氢燃料电池汽车检测与维修技术 课件 第2章氢燃料电池汽车动力系统总成基础

氢燃料电池汽车动力系统总成基础CONTENTS目录PARTONEFCV动力系统结构简介PARTTWOFCV动力系统架构PARTTHREEFCV动力系统能量流分析FCV动力系统结构简介1添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字定义：燃料电池汽车动力系统涉及机械、电子、电力、通信、控制等多个学科，是车辆的动力核心。现状：由于国内燃料电池系统动态响应尚不能满足车用要求，多采用“电电混合”的动态系统。丰田、现代因燃料电池动态响应较好，仅匹配小容量高压电池包。典型构成：如图2-1所示，主要包括燃料电池发动机、DC/DC变换器、动力电池系统、电机及控制器、减速/差速机构。ONEFCV动力系统结构简介动力系统总成概述•功能：一种发电装置，将氢和氧的化学能通过电化学反应直接转换成电能。•特点（对比内燃机）： 1.构造简单：能量转换在电堆内静态完成，无运动部件和摩擦副，维修保养方便。 2.运行平稳：噪声小、振动小。 3.热管理不同：工作温度（约80℃）远低于内燃机，散热系统相对简单，但冷却液为乙二醇水混

合物以适应低温。需采用大、小循环回路设计以实现快速暖机和充分散热。•系统组成：如图2-2，包括燃料电池堆、气体输配和回收、散热和加湿、监测和控制、氢气安全、辅助电源及电能输出等子系统。ONEFCV动力系统结构简介核心部件（一）：氢燃料电池系统ONEFCV动力系统结构简介核心部件（二）：辅助动力源——电池系统•辅助动力源的必要性：1.分担负载：当车辆需求功率较大时（如加速、爬坡），释放储存的能量，以减小燃料电池的输出功率波动，降低对其峰值功率的需求。2.回收能量：当车辆处于回馈制动状态时，因燃料电池不能被充电，辅助动力源负责吸收制动能量，保证系统效率。•辅助动力源的类型：1. 超级电容：成本昂贵，储存能量有限，仅适用于需要瞬间大电流放电的场合。2. 动力电池组（主流选择）：o 主要类型：锂离子电池、镍氢电池、阀控铅酸电池。o 最佳选择：从综合性能考虑，锂离子电池是最佳对象。o 首选推荐：磷酸铁锂电池以其安全性高、循环寿命超长、充放电性能稳定等优点受到推崇，其大电流快速充放电特性完美匹配城市频繁启停与制动能量回收的需求。ONEFCV动力系统结构简介核心部件（三）：DC/DC变换器•存在的必要性：燃料电池输出电压较低、输出特性偏“软”，不能直接驱动电机或为动力电池充电。•核心功能：1. 电压匹配与稳定：对燃料电池输出进行升压和稳压，提供满足动力系统要求的稳定可控直流电。2. 能量分配与管理：有机分配燃料电池与动力电池之间的能量，实现最佳能效。3. 状态监测与保护：监测燃料电池电堆状态，并进行保护。•类型：在混合动力系统中，燃料电池端接单向DC/DC，动力电池/超级电容端接双向DC/DC（因电流方向可逆）。ONEFCV动力系统结构简介核心部件（四）：电机、控制器与整车控制•1.驱动电机及控制器：• 电机：将电能转化为机械能驱动车轮，并在减速时回收动能发电。类型包括直流、交流异步、永磁同步、开关磁阻电机。• 电机控制器：接收整车控制器指令，控制电机输出指定的扭矩和转速，实现直流-交流转换。具备故障诊断和存储功能。•2.整车控制系统：• 顶层核心：整车控制器是汽车的“大脑”和指挥管理中心。• 主要功能：采集驾驶员信号，向各子系统发送指令；核心是能量管理；负责驱动力矩控制、制动能量回馈优化、CAN网络管理、故障诊断与车辆状态监控。•燃料电池控制器：接收VCU指令，控制反应气体流量，从而控制燃料电池输出电流。ONEFCV动力系统结构简介核心部件（五）：减速/差速机构•为什么需要减速器？出于动力性和经济性考虑。1. 动力性：电机直驱在过载、中高速、爬坡等工况下，输出到车轮的扭矩可能不足。使用高转速、大扭矩电机成本高。2. 经济性：减速器可以降低转速、提升扭矩，使电机工作在高效区间。•与传统车区别：新能源汽车多使用单级减速器，结构比传统燃油车的多档变速器简单。•作用：主要作用是降低转速、提升扭矩。FCV动力系统结构架构2添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字TWOFCV动力系统架构氢燃料电池汽车动力系统方案•两大类别：根据是否配备辅助动力源，可分为纯燃料电池驱动和混合动力驱动。•混合动力驱动：是当前主流，旨在克服纯燃料电池驱动的缺陷。又细分为四种常见形式：1. 燃料电池+蓄电池2. 燃料电池+超级电容3. 燃料电池+蓄电池+超级电容4. 燃料电池+蓄电池+超高速飞轮•分类依据：按“能源配置模式”分类。TWOFCV动力系统架构方案一：纯燃料电池动力系统•

结构：仅采用燃料电池作为唯一动力源。•

优点：结构简洁、配置轻盈、控制策略相对简单。•缺点：1. 动力源单一：汽车性能完全取决于燃料电池，对其可靠性要求极高。2. 无法回收制动能量：车辆制动时产生的再生能量无法被利用。3. 动态响应差：难以满足车辆频繁变载的工况需求。•现状：上述缺点极大地阻碍了其发展，使其基本只存在于理论层面，不具备实际商业化应用条件。TWOFCV动力系统架构方案二：燃料电池+蓄电池•结构：燃料电池和蓄电池共同为车辆供电，以燃料电池为主，蓄电池为辅。•工作原理：• 汽车加速/爬坡时：蓄电池提供辅助动力，分担燃料电池负荷。• 汽车制动时：蓄电池回收制动能量，提高能量利用率。•优点：有效弥补了纯燃料电池方案的缺陷，是目前最常见的混合驱动方案。•缺点：1. 增加了汽车自身重量，影响动力性。2. 系统架构设计更复杂，增加了额外成本。3. 蓄电池充放电循环会影响其使用寿命。TWOFCV动力系统架构方案三：燃料电池+超级电容•

结构：用超级电容替代蓄电池与燃料电池组成混合动力系统。•工作原理：燃料电池作为主动力源，超级电容在加速/爬坡时提供瞬时辅助动力。•优点（相较于FC+B）：1. 延长寿命：超级电容充放电循环寿命极长。2. 效率高：充放电速度快，制动能量回收效率更高，可提升续驶能力。3. 工作温度范围宽。•缺点：1. 能量有限：不适合长途续航。2. 成本高：材料昂贵。3. 技术不成熟：基础设施不完善，尚不具备商业化量产条件。TWOFCV动力系统架构方案四：燃料电池加蓄电池加超级电容•结构：在FC+B基础上并联超级电容。•设计思想：发挥各自优势。超级电容应对启动、爬坡、加速时的峰值功率，并快速吸收制动能量；蓄电池提供持续辅助。此举可减轻蓄电池负担，延长其寿命。•缺点：结构复杂、成本高、控制与优化难度极大，尚处于理论萌芽和技术探索阶段。TWOFCV动力系统架构燃料电池加蓄电池加超高速飞轮动力系统•

结构：在FC+B基础上增加超高速飞轮储能器。•特点：飞轮具有高功率密度和高效制动能量回收能力，自放电率低，对环境友好。•重大缺陷：1. 回旋力：影响车辆转向和颠簸路面下的操控性。2. 破裂风险：飞轮储存的机械能瞬间释放功率极高，可能引发严重事故。•现状：受破裂风险制约，技术仍处于萌芽状态。FCV动力系统能量流3添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字THREEFCV动力系统能量流能量流基础与供能模式•能量来源：氢气和氧气在燃料电池堆内发生电化学反应，将化学能直接转化为电能。•系统能量流：能量从储氢瓶开始，经燃料电池发动机发电，再通过DC/DC变换器处理后，与动力蓄电池协同，最终由电机控制器驱动电机，带动车轮。•三种基本供能模式（针对FC+B混合动力）：1. 燃料电池单独供电2. 蓄电池单独供电3. 燃料电池和蓄电池并联供电•模式切换核心依据：蓄电池的SOC（荷电状态）。能量管理系统据此动态切换模式，通常设定：SOC<30%时禁止放电，SOC>80%时禁止充电。THREEFCV动力系统能量流能量流分析-启动状态•状态描述：电动汽车启动之初，燃料电池发动机尚未启动，无法输出功率。•能量需求：需要由辅助动力源（蓄电池）提供两部分的能量：1. 燃料电池辅助发电装置（如空压机、水泵等）的启动能量。2. 驱动车辆起步的初始能量。•能量流向：能量从蓄电池组流出，一路用于启动燃料电池发动机，另一路驱动电机。此时燃料电池不输出能量。THREEFCV动力系统能量流能量流分析-正常运行状态•前提：燃料电池启动成功，可正常输出功率。•场景一：蓄电池SOC值低于30% •策略：燃料电池在驱动车辆的同时，必须为蓄电池组充电，以提高其SOC。 •能量流向：燃料电池输出的电能分为两路，主要部分驱动电机，剩余部分为蓄电池充电。•场景二：蓄电池SOC值不低于30% •策略：燃料电池与蓄电池可同时驱动电机运行，蓄电池的功率补偿为正。 •能量流向：燃料电池和蓄电池共同作为能量流，向电机供电。THREEFCV动力系统能量流能量流分析–巡航状态•工况一：电动汽车处于巡航状态，需求功率小而稳定。•状态描述：动力电池的SOC小于80%。•系统策略：能量全部由燃料电池提供。燃料电池在驱动车辆的同时，为动力电池充电。•能量流向：动力电池的功率补偿为负。•工况二：电动汽车处于巡航状态，需求功率小而稳定。•状态描述：动力电池的SOC大于或等于80%，禁止充电。•系统策略：能量全部由燃料电池提供。动力电池不工作，不参与充放电。•能量流向：燃料电池输出的电能全部用于驱动电机。动力电池的功率补偿为零。THREEFCV动力系统能量流能量流分析-加速/爬坡状态•状态描述：1. 正常运行：动力电池SOC不低于30%。2. 加速或爬坡：车辆需求功率显著增大。•系统策略：燃料电池与动力电池可同时驱动电机运行，两者都输出大电流，都是主能量流。•能量流向：燃料电池和蓄电池共同作为能量流，向电机供电。动力电池的功率补偿为正。THREEFCV动力系统能量流能量流分析–滑行状态•工况一：车辆依靠惯性滑行，驱动电机需求功率为零。•状态描述：动力电池组的SOC小于80%。•系统策略：燃料电池在向驱动电机输出能量的同时，向动力电池组充能。•能量流向：燃料电池输出的电能全部为动力电池充电。•工况二：车辆依靠惯性滑行，驱动电机需求功率为零。•状态描述：动力电池组的SOC大于或等于80%，禁止充电。•系统策略：系统不允许燃