新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)及工況實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)

"新能源汽車(chē)應(yīng)用技術(shù)"課程——新能源汽車(chē)構(gòu)造與工況實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1.通過(guò)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(chē)動(dòng)力電池的根本構(gòu)成和工作原理；2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)掌握油-電混合動(dòng)力汽沁能源汽車(chē)車(chē)動(dòng)力總成及其主要部件的構(gòu)造與功能；3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)了解油-電混合動(dòng)力汽車(chē)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(chē)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(chē)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-電混合動(dòng)力汽車(chē)1臺(tái)。根本參數(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鎳-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(chē)質(zhì)量1240kg；最高車(chē)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)展軟件設(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(guò)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)控制分析軟件六局部。三、根底知識(shí)新能源汽車(chē)是指采用非常規(guī)的車(chē)用燃料作為動(dòng)力來(lái)源〔或使用常規(guī)的車(chē)用燃料、采用新型車(chē)載動(dòng)力裝置〕，綜合車(chē)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)、新構(gòu)造的汽車(chē)。新能源汽車(chē)包括混合動(dòng)力汽車(chē)〔HEV〕、純電動(dòng)汽車(chē)〔BEV，包括太陽(yáng)能汽車(chē)〕、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)〔FCEV〕、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)、其他新能源〔如高效儲(chǔ)能器、二甲醚〕汽車(chē)等各類(lèi)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(chēng)PEMFC，由于它適用圍廣，無(wú)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開(kāi)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，它的構(gòu)造如圖3所示。圖3質(zhì)子交換膜燃料電池單電池構(gòu)造原理圖圖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(chǎng)，流場(chǎng)主要是引導(dǎo)反響劑在電池氣室的流動(dòng)，確保整個(gè)電極反響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)散電極分為兩局部，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)，使其具有多孔構(gòu)造。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/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)反響的場(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(yáng)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(wú)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和氧化劑分別通過(guò)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)生電極反響：生成的H+穿過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，同時(shí)產(chǎn)生的電子經(jīng)過(guò)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)生反響生成水，水通過(guò)電極隨反響尾氣排出。陰極反響式為：總化學(xué)反響為：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(guò)對(duì)余熱的二次利用，總效率可高達(dá)80%-85%，是普通燃機(jī)的2-3倍。(3)無(wú)污染，可實(shí)現(xiàn)零排放。工作過(guò)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)本錢(qián)高(目前主要表現(xiàn)為材料價(jià)格昂貴)。2.混合動(dòng)力汽車(chē)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(chē)型。按照燃料種類(lèi)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)市場(chǎng)上，混合動(dòng)力車(chē)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(chē)型開(kāi)展也很快。混合動(dòng)力汽車(chē)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。需要大功率燃機(jī)功率缺乏時(shí)，由電池來(lái)補(bǔ)充；負(fù)荷少時(shí)，充裕的功率可發(fā)電給電池充電，由于燃機(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(chē)一樣?！?〕因?yàn)橛辛穗姵兀梢允址奖愕鼗厥罩苿?dòng)時(shí)、下坡時(shí)、怠速時(shí)的能量?！?〕在繁華市區(qū)，可關(guān)停燃機(jī)，由電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“零〞排放。〔4〕有了燃機(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(chē)遇到的難題?！?〕可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資?！?〕可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過(guò)充、過(guò)放，延長(zhǎng)使用壽命，降低本錢(qián)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的缺點(diǎn):長(zhǎng)距離高速行駛根本不能省油。混合動(dòng)力汽車(chē)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(chē)整車(chē)性能。經(jīng)過(guò)十多年的開(kāi)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)離散構(gòu)造向發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)和變速箱一體化構(gòu)造開(kāi)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(xiàn)分類(lèi)，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等三種?！?〕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)三局部動(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(guò)控制器輸送到電池或電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。小負(fù)荷時(shí)由電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)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(chē)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(chē)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)式構(gòu)造適用于城市頻繁起步和低速運(yùn)行工況，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最正確工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)整電池和電動(dòng)機(jī)的輸出來(lái)到達(dá)調(diào)整車(chē)速的目的。使發(fā)動(dòng)機(jī)防止了怠速和低速運(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?！?〕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(chē)，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(chē)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(chē)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(chē)車(chē)速到達(dá)巡航速度，汽車(chē)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(chēng)為電動(dòng)－發(fā)電機(jī)組。由于沒(méi)有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通汽車(chē)差不多，得到比擬廣泛的應(yīng)用?！?〕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。該構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，缺點(diǎn)是構(gòu)造比擬復(fù)雜。四、實(shí)驗(yàn)的容與方法、步驟1.豐田油-電混合動(dòng)力汽車(chē)實(shí)驗(yàn)容〔1〕豐田混聯(lián)式油-電混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力總成的及其主要部件的構(gòu)造與功能。高壓電池高壓電池發(fā)電機(jī)MG1發(fā)電機(jī)MG1發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)變頻器變頻器電動(dòng)機(jī)MG2電動(dòng)機(jī)MG2行星齒輪組行星齒輪組圖6豐田普瑞斯THSII混和動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)造圖①THSII構(gòu)造-發(fā)動(dòng)機(jī)采用1NZ-F*E阿特金森式直列/4缸16氣門(mén)雙頂置凸輪軸1.5升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。②THSII構(gòu)造-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，到達(dá)操作的平滑性和寧?kù)o性。圖7THSII構(gòu)造-發(fā)動(dòng)機(jī)圖8THSII構(gòu)造-驅(qū)動(dòng)橋圖9THSII構(gòu)造-HV電池圖10THSII構(gòu)造-變頻器③THSII構(gòu)造-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，安裝位于后備箱后排座位下。④THSII構(gòu)造-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：DCAC驅(qū)動(dòng)，A/C壓縮機(jī)?！?〕觀(guān)察混聯(lián)式油-電混合動(dòng)力汽車(chē)根本運(yùn)行工況混聯(lián)式油-電混合動(dòng)力汽車(chē)行駛方式：車(chē)輛可由汽油機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，而無(wú)需對(duì)車(chē)輛進(jìn)展充電；如果車(chē)輛電池的電量消耗，發(fā)動(dòng)時(shí)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，對(duì)電池充電；車(chē)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(chē)輛停頓時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)；車(chē)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(chē)的幾種典型運(yùn)行工況：①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。②啟動(dòng)與低速行駛：汽車(chē)由靜止開(kāi)場(chǎng)低速行駛時(shí)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)。車(chē)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。③正常時(shí)速行駛：汽車(chē)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。④加速行駛：發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)；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(xiàn)是：發(fā)動(dòng)機(jī)→THS混合動(dòng)力系統(tǒng)→車(chē)輪；動(dòng)力電池動(dòng)力傳遞路線(xiàn)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(chē)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(chē)輛行駛，模擬混聯(lián)式油-電混合動(dòng)力汽車(chē)三種根本運(yùn)行工況，學(xué)生觀(guān)察并思考。①發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力電池充電工況演示②驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)低速行駛工況演示③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)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(kāi)關(guān)1個(gè)，負(fù)載開(kāi)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)，電路接口假設(shè)干。圖14燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)①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)操作平安，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。②計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)紀(jì)錄不同的特性曲線(xiàn)，如V-I、P-I、P-V的動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)，檢測(cè)曲線(xiàn)上不同參數(shù)及各種參數(shù)間的作用。③直流電機(jī)作為演示用負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)載特性，表達(dá)電動(dòng)汽車(chē)不同的運(yùn)行工況，并可以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不同參數(shù)。④可以設(shè)定負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程并檢測(cè)相應(yīng)的性能參數(shù)。由教師操作，燃料