新能源汽车技术（微课版） 课件全套 项目1-6 新能源汽车简介 - -燃料电池电动汽车

新能源汽车技术项目一新能源汽车简介任务认知新能源汽车【任务描述】通过本任务的学习，帮助你认识新能源汽车的定义、分类以及新能源汽车的结构和特点，认识新能源汽车的发展现状与趋势、新能源汽车核心技术及发展趋势等。一、新能源汽车的定义按照范围的大小，新能源汽车可以分为广义和狭义新能源汽车。广义新能源汽车，包括纯电动汽车、燃料电池电动汽车这类全部使用非石油燃料的汽车，也包括混合动力电动汽车、乙醇汽油汽车等部分使用非石油燃料的汽车。目前存在的所有新能源汽车都包括在这一概念里，如电动汽车、燃气汽车、醇类汽车、氢燃料汽车、生物柴油汽车、太阳能汽车,气动汽车和二甲醚汽车等。狭义新能源汽车可以参考国家《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》的规定：新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或者主要依靠新型能源驱动的汽车，包括插电式混合动力（含增程式）汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车等。二、新能源汽车的分类1.纯电动汽车纯电动汽车（BatteryElectricVehicle，BEV）顾名思义就是只采用电力驱动的汽车，车辆的动力源是可充电的动力电池。相比于传统内燃机汽车而言，纯电动汽车取消了内燃机，其工作原理如图1-1所示。图1-1纯电动汽车动力示意图二、新能源汽车的分类1.纯电动汽车由于纯电动汽车只需充电不烧油，汽车本身不存在尾气排放带来的污染等问题，因而被视为是新能源汽车的趋势。图1-2所示为纯电动汽车的代表车型吉利银河E8。图1-2吉利银河E8纯电动汽车二、新能源汽车的分类2.插电式混合动力汽车插电式混合动力电动汽车按结构形式可分为串联式混合动力、并联式混合动力和混联式混合动力汽车。图1-4串联式混合动力汽车的代表车型理想ONE图1-5理想ONE的混动系统示意图这种驱动形式最大的特点是：发动机并不直接介入驱动，而是在电池电量不足或功率不足时带动发电机发电并将电能输入至电动机驱动车辆，多余电能会输入至电池包存储起来。串联式混合动力汽车的代表车型理想ONE及其混动系统组成如图1-4、图1-5所示。（1）串联式混合动力二、新能源汽车的分类（2）并联式混合动力并联插电式混合动力汽车指的是发动机和电驱动系统可以各自分别来驱动车辆行驶。其名称之中的“并”字可以简单理解为发动机和电动机是“并列”起来各自去驱动汽车，如图1-6所示。图1-6并联式混合动力汽车动力示意图二、新能源汽车的分类（2）并联式混合动力这种驱动形式最大的特点是：发动机和电动机会有一个动力分配机构完成动力耦合。简单理解的话，并联式混合动力汽车是在传统燃油汽车由发动机+变速器组成的动力总成的基础上加了一套纯电动汽车由电池包+电动机组成的动力总成，二者共同驱动车辆行驶。并联式混合动力汽车的代表车型奔驰C350插电版如图1-7所示。图1-7并联式混合动力汽车代表车型奔驰C350插电版二、新能源汽车的分类（2）并联式混合动力这种驱动形式最大的特点是：发动机和电动机会有一个动力分配机构完成动力耦合。简单理解的话，并联式混合动力汽车是在传统燃油汽车由发动机+变速器组成的动力总成的基础上加了一套纯电动汽车由电池包+电动机组成的动力总成，二者共同驱动车辆行驶。并联式混合动力汽车的代表车型奔驰C350插电版如图1-7所示。图1-7并联式混合动力汽车代表车型奔驰C350插电版二、新能源汽车的分类（3）混联式混合动力混联式混合动力汽车是在并联式混合动力驱动形式的基础上，从发动机的动力输出部分新增了一条能量传输路径：发动机除了可以驱动车轮之外，还可以通过发电机把能量传递到电池包，如图1-8所示。图1-8混联式混合动力汽车动力示意图图1-9混联式混合动力汽车代表车型秦PLUSDM-i二、新能源汽车的分类3.燃料电池汽车燃料电池汽车（FuelCellElectricVehicle，FCEV）通常以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电能驱动电机进行工作，电机产生的机械能经过变速传动装置传给驱动轮，3.燃料电池汽车从而驱动车辆行驶，如图1-10所示。图1-10燃料电池汽车动力示意图二、新能源汽车的分类3.燃料电池汽车氢燃料电池汽车的最终排放物只有水，而且，在其行驶过程中，还可净化空气，为解决环保问题带来了新的可能。氢燃料电池汽车的代表车型现代NEXO及其动力系统构成如图1-11、图1-12所示。图1-11氢燃料电池汽车代表车型现代NEXO图1-12现代NEXO动力系统构成三、新能源汽车发展历程1.美国推动新能汽车发展是美国政府能源政策的组成部分，希望通过发展和利用新能源，摆脱对海外石油的过度依赖。美国政府进一步推动汽车产品朝着“小型化”和“低能耗”的方向发展，并重点推进充电式混合动力电动汽车计划。目前市场表现来看，美国的汽车公司中，开发比较成功的车型有雪佛兰Volt,另外异军突起的特斯拉公司的特斯拉电动汽车更是掀起电动汽车的热潮。2.日本日本政府早在2009年6月启动了“新一代汽车”计划，所谓“新一代汽车”，实际指的就是环保汽车，包括混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车等。日本在混合动力电动汽车技术领域领先世界。以丰田普锐斯为代表的日本混合动力电动汽车，在世界低污染汽车开发销售领域已经占据了领头地位。欧美市场上已上市的混合动力电动汽车，一半以上是由日本汽车公司生产销售。三、新能源汽车发展历程3.德国德国在新能源汽车方面也做出了重要贡献。宝马也是氢动力发动机车型研究的先行者。德国政府表示，到2020年，可再生能源要占全部能源消耗的47%，因此，2020年德国境内的新能源汽车要超过100万辆。在2009年年初德国政府通过500亿欧元的经济刺激计划中，很大一部分用于电动汽车研发、“汽车充电站”网络建设和可再生能源开发4.中国我国新能源汽车发展大体经历为4个阶段。起步探索期（1992-2009年）：1992年，钱学森院士致信时任国务院副总理邹家华，提出我国汽车工业应跳过汽油柴油阶段，直接进入减少环境污染的新能源阶段，并建议国家制定蓄电池能源发展计划。“八五”期间，国家计委在国家重点科技攻关计划中安排了“电动汽车关键技术研究”攻关项目，投资1500万元重点用于电动汽车的研制开发，这是我国首次进行电动汽车研究。三、新能源汽车发展历程4.中国政策扶持期（2010-2016年）：我国新能源汽车产业迅速发展，企业加大研发投入，产品种类不断丰富，市场规模逐步扩大。仅“十一五”期间，我国在节能与新能源汽车领域便取得了一系列成果，共申请专利2000余项，发布国家标准30项、行业标准32项，形成多个混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车研发平台。​政策加市场驱动期（2017-2021年）：2017年，《汽车产业中长期发展规划》正式发布，提出放宽汽车厂商在华运营生产合作企业时的出资限制，促进了产业的开放与竞争。同年，补贴开始退坡，行业开启洗牌期，倒逼企业提升技术水平和产品质量，减少对补贴的依赖。2020年，新能源汽车的个人用户比重达到72%，比2019年增长了近20%，这一年被视为新能源汽车私人消费开启的元年，行业进入市场化竞争与理性发展期。​全面市场化阶段（2022年至今）：2022年以来，我国新能源汽车发展驶入快车道，顺利从政策主导向市场主导转变，自主品牌实现对合资车企的反超。这一阶段，中国的新能源汽车品牌积极拓展国际市场，在技术创新、产品质量和品牌建设方面不断提升，在国际竞争中逐渐崭露头角，如比亚迪、蔚来等品牌在全球范围内的影响力日益扩大。新能源汽车技术项目二动力蓄电池任务一认知动力蓄电池结构与原理任务一认知动力蓄电池结构与原理一、动力蓄电池的分类1.按照能量来源方式分类电池可分为化学电池、物理电池和生物电池三大类，其中化学电池和物理电池已经应用于量产电动汽车中，而生物电池则被视为未来电动车电池的重要发展方向之一。化学电池是将化学能转化为电能的电池，是目前电动汽车领域应用最为广泛的电池种类，如镍氢蓄电池、锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都属于这一范畴。化学电池根据特性的不同，又可以分为一次电池、二次电池。其中，一次电池也称为原电池，即使用后不能再行充电的电池（例如生活中使用的锌锰干电池）；二次电池也被称作为蓄电池，即一次放电后可以再行充电使用的电池。物理电池顾名思义，就是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称，如超级电容、飞轮电池等都属于物理电池的家族成员。生物电池是指将生物质能直接转化为电能的装置（生物质蕴涵的能量绝大部分来自于生物电池太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的）。任务一认知动力蓄电池结构与原理2.按照动力蓄电池材料分类按电池正极和负极材料的不同，可将动力蓄电池分为锌系电池、镍系电池、铅系电池、锂系电池及金属空气（氧气）系列电池等。1）锂系电池有锂离子电池、锂聚合物电池、磷酸铁锂电池等。2）镍系电池有镍镉电池、镍锌电池、镍氢蓄电池等。3）铅系电池比如铅酸蓄电池。4）锌系电池有锌锰电池、锌银电池等。5）金属空气电池有锌空气电池、铝空气电池等。按电池材料，可以分为三元锂电池、磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池、镍电池、铅酸蓄电池。一、动力蓄电池的分类任务一认知动力蓄电池结构与原理3．按动力蓄电池电解质分类按照动力蓄电池电解质的不同，可将动力蓄电池分为酸性电池、碱性电池、中性电池和有机电解液电池四类。1）酸性电池：主要以硫酸水溶液为电解质。动力蓄电池中属于酸性电池的主要是铅酸蓄电池。2）碱性电池：主要以氢氧化钾水溶液为电解质。动力蓄电池中的锌锰电池、镍镉电池、镍氢蓄电池等均属于此类电池。3）中性电池：以盐溶液为电解质。这种动力蓄电池由于稳定性较差，目前在电动汽车上还很少使用。4）有机电解液电池：主要以有机溶液为电解质的动力蓄电池有锂电池、锂离子电池等。一、动力蓄电池的分类任务一认知动力蓄电池结构与原理1．动力蓄电池的性能参数（1）电压动力蓄电池的电压（端电压）是指其正极与负极之间的电位差，单位为V（伏特），是表示动力蓄电池性能与状态的重要参数之一。1）开路电压：动力蓄电池未向外电路输出电流时的端电压。动力蓄电池在充足电状态下的开路电压最高，随着动力蓄电池放电程度的增加，动力蓄电池的开路电压会相应降低。2）放电电压：动力蓄电池向外输出电流时的端电压。放电电压也称为工作电压，动力蓄电池在放电时的放电电流越大，放电电压就越低；在同样的放电电流下，随着动力蓄电池的放电程度增加，其放电电压也会相应降低。3）充电电压：在充电电源对动力蓄电池进行充电时，动力蓄电池的端电压。充电电流大，动力蓄电池内的极化（欧姆极化、浓差极化、电化学极化）就越大，充电电压也就越高；在同样的充电电流下，动力蓄电池充电初期的充电电压较低，当动力蓄电池充足电时其充电电压达到最高。二、动力蓄电池的性能参数与常用术语任务一认知动力蓄电池结构与原理（2）内阻动力蓄电池的内阻主要与极板的材质、结构及装配工艺有关。不同的电解质呈现的电阻也不同。因此，不同类型的动力蓄电池，其内阻是不同的。对某种类型的动力蓄电池来说，随着放电程度的增加，其内阻会相应增大。动力蓄电池内阻的单位为（欧姆）。（3）容量动力蓄电池的容量是指在允许放电范围内所能输出的电量，单位为A·h（安时）。容量用来表示动力蓄电池的放电能力。在不同条件下，动力蓄电池所能输出的电量（容量）是不同的。1）理论容量：是假设动力蓄电池极板上的活性物质全部参加电化学反应而输出电流时，根据法拉第定律计算出的电量。理论容量通常用质量容量（A·h/kg）或体积容量（A·h/L）表。2）实际容量：是指充足电的动力蓄电池在一定条件下所能输出的电量。其值是在允许放电范围内，放电电流与放电时间的乘积。动力蓄电池的实际容量小于理论容量，当放电电流和温度不同时，其实际容量也会有所不同。3）小时放电率容量：充足电的动力蓄电池以某一恒定电流放电，放电小时后将动力蓄电池放电至终止电压，此时动力蓄电池所能输出的电量称为小时放电率容量，通常用表示。二、动力蓄电池的性能参数与常用术语任务一认知动力蓄电池结构与原理4）额定容量：是指充足电的动力蓄电池在规定的条件下所能输出的电量。额定容量是制造厂标明的动力蓄电池容量，作为动力蓄电池性能的重要技术指标。在我国的国家标准中，用3h放电率容量（）来定义电动汽车用动力蓄电池的额定容量，用20h放电率容量（）来定义汽车用起动型动力蓄电池的额定容量。（4）能量动力蓄电池的能量是指在一定的放电条件下，动力蓄电池所输出的电能，单位为W·h（瓦时）或kW·h（千瓦时）。动力蓄电池的能量表示其供电能力，是反映动力蓄电池综合性能的重要参数。1）标称能量：是指在一定的放电条件下动力蓄电池所能输出的电能。动力蓄电池的标称能量是其额定容量与额定电压的乘积。2）实际能量：是指在一定的放电条件下动力蓄电池所能输出的电能。动力蓄电池的实际能量是其实际容量与放电过程的平均电压的乘积。3）比能量：是指动力蓄电池单位质量所能输出的电能，单位为W·h/kg或kW·h/kg。动力蓄电池的比能量越高，汽车充足电后的行驶里程就越长。4）能量密度：即体积比能量，是指动力蓄电池单位体积所能输出的电能，单位为W·h/L或kW．h/L。动力蓄电池的能量密度越高，电动汽车的载重量和车内的空间就越大。表2-1为各种电池的能量密度和比能量。二、动力蓄电池的性能参数与常用术语任务一认知动力蓄电池结构与原理4）额定容量：是指充足电的动力蓄电池在规定的条件下所能输出的电量。额定容量是制造厂标明的动力蓄电池容量，作为动力蓄电池性能的重要技术指标。在我国的国家标准中，用3h放电率容量（）来定义电动汽车用动力蓄电池的额定容量，用20h放电率容量（）来定义汽车用起动型动力蓄电池的额定容量。（4）能量动力蓄电池的能量是指在一定的放电条件下，动力蓄电池所输出的电能，单位为W·h（瓦时）或kW·h（千瓦时）。动力蓄电池的能量表示其供电能力，是反映动力蓄电池综合性能的重要参数。1）标称能量：是指在一定的放电条件下动力蓄电池所能输出的电能。动力蓄电池的标称能量是其额定容量与额定电压的乘积。2）实际能量：是指在一定的放电条件下动力蓄电池所能输出的电能。动力蓄电池的实际能量是其实际容量与放电过程的平均电压的乘积。3）比能量：是指动力蓄电池单位质量所能输出的电能，单位为W·h/kg或kW·h/kg。动力蓄电池的比能量越高，汽车充足电后的行驶里程就越长。4）能量密度：即体积比能量，是指动力蓄电池单位体积所能输出的电能，单位为W·h/L或kW．h/L。动力蓄电池的能量密度越高，电动汽车的载重量和车内的空间就越大。表2-1为各种电池的能量密度和比能量。二、动力蓄电池的性能参数与常用术语任务一认知动力蓄电池结构与原理（5）功率动力蓄电池的功率是指在规定的放电条件下，动力蓄电池单位时间所能输出的电能，单位为W或kW。动力蓄电池的功率大小会影响电动汽车的加速度和最高车速。1）比功率：即质量比功率，是指动力蓄电池单位质量所能输出的功率，单位为W/kg或kW/kg。动力蓄电池的比功率越大，汽车的加速和爬坡性能就越好，最高车速也越高。2）功率密度：即体积比功率，是指动力蓄电池单位体积所能输出的功率，单位为W/L或kW/L。动力蓄电池的功率密度越高，电动汽车的载重量和车内的空间就越大。（6）寿命动力蓄电池的寿命通常用使用时间或循环寿命来表示。动力蓄电池经历一次充电和放电过程称为一个循环或一个周期。在一定的放电条件下，当动力蓄电池的容量下降到某规定的限值时，动力蓄电池所能承受的充放电循环次数称为动力蓄电池的循环寿命。二、动力蓄电池的性能参数与常用术语任务一认知动力蓄电池结构与原理2．动力蓄电池常用术语（1）终止电压终止电压是指充电或放电结束时的电压，分为充电终止电压和放电终止电压。1）充电终止电压：动力蓄电池在充电结束（充足电）时，其充电电压已上升至极限，继续充电就将使动力蓄电池过充电，这个高限电压就称为充电终止电压。当动力蓄电池的充电电流较大时，在动力蓄电池充电过程中就有可能达到充电终止电压，且充电电流越大，达到充电终止电压的时间就越短。2）放电终止电压：动力蓄电池在放完电时，其放电电压已下降至极限，继续放电将导致动力蓄电池过度放电，这个低限电压就称为放电终止电压。放电电流越大，放电终止电压就越低。（2）小时放电率小时放电率是指动力蓄电池以恒定的电流放电，以该恒定电流放电小时，正好使动力蓄电池放电至终止电压（放完电）。二、动力蓄电池的性能参数与常用术语任务一认知动力蓄电池结构与原理（3）小时充电率小时充电率是指动力蓄电池以恒定的电流，充电小时，正好使动力蓄电池充电至终止电压（充完电）。小时充电率的恒流值与小时放电率的恒流值相等。（4）过充电与过放电动力蓄电池的过充电与过放电是指充电过度或放电过度。1）过充电：动力蓄电池已充足电后的充电即为过充电。此外，充电电流大于动力蓄电池充电可接受电流时，继续以该电流充电也属于过充电。2）过放电：动力蓄电池已放电至终止电压（已放完电）后，继续放电即为过放电。（5）荷电状态动力蓄电池的荷电状态SOC（StateofCharge）在数值上等于动力蓄电池剩余的容量与动力蓄电池额定容量的比值，用于描述动力蓄电池在充放电过程中的存电状态。二、动力蓄电池的性能参数与常用术语任务一认知动力蓄电池结构与原理（6）放电深度动力蓄电池的放电深度DOD（DepthofDischarge）在数值上等于动力蓄电池已放出的电量与动力蓄电池额定容量的比值，用于描述动力蓄电池在放电过程中所达到的放电深度。（7）不一致性与均衡充电1）不一致性：是指动力蓄电池组中的各个动力蓄电池的电压、容量、内阻等存在差异。如果动力蓄电池组有不一致性存在，则在使用过程中会使其不一致性扩大，并导致性能较差的动力蓄电池迅速损坏，最终导致整个动力蓄电池组报废。2）均衡充电：是针对有不一致性的动力蓄电池组所进行的特殊充电方法，旨在减小或消除动力蓄电池组的不一致性。二、动力蓄电池的性能参数与常用术语新能源汽车技术项目二动力蓄电池任务二认知新能源汽车充电系统任务二认知新能源汽车充电系统一、充电系统类型目前新能源汽车的充电方式主要分为常规充电（慢充）、快速充电（快充）、无线充电和快换动力蓄电池四种。1.常规充电常规充电也称作慢充，采用随车配备的便携式充电设备进行充电，可使用家用电源或专用的充电桩电源。充电电流较小，一般在16～32A，电流可为直流、两相交流电、三相交流电，充电时间一般为5～8h。常规充电模式主要有定流充电和定压充电两种方式。1）定流充电是指充电全过程中，保持充电电流基本恒定的充电方式。在充电过程中，因为充电电流随着电池组的电动势逐渐升高而下降，所以需要随时根据充电程度调整电压和分级调整定流电流。2）定压充电是指充电过程中，电源电压始终保持不变的充电模式。采用定压充电时，电池组必须并联在充电电源之间。2.快速充电通过非车载充电机采用大电流为电池直接充电，使动力蓄电池在短时间内可充至80%左右的电量，因此该充电也称为应急充电。快速充电模式的电流一般在150～400A范围内，电压一般在200～750V范围内，充电功率大于50kW。此种方式多为直流供电方式，其目的是短时间内给电动汽车充电。这种高功率、高电压的工作条件，使得快速充电模式多存在于大型充电站、公路旁、高速公路加油站等，作为应急使用，如图2-9所示。一、充电系统类型任务二认知新能源汽车充电系统图2-9特斯拉快速充电站3.无线充电模式无线充电模式采用感应车载充电机接收电能给动力蓄电池充电，主要有电场感应、电场耦合、磁共振和无线电波四种传送电能模式。无线方式传输电能主要是通过两个绕组（嵌入地面的发射绕组和置于车内的接收绕组）之间产生的电感耦合进行的。发送绕组内的交流电形成电磁场，处于该磁场辐射范围内的接收绕组发生电磁感应，产生电流。一、充电系统类型任务二认知新能源汽车充电系统图2-10无线充电4.快换动力蓄电池快换动力蓄电池指在车辆动力蓄电池电量耗尽时，通过特定的更换站，用充满电的动力蓄电池替换已经耗尽电量的动力蓄电池，如图2-11所示。快换动力蓄电池集成了常规充电模式和快速充电模式的优点，既可以用低谷电给动力蓄电池进行深度充电，又可以在短时间内为车辆完成充电过程。通过使用机械设备更换，整个动力蓄电池更换过程花费的时间与现有燃油车加油时间大致相同。一、充电系统类型任务二认知新能源汽车充电系统图2-11电动汽车换电站1.慢充系统组成由供电设备（交流充电桩或家用交流电源）、车载充电机、慢充充电口、充电枪、高压线束、低压控制线束、高压配电箱、动力蓄电池和VCU等组成，如图2-12所示。交流充电桩，俗称“慢充”，是固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为新能源汽车车载充电机提供交流电源的供电装置。交流充电桩只提供电力输出，没有充电功能，需连接车载充电机为电动汽车充电，相当于只是起到一个控制电源的作用，交流充电桩应用在各大、中、小型电动汽车充电站。二、慢充系统任务二认知新能源汽车充电系统图2-12慢充系统基本组成2.慢充系统对充电条件要求1）充电线连接确认信号正常。2）充电供电电源正常（包括220V和12V）及充电机工作正常。3）动力蓄电池工作温度为0～45℃。4）单体蓄电池最高电压与最低电压差小于0.3V。5）单体蓄电池最高温度与最低温度差小于15℃。6）绝缘性能大于20MΩ。7）实际单体蓄电池最高电压不高于额定单体电压0.4V。8）高压电路连接正常。二、慢充系统任务二认知新能源汽车充电系统快速充电优点：充电时间短，充电车辆流动快，节省充电站停车场面积。快速充电缺点：充电效率低，安装和成本较高，充电电流太大对充电技术和方法要求高，对动力蓄电池的寿命有负面影响，易造成动力蓄电池异常，存在安全隐患，且大电流充电会对公用电网产生冲击，会影响电网的供电质量安全。快充系统由快速充电桩、快充接口、高压配电盒、动力蓄电池、整车控制器（VCU）、高压线束和低压线束等组成，如图2-14所示。三、快充系统任务二认知新能源汽车充电系统图2-14快充系统组成1.交流充电接口考虑民用充电设施的安全、能源供给端的合理规划及乘用车辆的实际能源补给需求等问题，根据国标GB/T20234.2—2015《电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》规定，电动汽车传导充电用交流充电接口，其额定电压不超过440V（AC），频率50Hz，额定电流不超过63A（AC）。2.直流充电接口为了实现对商用车辆及乘用车辆的快速能源补给，可利用非车载充电机将交流电转换成直流电，通过直流充电接口完成充电过程。直流充电接口一般情况下承载的电流远高于交流充电，同时在充电过程中需通过直流充电接口中的通信端子（CAN）连接车载电池管理系统（BMS）与非车载充电机的控制器，完成对充电过程的控制及其他相关信息的交互。四、充电接口任务二认知新能源汽车充电系统纯电动汽车的动力源是动力蓄电池，充电机就是为动力蓄电池充电的专门设备，充电机分为车载充电机和非车载充电机。车载充电机是指安装在电动汽车上的充电机，具有为电动汽车动力蓄电池安全、自动充满电的功能。车载充电机依据电池管理系统（BMS）提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。五、车载充电机任务二认知新能源汽车充电系统图2-19车载充电机外观新能源汽车技术项目二动力蓄电池任务三认知动力蓄电池管理系统（BMS）任务三认知动力蓄电池管理系统（BMS）一、蓄电池管理系统组成蓄电池管理系统按性质可分为硬件和软件，按功能分为数据采集单元和控制单元。BMS的硬件有采集系统（CellSupervisoryCircuit，CSC）、蓄电池管理控制器及高压分配单元，还包括采集电压、电流、温度等数据的电子器件。软件部分用来监测蓄电池的电压、电流、荷电状态（StateOfCharge，SOC）值、绝缘电阻值、温度值，通过与VCU、充电机的通信来控制蓄电池系统的充放电，如图2-20所示图2-20蓄电池管理系统组成任务三认知动力蓄电池管理系统（BMS）蓄电池管理系统可以测量蓄电池电压、电流、温度，防止或避免蓄电池出现过放电、过充电、过温等异常状况。蓄电池管理系统的基本功能蓄电池管理系统（BMS）是蓄电池保护和管理的核心部件，它的作用是保证蓄电池安全可靠地使用，控制蓄电池组的充、放电，并向VCU上报蓄电池系统的基本参数及故障信息。蓄电池管理系统是集监测、控制与管理为一体的、复杂的电气测控系统，也是电动汽车商品化、实用化的关键部件。常见蓄电池管理系统的功能主要包括数据釆集、数据显示、状态估计、热管理、数据通信、安全管理、能量管理和故障诊断等，如图2-21所示。二、蓄电池管理系统的功能及工作原理图2-21蓄电池管理系统功能框图任务三认知动力蓄电池管理系统（BMS）1.数据采集数据采集是蓄电池管理系统所有功能的基础，需要采集的数据信息有蓄电池组总电压和电流、蓄电池模块电压和温度等。蓄电池管理系统的所有算法都是以采集的动力蓄电池数据作为输入，采样速率、精度和前置滤波特性是影响蓄电池系统性能的重要指标。电动汽车蓄电池管理系统的采样速率一般要求大于200Hz。图2-22所示为蓄电池管理器的数据采集结构示意图。二、蓄电池管理系统的功能及工作原理图2-22蓄电池管理器的数据采集结构示意图任务三认知动力蓄电池管理系统（BMS）2.蓄电池状态估计BMS根据采集的信息，采用相应的算法，对动力蓄电池的温度、荷电状态（StateOfCharge，SOC）、健康状态（StateOfHealth，SOH）、能量状态（StateOfEnergy，SOE）、功能状态（StateOfFunction，SOF）、安全状态（StateOfSafety，SOS）等进行估算。温度对动力蓄电池的性能影响较大，目前BMS一般只能测量电池模块的表面温度，而电池模块的内部温度则需要使用热力学模型进行估算。SOC、SOH、SOE都是动力蓄电池的隐性状态，不能由测量设备直接获取，需要BMS来估算。SOF、SOS需要根据对动力蓄电池系统及高压系统检测所得到的数据，依据相应标准判断得出。3.热管理热管理是当动力蓄电池工作温度偏高对其进行冷却、低于适宜工作温度下限时对其进行加热，使动力蓄电池处于适宜的工作温度范围内，并在动力蓄电池工作过程中保持蓄电池单体间温度均衡。对于大功率放电和高温条件下使用的动力蓄电池，动力蓄电池的热管理尤为必要。二、蓄电池管理系统的功能及工作原理任务三认知动力蓄电池管理系统（BMS）4.数据通信数据通信指蓄电池管理系统与整车控制器、电机控制器等车载设备及非车载设备进行数据交换的功能，为充放电控制、整车控制提供数据依据。根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如模拟信号、PWM信号、CAN总线或串行接口，如图2-23所示。二、蓄电池管理系统的功能及工作原理图2-23蓄电池管理器数据通信任务三认知动力蓄电池管理系统（BMS）5.安全管理安全管理指蓄电池管理系统在蓄电池组的电压、电流、温度、SOC等出现不安全状态时给予及时报警并进行断路等紧急处理。现在，在对蓄电池组进行整组监控的同时，多数蓄电池管理系统可对单体蓄电池进行过充电、过放电、过热等安全状态管理。6.能量管理能量管理包括以电流、电压、温度、SOC和SOH为输入进行充电过程控制，以SOC、SOH和温度等参数为条件进行放电功率控制两个部分，其中包括对蓄电池组内单体或模块进行电量均衡。7.故障诊断故障诊断指使用相关技术及时发现蓄电池组内出现故障的单体或模块。二、蓄电池管理系统的功能及工作原理新能源汽车技术项目二动力蓄电池任务四检测与维修动力蓄电池任务四检测与维修动力蓄电池一、基本要求1.场所要求1）应具备良好通风设施、具有防火、防雨、防雷击措施。2）不应靠近有潜在火灾或爆炸危险、多尘或有腐蚀性气体等场所。3）应避免设置在车辆清洁区或车身维修区域的附近。4）应具有严禁烟火、防水和高压危险的明显标识，明示操作流程规范、应急响应预案等上墙文件。5）应具有有效的隔离防护措施和明显的禁止入内标识，避免非维修人员进入操作区域。6）应保持干净整洁及干燥，无油脂、无污渍且无金属屑、无泄漏的液体，并且没有飞溅的火星。7）场所内应配置事故电池隔离设施，电池存储区域应设有风险电池紧急运送通道，应配置应急转运车、沙箱、水基灭火器、灭火水槽等，能对已发生失效或存在严重失效风险的电池进行有效处理。8）操作区域内需具备温感监控且24小时的监控能力。任务四检测与维修动力蓄电池一、基本要求2.设备设施要求1）应具备绝缘防护工具，如绝缘手套、绝缘鞋、护目镜等个人安全防护用品。2）应具备检测工具，如万用表、绝缘表、内阻仪、绝缘扭力扳手等常用操作工具。3）应具备故障码读取设备或软件，如终端检测设备或上位机等。4）应具备新能源汽车动力蓄电池维修设备，如专用拆卸、举升、吊装、气密性检测工具、均衡、充放电设备等。3.人员要求1）从事动力蓄电池维修从业人员应持有电工特种作业操作证。2）从事动力蓄电池维修从业人员需经过培训合格后方可上岗操作。任务四检测与维修动力蓄电池一、基本要求4.安全要求1）在清洗车辆时，应禁止对B级电压系统用水进行冲洗，避免进水造成绝缘失效后产生短路或起火。B级电压电路是指新能源汽车中的电力组件或电路，其最大工作电压大于交流30V且小于等于交流1000V或大于直流60V且小于等于直流1500V。2）应定期检查维修场所内的防水和降温设备，下雨天气时应检查排气扇是否能够正常工作，排气扇通风口是否有雨水进入。3）应使用符合国家标准的充电机，严禁对电池系统进行盲充。4）雷雨天气充电时应做好相应防护，避免因进水造成绝缘失效。5）应识别潜在风险，建立突发事件应急预案，以应对电池破损燃烧爆炸情况下的处理方法和人员防护。任务四检测与维修动力蓄电池二、检测内容与要求1.检测对象在下列情况下，必须进行专业检测。1）动力蓄电池浸水或长时间涉水后。2）动力蓄电池受到碰撞后。3）故障灯显示动力蓄电池需要进行维修维护。4）其他动力蓄电池事故及故障情形。2.检测内容1）应通过上位机或设备读取故障码信息和电池系统详细数据，如单体电压、电流、温度、绝缘阻值等，确认电池系统具体故障及风险等级。2）如读取的详细数据出现明显异常，需检查BMS及其采集线束、传感器等。3）对于无明确故障码的问题，如无法充电或续驶里程严重衰减，需检查相关的车身及外部部件或对电池进行专业测试。4）将电池系统拆下之后，应对电池系统的外观进行检查，如存在变形、磨损、破裂等现象，需检查封箱螺钉的拧紧力矩及标记，并对气密性进行检测。任务四检测与维修动力蓄电池二、检测内容与要求5）如存在主回路高压部件故障，应在切断主回路与电池高压连接前提下更换部件。6）对于电压相关的电池单体故障，如静态压差过大、电压过低、电压过高等，应采用校准后的检测设备测量电池单体电压，并与监控的电池系统详细参数进行比较。如单体电压参数不一致，应排查BMS检测板故障；如单体电压参数一致，应确认故障电池单体位置，并依据故障严重程度或厂家技术文件，对其进行自放电测试，如非自放电或轻微自放电，对其进行电池均衡处理、更换等操作。7）对于涉及主回路的电压故障，如动态压差过大，应检测主回路熔断器是否发生熔断，继电器闭合后是否可靠连通，连接处的阻抗，如接插件、母排、螺栓扭力或标记、焊接点等是否正常。确认故障位置后，根据故障严重程度或厂家技术文件，对其进行固定连接、补焊或更换等操作。8）对于温度相关的故障，如温度过高、温升过快、温差异常等，应将电池上盖打开后充分静置，检查温度测量的一致性。如BMS测量的温度值一致性较好，应检查电池系统内是否出现短路、漏液、热失控等严重故障，并根据故障严重程度或厂家技术文件，更换受污染的部件并进行彻底清理。任务四检测与维修动力蓄电池三、维修评估1）根据检测结果，结合电池厂家相关技术文件，根据实际情况，制定维修方案，必要时更换故障零部件。2）当检测到电池单体出现质量问题，应由经过相应培训的专业人员严格按相关操作规程更换单体电池或所在模组。3）当电池箱外观发生明显变形时，如经检测后确认电池系统未受影响，应维修或更换箱体。如经检测后确认单体或模组受损，应更换。4）如发生加热回路与电池短路的故障，应考虑对经检测确认的受影响的电池单体或模组进行更换，并排除再次短路的风险。5）如内部存在明显的多模组进水、锈蚀、打火、烧蚀、冷却液泄露等严重故障，建议更换模组或电池包。6）如电池系统出现热失控故障，并存在爆喷或明显烧蚀痕迹，建议整包更换或更换部分模组。新能源汽车技术项目六燃料电池电动汽车任务一认知燃料电池任务一认知燃料电池一、燃料电池的分类1．按工作温度分按燃料电池的工作温度不同，可将其分为低温、中温和高温三种类型。（1）低温燃料电池这类燃料电池的工作温度低于200℃，可采用水溶液或其浓缩液为电解质，但需要采用铂催化剂才能达到实用的高电压及高电流密度，所用的燃料是氢或经纯化及重整的富氢燃料气。（2）中温燃料电池中温燃料电池的工作温度为200～750℃。中温固态燃料电池兼有高温固态氧化物燃料电池和低温质子交换膜燃料电池的优点，同时摒弃了它们的某些缺点。工作温度在200～750℃的中温燃料电池可大幅提高贵金属催化剂的一氧化碳耐受能力，并且使金属和合成树脂等材料用作电池（堆）的连接和密封材料成为可能，从而降低了燃料电池的成本，并延长了燃料电池的使用寿命。（3）高温燃料电池高温燃料电池的工作温度高于750℃。燃料电池必须采用熔融盐或固体氧化物电解质，可以在不采用特殊催化剂的情况下获得实用的高电压及高电流密度。其燃料除氢外，还可采用煤制气、天然气、甲烷、沼气等。任务一认知燃料电池一、燃料电池的分类2．按燃料的来源分按燃料电池的燃料来源不同，可将其分为直接式、间接式和再生式三种。（1）直接式燃料电池直接式燃料电池的燃料是液态或气态纯氢，不需要复杂的汽化产生氢气的过程，但需要铂、金、银等贵重金属作催化剂。直接甲醇燃料电池也无须预先重整，可直接将甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，但需要比纯氢燃料消耗更多的铂催化剂。（2）间接式燃料电池间接式燃料电池可将天然气、甲烷、汽油、LPG、二甲醚等作为燃料，经过重整和纯化后转变为氢或富氢燃料气再供给燃料电池。（3）再生式燃料电池再生式燃料电池可将燃料电池生成的水经适当的方法分解成氢及氧，再重新输送给燃料电池进行发电。任务一认知燃料电池一、燃料电池的分类2．按燃料的来源分按燃料电池的燃料来源不同，可将其分为直接式、间接式和再生式三种。（1）直接式燃料电池直接式燃料电池的燃料是液态或气态纯氢，不需要复杂的汽化产生氢气的过程，但需要铂、金、银等贵重金属作催化剂。直接甲醇燃料电池也无须预先重整，可直接将甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，但需要比纯氢燃料消耗更多的铂催化剂。（2）间接式燃料电池间接式燃料电池可将天然气、甲烷、汽油、LPG、二甲醚等作为燃料，经过重整和纯化后转变为氢或富氢燃料气再供给燃料电池。（3）再生式燃料电池再生式燃料电池可将燃料电池生成的水经适当的方法分解成氢及氧，再重新输送给燃料电池进行发电。3．按燃料电池采用的电解质分按燃料电池所采用的电解质不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池等。任务一认知燃料电池一、燃料电池的分类3．按燃料电池采用的电解质分按燃料电池所采用的电解质不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池等。（1）碱性燃料电池碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，简称AFC）以石棉网作为电解质的载体，以氢氧化钾（KOH）水溶液为电解质，工作温度为70～200℃。高温（约200℃）时采用含量较高的氢化钾（质量分数为85%）作电解质，在较低温度（＜120%）时用含量较低的氢化钾（质量分数为35%～50%）作电解质。AFC必须以纯氢作为阳极燃料气体，以纯氧作为阴极氧化剂，以铂、金、银等贵重金属，或者镍、钴、锰等过渡金属为催化剂。AFC电解质的腐蚀性较强，因而其寿命较短。与其他燃料电池相比，AFC的优点是起动快，功率密度较高，性能较为可靠，是目前技术最成熟的燃料电池之一。AFC的应用涉及航天、军事、电动汽车、发电等领域。任务一认知燃料电池一、燃料电池的分类（2）磷酸燃料电池磷酸燃料电池（PhosphorieAcidFuelCell，简称PAFC）以磷酸水溶液为电解质，工作温度范围为150～200℃，电极上也需加铂催化剂来加速反应。在低温时，PAFC离子电导度较差，而且阳极铂容易受到CO毒化，目前的发电效率仅能达到40%～45%，燃料必须进行外重整改质，而且气体燃料中CO的体积分数必须小于0.5%。由于酸性电解质的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000h。PAFC技术已趋成熟，产品也进入商业化。PAFC的缺点之一是起动时间长，因此，不适用于轿车动力，但用作公共汽车的动力则已有成功的实例。PAFC较适合于用作特殊用户的分散式电源、现场可移动电源以及备用电源等。任务一认知燃料电池一、燃料电池的分类（3）质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，简称PEMFC）的电解质为质子交换膜，工作温度约为80℃。在这样的低温下，需要通过电极上一层薄的铂进行催化，以确保电化学反应能正常缓慢地进行。PEMFC内唯一的液体为水，因此腐蚀程度较低，使用寿命较长。PEMFC即使在低温状态下也具有起动时间短的特性，可以在几分钟内达到满载运行，电流密度和功率密度较高，发电效率为45%～50%，且运行可靠，因而是电动汽车动力电源的首选。此外，PEMFC也可用作移动电源、军用野外小型电力装置、便携式电器不间断电源等，但不适合用于大容量集中型电厂。任务一认知燃料电池一、燃料电池的分类（4）熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell，简称MCFC）的电解质为分布在多孔陶瓷材料中的碱性碳酸盐，工作温度为600～800℃。碱性碳酸盐电解质在高温下呈现熔融状态，其离子传导度极佳，在高温下电极反应不需要贵重金属催化剂（如铂），可采用镍与氧化镍分别作为阳极与阴极的触媒，且具有内重整改质能力，可以直接将天然气和石油的碳氢化合物等作为燃料，发电效率较高。如果余热可以回收或与燃气轮机结合组成联合发电系统，则可使发电容量和发电效率进一步提高。由于在高温下工作，需要较长的时间才能达到工作温度，因此。MCFC不能用于电动汽车。由于其电解质的温度和腐蚀特性，MCFC也不适用作移动电源和便携式电器的不间断电源。任务一认知燃料电池一、燃料电池的分类（5）固态氧化物燃料电池固态氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称SOFC）的电解质是固态非多孔金属氧化物，工作温度为650～1000℃。SOFC电极也无须铂等贵重金属作催化剂，且无电解质蒸发和电池材料腐蚀的问题，电池的寿命较长。目前，SOFC可以连续工作达70000h。SOFC也可以将天然气和石油等碳氢化合物作为燃料。燃料在其内部可以进行重整改质。由于SOFC工作温度很高，金属与陶瓷材料之间不易密封，起动时间较长，所以其不适合做紧急电源，但较适合替代石油和煤等火电厂发电，既可用作中小容量的分散型电源（500kW～50MW），也可以用于大容量的集中型电厂（＞100MW）。任务一认知燃料电池二、燃料电池的发电原理1．燃料电池的基本原理燃料电池的核心部分是燃料（阳极）、电解质、氧化剂（阴极）。其发电原理如图6-1所示。燃料电池工作时，向阳极供给燃料（氢），向阴极供给氧化剂（空气），在其内部产生电化学反应。图6-1燃料电池的发电原理新能源汽车技术项目六燃料电池电动汽车任务二认知质子交换膜燃料电池任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成1．质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池主要由膜电极和集流板组成。其工作原理如图6-3所示。经增湿后的H2和O2分别进入阳极室和阴极室，经电极扩散层扩散到催化层和质子交换膜的界面，在催化剂的作用下分别产生氧化反应和还原反应。阴极反应生成的质子（H+）通过质子交换膜传导到阳极，阳极反应产生的电子则经外电路到达阴极，形成放电电流；生成的水（H2O）以水蒸气或冷凝水的形式随着过剩的阴极反应气体从阴极室排出。任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成2．质子交换膜燃料电池单体的组成部件质子交换膜燃料电池单体的主要组成部件如图6-4所示。。图6-4质子交换膜燃料电池单体结构任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成（1）膜电极膜电极（MEA）是质子交换膜与两侧的气体扩散层（阴、阳电极）通过热压而成的复合体。MEA是PEMFC的核心部件，其结构如图6-5所示。质子交换膜是一种厚度仅为50～18的极薄膜片，是电极活性物质（催化剂）的基底。质子交换膜的特点是：在一定的温度和湿度下，可使H+（质子）通过，而不允许H2及其他离子通过。质子交换膜是PEMFC的核心技术，其化学、物理性质对PEMFC性能的影响极大。对质子交换膜的要求如下：1）具有良好的离子导电性能。2）应有适度的含水率。3）在电池工作时具有良好的化学稳定性。4）在极薄结构尺寸下仍具有足够的机械强度。5）膜表面与催化剂有良好的结合性能。任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成（2）双极板双极板又称为集流板，放置在膜电极的两侧，可将各电池单体串联起来。 双极板的两侧分别与相邻两电池单体的阳极和阴极接触，这样，无须导线就可将各电池单体串联起来。集流板除了用作导电和串联各电池单体外，其表面的导流槽还起导流燃料、氧气及冷却水的作用。双极板面向膜电极一侧的表面刻有沟槽（称为流道），用于导流燃料和氧气（空气），而双极板中间的沟槽则是冷却水的通道，用于带走反应生成的富余热量。双极板的材质和结构设计主要考虑其有良好的导电性和密封性，反应气体能均匀分布于电极各处，使水与热的排除顺畅。目前制作双极板的材料主要有石墨、表面改性的金属、炭黑-聚合物合成材料等，通过精密铣床加工或直接模压成形制成双极板的沟槽网（流场）。有的双极板则由网状结构的流场板与极板组合而成。任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成3．质子交换膜燃料电池系统由燃料电池单体通过串联的方式组成的燃料电池堆必须持续地供给燃料和氧化剂，并及处理电化学反应产生韵水和热才能正常工作。因此，一个能持续向外供电的燃料电池必须配备燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统及协调各系统工作的电子控制系统。典型的质子交换膜燃料电池系统如图6-6所示。任务二认知质子交换膜燃料电池二、质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素反映质子交换膜燃料电池工作性能好坏的重要参数有工作电压、输出电流及输出功率等。在燃料电池工作过程中，影响其工作特性的因素主要有燃料电池电堆本身的技术状况、燃料电池的工作条件及燃料电池系统的水/热管理。1．燃料电池电堆本身技术状况的影响燃料电池电堆的技术状况对质子交换膜燃料电池工作性能起着关键的作用，而影响电堆性能的主要因素有：1）膜电极的结构、制备方式和条件。2）质子交换膜的类型、厚度、预处理情况、传导质子的能力、机械强度、化学和热稳定性。3）催化剂的含量和制备方法。4）双极板的结构和流场的结构与布置。任务二认知质子交换膜燃料电池二、质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素2．燃料电池工作条件的影响（1）工作电压、功率密度及能量效率与输出电流的关系质子交换膜燃料电池的电压、功率与输出电流之间的关系如图6-8所示。从图6-8中可知，燃料电池的工作电压随着输出电流的增大而下降，但其功率却增大。由于燃料电池的效率主要与其工作电压有关，因此，当燃料电池电压高而能量效率高时，其功率却较低。最优化的燃料电池电堆设计，是使电堆在较大的输出电流时能有较高的电压，以使电堆既有高的功率输出，又有高的能量效率。对于电动汽车用燃料电池，要求其有高的功率密度和较低的成本。这在大电流输出的状态下才能实现。新能源汽车技术项目六燃料电池电动汽车任务三认知燃料电池电动汽车任务三认知燃料电池电动汽车一、燃料电池电动汽车的类型1．按有无蓄能装置分类燃料电池电动汽车根据燃料电池电动汽车是否配备蓄能装置，可把燃料电池电动汽车分为纯燃料电池电动汽车和混合型燃料电池电动汽车两大类。（1）纯燃料电池电动汽车纯燃料电池电动汽车的燃料电池是电动汽车上电能的唯一来源。这种类型的燃料电池电动汽车，要求燃料电池的功率大，并且无法回收汽车制动能量。因此；纯燃料电池电动汽车目前应用较少。（2）混合型燃料电池电动汽车混合型燃料电池电动汽车上除燃料电池外，同时配备了蓄能装置（如蓄电池、超级电容和飞轮电池等）。由于蓄能装置可协助供电，因而可适当减小燃料电池的功率，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。因此，燃料电池电动汽车多采用混合型结构。任务三认知燃料电池电动汽车一、燃料电池电动汽车的类型2．按燃料电池与蓄电池的结构关系分类根据混合型燃料电池电动汽车中燃料电池和蓄电池的电路结构，可将混合型燃料电池电动汽车分为串联式和并联式两种，如图6-11所示。（1）串联式燃料电池电动汽车串联式燃料电池电动汽车动力系统的构成如图6-11a所示。其燃料电池相当于车载发电装置，通过DC/DC变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。串联式燃料电池电动汽车的特点与普通的串联式混合动力电动汽车相似。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要足够大，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。目前，串联形式的燃料电池电动汽车较为少见。任务三认知燃料电池电动汽车一、燃料电池电动汽车的类型3．按提供的燃料不同分类根据燃料电池所提供的燃料不同，燃料电池电动汽车又可分为直接燃料电池电动汽车和重整燃料电池电动汽车两大类。（1）直接燃料电池电动汽车直接燃料电池电动汽车的燃料主要是纯氢，也可以用甲醇等燃料。采用纯氢作燃料的燃料电池电动汽车，氢燃料的储存方式有压缩氢气、液态氢和合金（碳纳米管）吸附氢等几种。（2）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。比如，甲醇重整燃料电池电动汽车需要对甲醇进行200℃左右的加热以分解出氢，汽油重整燃料电池电动汽车也需要对汽油进行1,000℃左右的加热以分解出氢。无论采用什么燃料，重整燃料电池电动汽车都需设置重整装置，将其他燃料转化为燃料电池所需的氢。任务三认知燃料电池电动汽车二、燃料电池电动汽车的特点与传统汽车和纯电动汽车相比，燃料电池电动汽车具有以下特点：1）以纯氢气作为燃料，生成物为清洁水；以富氢有机化合物重整制得的氢作为燃料，生成物除了水可能还有少量二氧化碳，但排放量比内燃机少得多，且不包含其他氮化物、硫化物等污染排放物，具有零排放或近似零排放等优点。2）燃料电池没有活塞或涡轮等机械部件及中间环节，且不受卡诺循环限制，能量转换效率高；从节约能源角度来看，燃料电池电动汽车具有明显优势。3）燃料电池电动汽车使用氢的来源广泛，可通过煤和天然气为主的化石能源重整制氢，也可以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为主的工业副产气制氢，还可利用可再生能源电解水制氢。因此燃料电池电动汽车的发展减少了对石油资源的依赖，优化了交通能源的构成。任务三认知燃料电池电动汽车二、燃料电池电动汽车的特点4）燃料电池电动汽车续驶里程由车载储氢瓶的总容量决定，理论上长途行驶能力接近于传统内燃机汽车，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点。此外，燃料电池电动汽车一次氢气加注时间约为5～15min，而纯电动汽车快充也至少需要30min。因此，燃料电池电动汽车在行驶里程和补充燃料时间上明显优于纯电动汽车。5）燃料电池在发电过程中运行平稳、噪声低，除了空压机、氢气循环泵（有些燃料电池系统采用引射器的氢循环方案，则无氢气循环泵）和冷却系统以外，无其他高分贝噪声运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪声和振动都较小。新能源汽车技术项目六燃料电池电动汽车任务四认知燃料电池电动汽车的结构与原理任务四认知燃料电池电动汽车的结构与原理一、直接燃料电池电动汽车典型的直接燃料电池电动汽车动力系统的基本构成如图6-13所示。1．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。（1）氢气供给系统氢气供给系统的功能包括氢的储存、管理和回收。由于气态氢需要采用高压的方式储存，因此，储氢气瓶必须有较高的品质。储氢气瓶的容量决定了一次充氢的行驶里程。轿车一般采用2～4个高压储氢气瓶，大客车上通常采用5～10个高压储氢气瓶来储存所需的氢气量。液态氢比气态氢需要更高的压力进行储存，且要保持低温，因此，在使用液态氢时对储氢气瓶的要求更高，还需要有较复杂的低温保温装置。不同的储氢压力，需要采用相应的减压阀、调压阀、安全阀、压力表、流量表、热量交换器、传感器及管路等组成氢气供给系统。在从燃料电池电堆排出的水中，含有少量的氢，可通过氢气循环器将其回收。任务四认知燃料电池电动汽车的结构与原理一、直接燃料电池电动汽车（2）氧气供给系统氧气有纯氧和空气两种供给方式。当以纯氧的方式供给时，需要用氧气罐；当从空气中获得氧气时，需要用压缩机来提高压力，以确保供氧量，增加燃料电池反应的速度。空气供给系统除了需要有体积小、效率高的空气压缩机外，还需配备相应的空气阀、压力表、流量表及管路，并对空气进行加湿处理，以确保空气具有一定的湿度。（3）水循环系统在燃料电池反应过程中，会产生水和热量，需要通过水循环系统中的凝缩器加以冷凝并进行气水分离处理，部分水可用于反应气体的加湿。水循环系统还用于燃料电池的冷却，以使燃料电池保持在正常的工作温度。任务四认知燃料电池电动汽车的结构与原理一、直接燃料电池电动汽车2．辅助蓄能装置混合式燃料电池电动汽车还配备辅助蓄能装置。辅助蓄能装置可采用蓄电池、超级电容和飞轮电池中的一种，组成双电源的混合动力系统，或采用蓄电池+超级电容、蓄电池+飞轮电池的三电源系统。燃料电池电动汽车配备辅助蓄能装置的作用是：1）在燃料电池电动汽车起动时，由辅助蓄能装置提供电能，带动燃料电池起动或带动车辆起步。2）在燃料电池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，辅助蓄能装置可用于储存燃料电池剩余的电能。3）在燃料电池电动汽车加速和爬坡时，辅助蓄能装置可协助供电，以弥补燃料电池输出功率的不足，使电动机获得足够的电能，产生满足车辆加速和爬坡所需的电磁转矩。4）向车辆的各种电子设备、电器提供工作所需的电能。5）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。任务四认知燃料电池电动汽车的结构与原理一、直接燃料电池电动汽车3．驱动电动机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。与纯电动汽车和混合动力电动汽车一样，燃料电池电动汽车用驱动电动机也可采用直流有刷电动机、交流异步电动机、交流同步电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机等。不同类型的电动机具有不同的性能特点。燃料电池电动汽车通常是结合整车的开发目标，综合考虑各种电动机的结构与性能特点以及电动机的驱动控制方式及控制器结构特点等，选择适宜的驱动电动机。任务四认知燃料电池电动汽车的结构与原理一、直接燃料电池电动汽车4．电子控制系统直接燃料电池电动汽车的电子控制系统包括燃料电池系统控制、DC/DC变换器控制、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，如图6-14所示。（1）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。（2）DC/DC变换器控制DC/DC变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变换器的输出电压，将燃料电池电堆较低的电压上升至电动机所需的电压。DC/DC变换器的作用不仅仅是升压和稳压，在工作时，通过控制器的实时调节，可使其输出电压与蓄电池的电压相匹配，协调燃料电池和蓄电池负荷，起限制燃料电池最大输出电流和最大功率的作用，以避免燃料电池因过载而损坏。任务四认知燃料电池电动汽车的结构与原理一、直接燃料电池电动汽车（3）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。蓄电池能量管理系统通过对蓄电池电压、电流、温度等参数的监测，还可实现蓄电池的过充电、过放电控制，进行蓄电池荷电状态的估计与显示。（4）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。任务四认知燃料电池电动汽车的结构与原理一、直接燃料电池电动汽车（5）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、档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，获取车速、电动机转速、是否制动、蓄电池和燃料电池的电压和电流等信息，判断车辆的实际行驶工况和动力系统的状况，并按设定的多电源控制策略输出相应的控制信号，通过相应的功能模块实现能量分配调节控制。此外，整车协调控制还包括整车故障自诊断功能。新能源汽车技术项目六燃料电池电动汽车任务五分析典型燃料电池电动汽车任务五分析典型燃料电池电动汽车一、丰田燃料电池电动汽车（一）丰田Mirai燃料电池电动汽车的总体结构Mirai没有传统的燃油发动机，也没有变速器，发动机舱内部是驱动电动机及其动力控制单元。动力系统的布置方案如图6-20所示，其中驱动电机和动力控制单元布置于车辆前舱区域，燃料电池堆栈和燃料电池增压转换器布置于前排座椅下方，动力蓄电池组布置于座椅后方，两个高压储氢罐布置于后排座椅下方。图6-20丰田Mirai燃料电池电动汽车主要部件任务五分析典型燃料电池电动汽车一、丰田燃料电池电动汽车高压储氢罐内存储的燃料是氢气，压力大约为70MPa，燃料电池堆栈作为丰田汽车公司研发的第一个量产的燃料电池，其体积能量密度达到3.1kW/L，输出功率为114kW，燃料电池增压转换器运用高效紧凑的大容量升压器，能够将电压升高至最大DC650V，HV动力蓄电池组采用密封镍锰金属氢化物电池，用于回收制动时产生的再生能量，并在加速时辅助燃料电池堆栈供电，驱动电机由燃料电池堆栈和动力蓄电池组供电，最大功率113kW，最大转矩335N·m，动力控制单元用于当车辆行驶在不同的工况时控制动力蓄电池组充放电的控制策略。任务五分析典型燃料电池电动汽车一、丰田燃料电池电动汽车Mirai的动力电源包括燃料电池和高压电池。功率控制单元根据汽车的工作状态，精确地控制燃料电池输出功率和高压电池的充放电。燃料电池与功率控制单元、电机的连接方式为串联，以便在汽车运行的大部分时间具有较高效率。高压电池与燃料电池串联，用做燃料电池响应迟缓或汽车满负荷时提供辅助动力。1.燃料电池总成Mirai燃料电池是由370个电芯叠加组成，每个电芯发电的电压范围约为0.6～0.8V。Mirai燃料电池总成包括燃料电池堆栈、升压器和附属组件（图6-21）。图6-21Mirai燃料电池总成任务五分析典型燃料电池电动汽车一、丰田燃料电池电动汽车（1）燃料电池堆燃料电池堆包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层等（图6-22）。燃料电池是利用氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流，这一过程最关键的技术就是利用质子交换膜将氢气拆分。因为氢分子体积小，可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在穿越孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过。图6-22Mirai燃料电池堆原理任务五分析典型燃料电池电动汽车一、丰田燃料电池电动汽车（2）燃料电池附属组件燃料电池附属组件包括氢气泵、空气滤清器、空气压缩机、排水管等。1）氢气泵氢气泵经常与燃料电池壳体集成在一起，用于向燃料电池供给充足的氢气，因为进气压力较低，大约为1bar。2）空气滤清器空气滤清器用于过滤进入燃料电池的杂质。电池内的化学反应需要活性的表面，任何污染物会降低燃料电池的效率。3）空气压缩机空气压缩机用于确保电流所需的空气流量。所需的电流越大，送入燃料电池的空气和氢气越多。4）排水管燃料电池的排水管用于消除燃料电池产生的水。任务五分析典型燃料电池电动汽车一、丰田燃料电池电动汽车2.高压储氢罐储氢罐是气态氢的储存装置，用于给燃料电池提供氢气，罐体采用碳纤维加凯夫拉复合材质，其强度可以抵挡轻型枪械的攻击。3.高压电池丰田Mirai采用镍氢电池作为辅助动力源，与丰田混合动力汽车所用的高压电池结构相同。4.升压器升压器，也称燃料电池DC-DC转换器，将燃料电池产生的222V～296V之间的电压升压到650V，以便更好地驱动电机。5.驱动电机丰田Mirai采用交流永磁同步驱动电机。任务五分析典型燃料电池电动汽车一、丰田燃料电池电动汽车（二）工作原理空气（氧气）通过车辆前方的空气压缩机压入到燃料电池堆中。在高压氢气瓶中储存的氢气也同时输送到燃料电池中。氢气和空气中的氧气在燃料电池堆中进行反应，产生电能和水。产生的电通过升压转换器后，提供给电机，驱动车辆行驶。唯一的产物——水，将通过水管排除车外（图6-31）。图6-31Mirai工作原理新能源汽车技术项目六燃料电池电动汽车任务六检修与维护燃料电池电动汽车任务六检修与维护燃料电池电动汽车一、燃料电池电动汽车检修维护场地要求燃料电池电动汽车的检修维护场地应符合以下要求：1）燃料电池电动汽车检修与维护场地应设置防火墙，且防火墙要满足当地的防火管理部门要求。2）必须防止氢气进入相邻的办公室，尤其是那些位置比车辆高的办公室。3）在爆炸可能发生的地方设置相应的警告标志。4）在维修工厂和车库以及相邻的一定区域内禁止吸烟。5）工作人员必须穿着静电防护服，例如100％的棉服。6）在检修维护车间内禁止对车辆进行燃料补给。7）车辆在加氢之后的10min内禁止驶入封闭的建筑物。8）发生氢气泄漏的车辆禁止进入维修车间，除非所有的氢气都已排出。9）在车辆驶入一个封闭建筑物之前，必须检查车载安全控制系统以确保其没有故障。10）仪表应指示没有任何氢气泄漏，无氢气泄漏报警。任务六检修与维护燃料电池电动汽车一、燃料电池电动汽车检修维护场地要求11）对气瓶的压力检测正常，停机状态压力无明显下降。12）在氢系统开始工作之前，首先应用便携式的氢气传感器检测所有接头是否有氢气泄漏。13）电气设备（例如正在移动升降的起重机）在车辆上方的危险区域操作时，必须事先检测车辆是否存在氢气泄漏。14）那些能够产生火花的工作（如焊接，磨削）必须远离载有氢气的车辆；此外，还需使用便携式的防护装置将氢燃料电池车和产生火花的工作隔离开；除非燃料电池车辆与氢气释放管道相连，否则氢燃料电池车与能够产生火花的工作至少相离5m；当有氢气警告或者报警产生时，这些产生火花的工作必须立即停止。任务六检修与维护燃料电池电动汽车一、燃料电池电动汽车检修维护场地要求15）各种包含有压缩氢气的管道必须装配紧密，在氢气排空后，需使用防爆扳手进行拆卸。16）在进行维修工作的时候，燃料电池车辆必须接地，以防止产生静电。17）将氢气从燃料电池车辆里排出之后，传统的维修工作（例如维修车体和车轴）也可以在封闭的建筑物中进行，且在这种建筑物中不必装备专用的安全设备（例如排空管和通风设备）。18）警告灯必须提供足够的亮度，以警示技术人员从车顶区域安全撤离，保证所有工作人员离开维修厂并提醒消防队采取行动。19）在载有氢气的燃料电池车辆上，推荐用手持式的防爆灯检测故障。任务六检修与维护燃料电池电动汽车二、燃料电池电动汽车检修安全注意事项非氢系统检查维修：如果不涉及动火的，检查维修工作只需要确保周围空气流通性良好，如在室内维修的，确保厂房内部净空高度不低于8米；如果涉及动火的，必须将本车内氢气泄放完毕或将氢系统完整拆卸下来后方可动火。氢系统动火检修前，保证系统内部和动火区域的氢气体积浓度在安全范围以内；检修或检验设施应完好可靠，个人防护用品穿戴符合要求；防止明火和其他激发能源进入禁火区域