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1、新能源汽车技术1、了解燃料电池电动汽车的类型2、掌握燃料电池电动汽车的结构及原理3、了解燃料电池电动汽车的特点4、掌握燃料电池电动汽车关键技术第六章 燃料电池电动汽车本章目标本章目标1燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析1 12
2、 23 34 4第六章 燃料电池电动汽车2第一节第一节第一节第一节 燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车结构图3纯燃料电动汽车按有无其按有无其它蓄能装它蓄能装置分类置分类0102 纯燃料电池驱动的电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所纯燃料电池驱动的电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担，要求燃料电池的功率大。此外，纯有功率负荷都由燃料电池承担，要求燃料电池的功率大。此外，纯燃料电池电动汽车无法回收汽车制动能量。燃料电池电动汽车无法回收汽车制动能量。混合型燃料电池电动汽车 在电动汽车上再配备其他蓄能装置（
3、如蓄电池、超级电容和飞轮在电动汽车上再配备其他蓄能装置（如蓄电池、超级电容和飞轮电池等），便成为混合型燃料电池电动汽车。由于蓄能装置可协助供电池等），便成为混合型燃料电池电动汽车。由于蓄能装置可协助供电，因而可以适当减小燃料电池的功率，而且蓄能装置还可用于汽车电，因而可以适当减小燃料电池的功率，而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。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。1.1 燃料电池燃料电池电动汽车的分类电动汽车的分类4串联式燃料电池电动汽车按燃料电按燃料电池与蓄电池与蓄电池的结构池的结构关系分类关系分类0102 串联式燃料电池
4、电动汽车燃料中电池相当于车载发电装置，通串联式燃料电池电动汽车燃料中电池相当于车载发电装置，通过过DC/DCDC/DC转换器进行电压转换后对蓄电池充电，再由蓄电池向电动机转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。其优点是可采用小功率的燃料电池，但提供驱动车辆的全部电力。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足够大，而且燃料电池发出的电能需要经要求蓄电池的容量和功率足够大，而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。过蓄电池的电化学转换过程，从中有能量的转换损失。并联式燃料电池电动汽车 并联式燃料电池电动汽车动力
5、系统由燃料电池和蓄电池共同向电并联式燃料电池电动汽车动力系统由燃料电池和蓄电池共同向电动机提供电力。并联式燃料电池电动汽车可分为大燃料电池型电动汽动机提供电力。并联式燃料电池电动汽车可分为大燃料电池型电动汽车和小燃料电池型电动汽车，分类依据为燃料电池与蓄电池能量大小车和小燃料电池型电动汽车，分类依据为燃料电池与蓄电池能量大小配置不同。配置不同。1.1 燃料电池燃料电池电动汽车的分类电动汽车的分类5直接燃料电池电动汽车按提供的按提供的燃料分类燃料分类0102 直接燃料电池电动汽车的燃料主要是纯氢，也可以用甲醇等作为直接燃料电池电动汽车的燃料主要是纯氢，也可以用甲醇等作为燃料。直接燃料电池电动汽车
6、的燃料排放无污染，被认为是最理想燃料。直接燃料电池电动汽车的燃料排放无污染，被认为是最理想的汽车，但存在氢的制取和存储困难等特点。的汽车，但存在氢的制取和存储困难等特点。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、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。车复杂得多。1.1 燃料电池燃料电池电动汽车的分类电动汽车的分类61.2 燃料电池燃料电池电动汽车对电动汽车对燃料电池燃料电池的要求的要求7燃料电池的比能量、比
7、功率达到规定要求。安全性、密封性构件有足够强度和可靠性动力性能稳定，零污染减轻质量优点您的标题u能量转换效率高能量转换效率高u污染小污染小u燃料电池电堆配置燃料电池电堆配置便捷便捷u燃料电池振动小，燃料电池振动小，噪声低，零部件加噪声低，零部件加工简单工简单u制造成本和使用成制造成本和使用成本过高本过高u辅助设备复杂辅助设备复杂u启动时间长启动时间长缺点1.3 燃料电池电动汽车的特点燃料电池电动汽车的特点8燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽
8、车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析1 12 23 34 4第六章 燃料电池电动汽车9第二节第二节第二节第二节 燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理辅助动力源燃料电池系统DC/DC转换器驱动电动机动力电控系统混合型燃料电池电动汽车的动力系统102.1 燃料电池系统燃料电池系统11燃料燃料电池系池系统燃料供燃料供应系系统氧化氧化剂系系统发电系
9、系统水管理系水管理系统热管理系管理系统电力系力系统控制系控制系统安全系安全系统1燃料电池组燃料电池组+辅助动力源辅助动力源3蓄电池飞轮电池燃料电池蓄电池飞轮电池燃料电池动力系统动力系统2蓄电池超级电容器燃料电池蓄电池超级电容器燃料电池2.2 辅助动力源辅助动力源122.2 辅助动力源辅助动力源1312453向电动汽车的各种电子设备、电器提供工作所需的电能。在电动汽车制动时，将驱动电动机转换为发电机工作状态，将电动汽车的动能转换为电能，并向辅助动力源充电。在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，辅助动力源可用于储存燃料电池剩余的电量。在电动汽车启动时，由辅助动力源提供
10、电能，带动燃料电池启动或带动车辆起步。辅助动力源可协助供电，弥补燃料电池输出功率的不足，使电动机获得足够的电能。l给燃料电池电动汽车配备辅助动力源的作用DC/DC转换器2.3 DC/DC转换器转换器14DC/DC转换器主要作用调节燃料燃料电池的池的输出出电压。调节整整车能量分配。能量分配。稳定整定整车直流母直流母线电压。1.直流电动机2.交流电动机3.永磁电动机4.开关磁阻电动机2.4 驱动电动机驱动电动机15燃料电池电动汽车动力电控系统结构示意图2.5 动力电控系统动力电控系统16燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车
11、概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析1 12 23 34 4第六章 燃料电池电动汽车17第三节第三节 燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术18燃燃料料电池池电动汽汽车关关键技技术燃料燃料电池系池系统车载储氢系系统车载蓄蓄电系系统电动机及其控制技机及其控制技术整整车布置布置整整车热管理管理整整车与与动力系力系统的参数的参数选择与
12、与优化化设计多能源多能源动力系力系统的能量管理策略的能量管理策略2车载储氢系车载储氢系统统 如何有效减小储氢系统的如何有效减小储氢系统的重量与体积是车载储氢技术重量与体积是车载储氢技术研究的重点。一个比较理想研究的重点。一个比较理想的方案是，采用储氢材料与的方案是，采用储氢材料与高压储氢复合的车载储氢新高压储氢复合的车载储氢新模式，即在高压储氢容器中模式，即在高压储氢容器中装填质量较轻的储氢材料，装填质量较轻的储氢材料，这种装置与纯高压储氢方式这种装置与纯高压储氢方式相比，既可以降低储氢压力相比，既可以降低储氢压力又可以提高储氢能力。又可以提高储氢能力。3车载蓄电车载蓄电系统系统 车载蓄电系统
13、包括铅酸蓄车载蓄电系统包括铅酸蓄电池、镍电池、镍-氢电池、锂离子电氢电池、锂离子电池等蓄电池及超级电容、飞轮池等蓄电池及超级电容、飞轮电池等。电池等。1燃料电池系燃料电池系统统 燃料电池是燃料电池电动燃料电池是燃料电池电动汽车发展的最关键技术之一，汽车发展的最关键技术之一，燃料电池系统的核心是燃料电燃料电池系统的核心是燃料电池堆。燃料电池堆研究正在向池堆。燃料电池堆研究正在向高性能、高效率和更高耐久性高性能、高效率和更高耐久性方向努力。方向努力。195车载储氢系车载储氢系统统 然料电池电动汽车在整车然料电池电动汽车在整车布置上有以下关键问题：布置上有以下关键问题：l燃料电池及电动机的相关燃料电
14、池及电动机的相关布置。布置。l动力电池组的车身布置。动力电池组的车身布置。l 氢气瓶的安全布置。氢气瓶的安全布置。l 高压电安全系统的车身高压电安全系统的车身布置等。布置等。6车载蓄电车载蓄电系统系统 燃料电池自身的运行温度燃料电池自身的运行温度为为60607070，散热系统工作温，散热系统工作温度大约在度大约在6060，两者温差不大，两者温差不大，因此，必须依赖整车动力系统因此，必须依赖整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散提供额外的冷却动力为系统散热，但这样不经济。二者之间热，但这样不经济。二者之间的平衡是热管理开发方面必须的平衡是热管理开发方面必须关注的。关注的。4燃料电池系燃料电池系统
15、统 驱动电动机是燃料电池电动驱动电动机是燃料电池电动汽车的心脏，正向大功率、高汽车的心脏，正向大功率、高转速、高效率和小型化方向发转速、高效率和小型化方向发展。展。208能源动力系统能源动力系统的能量管理策的能量管理策略略 能量管理策略对燃料经济能量管理策略对燃料经济性影响很大，且受到动力系统性影响很大，且受到动力系统参数和行驶工况的双重影响。参数和行驶工况的双重影响。能量管理策略的工况适应性需能量管理策略的工况适应性需开发，之后，需进行功率分配开发，之后，需进行功率分配的优化。作为能量管理策略的的优化。作为能量管理策略的一部分，制动能量回收是提高一部分，制动能量回收是提高燃油经济性的重要措施
16、，也是燃油经济性的重要措施，也是一个难点问题。必须综合考虑一个难点问题。必须综合考虑制动稳定性、制动效能、驾驶制动稳定性、制动效能、驾驶员感觉、蓄电池充电接受能力员感觉、蓄电池充电接受能力等限制条件。等限制条件。7整车与动力系统整车与动力系统的参数选择与优的参数选择与优化设计化设计 燃料电池电动汽车整车性能燃料电池电动汽车整车性能参数是整个燃料电池动力系统参数是整个燃料电池动力系统开发的信息来源，虚拟配置的开发的信息来源，虚拟配置的动力系统的特性参数也影响整动力系统的特性参数也影响整车性能。两者之间的参数选择车性能。两者之间的参数选择是一个多变量多目标的优化设是一个多变量多目标的优化设计过程，
17、而且参数选择与行驶计过程，而且参数选择与行驶工况和控制策略紧密相关，只工况和控制策略紧密相关，只有在建立准确的仿真模型的基有在建立准确的仿真模型的基础上，经过反复寻优计算才可础上，经过反复寻优计算才可能达到较好的设计结果。能达到较好的设计结果。21燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车关键技术燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车概述燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车的结构与原理燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料
18、电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能分析1 12 23 34 4第六章 燃料电池电动汽车22 丰田Mirai燃料电动汽车是世界上真正量产销售的第一款燃料电池汽车，它在车身中后部配备了两个容量分别为60 L和62.4 L的高压储氢罐。Mirai凭借碳纤维强化塑料层的创新实现轻量化，同时实现世界顶级水平的质量储氢密度5.7 wt%。Mirai的加氢时间只需要35 min。电动机的动力来自于燃料电池以及驱动电池，最大输出功率达到了113 kW，最大扭矩为335 Nm，保证了Mirai在行驶过程中有着很好的动力响应。第四节第四节 燃料电池电动汽车实例及性能分析燃料电池电动汽车实例及性能
19、分析4.1 丰田丰田Mirai燃料电动汽车燃料电动汽车23 本田FCX Clarity的灵魂所在就是第三代本田燃料电池发动机。新的100 kW燃料电池发动机比2005款FCX原型车的要小了65%。Clarity垂直燃料电池发动机的直角造型使得将它安装在轿车上成为可能。垂直布局还可以提升电池发动机的冷却性能、电力发生和寒冷天气下的操控。因为电池是垂直分布的，因此表面的水分会向下排出，使它不会结冰。来自电池发动机的电流流向288 V的锂电池组或横向固定在Clarity引擎罩下面的电发动机变速箱里。4.2 本田本田FCX Clarity24 梅赛德斯-奔驰首款量产燃料电池车首批200辆小规模量产的B 级燃料电池车，在2011年年初起逐渐交付欧洲和美国的客户。B级燃料电池车的核心技术是新一代燃料电池驱动系统，这种燃料电池尺寸紧凑、动力强劲、使用安全，且完全适用于日常使用。燃料电池能够在行车过程中产生电力，而产生的唯一排放物质是水，实现了绝对的零排放零污染。4.3 奔驰奔驰B级级F-CELL燃料电池车燃料电池车25