新能源汽車結(jié)構(gòu)與工況實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書

1、精選文庫新能源汽車應(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)識以氫為燃料的燃料電池汽車動力電池的基本構(gòu)成和工作原理；2.通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)掌握油-電混合動力汽沁能源汽車車動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-電混合動力汽車1臺；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-電混合動力汽車 圖2 燃料電池仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺豐田PRIUS-普瑞斯2007版PSHEV油-電混合動

2、力汽車1臺?；緟?shù)：裝有THS混合動力系統(tǒng)(Toyota Hybrid System)；1.5L直列四缸汽油機(jī)功率51.5 kW；驅(qū)動電機(jī)為500 V永磁無刷電機(jī)功率33 kW；電動/發(fā)電機(jī)為永磁交流同步電機(jī)；201 V鎳-氫動力電池重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PEMFC為測控對象，采用LabVIEW進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，利用該平臺可以展現(xiàn)燃料電池的工作原理，測試燃料電池堆的性能和運(yùn)行狀態(tài)，全面監(jiān)測各種參數(shù)與電池堆性能之間的關(guān)系，通過控制單元控制電

3、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)知識新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(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力汽車（HEV）、純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、氫發(fā)動機(jī)汽車、其他新能源（如高效儲能器、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，簡稱PEMFC，由于它適用范圍廣，無需特殊

4、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，流場主要是引導(dǎo)反應(yīng)劑在電池氣室內(nèi)的流動，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

5、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)分別送入陽極

6、和陰極流道，H2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H2在催化劑的作用下發(fā)生電極反應(yīng)：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：總化學(xué)反應(yīng)為： PEMFC具有以下主要特點(diǎn)：(1) 可在室溫條件下運(yùn)行，并啟動迅速。(2) 能量轉(zhuǎn)化效率高。效率高達(dá)50%-60%，通過對余熱的二次利用，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)動部件，工作時(shí)僅有氣體和

7、水的流動。(5) 成本高(目前主要表現(xiàn)為材料價(jià)格昂貴)。2. 混合動力汽車混合動力是指那些采用傳統(tǒng)燃料的，同時(shí)配以電動機(jī)/發(fā)動機(jī)來改善低速動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力和柴油混合動力兩種。目前國內(nèi)市場上，混合動力車輛的主流都是汽油混合動力，而國際市場上柴油混合動力車型發(fā)展也很快?；旌蟿恿ζ嚨膬?yōu)點(diǎn)是：（1）采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內(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

8、）因?yàn)橛辛穗姵兀?可以十分方便地回收制動時(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，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，延長使用壽命，降低成本?；旌蟿恿ζ嚨娜秉c(diǎn):長距離高速行駛基本不能省油。混合動力汽車的關(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機(jī)電機(jī)和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。 混合動力總成以動力傳

9、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)式動力由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)三部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)方式組成SHEV動力單元系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機(jī)，由電動機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動汽車。小負(fù)荷時(shí)由電池驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動車輪，大負(fù)荷時(shí)由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動電動機(jī)。當(dāng)車輛處于啟動、加速、爬坡工況時(shí)，發(fā)動機(jī)、電動機(jī)組和電池組共同向電動機(jī)提供電能；當(dāng)電動車處于低速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由電池組驅(qū)動電動機(jī)，當(dāng)電池組缺電時(shí)則由發(fā)動機(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

10、池和電動機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機(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)動機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動汽車，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動又可以單獨(dú)驅(qū)動。當(dāng)汽車加速爬坡時(shí)，電動機(jī)和發(fā)動機(jī)能夠同時(shí)向傳動機(jī)構(gòu)提供動力，一旦汽車車速達(dá)到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動機(jī)維持該速度。電動機(jī)既可以作電動機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用，又稱為電動發(fā)電機(jī)組。由于沒有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動機(jī)可以直接通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通汽

11、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)。動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，根據(jù)助力裝置不同，它又分為發(fā)動機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。以發(fā)動機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為主動力源，電機(jī)為輔助動力源；以電機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為輔助動力源，電機(jī)為主動力源。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-電混合動力汽車實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）豐田混聯(lián)式油-電混合動力汽車動力總成的及其主要部件的結(jié)構(gòu)與功能。高壓電池發(fā)電機(jī)MG1發(fā)動機(jī)變頻器電動機(jī)MG2行星齒輪組圖6 豐田普瑞斯THS II混和動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖THS II 結(jié)構(gòu)-發(fā)動機(jī)采用1NZ-FX

12、E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)動機(jī)。THS II 結(jié)構(gòu)-驅(qū)動橋包含交流500V電動機(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)動機(jī) 圖8 THS II 結(jié)構(gòu)-驅(qū)動橋圖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12

13、V；A/C 變頻器：DC AC驅(qū)動，A/C 壓縮機(jī)。（2）觀察混聯(lián)式油-電混合動力汽車基本運(yùn)行工況混聯(lián)式油-電混合動力汽車行駛方式：車輛可由汽油機(jī)來驅(qū)動，而無需對車輛進(jìn)行充電；如果車輛電池的電量消耗，發(fā)動機(jī)會驅(qū)動發(fā)電機(jī)，對電池充電；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)動機(jī)停機(jī)；車輛起動后，發(fā)動機(jī)的起動由系統(tǒng)自動控制。油-電混合動力汽車的幾種典型運(yùn)行工況：發(fā)動機(jī)為動力電池充電：動力電池容量低于額定值時(shí)，發(fā)動機(jī)自動為動力電池充電。啟動與低速行駛：汽車由靜止開始低速行駛時(shí)由驅(qū)動電機(jī)推動汽車前進(jìn)。車速到達(dá)一定值時(shí)，“電動/發(fā)電機(jī)”處于電動機(jī)狀態(tài)，啟動發(fā)動機(jī)

14、；發(fā)動機(jī)啟動后，“電動/發(fā)電機(jī)”處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，向動力電池充電。正常時(shí)速行駛：汽車由發(fā)動機(jī)驅(qū)動。加速行駛：發(fā)動機(jī)節(jié)氣門全開；發(fā)動機(jī)-驅(qū)動電機(jī)混合驅(qū)動。發(fā)動機(jī)動力傳遞路線是：發(fā)動機(jī)THS混合動力系統(tǒng)車輪；動力電池動力傳遞路線是：動力電池電流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電機(jī)THS混合動力系統(tǒng)車輪；發(fā)動機(jī)-驅(qū)動電機(jī)的動力在THS混合動力系統(tǒng)上混合。由教師駕駛車輛行駛，模擬混聯(lián)式油-電混合動力汽車三種基本運(yùn)行工況，學(xué)生觀察并思考。發(fā)動機(jī)為動力電池充電工況演示驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動低速行駛工況演示油-電混合動力驅(qū)動低速行駛工況演示圖11 充電工況演示 圖12 電機(jī)驅(qū)動低速行駛工況演示圖13油-電混合動力驅(qū)動低速行駛工況演示2. 氫

15、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)平臺如圖14所示，平臺中的設(shè)備主要包括：兩級減壓閥，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。圖14 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺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。控制器自動的監(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的動態(tài)變化曲線，檢測曲線上不同參數(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)電動汽車的負(fù)載特性，體現(xiàn)電動汽車不同的運(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)載的動態(tài)變化過程并檢測相應(yīng)的性能參數(shù)。由教師操作，燃料電池工作開始發(fā)電，模擬負(fù)載變化后，記錄燃料電池系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律，學(xué)生觀察并思考分析。圖15 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺數(shù)據(jù)采集五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1通過查找資料、教師講解與實(shí)物觀察，詳