第8章 燃料電池電動汽車簡介《新能源汽車整車控制技術(shù)》教學(xué)課件

8.1燃料電池電動汽車的類型8.2質(zhì)子交換膜燃料電池8.3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與車載氫氣安全第8章

燃料電池電動汽車簡介燃料電池電動汽車是指以氫氣、甲醇等為燃料,通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流,依靠電動機驅(qū)動的汽車。其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用,而不是經(jīng)過燃燒直接變成電能或動能的。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會產(chǎn)生有害物質(zhì),燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2～3倍。單個的燃料電池必須組合成燃料電池組,以便獲得必需的動力,滿足車輛使用的要求。從能源的利用和環(huán)境保護方面而論,燃料電池電動汽車是一種理想的車輛,所以,燃料電池電動汽車被認為是電動汽車發(fā)展的終極目標(biāo)8.1燃料電池電動汽車的類型及構(gòu)成

8.1.1按有無蓄能裝置分類根據(jù)燃料電池電動汽車是否配備蓄能裝置,可把燃料電池電動汽車分為純?nèi)剂想姵仉妱悠嚭突旌闲腿剂想姵仉妱悠噧纱箢悺?.純?nèi)剂想姵仉妱悠嚰內(nèi)剂想姵仉妱悠嚨娜剂想姵厥请妱悠嚿想娔艿奈ㄒ粊碓础?.混合型燃料電池電動汽車混合型燃料電池電動汽車上除燃料電池外,還同時配備了蓄能裝置(如蓄電池、超級電容或飛輪電池等)8.1.2按燃料電池與蓄電池的結(jié)構(gòu)關(guān)系分類根據(jù)混合型燃料電池電動汽車中燃料電池和蓄電池的電路結(jié)構(gòu),可將混合型燃料電池電動汽車分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種1.串聯(lián)式燃料電池電動汽車燃料電池相當(dāng)于車載發(fā)電裝置,通過DC/DC轉(zhuǎn)換器進行電壓變換后對蓄電池充電,再由蓄電池向電動機提供驅(qū)動車輛的全部電力2.并聯(lián)式燃料電池電動汽車并聯(lián)式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)由燃料電池和蓄電池共同向電動機提供動力。8.1.3按提供的燃料不同分類

根據(jù)燃料電池所提供的燃料不同,燃料電池電動汽車又可分為直接燃料電池電動汽車和重整燃料電池電動汽車兩大類。1.直接燃料電池電動汽車直接燃料電池電動汽車的燃料主要是純氫,也可以用甲醇等燃料。采用純氫作燃料的燃料電池電動汽車,其氫燃料的儲存方式有壓縮氫氣、液態(tài)氫和合金(碳納米管)吸附氫等幾種。2.重整燃料電池電動汽車重整燃料電池電動汽車的燃料主要有汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等。重整燃料電池電動汽車的結(jié)構(gòu)要比氫燃料電池電動汽車復(fù)雜得多。8.1.4燃料電池電動汽車的構(gòu)成

燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)的基本組成部分有燃料電池系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、輔助蓄能裝置及驅(qū)動電動機。1.燃料電池系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的核心是燃料電池電堆。此外,其還配備了氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、氣體加濕系統(tǒng)、水循環(huán)及反應(yīng)物生成處理系統(tǒng)等,用以確保燃料電池堆正常工作。2.輔助蓄能裝置混合式燃料電池電動汽車還配備輔助蓄能裝置。輔助蓄能裝置可采用蓄電池、超級電容和飛輪電池中的一種組成雙電源的混合動力系統(tǒng),或采用蓄電池+超級電容、蓄電池+飛輪電池的三電源系統(tǒng)3.驅(qū)動電動機驅(qū)動電動機用于將電源所提供的電能轉(zhuǎn)換為電磁轉(zhuǎn)矩,并通過傳動裝置驅(qū)動車輛行駛。與純電動汽車和混合動力汽車一樣,燃料電池電動汽車用驅(qū)動電動機也可采用直流有刷電動機、交流異步電動機、交流同步電動機、永磁無刷直流電動機和開關(guān)磁阻電動機等。4.電子控制系統(tǒng)燃料電池電動汽車的電子控制系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)控制器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、輔助蓄能裝置能量管理系統(tǒng)、電動機驅(qū)動控制器及整車協(xié)調(diào)控制器等,各控制功能模塊通過總線連接8.1.5燃料電池汽車的效率

氫燃料電池的效率大約在60%,甲醇燃料電池的效率是8%

45%,而內(nèi)燃機的效率僅為30%

40%。當(dāng)前乘用車的負載率在15%

20%,而公共汽車或卡車則在30%左右。在這種負載率下,無論是噴射汽油發(fā)動機或是柴油發(fā)動機,其效率都在25%

30%,而使用氫氣的燃料電池發(fā)動機在這一負載范圍內(nèi)的效率高達50%以上。氫燃料電池發(fā)動機與先進噴射汽油發(fā)動機及柴油發(fā)動機的效率比較燃料電池車輛與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛的效率比較8.1.6燃料電池電動汽車的性能與關(guān)鍵技術(shù)對于燃料電池電動汽車而言,最被關(guān)注的性能指標(biāo)主要有續(xù)駛里程、最高車速、最大爬坡度、最大轉(zhuǎn)矩、功率及最大功率等。這些性能指標(biāo)的高低,除了與燃料電池技術(shù)這一關(guān)鍵因素有關(guān)外,還與車載儲氫技術(shù)、輔助蓄能裝置、電動機及其控制技術(shù)、系統(tǒng)管理策略與電子控制技術(shù)等有關(guān)8.2質(zhì)子交換膜燃料電池

現(xiàn)代燃料電池電動汽車主要裝用燃料電池發(fā)動機來提供電能,燃料電池發(fā)動機以氫氣為燃料,由單體燃料電池組成的燃料電池組(堆),以及氣體供應(yīng)系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)等輔助裝備共同組成。當(dāng)前常見的燃料電池組主要類型為質(zhì)子交換膜燃料電池組。8.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池的基本性能質(zhì)子交換膜燃料電池又名固體高聚合物電解質(zhì)燃料電池,其燃料有:壓縮氫氣、液化氫、儲氫合金儲存的氫氣、甲醇改質(zhì)產(chǎn)生的氫氣、汽油改質(zhì)產(chǎn)生的氫氣等。氧化物有:氧化劑和空氣。其工作溫度一般在80℃左右,當(dāng)溫度在80℃左右時易于快速起動,電池能夠在-20℃時起動。8.2.2單體質(zhì)子交換膜燃料電池

1.單體質(zhì)子交換膜燃料電池的構(gòu)造單體質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件包括:陰極(氫燃料極)、陽極(氧化極)、質(zhì)子交換膜和催化劑等2.單體質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理8.2.3燃料電池組(堆)

燃料電池組的構(gòu)造燃料電池組是由多個單體質(zhì)子交換膜燃料電池串聯(lián)組成,單體質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓為0.7~1V,串聯(lián)成燃料電池組的總電壓達250~500V,以保證燃料電池汽車驅(qū)動電動機所需要的工作電壓和電流質(zhì)子交換膜燃料電池組l―端板;2―質(zhì)子交換膜;3―正極雙集板;4―負極雙集板8.3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與車載氫氣安全

8.3.1燃料電池發(fā)電系統(tǒng)單獨的燃料電池堆是不能發(fā)電并用于汽車的,它必須和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和一個能使上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)8.3.2燃料電池的電源復(fù)合結(jié)構(gòu)

純?nèi)剂想姵?PFC)只有燃料電池一個能量源。這種結(jié)構(gòu)中燃料電池的額定功率大,成本高,對冷起動時間、耐起動循環(huán)次數(shù)、負荷變化的響應(yīng)等提出了很高的要求。1.燃料電池+輔助電池聯(lián)合驅(qū)動(FC+B)結(jié)構(gòu)FC+B結(jié)構(gòu)中,有燃料電池和輔助動力裝置(蓄電池或超級電容)兩個動力源。2.燃料電池+輔助電池+超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FC+B+C)結(jié)構(gòu)燃料電池+蓄電池+超級電容的混合電源,超級電容具有大電流的充電和放電特性單向DC/DC燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.3.3FCEV的多電源電力總成控制策略FCEV的多電源電力總成的管理是一個多層次的管理系統(tǒng)，F(xiàn)CEV上的最髙層次的管理是整車管理，整車管理策略是以整車性能、節(jié)能、環(huán)保等方面管理為