新能源汽车概论课件：燃料电池电动汽车

活塞连杆组故障诊断与修复燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能获得的。甲醇、天然气和汽油也可以替代氢（从这些物质里间接地提取氢），不过将会产生极少的CO2和NOx。

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）。燃料电池电动汽车一般以质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为车载能量源。燃料电池电动汽车有三种分类方式：（1）按照燃料特点分：可分为直接燃料电池电动汽车和重整燃料电池电动汽车。（2）按照燃料氢的存储方式分：可分为压缩氢燃料电池电动汽车、液氢燃料电池电动汽车和合金（碳纳米管）吸附氢燃料电池电动汽车。（3）按“多电源”的配置分：可分为纯燃料电池驱动（PFC）式、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）式、燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）式及燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）式。一、燃料电池电动汽车的类型

1.燃料电池电动汽车的优点与传统燃油汽车、纯电动汽车技术相比，燃料电池电动汽车具有以下优点：（1）零排放或近似零排放，绿色环保。燃料电池电动汽车在本质上是一种零排放汽车，燃料电池没有燃烧过程，若以纯氢作燃料，通过电化学的方法，将氢和氧结合，生成物是清洁的水；采用其他富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生成物除水之外还可能有少量的CO2，但其排放量比发动机要少得多，且没有其他污染排放（如NOx、SOx、HC或微粒）问题，接近零排放。（2）能量转换效率高，节约能源。燃料电池的能量转换效率极高。燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100%，实际效率已达60%~80%，是普通发动机热效率的2~3倍（汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16%~18%和22%~24%）。因此，从节约能源的角度来看，燃料电池汽车明显优于使用普通发动机汽车。二、燃料电池电动汽车的优缺点

1.燃料电池电动汽车的优点（3）燃料多样化，优化了能源消耗结构。燃料电池所使用的氢燃料来源广泛，自然界中，氢能大量存储在水中，可采用水分解制氢，也可以从可再生能源获得，可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及可再生能源。燃料电池不依赖石油燃料，各种可再生能源可以转化为氢能加以有效利用，减少了对石油资源的依赖，优化了交通能源的构成。（4）续驶里程长，性能优于其他电池的电动汽车。采用燃料电池发电系统作为能量源，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燃油汽车。（5）过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范周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，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。（6）运行平稳、噪声低。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，因此与燃油汽车相比，没有发动机的轰鸣，运行过程中噪声和振动都较小。二、燃料电池电动汽车的优缺点

2.燃料电池电动汽车的缺点汽车业界普遍认同的一个观点是，燃料电池技术是内燃机技术最好的替代物，代表了汽车未来的发展方向。但如果将发展燃料电池电动汽车的几个制约因素考虑进来，则会发现燃料电池汽车目前和今后一段时间尚不具备商业化的条件，燃料电池电动汽车的主要缺点如下：（1）燃料电池电动汽车的制造成本和使用成本过高。制约燃料电池汽车推广应用的最大因素之一是燃料电池的生产成本一直居高不下。如何降低燃料电池的生产成本成为燃料电池电动汽车实用化的关键。从市场经济学角度讲，高成本很难完成市场化推广，而无法实现市场化就不可能大规模批量生产，进而成本就无法降下来，最终导致成本与销售的恶性循环。二、燃料电池电动汽车的优缺点

2.燃料电池电动汽车的缺点（2）起动时间长，系统抗振能力较差。采用氢气为燃料的FCEV起动时间一般需要超过3min，而采用甲醇或者汽油重整技术的FCEV则长达10min，比起燃油汽车起动的时间长得多，影响其机动性能。此外，当FCEV受到振动或者冲击时，各种管道的连接和密封的可靠性不高，易造成泄漏，降低效率，严重时会引发安全事故。（3）经济且无污染地获取纯氢燃料还存在技术难点。通过重整或改质技术转化传统的化石燃料获取纯氢天然气，不仅要消耗大量的能量，而且并没有从根本上摆脱对化石能的依赖，也没有从根本上消除对环境的污染。二、燃料电池电动汽车的优缺点

2.燃料电池电动汽车的缺点（4）氢燃料电池汽车燃料的供应还有大量的技术问题有待解决。通常氢能以三种状态存储和运输：高压气态、液态和氢化物形态。用常用的压缩气体罐储存的氢，只能供燃料电池汽车行驶150km，续驶里程太短，还不如蓄电池驱动的汽车。综上所述，相比纯电动汽车，氢燃料电池汽车技术门槛高，需要巨额投入，而我们技术和产业基础薄弱，资金和技术力量投入严重不足，技术链不完善，产业化能力较弱，发展的趋势还是纯电动汽车。二、燃料电池电动汽车的优缺点

燃料电池电动汽车与普通燃油汽车相比，最大的区别在于其动力系统。燃料电池电动汽车动力系统的基本组成部分包括燃料电池系统、辅助蓄能装置、驱动电机及电子控制系统。燃料电池系统，是燃料电池电动汽车的动力源，也称燃料电池发动机。单独的燃料电池堆是不能完成发电任务并应用于汽车的，通常，燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成燃料电池发电系统，即它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成为燃料电池发电系统，简称燃料电池系统（FuelCellSystem，FCS），才能对外输出功率。三、燃料电池电动汽车的组成及工作原理

燃料电池电动汽车的工作原理是，作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能来供给电动机工作，由电动机驱动汽车中的机械传动结构，进而驱动汽车的前桥（或后桥）等行走机械机构工作，使得电动汽车行驶。燃料电池的反应结果会产生极少的CO2和NOx，副产品主要产生水，因此被称为绿色新型环保汽车。燃料电池电动汽车其核心部件是燃料电池。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，用以确保燃料电池堆正常工作。如图2-38所示为某一汽车的氢燃料汽车构造及其原理图。三、燃料电池电动汽车的组成及工作原理

三、燃料电池电动汽车的组成及工作原理图2-38某一汽车的氢燃料汽车构造及工作原理图

燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外高度重视，成为最被看好的可用于替代汽油和柴油等传统的内燃机技术的先进新能源汽车技术。日本政府希望其到2020年的燃料电池汽车销量达到500万辆，再通过10年的研发推广实现全面普及燃料电池汽车。美国政府在2003年投入12亿美元大力推进氢技术和燃料电池技术，其中重要项目之一就是美国能源部（DepartmentOfEnergy，DOE）在北加州、南加州、密歇根州东南部、大西洋区中部和佛罗里达州中部等5个区域开展的氢技术和基础实施验证与示范综合工程，吸引了Hyundai-Kia/Chevron、DaimlerChrysler/BP、Ford/BP和GM/Shell等多家汽车制造/能源供应商参与。四、燃料电池电动汽车的发展趋势

美国能源部大力推进氢经济和燃料电池技术，尤其是商业化推广应用方面取得显著进展，比如目前高容量和低容量燃料电池制造成本分别为55美元/kW和280美元/kW，汽车燃料电池2014年的制造成本自2006年下降50%并自2008年以来进一步下降30%以上（基于高容量电池制造），这必将带动创造工作岗位、投资机会和可持续、安全的能源供应。为了在2020年前争取把欧盟建立成一个具有全球领先水平的燃料电池（FuelCell，FC）系统和氢能源（HydrogenEnergy，HE）经济的巨大市场，欧盟高度重视燃料电池技术和氢能源技术并把之视作能源领域的战略高新技术大力推进。中国政府高度重视燃料电池和燃料电池电动汽车技术，作为国家“863”重大科技项目予以重点研发，北京公交示范、北京奥运会和上海世博会示范运行了我国自主研发的燃料电池客车与轿车。目前通常认为，燃料电池电动汽车技术可显著减少温室气体排放，成为新一代汽车的主要发展方向。四、燃料电池电动汽车的发展趋势单元小结

（1）纯电动汽车是指驱动能量完全由电能提供的、由电机驱动的汽车。它有几种分类方式，分别可以按照用途的不同、车载电源数目以及驱动系统的组成不同进行分类。纯电动汽车结构轻巧灵活，相比于传统的燃油汽车有一定的优势，随着时代的发展，纯电动汽车的市场领域将逐渐扩大，大多汽车品牌也纷纷加入到新能源汽车的行列当中。（2）混合动力电动汽车是指至少从两类车载储存的能量（可消耗的燃料、可再充电能/能量储存装置）中获得动力的汽车。混合动力电动汽车在一定程度上缓解了燃油压力，减轻了大气污染等。介绍了串联式混合动力电动汽车、并联式混合动力电动汽车和混联式混合动力电动汽车系统的结构及工作原理，分析了其系统的动力传递过程。混合动力电动汽车对比纯电动汽车及燃料汽车都具备一定的优越性，混合动力电动汽车研究开发的主要目的就是减少石油能源的消耗，减少汽车尾气的有害气体量，降低大气污染。单元小结

（3）增程式电动汽车类似于纯电动汽车，当发动机完全关闭时，处于纯电动模式，该模式完全可以满足城市日常上下班的行驶需求；而在蓄电池荷电状态（SOC）达到较低水平时，发动机起动作为主动力源，补充车辆行驶所需的电能，多余的电能对动力电池进行充电。增程式电动汽车有别于纯电动汽车，最大的技术区别便是增程器，增程器扮演着很重要的角色。可使汽车处于纯电动模式行驶，减少了充电时间。增程式电动汽车由两种工作模式：一种是纯电动模式，一种是增程模式。单元小结

（4）插电式混合动力汽车根据结构不同，可以分为三类，分别是增程式插电混合动力汽车、并联式插电动力混合汽车和混联式插电混合动力汽车，这三类汽车都具备自身的特点。插电式混合动力汽车的特征是行驶