《新能源汽车技术》课件-第七章 燃料电池电动汽车

新能源汽车技术NEWTECHNOLOGY第一节燃料电池电动汽车概述知识目标：1、了解燃料电池电动汽车的概念2、熟悉燃料电池电动汽车的分类3、掌握燃料电池电动汽车的要求4、熟悉燃料电池电动汽车的特点能力目标：1、能够熟悉燃料电池电动汽车的概念、分类、要求、特点。职业素养目标：1、

做到工位6S标准2、了解时事政治和经济发展趋势，愿意为经济社会发展作出贡献第一节燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车结构图采用燃料电池作为电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车（FuelCellElectricVehicle，FCEV）。燃料电池电动汽车发展历史不长，但与内燃机汽车相比，具有环保、节能的优势；与纯电动汽车相比，燃料电池电动汽车无需依赖蓄电池技术性能的完善。因此，燃料电池电动汽车已成为世界范围内新能源汽车研究的热点，且不断地涌现出不同结构的燃料电池电动汽车。一、燃料电池电动汽车概述第一节燃料电池电动汽车概述二、燃料电池电动汽车的分类纯燃料电动汽车按有无其它蓄能装置分类0102混合型燃料电池电动汽车第一节燃料电池电动汽车概述二、燃料电池电动汽车的分类1、纯燃料电池驱动（PureFuelCell，PFC）的燃料电池电动汽车；PFC汽车结构原理图纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担，要求燃料电池的功率大。但由于燃料电池无法实现充电，因此无法实现电动汽车的制动能量回收。第一节燃料电池电动汽车概述二、燃料电池电动汽车的分类2、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV；FC+B电动汽车结构原理图在电动汽车上再配备其他蓄能装置（如蓄电池、超级电容和飞轮电池等），便成为混合型燃料电池电动汽车。由于蓄能装置可协助供电，因而可以适当减小燃料电池的功率，而且蓄能装置还可用于汽车制动时的能量回收，所以可提高燃料电池电动汽车的能量利用率。第一节燃料电池电动汽车概述3、燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV；这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，比蓄电池功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量密度较小。4、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。FC+B+C电动汽车二、燃料电池电动汽车的分类第一节燃料电池电动汽车概述二、燃料电池电动汽车的分类串联式燃料电池电动汽车按燃料电池与蓄电池的结构关系分类0102并联式燃料电池电动汽车第一节燃料电池电动汽车概述串联式燃料电池电动汽车01串联式燃料电池电动汽车燃料中电池相当于车载发电装置，通过DC/DC转换器进行电压转换后对蓄电池充电，再由蓄电池向电动机提供驱动车辆的全部电力。其优点是可采用小功率的燃料电池，但要求蓄电池的容量和功率足够大，而且燃料电池发出的电能需要经过蓄电池的电化学转换过程，从中有能量的转换损失。串联式二、燃料电池电动汽车的分类第一节燃料电池电动汽车概述02并联式燃料电池电动汽车并联式燃料电池电动汽车动力系统由燃料电池和蓄电池共同向电动机提供电力。并联式燃料电池电动汽车可分为大燃料电池型电动汽车和小燃料电池型电动汽车，分类依据为燃料电池与蓄电池能量大小配置不同。并联式二、燃料电池电动汽车的分类第一节燃料电池电动汽车概述二、燃料电池电动汽车的分类直接燃料电池电动汽车按提供的燃料分类0102直接燃料电池电动汽车的燃料主要是纯氢，也可以用甲醇等作为燃料。直接燃料电池电动汽车的燃料排放无污染，被认为是最理想的汽车，但存在氢的制取和存储困难等特点。重整燃料电池电动汽车重整燃料电池电动汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等。重整燃料电池电动汽车的结构要比氢燃料电池电动汽车复杂得多。第一节燃料电池电动汽车概述二、燃料电池电动汽车的分类直接燃料电池电动汽车01直接燃料电池电动汽车的燃料主要是纯氢，也可以用甲醇等作为燃料。直接燃料电池电动汽车的燃料排放无污染，被认为是最理想的汽车，但存在氢的制取和存储困难等特点。第一节燃料电池电动汽车概述二、燃料电池电动汽车的分类02重整燃料电池电动汽车重整燃料电池电动汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等。重整燃料电池电动汽车的结构要比氢燃料电池电动汽车复杂得多。第一节燃料电池电动汽车概述燃料电池的比能量、比功率达到规定要求。安全性、密封性构件有足够强度和可靠性动力性能稳定，零污染减轻质量三、燃料电池电动汽车对燃料电池的要求第一节燃料电池电动汽车概述三、燃料电池电动汽车的特点优点您的标题能量转换效率高污染小燃料电池电堆配置便捷燃料电池振动小，噪声低，零部件加工简单制造成本和使用成本过高辅助设备复杂启动时间长缺点第二节燃料电池电动汽车的结构与原理知识目标：1、掌握燃料电池电动汽车结构2、掌握燃料电池电动汽车工作原理能力目标：1、能够拆解燃料电池电动汽车相关结构2、能理解燃料电池电动汽车工作原理，并能够判断出简单故障。职业素养目标：1、

做到工位6S标准2、了解时事政治和经济发展趋势，愿意为经济社会发展作出贡献第二节燃料电池电动汽车的结构与原理辅助动力源燃料电池系统DC/DC转换器驱动电动机动力电控系统混合型燃料电池电动汽车的动力系统目前，燃料电池电动汽车绝大多数采用的是混合型燃料电池驱动系统。

在FCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFC组的正常工作，除以PEMFC组为核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。一、燃料电池系统第二节燃料电池电动汽车的结构与原理二、以氢为燃料的燃料电池发动机系统第二节燃料电池电动汽车的结构与原理二、以氢为燃料的燃料电池发动机系统

（1）氢气供应、管理和回收系统气态氢的储存装置通常用高压储气瓶来装载。液态氢气虽然比能量高于气态氢，由于液态氢气是处于高压状态，不但需要用高压储气瓶储存，还要用低温保温装置来保持低温，低温的保温装置是一套复杂的系统。（2）氧气供应和管理系统氧气的来源有从空气中获取氧气或从氧气罐中获取氧气，空气需要用压缩机来提高压力，以增加燃料电池反应的速度。

（3）水循环系统燃料电池发动机在反应过程中将产生水和热量，在水循环系统中用冷凝器、气水分离器和水泵等对反应生成的水和热量进行处理，其中一部分水可以用于空气的加湿。第二节燃料电池电动汽车的结构与原理（4）电力管理系统燃料电池所产生的是直流电，需要经过DC/DC变换器进行调压，在采用交流电动机的驱动系统中，还需要用逆变器将直流电转换为三相交流电。二、以氢为燃料的燃料电池发动机系统１驱动轮２驱动系统３驱动电动机４ＤＣ／ＡＣ逆变器５辅助电源装置６燃料电池发动机７空气压缩机8氢气储存罐９氢气供应系统辅助装置10中央控制器11ＤＣ／ＤＣ变换器第二节燃料电池电动汽车的结构与原理三、以甲醇为燃料的燃料电池发动机

（1）甲醇储存装置甲醇可以用普通容器储存，不需要加压或冷藏。

（2）燃烧器、加热器和蒸发器

甲醇进入改质器之前，要蒸发成甲醇和纯水的混合气。

（3）重整器不同的碳氢化合物采用不同的重整技术，在重整过程中的温度、压力会有所不同。

（4）氢气净化器改质器所产生的H2因为含有少量的CO，因此必须对H2进行净化处理。１甲醇储存罐２带燃烧器的改质器３净化装置４氢气循环泵５冷凝器及气水分离器６水箱７水泵８空气压缩机９加湿器及去离子过滤装置１０燃料电池组１１电源开关１２ＤＣ／ＤＣ变换器１３ＤＣ／ＡＣ逆变器１４驱动电动机第二节燃料电池电动汽车的结构与原理１驱动轮２驱动系统３驱动电动机４ＤＣ／ＡＣ逆变器５辅助电源装置６燃料电池发动机７空气压缩机8重整器9甲醇罐９氢气供应系统辅助装置１０中央控制器11ＤＣ／ＤＣ变换器三、以甲醇为燃料的燃料电池发动机第二节燃料电池电动汽车的结构与原理四、辅助动力源燃料电池电动汽车的主要电源是燃料电池，另外还配备了辅助动力源，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如蓄电池、超级电容或飞轮电池等，根据燃料电池电动汽车的设计方案，采用不同的辅助动力源。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。1燃料电池组+辅助动力源3蓄电池＋飞轮电池＋燃料电池动力系统2蓄电池＋超级电容器＋燃料电池第二节燃料电池电动汽车的结构与原理12453向电动汽车的各种电子设备、电器提供工作所需的电能。在电动汽车制动时，将驱动电动机转换为发电机工作状态，将电动汽车的动能转换为电能，并向辅助动力源充电。在电动汽车运行过程中，当燃料电池输出的电能大于车辆驱动所需的能量时，辅助动力源可用于储存燃料电池剩余的电量。在电动汽车启动时，由辅助动力源提供电能，带动燃料电池启动或带动车辆起步。辅助动力源可协助供电，弥补燃料电池输出功率的不足，使电动机获得足够的电能。给燃料电池电动汽车配备辅助动力源的作用四、辅助动力源第二节燃料电池电动汽车的结构与原理五、DC/DC转换器DC/DC转换器

DC/DC转换器的作用是改变燃料电池的直流电压，用电子控制器控制。燃料电池的电流是单向流动的，电子控制器通过调节DC/DC转换器的输出电压，使燃料电池较低的电压上升至电动机所需的电压。DC/DC转换器主要作用调节燃料电池的输出电压。调节整车能量分配。稳定整车直流母线电压。第二节燃料电池电动汽车的结构与原理六、驱动电动机驱动电动机的作用是将电源所提供的电能转换为电磁转矩，通过传动装置驱动车辆行驶。燃料电池电动汽车用驱动电机可采用直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。驱动电动机的选型必须结合整车开发目标，综合考虑电动机的特点。1.直流电动机2.交流电动机3.永磁电动机4.开关磁阻电动机第二节燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的动力电控系统主要由燃料电池管理系统、辅助动力源管理系统、电动机驱动控制系统和整车控制系统组成，其每个系统都有着不可或缺的独特作用。七、动力电控系统燃料电池电动汽车动力电控系统结构示意图第三节燃料电池电动汽车关键技术知识目标：1、掌握燃料电池电动汽车关键技术类型2、了解燃料电池电动汽车关键系统能力目标：1、能够熟悉燃料电池电动汽车关键技术类型2、能理解燃料电池电动汽车关键系统职业素养目标：1、

做到工位6S标准2、了解时事政治和经济发展趋势，愿意为经济社会发展作出贡献第三节燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池系统车载储氢系统车载蓄电系统电动机及其控制技术整车布置整车热管理整车与动力系统的参数选择与优化设计多能源动力系统的能量管理策略一、燃料电池电动汽车关键技术类型第三节燃料电池电动汽车关键技术2车载储氢系统如何有效减小储氢系统的重量与体积是车载储氢技术研究的重点。一个比较理想的方案是，采用储氢材料与高压储氢复合的车载储氢新模式，即在高压储氢容器中装填质量较轻的储氢材料，这种装置与纯高压储氢方式相比，既可以降低储氢压力又可以提高储氢能力。3车载蓄电系统车载蓄电系统包括铅酸蓄电池、镍-氢电池、锂离子电池等蓄电池及超级电容、飞轮电池等。1燃料电池系统燃料电池是燃料电池电动汽车发展的最关键技术之一，燃料电池系统的核心是燃料电池堆。燃料电池堆研究正在向高性能、高效率和更高耐久性方向努力。二、燃料电池电动汽车关键技术介绍第三节燃料电池电动汽车关键技术5车载储氢系统然料电池电动汽车在整车布置上有以下关键问题：燃料电池及电动机的相关布置。动力电池组的车身布置。氢气瓶的安全布置。高压电安全系统的车身布置等。6车载蓄电系统燃料电池自身的运行温度为60～70℃，散热系统工作温度大约在60℃，两者温差不大，因此，必须依赖整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散热，但这样不经济。二者之间的平衡是热管理开发方面必须关注的。4燃料电池系统驱动电动机是燃料电池电动汽车的心脏，正向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。二、燃料电池电动汽车关键技术介绍第三节燃料电池电动汽车关键技术二、燃料电池电动汽车关键技术介绍8能源动力系统的能量管理策略能量管理策略对燃料经济性影响很大，且受到动力系统参数和行驶工况的双重影响。能量管理策略的工况适应性需开发，之后，需进行功率分配的优化。作为能量管理策略的一部分，制动能量回收是提高燃油经济性的重要措施，也是一个难点问题。必须综合考虑制动稳定性、制动效能、驾驶员感觉、蓄电池充电接受能力等限制条件。7整车与动力系统的参数选择与优化设计燃料电池电动汽车整车性能参数是整个燃料电池动力系统开发的信息来源，虚拟配置的动力系统的特性参数也影响整车性能。两者之间的参数选择是一个多变量多目标的优化设计过程，而且参数选择与行驶工况和控制策略紧密相关，只有在建立准确的仿真模型的基础上，经过反复寻优计算才可能达到较好的设计结果。第三节燃料电池电动汽车关键技术二、燃料电池电动汽车关键技术介绍丰田Mirai燃料电动汽车是世界上真正量产销售的第一款燃料电池汽车，它在车身中后部配备了两个容量分别为60L和62.4L的高压储氢罐。Mirai凭借碳纤维强化塑料层的创新实现轻量化，同时实现世界顶级水平的