新能源汽車實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書

1、圖一圖二1新能源汽車應(yīng)用技術(shù)課程一一新能源汽車結(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然料電池仿真實(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油-電

2、混合動(dòng)力汽車1臺(tái)。基本參數(shù)：裝有THS混合動(dòng)力系統(tǒng)(ToyotaHybridSystem);1.5L直列四缸汽油機(jī)功率51.5kW;驅(qū)動(dòng)電機(jī)為500V永磁無(wú)刷電機(jī)功率33kW;電動(dòng)/發(fā)電機(jī)為永磁交流同步電機(jī);201V饃-氫動(dòng)力電池重75kg(由250個(gè)單體電池串連，每個(gè)1.2V);整車質(zhì)量1240kg;最高車速160km/h;油耗3.61L/100km。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

3、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(lái)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(yáng)能汽車卜燃料電池電動(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、二甲醛）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PEMFC由于它適用范圍廣，無(wú)需特殊的運(yùn)行條件，可靠性高等特點(diǎn)

4、，使得它成為目前全球發(fā)展最迅速的一種燃料電池。由雙極板擴(kuò)散電極、一個(gè)單電構(gòu)如圖3池單電池結(jié)構(gòu)原圖3質(zhì)子交換膜燃料電理圖圖PEMFC它（流場(chǎng)板卜和膜組成池，它的結(jié)所示。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/

5、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)Load的場(chǎng)所。膜關(guān)鍵部件,采用全氟磺交換膜膜）。其主要H+的傳輸。陽(yáng)極的燃料單電池輸出于單電池的和工作電電池往往功法直接驅(qū)動(dòng)際應(yīng)用中者B單電池串聯(lián)等級(jí)功率的應(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。圖是電池的目前主要酸型質(zhì)子（Nation擔(dān)當(dāng)水合并隔離陰和氧化劑。功率取決輸出電壓流。由于單率較小，無(wú)負(fù)載，在實(shí)是由多個(gè)構(gòu)成不同電堆，以適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燃料H2和氧化劑O2（或空氣）分別送入陽(yáng)極和陰極流道，H2和氧化劑

6、分別通過陽(yáng)極和陰極擴(kuò)散層到達(dá)各自的催化層，陽(yáng)極H2在催化劑的作用下發(fā)生電極反應(yīng)：222HHeHeat+-?+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：221222HeOHOHeat+-+?+總化學(xué)反應(yīng)為：22212HOHOHeatElectricalenergy+?+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(wú)污染，

7、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(wú)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(lái)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(guó)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(guó)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率來(lái)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(lái)補(bǔ)充；負(fù)荷少時(shí)，富余的

8、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?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。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(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)離

9、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)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)

10、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(lái)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。由于沒有單發(fā)動(dòng)機(jī)可以直

11、接通驅(qū)動(dòng)車輪，這種裝置的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)與普通汽車差不多，泛的應(yīng)用。(3)混聯(lián)式裝置包含并聯(lián)式的特點(diǎn)。動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和助力裝置不同，它又為主和電機(jī)為主兩為主的形式中，發(fā)動(dòng)力源，電機(jī)為輔助動(dòng)為主的形式中，發(fā)動(dòng)動(dòng)力源，電機(jī)為主動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，比較復(fù)雜。四、實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與1,豐田油-電混合驗(yàn)內(nèi)容發(fā)電機(jī)MGI獨(dú)的發(fā)電機(jī)，過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更接近傳統(tǒng)械效率損耗得到比較廣了串聯(lián)式和力系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)，根據(jù)分為發(fā)動(dòng)機(jī)種。以發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)作為主動(dòng)力源；以電機(jī)機(jī)作為輔助力源。該結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)方法、步驟動(dòng)力汽車實(shí)電混合動(dòng)力其主要部件豐田混聯(lián)式油-汽車動(dòng)力總成的及的結(jié)構(gòu)與功能。圖6豐田普瑞斯THSII混和動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖THSI

12、I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)。THSII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?kù)o性。圖7THSII結(jié)構(gòu)-發(fā)動(dòng)機(jī)圖8THSII結(jié)構(gòu)-驅(qū)動(dòng)橋構(gòu)-HV圖9THSII結(jié)電池圖頻器電池采用全封10THSII結(jié)構(gòu)-變THSII結(jié)構(gòu)-HV201.6V直流HV閉的銀-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。THSII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-直流車t換：直流200V降至直流12V;A/C變頻

13、器：DC-ACB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(lái)驅(qū)動(dòng)，而無(wú)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)

14、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)一THS混合動(dòng)力系統(tǒng)一車輪；動(dòng)力電池動(dòng)力傳遞路線是：動(dòng)力電池一電流轉(zhuǎn)換器一驅(qū)動(dòng)電機(jī)一THS昆合動(dòng)力系統(tǒng)一車輪;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monuorEngineMttryCurrentMOtkOH圖13油-電

15、混力驅(qū)動(dòng)低速行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)變化曲線才僉測(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)。可以設(shè)定負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化過程并檢測(cè)相應(yīng)