《新能源汽车概论》 课件 项目二任务三 氢燃料电池汽车

《新能源汽车概论》任务三氢燃料电池汽车项目二新能源汽车类型与燃油车相近的氢气加注时间、与纯电动车相差无几的排放水平、在寒冷状态下续航里程不会大幅度衰减……诸多的优势使得人们对氢燃料电池车越来越关注，部分国家与车企也着手在氢燃料汽车上做文章。作为一种真正意义上的“零排放，无污染”载运工具，是未来新能源清洁动力汽车的主要发展方向之一。氢燃料电池汽车的进一步研发与量产化，必将成为全球汽车工业领域的一场新革命。

本任务主要介绍氢燃料电池汽车。ONTENTSC学习目标学习任务任务实施任务评价知识扩展目标掌握氢燃料电池电动汽车的基本组成掌握氢燃料电池电动汽车的特点12一、氢燃料电池电动汽车的基本组成氢燃料电池电动汽车主要由燃料电池、高压储氢罐、动力电池、DC/DC转换器、驱动电机和整车控制器等组成。一、氢燃料电池电动汽车的基本组成燃料电池是燃料电池电动汽车的主要动力源，它是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。1燃料电池氢分子(H2)氢离子(H+)电子(e-)阳极催化剂穿过电解质层通不过电解质层外部电路阴极输入氧气(O2)氧原子(O)催化剂水(H2O)热量发电的基本原理是，电池的阳极（燃料极）输入氢气（燃料）：一、氢燃料电池电动汽车的基本组成是气态氢的储存装置，用于给燃料电池供应氢气。为保证燃料电池电动汽车一次充气有足够的续驶里程，就需要多个高压储气罐来储存气态氢气。2高压储氢罐根据FCEV的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同。3储能电池轿车需要2～4个高压储气罐客车上需要5～10个高压储气罐动力电池组飞轮储能器超大容量电容器双电源系统一、氢燃料电池电动汽车的基本组成FCEV的燃料电池需要装置单向DC/DC转换器，动力电池和超级电容器需要装置双向DC/DC转换器。DC/DC转换器的主要功能：调节燃料电池的输出电压，能够升压到650V；调节整车能量分配；稳定整车直流母线电压。4DC/DC转换器氢燃料电池电动汽车用的驱动电机直流电机交流电机永磁同步电机开关磁阻电机5驱动电机一、氢燃料电池电动汽车的基本组成整车控制系统由燃料电池管理系统、电池管理系统、驱动电机控制器等组成，接收来自驾驶员的需求信息（如点火开关、油门踏板、制动踏板、挡位信息等）实现整车工况控制；基于反馈的实际工况（如车速、制动、电机转速等）以及动力系统的状况（燃料电池及动力动力电池的电压、电流等），根据预先匹配好的多能源控制策略进行能量分配调节控制。6整车控制器二、氢燃料电池电动汽车的特点1氢燃料电池电动汽车的优点12354效率高燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率较高。续驶里程采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。绿色环保燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。低噪声燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件，运行过程中噪声和振动都较小。过载能力强燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200%或更大。6设计方便灵活燃料电池电动汽车可以按照X-By-Wire的思路进行设计，可以在空间和质量等问题上进行灵活的配置。二、氢燃料电池电动汽车的特点2氢燃料电池电动汽车的缺点1燃料电池电动汽车的制造成本和使用成本过高。2辅助设备复杂，且重量和体积较大。3启动时间长，系统抗振能力有待进一步提高。构型方式参数匹配整车控制策略影响车辆动力性和经济性的因素本任务介绍的动力系统参数匹配思路：针对某种给定的动力驱动系统构型，选择一种基本的能量分配策略；在已知整车参数、目标工况以及基本能量分配策略的条件下，以满足车辆动力性为前提，燃料经济性最优为目标，进行整车及动力驱动系统的参数匹配；改变构型方式，完成每种构型下的参数匹配。三、氢燃料电池内燃机燃料电池堆燃料供给与循环系统氧化剂供给系统水/热管理系统控制系统燃料电池系统燃料电池内燃机的运作一般采用计算机进行控制，根据FCEV的运行工况，通过CAN总线系统进行信息传递和反馈，并经过计算机的处理，以保证燃料电池正常运行。燃料电池控制器根据外需的电功率控制燃料电池组的燃料调节、电池的温度调节（冷却）、湿度调节从而控制发电功率，燃料电池发电后经单向DC/DC转换器输出。FCEV是以燃料电池为主要电源和以电机驱动为惟一的驱动模式的电动车辆，因受到燃料电池起动较慢和燃料电池不能用充电来储存电能的限制，在FCEV上还需要增加辅助电源来加速FCEV的起动所需要的电能和储存车辆制动反馈的能量。FCEV的关键装备DC/DC变换器驱动电机传动系统动力电池三、氢燃料电池内燃机1以氢气为燃料的燃料电池内燃机系统以氢为燃料的燃料电池内燃机系统1-氢气储存罐2-氢气压力调节仪表3-热交换器4-氢气循环泵5-冷凝器及水分离器6-散热器7-水泵8-空气压缩机（或氧气罐）9-加湿器及去离子过滤装置10-燃料电池组11-电源开关12-DC/DC变换器13-逆变器14-驱动电机以氢气为燃料的FCFV的总布置基本结构模型1-驱动桥2-驱动系统3-驱动电机4-逆变器5-辅助电源装置（动力电池包+飞轮储能器或动力电池包+超级电容）6-燃料电池内燃机7-空气压缩机及空气供应系统辅助装8-氢气储存罐9-氢气供应系统辅助装置10-中央控制器11-动力DC/DC变换器三、氢燃料电池内燃机1以氢气为燃料的燃料电池内燃机系统气态氢的储存装置通常用高压储气瓶来装载。一般轿车需要2-4个高压储气瓶，大客车上需要5-10个高压储气瓶。液态氢气需要用高压储气瓶储存，还要用低温保温装置来保持低温。使用不同压力的氢气（高压气态氢气和高压低温液态氢气）时，就需要用不同的氢气储存容器，不同的减压阀、调压阔、安全阀、压力表、流量表、热量交换器和传感器等来进行控制。氢气供应、管理和回收系统燃料电池内燃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。水循环系统氧气的来源于空气中或氧气罐中，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。在燃料电池系统中，压缩机质量和体积会增加燃料电池内燃机系统的质量、体积和成本，压缩机所消耗的功率会使燃料电池的效率降低。空气供应系统的各种阀、压力表、流量表等的接头要采取防泄漏措施。空气供应系统中要对空气进行加湿处理，保证空气有一定的湿度。氧气供应和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。电力管理系统四、车载氢气系统安全措施车载氢气系统安全措施应从预防与监控两方面着手，预防角度的车载氢气安全实例。氢气储罐材料选择：用塑料内胆和铝内胆碳纤维缠绕的高压储氢罐因其质量小、单位质量储氢密度高，与钢制容器相比很好地解决了氢脆问题，同时也大大降低了成本。汽车燃料安全注意事项：汽车燃料应包含能够保证燃料加注时切断向燃料电池系统供应燃料的功能。燃料加注口应具有能够防止灰尘、液体和污染物等进入的防尘盖。防尘盖旁边应注明燃料加注口的最大加注压力。燃料加注口应设置在汽车侧面。燃料加注口应有消除汽车静电的措施。燃料加注口应能够承受来自任意方向的670N的载荷，不应影响到燃料系统气密性。四、车载氢气系统安全措施在开放空间碰撞的情况下，如果存储罐不破裂，它可以承受比汽车本身更高的压力。在燃料电池轿车上有多个装置保证车载氢气系统的安全性。具体包括以下几种：存储罐电磁阀1管路电磁阀2减压阀3手动放气针阀4安全阀5单向阀6手动截止阀7温度传感器和压力传感器8氢气泄漏传感器9碰撞传感器10四、车载氢气系统安全措施在后备厢布置2个氢气泄漏报警仪，报警值设置为三级：氢气浓度达到1000×l0-6(2.5%LEL)时报警，系统自动切断氢气供应，由驾驶人将车移至指定的安全区域由专人检查整个系统。一级氢气浓度达到5000×10-6(12.5%LEL)时报警，红色报警，建议驾驶人切断氢气供应，将车开至指定的安全区域由专人检查整个系统。二级氢气浓度达10000×10加(25%LEL)时报警，黄色报警，建议提醒驾驶人及时停机用氧气检漏工具检查供氢系统。三级以丰田Mirai燃料电池汽车为例实训1.车辆尾部、两个后视镜前端，有FUELCELL字样，为燃料电池汽车。一、燃料电池汽车认知2.汽车右端尾部有加氢装置，为燃料电池汽车。3.汽车尾部无排气管。一、燃料电池汽车认知1.打开汽车前机舱盖；2.前机舱盖内无内燃机；3.前机舱内动力控制单元上方装饰盖有FUELCELL字样。二、燃料电池汽车前机舱认知1.有“ECO”“POWER”两种驾驶模式。三、燃料电池车内配置认知2.中央台顶部中央处有高清TFT显示屏，显示时速和常规信息。方向盘正下方没有传动的仪表盘。3.方向盘后方有排水键。三、燃料电池车内配置认知选择题1.“一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置”指的是哪种氢燃料汽车的组件（

）。辅助动力源燃料电池高压储氢罐驱动电机CBAD2.下列对氢燃料电池电动汽车特点描述错误的是（

）。采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。借助原动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其他辅助电器，不用消耗动力电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性。燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率较高，可以达到30%以上，而汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16%-18%和22%-24%。燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。BCAD选择题4.

H2e-H+”依次分别代表（

）？电子氢分子氢离子氢离子电子氢分子氢分子电子氢离子氢分子氢离子电子CBAD选择题3.“超越3号”为例，高压储氢罐的工作压力是（

）。250bar350bar300bar200barCBAD选择题5.燃料电池客车(FCBUS)的参数匹配数学模型是（

）。

CBAD判断题1.氢燃料是汽车一种真正意义上的“零排放，无污染”载运工具。2.高压储氢罐是气态氢的储存装置，用于给燃料电池供应氢气和空气。判断题3.FCEV的燃料电池无需要装置单向DC/DC转换器。4.动力源的不同构型主要目的是为了实现整车燃料经济性最优和制造成本最低。判断题5.一般在后备厢布置2个氢气泄漏报警仪，报警值设置为三级。氢燃料电池汽车国内外研究状况及发展趋势1国外氢燃料电池汽车发展状况美国通用汽车公司被誉为全球汽车第一制造商，一直在氢燃料电池汽车的研究及推广上努力。1968年，全球第一辆氢燃料电池汽车在美国通用汽车公司独占鳌头。在2015年通用汽车公司于上海车展展现出氢燃料电池车的经典之作——Sequel氢燃料电池汽车。（1）美国氢燃料电池汽车国内外研究状况及发展趋势1国外氢燃料电池汽车发展状况（2）欧盟3212012年6月，戴姆勒一奔驰、大众等汽车制造商及德国政府同时宣称，在整个德国境内大范围投资建立氢燃料加注系统，直到2015年就有了1000多个氢燃料加注站，预计到2020年，整个国家将以50万辆氢燃料电池汽车为目标向市场投入。德国2001年起，法国研技部和雷诺汽车生产商对氢燃料汽车经过共同研究，将一款Fever氢燃料电池汽车引进市场。该汽车的功率为20kW，同时采用了电子系统的控制、蓄电池储存及能量回收。法国1997年，英国就开始对氢燃料电池汽车的相关技术抱着研究的目的，将一些先进国家的氢燃料电池汽车引进国内做投资，实现氢燃料电池汽车的本土内生产，使英国很快走进了欧盟氢燃料电池汽车开发及生产的行列中。计划在2030年英国的氢燃料电池汽车持有量向着160万辆迈进，2050年将占整个市场的30%-50%。英国氢燃料电池汽车国内外研究状况及发展趋势1国外氢燃料电池汽车发展状况（3）日本1992