课件10 - 燃料电池汽车维修

项目十、燃料电池电动汽车,xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx,xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx,学习导航,学习目标,掌握燃料电池的类型与原理掌握燃料电池汽车的结构类型掌握燃料电池汽车的关键元器件的作用与原理掌握燃料电池汽车的储氢方式掌握燃料电池汽车整车控制系统,此处贴入教材的封面所有ppt需要设置为阅读权限后公布。,10.1.1燃料电池,什么是燃料电池汽车？我国在燃料电池汽车战略上做了哪些工作推动？,10.1.1燃料电池,燃料电池电动汽车的优势,（1）汽车开始行驶时，蓄电池组为驱动系统提供能量，并对燃料电池进行预热，燃料电池动力系统不需要工作。,（2）当氢气供给足够时，燃料电池动力系统起动，由燃料电池动力系统为驱动系统提供能量。（3）当车辆能量需求较大时，燃料电池动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量。（4）当车辆能量需求较小时，燃料电池动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。,10.1.1燃料电池,燃料电池汽车的工作原理是什么？,燃料电池汽车（FCV）因其具有安静、高效和零污染（或低污染）排放的特点，同时续驶里程完全可以和内燃机汽车相媲美，具有结束内燃机汽车百年统治地位的潜力。请思考：燃料电池的燃料有哪些？,10.1.1燃料电池,请思考：汽车燃料电池的工作原理是什么？请说说其电化学反应的过程。,燃料电池的工作原理与普通电池基本相同，也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是，传统电池是事先填充好内部物质，化学反应结束后，不能再释放出电能；而燃料电池进行化学反应所需的物质是由外部不断填充的，中途供应燃料，就能源源不断地输出电能和热能。,10.1.1燃料电池,燃料电池的基本组成,燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，常用来加速电化学反应。在两电极间电位差作用下，电子经外电路流向阴极或负极，在阴极处，正离子和氧结合，产生反应物或废气。,10.1.1燃料电池,什么是活性损耗？,当电流流通时，离子在邻近负极处放电，因此在该区域中，离子浓度趋于减小。若为维持电流，则必须向电极输运离子。这一过程的发生自然归结于整体电解液中离子的分解，并起因于离子浓度梯度所形成的场直接输运的作用。,10.1.1燃料电池,请解释：什么是浓度电压降？有什么特征？,在氢氧燃料电池中，氧可以从空气中引入，当反应发生时，氧被迁移接近电极微孔中的电极表面，而在那里与在整体空气情况中相比，氧的局部压力必然下降。随着电流增加，效率下降而功率增加。因此，在低电流下运用燃料电池，即在低功率下可获得高运行效率。,10.1.1燃料电池,燃料电池的发电原理,10.1.1燃料电池,燃料电池的电流-电压曲线,燃料电池的工作电压工作时，燃料电池通过外电路形成放电电流，这时燃料电池正、负极之间的电位差（工作电压）为,10.1.1燃料电池,燃料电池有哪些类型？,10.1.1燃料电池,燃料电池正常的运行温度及其电解质的状态,10.1.1燃料电池,质子交换膜燃料电池,基本构成为：电池本体、辅助系统（包括燃料及氧化剂的循环回路，湿度、温度及压力的监控，产物水的输出及热交换装置等）和燃料及氧化剂的储存（或制造）系统。在实际应用中，还有电池的安全系统和功率调节系统。,10.1.1燃料电池,请思考：质子交换膜燃料电池催化反应是什么？,质子交换膜燃料电池采用固态聚合物膜为电解质。该聚合物膜为全氟磺酸膜，是酸性的，因此迁移的离子为氢离子（H+)或质子。质子交换膜燃料电池由纯氢和作为氧化剂的氧或空气起供给燃料。,在质子交换膜燃料电池中，另一关键性问题是水的管理。为了燃料电池的特定运行，聚合物膜必须保持温润。事实上，聚合物膜中离子的导电性需要湿度。若聚合物膜过于干燥，就没有足够的酸离子去承载质子；若聚合物膜过于湿润（被浸渍），则扩散层的细孔将被阻断，反应气体不能扩展触及催化剂。水在质子交换膜燃料电池中的阴极生成。通过将燃料电池保持在某一温度下使水蒸发引起水蒸气态移出燃料电池。,10.1.1燃料电池,请说说丰田Mirai燃料电池堆栈的原理是什么？,10.1.1燃料电池,10.1.1燃料电池,燃料电池堆常见故障有哪些？请说明。,当燃料电池堆出现了质子交换膜破损等致命故障，就只能更换新的电池堆；如果是由于外界扰动而造成的输出功率不稳定，可以通过各种控制器加以稳定。,10.1.1燃料电池,请思考：并请说明磷酸燃料电池的原理是什么？,这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于60-200左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。,10.1.1燃料电池,请思考：并请说明碱性燃料电池的原理是什么？,碱性燃料电池的工作温度大约80。因此起动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发电装置。,10.1.1燃料电池,请思考：并请说明熔融碳酸盐燃料电池的原理是什么？,这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。,10.1.1燃料电池,请思考：并请说明固态氧化物燃料电池的原理是什么？,固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定。固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右，具有为车辆提供备用动力的潜力。,10.1.1燃料电池,请思考：并请说明直接甲醇燃料电池的原理是什么？,甲醇作为替代氢的燃料，被应用于燃料电池中。原因在于：甲醇是一种液态燃料，易于存储、分配与运输；甲醇也是最单一的有机燃料，可以从丰富的矿物燃料中获取，可实现大规模生产。,10.2.2燃料电池电动汽车构造,燃料电池电动汽车动力源有哪些？有哪些车身结构？,10.2.2燃料电池电动汽车构造,纯燃料电池驱动的燃料电池电动汽车,10.2.2燃料电池电动汽车构造,请说说燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV结构的特征有哪些？,10.2.2燃料电池电动汽车构造,燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV,10.2.2燃料电池电动汽车构造,燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV,燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。,10.2.2燃料电池电动汽车构造,重整燃料电池汽车与直接燃料电池汽车,重整燃料电池汽车与直接燃料电池汽车的主要区别在于使用汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等燃料，在汽车上通过重整器产生氢，再将氢提供给燃料电池电堆。重整燃料电池汽车动力系统的基本组成如图所示。,10.2.2燃料电池电动汽车构造,燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同：加速行驶时，燃料电池系统与峰值电源两者都向电动机驱动装置提供动力能。在制动时，电动机运行于发电机状态，将部分制动能量变换为电能，并储存在蓄电池中。当负载功率小于燃料电池系统的额度功率时，蓄电池也能从燃料电池系统补充、恢复能量。,HondaFCVClarity主要动力部件的整车布置图,10.2.2燃料电池电动汽车构造,日本本田FCVCLARITY关键元器件的分布位置,10.2.2燃料电池电动汽车构造,燃料电池系统,燃料电池系统的核心是燃料电池电堆，此外，还配备了氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、水循环及反应物生成处理系统等，用以确保燃料电池电堆正常工作。,10.2.2燃料电池电动汽车构造,辅助蓄能装置，请说说FCEV汽车的工作模式。,在FCEV上燃料电池发动机是主要电源，另外还配备有辅助动力源。在车辆制动时，将驱动电动机转换为发电机工作状态，将车辆的动能转换为电能，并向辅助蓄能装置充电，以实现车辆制动时的能量回收。根据FCEV的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同，可以用蓄电池组、飞轮储能器或超大容量电容器等共同组成双电源系统。在具有双电源系统的FCEV上，驱动电动机的电源可以出现以下驱动模式。,10.2.3驱动电动机,请说说燃料电池的驱动电机有哪几种类型？,驱动电机是燃料电池电动汽车的重要组成部分，驱动电动机用于将电源所提供的电能转换为电磁转矩，并通过传动装置驱动车辆行驶。,10.2.3驱动电动机,永磁无刷电动机的优势有哪些？,永磁无刷电动机（PMBLM）利用电动机电压、电流和电动机参数来估算出速度，不用速度传感器，从而达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。,10.2.3驱动电动机,电子控制系统,直接燃料电池汽车的电子控制系统包括燃料电池系统控制、DC/DC转换器控制、辅助储能装置能量管理、电动机驱动控制及整车协调控制等控制功能，各控制功能模块通过总线连接。,10.2.4DC/DC变换器,DCDC变换器的作用是什么？有哪些功能？,电动车燃料电池提供的是直流电，电压和电流随输出电流的变化而变化。燃料电池输出电压一般比电动汽车动力电源所要求的电压要低，且特性较软，也就是随输出电流的增加，电压下降幅度较大，燃料电池不能够接受外电源的充电，其电流的方向是单向流动的。,10.2.5燃料电池汽车的储氢方式,将燃料供应给车载燃料电池是其主要的难题。通常，有两种途径向燃料电池供应氢：一是在地面供应站生产氢气，而在车上储存纯氢；另一是在车上，从易于含氢的承载装置中生产氢，并直接供给燃料电池。目前的燃料电池汽车大都以纯氢为燃料，为使燃料电池汽车能达到所需的续驶里程，在车上就需要有一定储量的氢。车载储氢主要有压缩氢气、低温液氢和金属储氢三种形式。,10.2.5燃料电池汽车的储氢方式,压缩氢气,纯氢可用车载方式在加压状态下储存在罐内。在几百标准大气压力下储存气体要求有很高强度的储气罐。为了使得罐的重量尽可能轻，而其容积合理，目前应用于汽车的储氢罐的制造采用了复合材料，如碳纤维材料。因而，压缩储氢罐的成本可能会较高。氢气的密度小，需要通过压缩来增加其储存量。压缩氢气的压力一般在2030MPa或更高，因而要求储氢气瓶能承受高压，且质量轻、使用寿命长。,10.2.5燃料电池汽车的储氢方式,车载压缩氢需要考虑哪些重要的问题？,车载压缩氢的储存技术仍然是应用于车辆的非常复杂的问题。,10.2.5燃料电池汽车的储氢方式,低温液氢,在259.2这样的低温下储存液体，其技术上是困难的。它要求深度绝热，以力求将从周围空气到低温液体的热传递减至最小，从而防止其沸腾。通常的方法是构造一个高度绝热的储罐，且使之坚固地足以承受因液氢气化所产生的相当的压力，而过量的压力则通过安全阀释放至大气中。这一储罐的绝热、高强度和安全设置也显著地增加了LH2储存的重量和成本。请思考：什么是气化？有什么危害？防护措施有哪些？,10.2.5燃料电池汽车的储氢方式,金属储氢,利用金属氢化物储氢是将氢气加压至36MPa，使进入容器的氢在高压下附在金属小颗粒上，完成氢与金属的结合，同时放出热量。由于从金属小颗粒中释放出氢时，需要吸收外部的热量。因此，金属储氢容器不仅需要有一定的耐压强度，还要有足够的换热面积，以满足充氢和放氢时的热量传递。请思考：金属储氢有哪些特点？,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,燃料电池电动汽车整车电控系统,燃料电池电动汽车整车电控系统的结构包括哪些元器件？燃料电池汽车关键技术主要有哪些？燃料电池汽车的控制核心是什么？有什么作用？,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,整车控制系统负责对燃料电池系统、电机驱动系统、动力转向系统、再生制动系统和其他辅助系统进行监测和管理。请思考：整车控制技术主要有哪些？,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,燃料电池汽车的氢气管理系统(HMS)由氢气管理单元(HMU)、储氢系统、氢安全检测系统、置换控制系统、信号调理系统及通讯系统等构成。其在燃料电池汽车运行中担负着给燃料电池堆提供氢气，同时监测储氢瓶中氢气的消耗情况以及车内是否有氢气泄漏。,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,在储氢瓶加氢时监控氢瓶中氢气的加注过程，同时检测车内是否有氢气泄漏，并将相关的信息发送给整车管理系统(VMS)、组合仪表(IPK)和加氢机；对系统进行诊断和保护，并通过CAN网络向VMS反馈氢气管理系统的状态信息和故障码，防止出现意外情况而造成损失等重要功能。,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,燃料电池系统控制,燃料电池系统控制器用来控制燃料电池的燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统，并协调各系统工作，以使燃料电池系统能持续向外供电。,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,DC/DC转换器控制,DC/DC转换器用于改变燃料电池的直流电压，由电子控制器控制。电子控制器的作用是通过调节DC/DC转换器的输出电压，将燃料电池电堆较低的电压上升至电动机所需的电压。,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,辅助蓄能装置能量管理,辅助蓄能装置能量管理系统对蓄电池的充电、放电、存电状态等进行监控，使辅助蓄能装置能正常地起作用，实现车辆在起动、加速、爬坡等工况下的协助供电，并在车辆运行时储存燃料电池富余电能，实现汽车制动时的能量回馈。,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,电动机驱动控制,电动机的类型不同，其控制系统的电路结构和工作原理也有所不同。总体上，电动机驱动控制系统的主要控制功能有：电动机的转速与转矩调节、电动机工作模式控制（设有制动能量回馈的电动汽车）、电动机过载保护控制等。,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,整车协调控制,整车协调控制系统基于设定的控制策略对各控制功能模块进行协调控制。一方面，控制器根据加速踏板传感器、制动踏板传感器、挡位开关送入的电信号判断驾驶人的驾车意图，并输出控制信号，通过相关的控制功能模块实现车辆的行驶工况控制；另一方面，控制器根据相关传感器和开关输入的电信号，获取信息，判断车辆的实际行驶工况和动力系统的状况。,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,燃料电池汽车氢气监测系统,燃料电池汽车氢气监测系统通常由氢传感器、控制器、报警及安全处理装置等组成。氢传感器将周围氢气含量参数转换为电信号，并输送给控制器，然后控制器根据氢传感器的信号判断是否有氢气泄漏及泄漏的严重程度，并输出相应的控制信号，使危险报警装置发出危险警报，或使安全保险电路工作，及时排除安全隐患。,10.2.6燃料电池电动汽车整车电控系统,车库氢安全控制系统,车库氢安全控制系统通常由氢传感器、控制器、报警装置及排/送风装置等组成。氢传感器安装在车库的顶部。当任何一个氢传感器监测到周围空气中氢的体积分数超过了爆炸下限的10%、30%或，50%时，氢监测系统就会发出级、级或级报警信号。,10.2.6燃料电池电动