新能源汽車維護(hù)與故障診斷課件項(xiàng)目5

1、項(xiàng)目五 燃料電池汽車故障診斷與排除項(xiàng)目五 燃料電池汽車故障診斷與排除任務(wù)一 燃料電池汽車故障診斷與排除操作建議課時(shí)：4學(xué)時(shí)任務(wù)一 燃料電池汽車故障診斷與排除操作建議課時(shí)：4學(xué)時(shí)知識(shí)目標(biāo)（1） 能夠描述燃料電池汽車的定義和類型。（2）能夠描述燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)組成和工作原理技能目標(biāo)（1）能夠進(jìn)行燃料電池汽車行駛無(wú)力故障的基本診斷.素養(yǎng)目標(biāo)（1）能夠制訂工作計(jì)劃，獨(dú)立完成工作學(xué)習(xí)任務(wù)。（2）能夠在工作過(guò)程中，與小組其他成員合作、交流并進(jìn)行學(xué)習(xí)任務(wù)分工，具備團(tuán)隊(duì)合作和安全操作的意識(shí)。（3）養(yǎng)成服從管理，規(guī)范作業(yè)的良好工作習(xí)慣。（4）培養(yǎng)安全工作的習(xí)慣。教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)一、任務(wù)導(dǎo)入二、獲取信息

2、三、任務(wù)實(shí)施學(xué)習(xí)目錄四、任務(wù)考核一、任務(wù)導(dǎo)入二、獲取信息三、任務(wù)實(shí)施學(xué)習(xí)目錄四、任務(wù)考核 任務(wù)導(dǎo)入一輛燃料電池汽車因?yàn)楸凰投旭偀o(wú)力，主管要求進(jìn)行故障診斷并排除，你能完成這個(gè)任務(wù)嗎？ 任務(wù)導(dǎo)入一輛燃料電池汽車因?yàn)楸凰投旭偀o(wú)力，主管要求進(jìn)行引導(dǎo)問(wèn)題1 : 什么是燃料電池汽車？燃料電池汽車有哪些類型？獲取信息1. 燃料電池汽車的現(xiàn)狀與發(fā)展（1）燃料電池燃料電池（Fuel Cell）是一種把氫在氧化時(shí)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，能量的轉(zhuǎn)換不受卡諾定律的限制，熱效率可達(dá)到 70%80%。燃料電池在運(yùn)行過(guò)程中，不需要復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，不需要潤(rùn)滑劑，沒(méi)有振動(dòng)與噪聲，燃料電池向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電源

3、來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。燃料電池是由負(fù)極（燃料極）、正極（氧化極）和正負(fù)極之間的電解質(zhì)共同組成的，根據(jù)不同種類的燃料電池采用了不同的電解質(zhì)，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)。在燃料電池負(fù)極一側(cè)輸入氫氣，在燃料電池正極一側(cè)輸入空氣或氧氣， 氫與氧經(jīng)催化劑的作用，在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)生成水 H 2 O。因此，它不會(huì)排放氮氧化物 NO x 和碳?xì)浠衔颒C 等對(duì)大氣環(huán)境造成污染。引導(dǎo)問(wèn)題1 : 獲取信息1. 燃料電池汽車的現(xiàn)狀與發(fā)展獲取信息（2）燃料電池汽車采用燃料電池作為電源的電動(dòng)汽車稱為燃料電池電動(dòng)汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV），最早的 FCEV

4、是燃料電池大客車（Fuel Cell Electric Bus，F(xiàn)CEB）。早期的 FCEV 的燃料電池本身和它的附屬設(shè)備的重量重、體積大，占據(jù)了大客車很大部分的裝載空間，擠占了乘客的乘坐空間 ，給 FCEV 的總體布置帶來(lái)很大的困難。近年來(lái)，燃料電池不斷地向小型化方向發(fā)展，使得燃料電池成功地裝配到各種類型的車輛上，如圖 5-1 所示。圖 5-1典型燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)獲取信息（2）燃料電池汽車圖 5-1典型燃料電池汽車基本結(jié)獲取信息FCEV 仍然保留了傳統(tǒng)車輛的行駛系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等。FCEV 是以電力驅(qū)動(dòng)作為唯一的驅(qū)動(dòng)模式，其電氣化和自動(dòng)化的程度大大高于內(nèi)燃機(jī)汽車。早期用

5、內(nèi)燃機(jī)汽車底盤改裝的 FCEV，在汽車底盤上布置了氫氣罐或甲醇改質(zhì)系統(tǒng)、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等總成和裝置，在進(jìn)行總體布置時(shí)受到一些局限。新研發(fā)的 FCEV 采用了滑板式底盤，將 FCEV 的氫氣罐和供應(yīng)系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等，全部裝在一個(gè)滑板式的底盤中，在底盤上部可以布置不同用途的車身系統(tǒng)和個(gè)性化造型的車身。采用了多種現(xiàn)代技術(shù)，以計(jì)算機(jī)為控制核心，并應(yīng)用了電子控制的“線傳”系統(tǒng)（Control-by-wire）、CAN 總線系統(tǒng)等，使新型燃料電池電動(dòng)車輛進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。獲取信息FCEV 仍然保留了傳統(tǒng)車輛的行駛系統(tǒng)、懸

6、架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)獲取信息2. 燃料電池汽車類型FCEV 按主要燃料種類可分為 :1）以純氫氣為燃料的 FCEV。2）以甲醇改質(zhì)后產(chǎn)生的氫氣為燃料的 FCEV。圖 5-2 為燃料電池汽車主要類型。a）以純氫氣為燃料的 FCEVb）以甲醇改質(zhì)產(chǎn)生氫氣為燃料的 FCEV1驅(qū)動(dòng)輪2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3驅(qū)動(dòng)電機(jī)4逆變器5輔助電源（輔助蓄電池、超級(jí)電容器）6燃料電池7空氣壓縮機(jī)和空氣加濕裝置8氫氣管理系統(tǒng)9中央控制器10DC-DC 變換器11氫氣罐12燃燒器和改質(zhì)器13甲醇儲(chǔ)存罐14氫凈化器 圖 5-2燃料電池汽車主要類型獲取信息2. 燃料電池汽車類型 圖 5-2燃料電池汽車主要獲取信息FCEV 按“多電源”的配置不同，

7、可分為：1）純?nèi)剂想姵?FCEV。2）燃料電池與蓄電池混合電源的 FCEV。3）燃料電池與蓄電池和超級(jí)電容器混合電源的 FCEV。后兩種多電源的配置方式是 FCEV 的主要配置方式。輔助電源用于提供起動(dòng)電流和回收制動(dòng)反饋的電能。圖 5-3FCEV 分類獲取信息FCEV 按“多電源”的配置不同，可分為：圖 5-3引導(dǎo)問(wèn)題1 : 燃料電池汽車由哪些結(jié)構(gòu)組成？燃料電池汽車是如何工作的？獲取信息1. 燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)組成燃料電池汽車（FCEV）一般由燃料箱、燃料電池、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)和輔助電池組等部分構(gòu)成，如圖 5-4 所示。圖 5-4燃料電池汽車組成部件引導(dǎo)問(wèn)題1 : 獲取信息1.

8、 燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)組成圖 獲取信息（1）燃料電池組它是 FCEV 的電源，由多個(gè) 1V 以下的燃料電池串聯(lián)組成。它是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，單體燃料電池主要由電解質(zhì)膜、燃料電極、隔板、空氣電極和集流板等組成。正、負(fù)極板采用活性炭制成，置于電解質(zhì)溶液中，如圖 5-5 所示。圖 5-5燃料電池的基本結(jié)構(gòu)獲取信息（1）燃料電池組圖 5-5燃料電池的基本結(jié)構(gòu)獲取信息燃料電池工作時(shí)，外界不斷供給負(fù)極氫氣，供給正極空氣，在催化劑（鉑、多孔石墨等）作用下，產(chǎn)生如下反應(yīng)：負(fù)極：2H 2 4e 4H +正極：O 2 + 4H + +4

9、e 2H 2 O負(fù)極經(jīng)催化劑作用，氫原子中的電子被分離出來(lái)，在正極吸引下，在外電路形成電流，失去電子的氫離子，在正極與氧及電子結(jié)合為水，氧可從空氣中獲得，只要不斷地供給氫氣和帶走水，燃料電池就可不斷供給電能，如圖 5-6 所示。圖 5-6燃料電池的工作原理獲取信息燃料電池工作時(shí)，外界不斷供給負(fù)極氫氣，供給正極空氣，獲取信息（2）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)用于控制燃料電池的反應(yīng)過(guò)程（起動(dòng)、反應(yīng)、輸出電能的調(diào)整、停止等）和電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程。車輛所有工作狀態(tài)由各種傳感器采集，集中反饋到車載電控中心，由各監(jiān)管控制模塊控制燃料電池組和電機(jī)安全運(yùn)行，如圖 5-7 所示。圖 5-7燃料電池汽車控制系統(tǒng)獲取信息（2）控制

10、系統(tǒng)圖 5-7燃料電池汽車控制系統(tǒng)獲取信息（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)燃料電池需要經(jīng)過(guò)專用的大功率動(dòng)力 DC-DC 變換器，將產(chǎn)生的直流電流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓的直流電流，然后經(jīng)過(guò)逆變器變換為交流電輸送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）輔助動(dòng)力系統(tǒng)通常在 FCEV 上還要裝配一個(gè)蓄電池組作為輔助電源，其作用如下。1）用于 FCEV 快速起動(dòng)。2）用于在再生制動(dòng)時(shí)儲(chǔ)存 FCEV 反饋的電能。3）為電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等電氣設(shè)備提供低壓電源。獲取信息（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲取信息2. 燃料電池汽車工作原理燃料電池工作時(shí)，由燃料箱不斷地供給燃料，燃料電池把燃料氧化的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┙o驅(qū)動(dòng)電

11、機(jī)，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá) 60% 80%，為內(nèi)燃機(jī)的 23 倍。在電動(dòng)汽車開(kāi)始行駛時(shí)，輔助蓄電池組處于電量飽滿狀態(tài)，其能量輸出可以滿足汽車起動(dòng)要求，由其為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量，并對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)不需要工作；當(dāng)蓄電池組電量低于一定值時(shí)，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)，由燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量，當(dāng)車輛能量需求較大時(shí)，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)與蓄電池組同時(shí)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量；車輛能量需求較小時(shí)，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還給蓄電池組進(jìn)行充電。獲取信息2. 燃料電池汽車工作原理獲取信息FCEV 的各種工作狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)，可以從儀表板

12、上直觀看出，奔馳 B 級(jí)氫燃料電池汽車儀表板如圖 5-8 所示，右下側(cè)小表是顯示氫氣儲(chǔ)量，相當(dāng)于油箱油位指示器。圖 5-8奔馳 B 級(jí)燃料電池汽車儀表板獲取信息FCEV 的各種工作狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)，可以從儀表板上直1. 實(shí)施要求本操作任務(wù)是在掌握燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)燃料電池汽車進(jìn)行故障診斷分析。2. 實(shí)施準(zhǔn)備1）防護(hù)裝備：常規(guī)實(shí)訓(xùn)著裝。2）車輛、臺(tái)架、總成：燃料電池示教板、臺(tái)架或?qū)嵻嚒?）專用工具、設(shè)備： 無(wú)。4）手工工具：普通拆裝工具。5）輔助材料： 無(wú)。任務(wù)實(shí)施1. 實(shí)施要求任務(wù)實(shí)施3. 實(shí)施步驟下面是燃料電池電動(dòng)汽車“水淹”故障的案例分析。通常，在氫氣側(cè)電極發(fā)生水淹現(xiàn)象時(shí)，

13、燃料電池汽車會(huì)出現(xiàn)行駛無(wú)力情況，這種情況可能發(fā)生在氫氣側(cè)電極。故障產(chǎn)生原因在燃料電池的運(yùn)行過(guò)程中，電池內(nèi)的水狀況較為復(fù)雜。反應(yīng)氣需要增濕，由此帶入電池內(nèi)一些水。氫質(zhì)子從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極，需要水做載體，從而部分水從氫氣側(cè)遷移到空氣側(cè)，在空氣側(cè)氫氧反應(yīng)生成水，空氣側(cè)水含量較高，還存在從空氣側(cè)向氫氣側(cè)擴(kuò)散（擬遷移）的現(xiàn)象，同時(shí)排氣帶走大量水蒸氣。如果在流場(chǎng)內(nèi)不能保持水平衡，必然出現(xiàn)流場(chǎng)水淹或膜脫水的現(xiàn)象。通?？諝鈧?cè)流量較大，帶水能力較強(qiáng)，而氫氣側(cè)往往是只進(jìn)氣不排氣，偶爾脈沖排氣，氣流速度低，容易出現(xiàn)積水現(xiàn)象。因此，一般水淹發(fā)生在氫氣側(cè)。液態(tài)水在流道內(nèi)逐漸積聚，最后堵塞流道，這就是通常所說(shuō)的“水淹”現(xiàn)象

14、。任務(wù)實(shí)施3. 實(shí)施步驟任務(wù)實(shí)施故障檢測(cè)與排除在燃料電池正常工作的情況下，燃料電池堆的氫氣側(cè)壓力降隨著負(fù)載的增大而線性增大。當(dāng)燃料電池堆中出現(xiàn)積水現(xiàn)象時(shí)，即使流道尚未被液態(tài)水堵死，但由于液態(tài)水附著于流道壁面，使得氣體通道的流通界面縮小，壓力明顯增大。這種現(xiàn)象不僅在單體電池內(nèi)存在，在燃料電池堆內(nèi)也存在。因?yàn)榉e水是一個(gè)液態(tài)水逐漸增多的過(guò)程，在電池堆內(nèi)各片電池發(fā)生液態(tài)水增多的趨勢(shì)是一致的。在發(fā)生積水增多過(guò)程中，氣體流通的總截面逐漸縮小，壓力降必然增大。通過(guò)壓力降監(jiān)測(cè)，可以得知流道尚未被堵死之前液態(tài)水增多的趨勢(shì)，由此可以用壓力降預(yù)警水淹的發(fā)生。解決燃料電池水淹的方法有兩種：第一種方法是脈沖排氣法。通過(guò)

15、故障診斷系統(tǒng)控制排氣閥門開(kāi)啟，即突然將氫氣側(cè)尾端打開(kāi)，通過(guò)氫氣壓力波將水排出。第二種方法是通過(guò)調(diào)節(jié)電池堆工作溫度進(jìn)行解決。燃料電池堆發(fā)生水淹是由于堆內(nèi)的水過(guò)多，導(dǎo)致堆內(nèi)的水蒸氣過(guò)飽和，逐漸析出液態(tài)水?？梢酝ㄟ^(guò)控制系統(tǒng)用脈寬調(diào)制法調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，并對(duì)冷卻的循環(huán)水加熱，提高電池堆的運(yùn)行溫度，這樣使得堆內(nèi)氣體可以容納更多的水蒸氣，從而解決“水淹”問(wèn)題。任務(wù)實(shí)施故障檢測(cè)與排除任務(wù)實(shí)施1.判斷題。（1）燃料電池（Fuel Cell）是一種把氫在氧化時(shí)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，能量的轉(zhuǎn)換不受卡諾定律的限制，熱效率可達(dá)到 80%95%。（）（2）燃料電池是由負(fù)極（燃料極）、正極（氧化極）和正負(fù)極之間的電解質(zhì)共同組成的，根據(jù)不同種類的燃料電池采用了不同的電解質(zhì)，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)。（）（3）燃料電池汽車一般由燃料箱、燃料電池、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)和電池組等部分構(gòu)成。（）（4）燃料電池組是 FCEV 的電源，由多個(gè) 1V 以下的燃料電池并聯(lián)組成。它是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。（）（5）燃料電池需要經(jīng)過(guò)專用的大功率動(dòng)力 DC-DC 變換