燃料电池汽车的关键技术(汽车工程师,2009).doc

本文由pmsl1贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2009(9) OVERVIEW 行业观察 Auto Engineer 燃料电池汽车的关键技术 崔淑娟 （武汉理工大学） 摘要： 电动汽车是一种高科技、高投入及无污染的新型交通工具，近些年来得到了迅猛发展。文章介绍了国内外电 动汽车的发展现状，从电子技术、信息技术以及系统优化等角度阐述了燃料电池汽车开发中的关键技术，指出作 为一种清洁和高效的发电动力，燃料电池有望成为下一代的车辆动力装置。 关键词： 电动汽车； 燃料电池汽车； 燃料电池； 关键技术 Key Technologies of Full Cell Electric Vehicle Abstract: Full cell electric vehicle is a kind of transportation means with high-tech, high investment and no pollution. In recent years electric vehicles has been developed quickly. The development status of the electric vehicles is introduced in this article. From electronic technology, information technology and system optimization, the key technology of full cell electric vehicle is described. It is indicated that as a clean and efficient generation technology, full cell will become the next power device of the vehicles. Key words: Electric vehicle; Full cell electric vehicle; Fuel cell; Key technology 电动汽车是 21 世纪清洁、高效和可持续的交通 工具，电动汽车包括电池电动汽车或者纯电动汽车 （BHE），混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池电 节约燃油 动汽车（FCEV） 。由于石油危机的出现， 被人们普遍关注，电动汽车呈现出加速发展的趋势， 混合电动车在其后的 30 年中，并未能实现市场化 2。 1 电动汽车具有续驶里程长、充电速度快以及充放电循 环次数高等主要优点，一次完全充电最大行驶距离可 达 100 300 km，最高时速可达 80 100 km，一次 完全充电时间 3 h 左右，耗电小于 1.6（kWh）/km。 有关检测数据表明，使用该混合纯电动汽车可减少 70% 80%3。 1.2 国外发展现状 近 20 年来，研制和开发电动汽车已经成为一种 世界新潮流，美国、法国、日本、德国、英国、意大 利及瑞士等国已率先跨入电动汽车产业化和商业化的 行列。从目前世界的整体形势来看，日本是电动汽车 技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混 合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。 有关统计数据显示，丰田汽车公司已占有全球混合动 力汽车市场 90% 的份额，其全球混合动力车的销售 - 15 - 并在过去的几十年迅猛发展。 但由于成本方面的因素， 97% 98% 的汽车废气排放，同时可节省能源费用 1 电动汽车的国内外发展现状 目前中国在电动汽车产业化方面已取得了进展， 1.1 国内发展现状 一些试点线路已经获得了微利，这个成就是其他国 家所没有的。目前已有 10 辆电池 - 电容混合型电动 汽车在上海 825 路公交车上线运营，2009 年还将在 上海其他公交线路上扩大使用。另外，国家电网公 司赠送给山东的 10 辆奥运会用电动汽车也采用了电 池 - 电容混合动力总成技术。这种电池 - 电容混合型 Auto Engineer 行业观察 OVERVIEW 7）估计合适的充电算法； 2009 年 9 月 8）分析能源，尤其是蓄电池的工作记录； 9）诊断能源的任何不恰当或者无效的操作。 把能源管理系统和导航系统结合起来，就可以规 划能源效率的路径，锁定充电站的位置并可以根据交 通状态预测可行驶里程。总之，能源管理系统综合了 多功能、灵活和可变的显著优点，从而可以合理利用 有限的车载能源 1。 3.1 燃料电池 同电化学电池相比，燃料电池的显著优点在于燃 是因为燃料电池电动汽车的行驶里程仅与燃料箱中的 燃料电池的尺寸仅与电动汽车的功率需求水平有关。 燃料电池的优点：1）反应物加料时间远远短于电化 学电池的充电时间（机械充电式电池除外）；2）使 用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量更小。 燃料电池是一个能量生成装置， 同普通电池相比， 并且一直产生能量直至燃料用尽。燃料电池的优越性 有：1）高效率地把燃料转化为电能；2）工作安静； 3）零排放或者低排放工作；4）产生的剩余热量可以 再利用；5）燃料补充迅速，燃料易于获得；6）工作 持久可靠 4。 燃料电池电动汽车是汽车、电力拖动、功率电子、 自动控制、化学电源、计算机、新能源及新材料等工 汽车的开发和产业化需要解决诸多关键技术，如燃料 电池、电动机控制、车身和底盘设计、测试技术及系 统优化等。 3.2 燃料电池新技术 燃料电池是利用氢和氧的电化学反应来产生清洁 能源的，它不会产生 CO2。但是，由于受到氢储存技 术的限制，目前由燃料电池驱动的汽车样机和示范模 型最高行驶距离仅能达到 322 km。在标准的温度和 压力下， 如要存储足够的氢达到 483 km 的行驶距离， 就需要一个体积相当于双层巴士大小的机载燃料电 池；而其他方法如将氢气压缩储存在钢瓶里或将液化 的氢气存储在罐里等， 均因质量和体积问题无法实用。 英国 UK-SHEC 项目组的研究人员，尝试将氢以 更高的密度储存， 使电池质量控制在可接受的范围内。 他们采用“化学吸附”方法，将气体分子吸入固体化 合物的晶格间，在需要时再将其释放出来。现在，研 究人员已研制出一系列氢化锂化合物，能很好地满足 量已突破 10 万辆，达到了 11.5 万辆。到 2012 年， 将其所有的车型全部装上混合动力发动机。日本为燃 料电池汽车设定的目标是 2010 年之前在日本国内普 及 5 万辆。 美国电动汽车的生产和销售起步较早，但在电动 汽车产业化方面和日本相比有一定差距，3 大汽车公 司只是小批量生产和销售过纯电动汽车，而混合动力 和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化。 英国是 50 多年来唯一坚持大量使用电动汽车的 国家，目前全国约有电动汽车 12 万辆。其中，仅用 有关公司继续在国内外投资设厂，以便批量生产电动 瑞典、荷兰、捷克、匈牙利、挪威、前南斯拉夫、以 色列、墨西哥、澳大利亚、印度以及马来西亚等国都 在研制和开发电动汽车或电动汽车关键零部件。 于送牛奶的就达几万辆，扫地电动车 1 000 辆。同时， 料电池电动汽车可达到与燃油车一样的续驶里程，这 汽车。此外，意大利、丹麦、奥地利、芬兰、加拿大、 燃料多少有关，而与燃料电池的尺寸无关。实际上， 2 能量源 电动汽车的能量源被认为是电动汽车商业化的主 要问题。因此，在目前和不远的将来，如何发展能源 装置将会是电动汽车发展的主要问题。能源装置发展 的准则：1）高比例能量和能量密度；2）高比功率和 功率密度；3）快速充电和深度放电的能力；4）循环 和使用寿命长；5）高充电和放电效率；6）安全和低 成本；7）免维护；8）环保，可回收 1。 3 燃料电池汽车开发中的关键技术 电动汽车的关键技术包括电动技术、 自动化技术、 程技术中最新成果的集成产物。因此，燃料电池电动 电子技术、信息技术及化学技术，虽然能源是最首要 的问题，但是车身结构、电力驱动以及能源管理系统 的优化同样至关重要。 与内燃机车相比，电动汽车的行驶里程较短，因 此为了尽可能地利用车载的储存能量，必须选用合适 的能量管理系统。可以在汽车的各个子系统安装传感 器，包括车内外温度传感器、充放电时间的电流电压 传感器、电动机的电流电压传感器、车速传感器、加 速度传感器及外部气候和环境传感器。能量管理系统 可实现 9 个功能： 1）优化系统能量流； 2）预计所生的能量来估计还能行驶的路程； 3）提供参考以便进行有效操作； 4）直接从制动中获取能量存入储能元件，例如： 蓄电池； 5）根据外界的气候调节温度控制； 6）根据外界环境调节灯光亮度； - 16 - 第9期 上述要求。该项目协调人、英国牛津大学的彼得爱 德华兹教授说，“这是燃料电池行业和交通运输部门 期待已久的突破，这项关键性的突破将使燃料汽车在 未来 10 年内大量生产和应用成为可能。 ” 3.3 驱动电机技术 为了使车辆一次加够燃料后行驶更多里程，以及 最大限度地利用氢能源以及尽可能减小车辆改装后的 整备质量，这就要求电力驱动系统有高的效率和功率 质量比。 驱动电机应向着大功率、高转速、高效率和小型 化方向发展。当前驱动电机主要有感应电动机（IM） 和磁无刷电动机（PMBLM），特别是永磁无刷电动 机具有较高的功率密度和效率、体积小、惯性低和响 应快等优点，在电动汽车方面有着广阔地应用前景。 在设计和选择驱动电机时应保证电机的转矩 / 转速特 以及恒速、恒功率和变工况都应当有较高的效率。 3.4 电子控制技术 与传统汽车相同，电子控制在燃料电池汽车的发 展中也将起着越来越重要的作用。汽车的各种操纵系 统都会向着电子化和电动化的方向发展，实现“线操 控”即用导线代替机械传动机构，如“导线制动”和 “导线转向”等。现有的 12 V 动力电源已满足不了 汽车上所有电气系统的需要，而 42 V 汽车电气系统 新标准的实施，将会使汽车电器零部件的设计和结构 发生重大的变革； 同时， 机械式继电器和熔丝式保护电 路也将随之淘汰。燃料电池的特性有其自身的特点： 1）电压低，电流大；2）输出电流会随温度的升高而 升高，输出电压会随输出电流的增大而下降；3）从 开始输出电压、电流到逐渐进入稳定状态，停留在过 渡带范围内的动态反应时间较长。 正是由于以上特点， 大多数电器和电机难以适应其电压特性，所以必须和 DC/DC 变换器和 DC/AC 逆变器配合使用，需要对燃 料电池系统进行大量的功率调节以保证电压的稳定。 5 OVERVIEW 行业观察 3.5 整车系统优化技术 Auto Engineer 燃料电池电动汽车的整车系统是涉及多学科技术 的复杂系统，其性能受到多学科相关因素的影响，因 此，必须在充分考虑各影响因素的基础上，对整车系 统进行优化，可以改进燃料电池电动汽车性能和降低 整车的设计和制造成本。 整体化设计理念中，材料的轻量化和空气动力学 的充分利用被放在了最重要的位置。因为汽车在行驶 过程中，燃料消耗所产生的能量中，只有小部分是真 正被用来推动汽车和乘客，而大部分的能量都通过热 量的损失、滚动阻力、空气阻力及控制系统的低效率 等被消耗掉，其间，汽车本身的质量和空气动力学因 素起着很重要的作用。在整体化设计过程中，强调质 量的减轻，即轻量化的车身需要更轻的底盘组件和更 小的动力总成，而此组件的相互联系和组合小，但可 一步减轻系统的质量 6 性与整车负载特性匹配良好， 电机转矩的动态性能好， 以减小体积和减轻质量，甚至可以摒弃原先组件，进 。 4 结语 作为一种清洁、高效的发电动力，燃料电池有望 成为下一代的车辆动力装置。燃料电池的广泛应用有 助于节约燃料以及减少大气污染。燃料电池发动机在 短期之内尚无法取代内燃机的地位，要达到燃料电池 车辆的实用化还需要完善一系列关键技术问题。 参考文献 1 陈清泉现代电动车、电机驱动及电力电子技术 M北京 ： 机械 工业出版社，2005 2 程立文 电动车电池技术最新进展 J 电源技术， 2007(12)： 943-945 3 机械研究与应用编辑部我国纯电动汽车研究取得重大进展 J. 机械研究与应用，2008(4) ： 51 4 陈清泉现代电动汽车技术 M北京： 北京理工大学出版社， 2002 5 中国科技产业编辑部氢燃料电池研发获重大突破 J中国科 技产业，2007 （6） 65 ： 6 梁 婷 燃 料电 池 汽 车 的关 键 技 术 探 讨 J. 中国高 新技 术产业， 2007(3) ： 76-80 ( 收稿日期 ： 2009-06-18) 欢迎踊跃投稿 - 17 - 燃料电池汽车的关键技术 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数： 崔淑娟， CUI Shujuan 武汉理工大学 汽车工程师 AUTO ENGINEER 2009，(9) 0次 参考文献(6条) 1.陈清泉 现代电动车、电机驱动及电力电子技术 2005 2.程立文 电动车电池技术最新进展 2007(12) 3.机械研究与应用编辑部 我国纯电动汽车研究取得重大进展 2008(4) 4.陈清泉 现代电动汽车技术 2002 5.中国科技产业编辑部 氢燃料电池研发获重大突破 2007(6) 6.梁婷 燃料电池汽车的关键技术探讨 2007(3) 相似文献(10条) 1.会议论文 陈清泉 可持续交通的挑战谈电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的最近发展和挑战 2006 汽车的出现已经一百多年,它的出现改变了世界,经历了从欧洲的手工生产,到美国的自动化生产,到日本的精益生产.它促进了经济的发展,改善了人们的生活,但是发展到今天,也带 来严重的三大问题,即能源,环保和安全.这是可持续交通的三大挑战,也是21世纪汽车革命的方向.因此,要改造汽车的驱动动力和燃料.动力的改造包括研制新型发动机,革新发动机的燃 烧及其控制,使其提高燃油经济型和减少排放,另外要开发电动汽车,包括纯电动汽车,混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车.从燃料方面要研发新型清洁燃料,诸如天然气、液化汽、生 物柴油、氢气等.本文介绍电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的最近发展和挑战。 2.期刊论文 陈清泉.CHEN Qing-quan 可持续道路交通的挑战:电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的技术路线和产业化路线 -机械制 造与自动化2009,38(2) 可持续道路交通的关键在于开发清洁、高效、智能的新能源汽车,包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等.要成功开发这些新能源汽车有赖于正确的技术路线和产业化路 线.根据作者30多年从事电动汽车研发的经验,指出研发电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的正确技术路线和产业化路线,供读者参考讨论. 3.学位论文 鞠晓锋 燃料电池汽车轻量化技术研究 2007 由于能源危机和环境问题的日益突出，现阶段世界各国均十分关注新型能源汽车技术。其中，燃料电池电动汽车(FCEV)具有节能和清洁双重优势，成为当前新能源汽车技术中，最 有前途的解决方案之一。我国在燃料电池汽车的研究走在了世界的前列，目前研制成功的“超越三号”燃料电池轿车各项性能指标都达到了世界先进水平。但是由于燃料电池汽车的特 殊性，使得整车结构设计和总布置存在很多困难，而且整车质量较传统汽车大大增加。这些对燃料电池汽车的性能影响重大，尤其是超重。 因此本文从燃料电池轿车“超越三号 ”轻量化研究入手，详细说明了汽车轻量化对能源、环境和汽车(尤其是燃料电池汽车)性能的重要意义。进而指出了“超越三号”整车轻量化研究的整体思路。由于时间和条件的限制 ，本文主要介绍了当今世界先进汽车轻量化设计的概况和作用，包括轻量化材料的使用和计算机辅助结构分析和优化。接下来主要介绍了目前汽车用轻量化材料的使用情况和性质。接 着结合“超越三号”的具体情况，对其白车身进行结构分析与优化，即在验证和指出了原车的性能和问题的基础上，对白车身修改件进行优化分析，使得白车身自重大大降低。这些都 建立在白车身性能不受影响的基础之上。然后，本文对原车设计的副车架进行全方面分析和校核，研究副车架工作环境和特性。在优化软件的协助下，对原副车架进行结构优化和重新 设计。对新设计的副车架进行校核，并且进行疲劳仿真分析。经过与实验对比分析得出，新副车架在轻量化的同时各项性能都较原件有很大的改善。最后，本文分析了汽车轻量化的发 展前景，为燃料电池汽车的轻量化项目的进一步开展提出了建议。 本文融合了轻量化与燃料电池汽车这两个未来汽车发展的主要趋势和概念，具有非常重大的科研和现实意义。 4.会议论文 袁海林 电动汽车及其驱动电机的发展概况 2006 汽车作为交通工具已有100年以上的历史,已成为人们生活的必需品.汽车工业是国民经济的支柱产业,汽车发展将带动相关行业的技术进步和产业发展,特别是轿车工业产值每增加一 个单位,相关行业至少增加2.67单位.经济发达国家在世界经济中的地位与其在世界汽车工业中的排名基本相当.但是,汽车大量使用带来了环境污染和石油的大量消耗,已出现了普遍关心 的石油危机、环境污染和地球温室化等问题.为了解决这些问题,汽车产业界必须考虑汽车造成的环保问题和能源的可持续发展,为此世界各大汽车制造商进行了汽车新能源环保技术的研 究开发,2005年第39届日本东京车展中,在571辆来自世界各大著名汽车制造商的品种中,有79辆新型环保概念车体现了节能与能源替代的当代汽车的环保理念,其中电动汽车的开发和生产 投入的人力、物力、资金最多,取得的成果也最显著.电动汽车有纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCHV).本文介绍电动汽车及其驱动电机的发展概况。 5.期刊论文 Kenji Morita.吕少卉 21世纪的汽车动力 -拖拉机与农用运输车2005(6) 描述了传统车辆和先进车辆的现状和未来发展趋势.在21世纪,由于社会对低排放、低能耗和石油替代资源的需求,先进车辆的技术竞争趋势增强了,比如代用燃料汽车、混合电动汽 车、电动汽车和燃料电池汽车等等,总之,混合技术将发挥很重要的作用,因为它们不仅可以和内燃机结合,也可以用于燃料电池车. 6.期刊论文 张翔.钱立军.张炳力.赵韩 电动汽车仿真软件进展 -系统仿真学报2004,16(8) 介绍了当前电动汽车仿真软件的最新发展动态.首先对国内外电动汽车仿真软件的软件平台、开发工具和系统功能进行了深入的分析,然后对电动汽车仿真软件的特点和发展趋势进 行了总结,同时给出了目前流行的电动汽车仿真软件ADVISOR的实际应用评价,最后指明了我国开发电动汽车仿真软件的技术路线.该研究可以帮助制定电动汽车仿真软件的选择方案,为企 业开展混合动力轿车的仿真工作提供参考. 7.期刊论文 李学兵.邱长军.王少力.陈从桂.樊湘芳 绿色汽车的研究现状与发展方向 -现代机械2005(6) 在环境保护和能源短缺的压力下,绿色汽车在全世界得到了加速发展.本文简要地介绍了小排量汽车、混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车的概念、工作原理以及国内外的发展 现状,最后得出了绿色汽车的发展方向:电动汽车和燃料电池汽车将是未来汽车的发展方向. 8.学位论文 杨挺 燃料电池汽车DC/DC变换器的虚拟仪器测试系统研究 2008 燃料电池汽车(FCEV)是当前汽车工业的发展热点。DC/DC变换器作为其动力系统的关键零部件，需要进行大量的台架试验以获得与整车相匹配的各项性能参数。本论文主要对燃料电 池汽车用DC/DC变换器的自动测试系统进行了研究，构建了基于PXI模块化硬件与LabVIEW软件环境的虚拟仪器测试平台。 本文首先介绍了燃料电池汽车动力系统的特点以及降压式 DC/DC变换器的工作原理。根据DC/DC变换器的台架试验概况与需求分析，提出了测试系统的体系拓扑结构。论文详细介绍了目前测试行业流行的虚拟仪器体系结构及：PXI总线技术。通 过系统选型，确定了电气参数、控制器参数、环境参数测试子系统的设计方案。 其次确定了测试子系统信号传感器的选型，相应信号调理电路的硬件电路设计。分析了燃料电池