第7章燃料電池電動(dòng)汽車新能源汽車技術(shù)

第7章燃料電池電動(dòng)汽車主講：鄭竹安YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)2第7章燃料電池電動(dòng)汽車7.1概述7.2

燃料電池電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)7.3燃料電池電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)37.1概述

7.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型

FCEV按主要燃料種類可分為（1）以純氫氣為燃料的FCEV；（2）經(jīng)過重整后產(chǎn)生的氫氣為燃料的FCEV。FCEV按“多電源”的配置不同，可分為（1）純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)（PFC）的FCEV；（2）燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)（FC+B）的FCEV；（3）燃料電池與超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)（FC+C）的FCEV；（4）燃料電池與輔助蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)（FC+B+C）的FCEV。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)47.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型1．純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)的FCEV純?nèi)剂想姵仉妱?dòng)汽車只有燃料電池一個(gè)動(dòng)力源，汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)57.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型優(yōu)點(diǎn)：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和整體布置；（2）系統(tǒng)部件少，有利于整車的輕量化；（3）較少的部件使得整體的能量傳遞效率高，從而提高整車的燃料經(jīng)濟(jì)性。缺點(diǎn)：（1）燃料電池功率大、成本高；（2）對(duì)燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求；（3）不能進(jìn)行制動(dòng)能量回收。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)67.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型2．燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)（FC+B）的FCEV該結(jié)構(gòu)為一典型的串聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。在該動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池和蓄電池一起為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供能量，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動(dòng)系，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)；在汽車制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電動(dòng)機(jī)，蓄電池將儲(chǔ)存回饋的能量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)77.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型優(yōu)點(diǎn)：（1）由于增加了比功率價(jià)格相對(duì)低廉得多的蓄電池組，系統(tǒng)對(duì)燃料電池的功率要求較純?nèi)剂想姵亟Y(jié)構(gòu)形式有很大的降低，從而大大地降低了整車成本；（2）燃料電池可以在比較好的設(shè)定的工作條件下工作，工作時(shí)燃料電池的效率較高；（3）系統(tǒng)對(duì)燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求較低；（4）汽車的冷啟動(dòng)性能較好；（5）制動(dòng)能量回饋的采用可以回收汽車制動(dòng)時(shí)的部分動(dòng)能，該措施可能會(huì)增加整車的能量效率。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)87.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型缺點(diǎn)：（1）蓄電池的使用使得整車的質(zhì)量增加，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)型受到影響，這一點(diǎn)在能量復(fù)合型混合動(dòng)力汽車上表現(xiàn)更為明顯；（2）蓄電池充放電過程會(huì)有能量損耗；（3）系統(tǒng)變得復(fù)雜，系統(tǒng)控制和整體布置難度增加。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)97.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型3．燃料電池與超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)（FC+C）的FCEV

這種結(jié)構(gòu)形式與燃料電池+蓄電池結(jié)構(gòu)相似，只是把蓄電池?fù)Q成超級(jí)電容。相對(duì)于蓄電池，超級(jí)電容充放電效率高，能量損失小，比蓄電池功率密度大，在回收制動(dòng)能量方面比蓄電池有優(yōu)勢(shì)，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但是超級(jí)電容的能量密度較小。隨著超級(jí)電容技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種結(jié)構(gòu)將成為一種新的重要研究方向。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)107.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型4．燃料電池與輔助蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)（FC+B+C）的FCEV燃料電池與蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也為串聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。在該動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池、蓄電池和超級(jí)電容一起為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供能量，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動(dòng)系，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)；在汽車制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電動(dòng)機(jī)，蓄電池和超級(jí)電容將儲(chǔ)存回饋的能量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)117.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)127.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)相比燃料電池+蓄電池的結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)更加明顯，尤其是在部件效率，動(dòng)態(tài)特性，制動(dòng)能量回饋等方面。而其缺點(diǎn)也一樣更加明顯：（1）增加了超級(jí)電容，整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量將可能增加；（2）系統(tǒng)更加復(fù)雜化，系統(tǒng)控制和整體布置的難度也隨之增大?？偟膩碚f，如果能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行很好的匹配和優(yōu)化，這種結(jié)構(gòu)帶來的汽車的良好的性能具有很大的吸引力。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)137.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的類型在三種混合驅(qū)動(dòng)中，F(xiàn)C+B+C組合被認(rèn)為能夠最大限度滿足整車的起動(dòng)、加速、制動(dòng)的動(dòng)力和效率需求，但成本最高，結(jié)構(gòu)和控制也最為復(fù)雜。目前燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)是FC+B組合。這是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：（1）燃料電池單獨(dú)或與動(dòng)力電池共同提供持續(xù)功率，而且在車輛起動(dòng)、爬坡和加速等峰值功率需求時(shí)，動(dòng)力電池提供峰值功率；（2）在車輛起步的時(shí)候和功率需求量不大的時(shí)候，蓄電池可以單獨(dú)輸出能量；（3）蓄電池技術(shù)比較成熟，可以在一定程度上彌補(bǔ)燃料電池技術(shù)上的不足。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)147.1.2燃料電池電動(dòng)汽車的特點(diǎn)1.燃料電池汽車的優(yōu)點(diǎn)：（1）效率高：可以達(dá)到30%以上；（2）續(xù)駛里程長(zhǎng)：其長(zhǎng)途行駛能力及動(dòng)力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車；（3）綠色環(huán)保：生成物只有水，屬于零排放；（4）過載能力強(qiáng)：短時(shí)過載能力可達(dá)額定功率的200％或更大；（5）低噪音：運(yùn)行過程中噪音和振動(dòng)都較小；（6）設(shè)計(jì)方便靈活：改變傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)概念，可以在空間和重量等問題上進(jìn)行靈活的配置。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)157.1.2燃料電池電動(dòng)汽車的特點(diǎn)2.燃料電池電動(dòng)汽車的主要缺點(diǎn)（1）燃料電池汽車的制造成本和使用成本過高,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本居高不下，使用成本過高，燃料電池汽車還有相當(dāng)?shù)木嚯x。（2）輔助設(shè)備復(fù)雜，且質(zhì)量和體積較大（3）起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)抗振能力有待進(jìn)一步提高。采用氫氣為燃料的FCEV起動(dòng)時(shí)間一般需要3分多鐘，而采用甲醇或者汽油重整技術(shù)的FCEV則長(zhǎng)達(dá)10多分鐘，比起內(nèi)燃機(jī)汽車起動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)得多，影響其機(jī)動(dòng)性能。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)167.1.3燃料電池電動(dòng)汽車對(duì)燃料電池的基本要求（1）燃料電池的比能量不低于150～200Wh/kg,比功率不低于300～400W/kg。（2）可以在-20℃的條件下起動(dòng)和工作,有可靠的安全性和密封性,不會(huì)發(fā)生燃料氣體的結(jié)冰和燃料氣體的泄漏。（3）各種結(jié)構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度和可靠性。（4）FCEV除排放達(dá)到零污染的要求外,動(dòng)力性能要求基本達(dá)到或接近內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力性能的水平,性能穩(wěn)定可靠。（5）各種輔助技術(shù)裝備的外形尺寸和輔助技術(shù)裝備的質(zhì)量應(yīng)盡可能地減小,以符合FCEV的裝車要求。（6）燃料充添方便、迅速,燃料電池能夠方便地進(jìn)行電極和催化劑的更換和修理。（7）所配置的輔助電源,應(yīng)能滿足提供起動(dòng)電能和儲(chǔ)存制動(dòng)反饋電能的要求。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)177.1.4燃料電池電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)1．燃料電池系統(tǒng)2．車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)3．車載蓄電系統(tǒng)4．電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)5．整車布置6．整車熱管理7．整車與動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)8．多能源動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)187.1.5燃料電池電動(dòng)汽車主要技術(shù)指標(biāo)YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)197.2燃料電池電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)目前燃料電池電動(dòng)汽車絕大多數(shù)采用的是混合式燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)207.2.1燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在FCEV所采用的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中，為保證PEMFC組的正常工作，除以PEMFC組為核心外，還裝有氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、氣體加濕系統(tǒng)、反應(yīng)生成物的處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。只有這些輔助系統(tǒng)匹配恰當(dāng)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，才能保證燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)217.2.1燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)1.以氫為燃料的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖7.5是以氫為燃料的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，圖7.6是以氫氣為燃料的FCEV的總布置基本結(jié)構(gòu)模型。（1）氫氣供應(yīng)、管理和回收系統(tǒng)。（2）氧氣供應(yīng)和管理系統(tǒng)。（3）水循環(huán)系統(tǒng)。（4）電力管理系統(tǒng)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)227.2.1燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)１氫氣儲(chǔ)存罐２氫氣壓力調(diào)節(jié)儀表３熱交換器４氫氣循環(huán)泵５冷凝器及氣水分離器６水箱７水泵８空氣壓縮機(jī)９加濕器及去離子過濾裝置１０燃料電池組１１電源開關(guān)１２ＤＣ／ＤＣ變換器１３ＤＣ／ＡＣ逆變器１４驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)237.2.1燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)１驅(qū)動(dòng)輪２驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)３驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)４ＤＣ／ＡＣ逆變器５輔助電源裝置６燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)７空氣壓縮機(jī)8氫氣儲(chǔ)存罐９氫氣供應(yīng)系統(tǒng)輔助裝置１０中央控制器11ＤＣ／ＤＣ變換器YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)247.2.2輔助動(dòng)力源在FCEV上燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是主要電源，另外還配備有輔助動(dòng)力源。根據(jù)FCEV的設(shè)計(jì)方案不同，其所采用的輔助動(dòng)力源也有所不同，可以用蓄電池組、飛輪儲(chǔ)能器或超大容量電容器等共同組成雙電源系統(tǒng)。在具有雙電源系統(tǒng)的FCEV上，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源可以出現(xiàn)以下驅(qū)動(dòng)模式。（1）在FCEV起動(dòng)時(shí)，由輔助動(dòng)力源提供電能帶動(dòng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，或帶動(dòng)車輛起步。（2）車輛行駛時(shí)，由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)所需全部電能，剩余的電能儲(chǔ)存到輔助動(dòng)力源裝置中。（3）在加速和爬坡時(shí)，若燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供的電能還不足以滿足FCEV驅(qū)動(dòng)功率要求，則由輔助動(dòng)力源提供額外的電能。（4）貯存制動(dòng)時(shí)反饋的電能，以及向車輛的各種電子、電器設(shè)備提供所需要的電能。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)257.2.3DC/DC變換器1．裝置DC/DC的必要性FCEV采用的電源有各自的特性，燃料電池只提供直流電，電壓和電流隨輸出電流的變化而變化。燃料電池不可能接受外電源的充電，電流的方向只是單向流動(dòng)。FCEV采用的輔助電源（蓄電池和超級(jí)電容器）在充電和放電時(shí)，也是以直流電的形式流動(dòng)，但電流的方向是可逆性流動(dòng)。FCEV上的各種電源的電壓和電流受工況變化的影響呈不穩(wěn)定狀態(tài)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)267.2.3DC/DC變換器2．DC/DC變換器的基本功能（1）當(dāng)輸入直流電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，能輸出負(fù)載要求的變化范圍的直流電壓，例如，輸入電壓最低時(shí)也能達(dá)到最高輸出電壓，輸入電壓最高時(shí)也能達(dá)到最低輸出電壓等。（2）輸出負(fù)載要求的直流電流（范圍）：能夠輸出足夠的直流負(fù)載電流，并且能夠允許在足夠?qū)挼呢?fù)載變化范圍的情況下（例如，從空載到滿載，即電流從零到最大)，設(shè)備能正常運(yùn)行（例如，電壓穩(wěn)定、不損壞器件）。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)277.2.3DC/DC變換器3．FCEV車載DC/DC的功能（1）調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓。由于燃料電池的輸出特性較軟，難以滿足驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制器的需求，所以借助DC/DC變換器對(duì)燃料電池的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。（2）調(diào)節(jié)整車能量分配。燃料電池轎車是一種混合動(dòng)力轎車，具有燃料電池和動(dòng)力蓄電池兩種能源，控制燃料電池的輸出能量就可以控制整車能量的分配。（3）穩(wěn)定整車直流母線電壓。燃料電池的輸出電壓經(jīng)過DC/DC變換器后能穩(wěn)定整車直流母線電壓。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)287.2.3DC/DC變換器4．FCEV車載DC/DC的要求（1）變換器是能量傳遞部件，因此需要轉(zhuǎn)換效率高，以便提高能源的利用率；（2）為了降低對(duì)燃料電池的輸出電壓要求，變換器應(yīng)具有升壓功能；（3）由于燃料電池輸出的不穩(wěn)定，需要變換器閉環(huán)運(yùn)行進(jìn)行穩(wěn)壓，為了給驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定的輸入，需要變換器有較好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力；（4）體積小，重量輕。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)297.2.4驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)燃料電池電動(dòng)汽車用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。（1）直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用換向器和電刷，保證了勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁動(dòng)勢(shì)的嚴(yán)格正交，易于控制。但直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其高速性能和可靠性受換向器和電刷的影響較大。（2）交流電動(dòng)機(jī)堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、免維護(hù)、成本低，尤其