新能源汽车维护与故障诊断-任务1 燃料电池汽车故障诊断与排除操作-学习工作页

项目二汽车直流控制电路项目二汽车直流控制电路任务一燃料电池汽车故障诊断与排除操作学学习目标◎◎知识目标1.能够描述燃料电池汽车的定义和类型；2.能够描述燃料电池汽车的结构组成和工作原理。3.◎技能目标1.能够分析燃料电池汽车行驶无力故障的基本诊断思路。一、任务导入一辆燃料电池汽车因为被水淹而行驶无力，你的主管要求你进行故障诊断并排除，你能完成这个任务吗？二、获取信息要进行燃料电池汽车的故障诊断，首先要先掌握燃料电池汽车的机构原理。引导问题1什么是燃料电池汽车？燃料电池汽车有哪些类型？引导问题1什么是燃料电池汽车？燃料电池汽车有哪些类型？1.燃料电池汽车的现状与发展（1）燃料电池燃料电池（FuelCell）是一种把氢在氧化时的化学能直接转换为电能的发电装置，能量的转换不受卡诺循环规律的限制，热效率可达到70%～80%。燃料电池在运行过程中，不需要复杂的机械传动装置，不需要润滑剂，没有振动与噪声，燃料电池向驱动电动机提供电源来驱动FCEV行驶。燃料电池是由负极（燃料极）、正极（氧化极）、和正负极之间的电解质共同组成，根据不同种类的燃料电池采用了不同的电解质，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。在燃料电池负极一侧输入氢气，在燃料电池正极一侧输入空气或氧气，氢气与氧化剂经催化剂的作用，在电化学反应过程中转化为电能和生成水H2O，因此，不会排放氮氧化物NOx和碳氢化合物HC等对大气环境造成污染的气体。（2）燃料电池汽车采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车FCEV（FuelCellElectricVehicle），最早的FCEV是燃料电池大客车FCEV（FuelCellElectricBus）。早期的FCEV的燃料电池本身和他的附属设备的质量重、体积大，占据了大客车很大部分的装载空间，几乎没有乘客乘坐的空间，给FCEV的总布置带来很大的困难。近年来燃料电池不断地向小型化方向发展，使得燃料电池成功地装置到各种类型的车辆上。图5-1-1典型燃料电池汽车基本结构FCEV仍然保留了传统车辆的行驶系统、悬挂系统、转向系统和制动系统等。FCEV是以电力驱动为惟一的驱动模式，其电气化和自动化的程度大大高于内燃机汽车，早期用内燃机汽车底盘改装的FCEV，在汽车底盘上布置了氢气储存罐或甲醇改质系统，燃料电池发动机系统，电气控制系统和电机驱动系统等总成和装置，在进行总布置时受到一些局限。新研发的FCEV采用了滑板式底盘，将FCEV的氢气储存罐和供应系统、燃料电池发动机系统、电能转换系统、电机驱动系统、转向系统和制动系统等，全部装在一个滑板式的底盘中，在底盘上部可以布置不同用途的车身和个性化造型的车身。采用多种现代技术，以计算机控制为核心和电子控制的“线传”系统（Control-by-wire），CAN总线系统等，使新型燃料电池电动车辆进入一个全新的时代。2.FCEV燃料电池汽车类型FCEV按主要燃料种类可分为:（1）以纯氢气为燃料的FCEV；（2）以甲醇改质后产生的氢气为燃料的FCEV。图5-1-2燃料电池汽车主要类型1.驱动轮2.驱动系统3.驱动电动机4.逆变器5.辅助电源（蓄电池、超级电容器） 6.燃料电池发动机7.空气压缩机和空气加湿装置8.氢气管理系统9.中央控制器10.DC/DC转换器11.氢气储存罐12.燃烧器和改质器13.甲醇储存罐14.H2净化器FCEV按“多电源”的配置不同，可分为:1）纯燃料电池FCEV；2）燃料电池与蓄电池混合电源的FCEV；3）燃料电池与蓄电池和超级电容器混合电源的FCEV。后2种多电源的配置方式是FCEV的主要配置方式。辅助电源用于提供起动电流和回收制动反馈的电能。图5-1-3FCEV采用的主要电源和辅助电源分类引导问题2引导问题2燃料电池汽车由哪些结构组成？燃料电池汽车是如何工作的？1.燃料电池汽车的结构组成燃料电池汽车一般由燃料箱、燃料电池、控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成，如图5-1-4所示。图5-1-4燃料电池汽车组成部件（1）燃料电池组它是FCEV的电源，由多个1V以下的燃料电池串联组成。它是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。以质子交换膜燃料电池为例，单体燃料电池主要由电解质、燃料电极、隔离板、空气电极和集流板等组成。正、负极板采用活性炭制成，置于电解质溶液中。图5-1-5燃料电池的基本结构燃料电池工作时，外界不断供给负极氢气，供给正极空气，在催化剂（铂，多孔石墨等）作用下，产生如下反应：负极：2H2-4eˉ═4H+正极：O2+4H++4eˉ═2H2O负极经催化剂作用，氢原子中的电子被分离出来，在正极吸引下，在外电路形成电流，失去电子的氢离子，在正极与氧及电子结合为水，氧可从空气中获得，只要不断地供给氢气和带走水，燃料电池就可不断供给电能。图5-1-6燃料电池的工作原理（2）控制系统控制系统用于控制燃料电池的反应过程（起动、反应、输出电能的调整、停止等）和电动机的运行过程，所有工作状态由各种传感器采集，集中反馈到车载电控中心，由各监管控制模块控制燃料电池组和电机安全运行。图5-1-7燃料电池汽车控制系统（3）驱动系统燃料电池的电流需要经过专用的大功率动力DC-DC转换器，将燃料电池产生的直流电转换为稳压的直流电流，然后经过逆变器转换为交流电输送给驱动电机，驱动车轮转动。（4）辅助动力系统通常在FCEV上还要装配一个蓄电池组作为辅助电源，其作用：1）用于FCEV快速起动。2）用于储存FCEV在再生制动时反馈的电能。3）为电动汽车控制系统、照明系统等电气设备提供低压电源。2.燃料电池汽车工作原理燃料电池工作时，由燃料箱不断地供给燃料，燃料电池把燃料氧化的化学能转换为电能，产生的直流电经过控制器变为交流电后供给驱动电动机，经传动系统驱动车轮。与传统汽车相比，燃料电池汽车能量转化效率高达60%-80%，为内燃机的2～3倍。在电动汽车开始行驶时，蓄电池组处于电量饱满状态，其能量输出可以满足汽车起动要求，由其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；当蓄电池组电量低于一定值时，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，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；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。FCEV的各种工作状态和技术参数，可以从仪表板上直观看出，奔驰B级氢燃料电池汽车仪表板如图5-1-8所示，右下侧小表是显示氢气储量，相当于油箱油位指示器。图5-1-8奔驰B级燃料电池汽车仪表三、任务实施三、任务实施1.实施要求本操作任务是在掌握燃料电池汽车基本结构原理的基础上，对燃料电池汽车进行故障诊断分析，包括以下内容：燃料电池汽车故障案例分析2.实施准备（1）防护装备：常规实训着装（2）车辆、台架、总成：燃料电池示教板、台架或实车（3）专用工具、设备：（4）手工工具：（5）辅助材料：3.实施步骤（1）燃料电池电动汽车“水淹”现象案例分析通常，在氢气侧电极发生水淹现象时，燃料电池汽车会出现行驶无力情况，这种情况可能发生在氢气侧电极。1）产生原因在燃料电池运行的过程中，电池内的水状况较为复杂。反应气需要增湿，由此带入电池内一些水。氢质子从阳极移动到阴极，需要水做载体，从而部分水从氢气侧迁移到空气侧，在空气侧氢氧反应生成水，空气侧水含量较高，还存在从空气侧向氢气侧扩散（拟迁移）的现象，同时排气带走大量水蒸气。如果在流场内不能保持水平衡，必然出现流场水淹或膜脱水的现象。通常空气侧流量较大，带水能力较强，而氢气侧往往是只进气不排气，偶尔脉冲排气，气流速度低，容易出现积水现象。因此，一般水淹发生在氢气侧。液态水在流道内逐渐积聚，最后堵塞流道，这就是通常所说的水淹现象。2）检测与排除在燃料电池正常工作的情况下，燃料电池堆的氢气侧压力降随着负载的增大线性增大。当燃料电池堆中出现积水现象时，即使流道尚未被液态水堵死，但由于液态水附着于流道壁面，使得气体通道的流通界面缩小，压力明显增大。这种现象不仅在单体电池内存在，在燃料电池堆内也存在。因为枳水是一个液态水逐渐增多的过程，在电池堆内各片电池发生液态水增多的趋势是一致的。在发生积水增多过程中，气体流通的总截面逐渐缩小，压力降必然增大。通过压力降监测，可以得知流道尚未被堵死之前液态水增多的趋势，由此可以用压力降预警水淹的发生。解决燃料电池水淹的方法有两种。一种方法是脉冲排气法：通过故障诊断系统控制排气阀门开启，即突然将氢气侧尾端打开，通过氢气压力波将水排出。第二种方法是通过调节电池堆工作温度进行解决。燃料电池堆发生水淹是由于堆内的水过多，导致堆内的水蒸气过饱和，逐渐析出液态水。可以通过控制系统通过脉宽调制法调节风扇的转速，并对冷却的循环水加热，提高电池堆的运行温度，这样使得堆内气体可以容纳更多的水蒸气，从而达到解决水淹问题。四、任务考核四、任务考核目标考核题目得分知识目标1（1）（单选）FCEV按“多电源”的配置不同，可分为（）种类型。A、2B、3C、4D、5（2）（判断）燃料电池（FuelCell）是一种把氢在氧化时的化学能直接转换为电能的发电装置，能量的转换不受卡诺循环规律的限制，热效率可达到80%～95%。（）。（3）（判断）燃料电池是由负极（燃料极）、正极（氧化极）、和正负极之间的电解质共同组成，根据不同种类的燃料电池采用了不同的电解质，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。（）2（1）（判断）燃料电池汽车一般由燃料箱、燃料电池、控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。（）（2）（判断）燃料电池组它是FCEV的电源，由多个1V以下的燃料电池并联组成。它是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。（）（3）（判断）燃料电池的电流需要经过专用的大功率动力DC-AC转换器，将