。圖4為實(shí)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

6、燃料H 2和氧化劑O 2(或空氣)分別送入陽極和陰極流道,H 2和氧化劑分別通過陽極和陰極擴(kuò)散層到達(dá)各自的催化層,陽極H 2在催化劑的作用下發(fā)生電極反應(yīng):222H H e Heat +-+生成的H +穿過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極,同時(shí)產(chǎn)生的電子經(jīng)過外電路也到達(dá)陰極。此時(shí)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(yīng)生成水,水通過電極隨反應(yīng)尾氣排出。陰極反應(yīng)式為: 221222H e O H O Heat +-+ 總化學(xué)反應(yīng)為: 22212H O H O Heat Electrical energy + PEMFC 具有以下主要特點(diǎn):(1) 可在室溫條件下運(yùn)行,并啟動(dòng)迅速。(2) 能量轉(zhuǎn)化效

7、率高。效率高達(dá)50%-60%,通過對(duì)余熱的二次利用,總效率可高達(dá)80%-85%,是普通內(nèi)燃機(jī)的2-3倍。(3) 無污染,可實(shí)現(xiàn)零排放。工作過程的唯一產(chǎn)物是水。(4) 運(yùn)行噪聲低,可靠性高。無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,工作時(shí)僅有氣體和水的流動(dòng)。(5) 成本高(目前主要表現(xiàn)為材料價(jià)格昂貴)。2. 混合動(dòng)力汽車混合動(dòng)力是指那些采用傳統(tǒng)燃料的,同時(shí)配以電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)來改善低速動(dòng)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(dòng)力和柴油混合動(dòng)力兩種。目前國內(nèi)市場(chǎng)上,混合動(dòng)力車輛的主流都是汽油混合動(dòng)力,而國際市場(chǎng)上柴油混合動(dòng)力車型發(fā)展也很快?；旌蟿?dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)是:(1)采用混合動(dòng)力后可按平均需用的功

8、率來確定內(nèi)燃機(jī)的最大功率,此時(shí)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(jī)功率不足時(shí),由電池來補(bǔ)充;負(fù)荷少時(shí),富余的功率可發(fā)電給電池充電,由于內(nèi)燃機(jī)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)因?yàn)橛辛穗姵? 可以十分方便地回收制動(dòng)時(shí)、下坡時(shí)、怠速時(shí)的能量。(3)在繁華市區(qū),可關(guān)停內(nèi)燃機(jī),由電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)“零”排放。(4)有了內(nèi)燃機(jī)可以方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動(dòng)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(zhǎng)使用壽命,降低成本。 混合動(dòng)力汽車的缺點(diǎn):長(zhǎng)距離高速行駛基本不能省油。

9、混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵是混合動(dòng)力系統(tǒng),它的性能直接關(guān)系到混合動(dòng)力汽車整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展,混合動(dòng)力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展,即集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力總成以動(dòng)力傳輸路線分類,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(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)三部分動(dòng)力總成組成,它們之間用串聯(lián)方式組成SHEV動(dòng)力單元系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,電能通過控制器輸送到電池或電動(dòng)機(jī),由電動(dòng)機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)汽車。小負(fù)荷時(shí)由電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪,大負(fù)荷時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)車輛處于啟動(dòng)、加速、爬坡工況時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)組和電池組共同向電動(dòng)

10、機(jī)提供電能;當(dāng)電動(dòng)車處于低速、滑行、怠速的工況時(shí),則由電池組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),當(dāng)電池組缺電時(shí)則由發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)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(yùn)行工況,可以將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),通過調(diào)整電池和電動(dòng)機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動(dòng)機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況,從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率,減少了廢氣排放。但是它的缺點(diǎn)是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換,機(jī)械效率較低。(2)并聯(lián)式裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)汽車,發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬兩套系統(tǒng),可以分別獨(dú)立地向汽車傳動(dòng)系提供扭矩,在不同的路面上既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)汽車加速爬坡時(shí),電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,一旦汽車車速

11、達(dá)到巡航速度,汽車將僅僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)維持該速度。電動(dòng)機(jī)既可以作電動(dòng)機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用,又稱為電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組。由于沒有單獨(dú)的發(fā)電機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車輪,這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),機(jī)械效率損耗與普通汽車差不多,得到比較廣泛的應(yīng)用。(3)混聯(lián)式裝置包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī),根據(jù)助力裝置不同,它又分為發(fā)動(dòng)機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。以發(fā)動(dòng)機(jī)為主的形式中,發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源,電機(jī)為輔助動(dòng)力源;以電機(jī)為主的形式中,發(fā)動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力源,電機(jī)為主動(dòng)力源。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制方便,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。四、實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與方法、步驟1. 豐田油-電混合動(dòng)力汽車實(shí)

12、驗(yàn)內(nèi)容(1)豐田混聯(lián)式油-電混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成的及其主要部件的結(jié)構(gòu)與功能。 圖6 豐田普瑞斯THS II混和動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖THS II 結(jié)構(gòu)-發(fā)動(dòng)機(jī)采用1NZ-FXE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(dòng)機(jī)。THS II 結(jié)構(gòu)-驅(qū)動(dòng)橋包含交流500V電動(dòng)機(jī),發(fā)電機(jī), 行星齒輪, 減速齒輪和主減速齒輪。使用連續(xù)變速傳動(dòng)裝置,達(dá)到操作的平滑性和寧靜性。圖7 THS II 結(jié)構(gòu)-發(fā)動(dòng)機(jī)圖 8 THS II 結(jié)構(gòu)-驅(qū)動(dòng)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

13、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12V;A/C 變頻器:DC AC驅(qū)動(dòng),A/C 壓縮機(jī)。(2)觀察混聯(lián)式油-電混合動(dòng)力汽車基本運(yùn)行工況混聯(lián)式油-電混合動(dòng)力汽車行駛方式:車輛可由汽油機(jī)來驅(qū)動(dòng),而無需對(duì)車輛進(jìn)行充電;如果車輛電池的電量消耗,發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),對(duì)電池充電;車輛只有在“READY” 燈點(diǎn)亮?xí)r,才可行駛;為了改善燃油經(jīng)濟(jì)性,當(dāng)車輛停止時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī);車輛起動(dòng)后,發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)由系統(tǒng)自動(dòng)控制。油-電混合動(dòng)力汽車的幾種典型運(yùn)行工況:發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力電池充電:動(dòng)力電池容量

14、低于額定值時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)為動(dòng)力電池充電。啟動(dòng)與低速行駛:汽車由靜止開始低速行駛時(shí)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)汽車前進(jìn)。車速到達(dá)一定值時(shí),“電動(dòng)/發(fā)電機(jī)”處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài),啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,“電動(dòng)/發(fā)電機(jī)”處于發(fā)電機(jī)狀態(tài),向動(dòng)力電池充電。正常時(shí)速行駛:汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。加速行駛:發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全開;發(fā)動(dòng)機(jī)-驅(qū)動(dòng)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞路線是:發(fā)動(dòng)機(jī)THS混合動(dòng)力系統(tǒng)車輪;動(dòng)力電池動(dòng)力傳遞路線是:動(dòng)力電池電流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)THS混合動(dòng)力系統(tǒng)車輪;發(fā)動(dòng)機(jī)-驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力在THS混合動(dòng)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(dòng)力汽車三種基本運(yùn)行工況,學(xué)生觀察并思考。發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力電池充電工況演示

15、驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)低速行駛工況演示油-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)低速行駛工況演示 圖11 充電工況演示圖12 電機(jī)驅(qū)動(dòng)低速行駛工況演示 圖13油-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)低速行駛工況演示2. 氫燃料電池實(shí)驗(yàn)內(nèi)容燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)如圖14所示,平臺(tái)中的設(shè)備主要包括:兩級(jí)減壓閥,減壓閥,壓力表,氣體流量計(jì),燃料電池,電壓表和電流表各1個(gè),功率表(可選作電壓表和電流表)3個(gè),電源開關(guān)1個(gè),負(fù)載開關(guān)2個(gè),變阻器和LED燈各一組,直流電機(jī)及其調(diào)速器旋紐各一個(gè),直流可編程電子負(fù)載1個(gè),電路接口若干。直流可編程電子負(fù)載直流電機(jī)上位機(jī)顯示LED 燈變阻器負(fù)載部分電源(DC/DC 電源輸出(+) 電源輸出()電壓表(V (W)旋鈕阻

16、性負(fù)載(+) 阻性負(fù)載(直流電機(jī)(+) 直流電機(jī)(圖14 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)展示燃料電池的工作原理,系統(tǒng)包括:一個(gè)PEM 燃料電池,一個(gè)流量計(jì)顯示氫氣流速,一個(gè)減壓閥顯示進(jìn)氣壓力,系統(tǒng)由一個(gè)風(fēng)扇冷卻和供氣?？刂破髯詣?dòng)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(bào)警、誤操作時(shí)的獨(dú)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(fù)載電流。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)紀(jì)錄不同的特性曲線,如V-I 、P-I 、P-V 的動(dòng)態(tài)變化曲線,檢測(cè)曲線上不同參數(shù)及各種參數(shù)間的作用。直流電機(jī)作為演示用負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的負(fù)載特性,體現(xiàn)電動(dòng)汽車不同的運(yùn)行工況,并可以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程中的不同參數(shù)?？梢栽O(shè)定負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化過程并檢