第6章燃料電池電動汽車

6.1概述6.2燃料電池電動汽車的基本結(jié)構(gòu)

6.3燃料電池電動汽車的傳動系統(tǒng)6.4燃料電池電動汽車車型實例新能源汽車技術(shù)

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頁第6章燃料電池電動汽車6.1概述新能源汽車技術(shù)6.1概述

6.1.1燃料電池電動汽車的類型

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。新能源汽車技術(shù)

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頁6.1概述6.1.1燃料電池電動汽車的類型新能源汽車FCEV按“多電源”的配置不同，可分為（1）純?nèi)剂想姵仳?qū)動（PFC）的FCEV；（2）燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動（FC+B）的FCEV；（3）燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動（FC+C）的FCEV；（4）燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動（FC+B+C）的FCEV。

6.1.1燃料電池電動汽車的類型新能源汽車技術(shù)

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頁FCEV按“多電源”的配置不同，可分為6.1.1燃料電池電1．純?nèi)剂想姵仳?qū)動的FCEV

純?nèi)剂想姵仉妱悠囍挥腥剂想姵匾粋€動力源，汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)。驅(qū)動電動機(jī)傳動系燃料電池系統(tǒng)新能源汽車技術(shù)

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頁1．純?nèi)剂想姵仳?qū)動的FCEV純?nèi)純?yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(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。缺點(diǎn)：（1）燃料電池功率大、成本高；（2）對燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求；（3）不能進(jìn)行制動能量回收。

1．純?nèi)剂想姵仳?qū)動的FCEV

新能源汽車技術(shù)

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頁優(yōu)點(diǎn)：1．純?nèi)剂想姵仳?qū)動的FCEV新能源汽車技術(shù)第2．燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動FCEV

該結(jié)構(gòu)為一典型的串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)。在該動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池和蓄電池一起為驅(qū)動電機(jī)提供能量，驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動系，從而驅(qū)動汽車前進(jìn)；在汽車制動時，驅(qū)動電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，蓄電池將儲存回饋的能量。新能源汽車技術(shù)

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頁2．燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動FCEVFCEV結(jié)構(gòu)驅(qū)動電動機(jī)傳動系燃料電池系統(tǒng)蓄電池新能源汽車技術(shù)

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頁FCEV結(jié)構(gòu)驅(qū)動電動機(jī)傳動系燃料電池系統(tǒng)蓄電池新能源汽車技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于增加了比功率價格相對低廉得多的蓄電池組，系統(tǒng)對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，工作時燃料電池的效率較高；（3）系統(tǒng)對燃料電池的動態(tài)響應(yīng)性能要求較低；（4）汽車的冷啟動性能較好；（5）制動能量回饋的采用可以回收汽車制動時的部分動能，該措施可能會增加整車的能量效率。

2．燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動FCEV

新能源汽車技術(shù)

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頁優(yōu)點(diǎn)：2．燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動FCEV新能源汽車技缺點(diǎn)：（1）蓄電池的使用使得整車的質(zhì)量增加，動力性和經(jīng)濟(jì)型受到影響，這一點(diǎn)在能量復(fù)合型混合動力汽車上表現(xiàn)更為明顯；（2）蓄電池充放電過程會有能量損耗；（3）系統(tǒng)變得復(fù)雜，系統(tǒng)控制和整體布置難度增加。2．燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動FCEV

新能源汽車技術(shù)

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頁缺點(diǎn)：2．燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動FCEV新能源汽車技3．燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動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成超級電容。相對于蓄電池，超級電容充放電效率高，能量損失小，比蓄電池功率密度大，在回收制動能量方面比蓄電池有優(yōu)勢，循環(huán)壽命長，但是超級電容的能量密度較小。新能源汽車技術(shù)

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頁3．燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動FCEV4．燃料電池與輔助蓄電池和超級電容

聯(lián)合驅(qū)動的FCEV

燃料電池與蓄電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動的電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也為串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)。燃料電池、蓄電池和超級電容一起為驅(qū)動電機(jī)提供能量，驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動系，驅(qū)動汽車前進(jìn)；在汽車制動時，驅(qū)動電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，蓄電池和超級電容將儲存回饋的能量。新能源汽車技術(shù)

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頁4．燃料電池與輔助蓄電池和超級電容

聯(lián)合驅(qū)動的FC燃料電池+蓄電池十超級電容形式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動電動機(jī)傳動系燃料電池系統(tǒng)蓄電池超級電容新能源汽車技術(shù)

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頁燃料電池+蓄電池十超級電容形式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖驅(qū)動電動機(jī)傳動這種結(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，動態(tài)特性，制動能量回饋等方面。而其缺點(diǎn)也一樣更加明顯：（1）增加了超級電容，系統(tǒng)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。

4．燃料電池與輔助蓄電池和超級電容

聯(lián)合驅(qū)動的FCEV新能源汽車技術(shù)

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頁這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)相比燃料電池+蓄電池的6.1.2燃料電池電動汽車的特點(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；（3）綠色環(huán)保：生成物只有水，屬于零排放；（4）過載能力強(qiáng)；（5）低噪音：運(yùn)行過程中噪音和振動都較小；（6）設(shè)計方便靈活。新能源汽車技術(shù)

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頁6.1.2燃料電池電動汽車的特點(diǎn)1.燃料電池汽車的優(yōu)2.燃料電池電動汽車的主要缺點(diǎn)

（1）燃料電池汽車的制造成本和使用成本過高（2）輔助設(shè)備復(fù)雜，且質(zhì)量和體積較大（3）起動時間長，系統(tǒng)抗振能力有待進(jìn)一步提高

采用氫氣為燃料的FCEV起動時間一般需要3分多鐘，而采用甲醇或者汽油重整技術(shù)的FCEV則長達(dá)10多分鐘，比起內(nèi)燃機(jī)汽車起動的時間長得多，影響其機(jī)動性能。

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頁2.燃料電池電動汽車的主要缺點(diǎn)（1）燃料電池汽車的制6.1.3燃料電池電動汽車對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。要求達(dá)到或超過美國先進(jìn)電池聯(lián)合體（USABC）所提出的電池性能和使用壽命的指標(biāo)。（2）可以在-20℃的條件下起動和工作,有可靠的安全性和密封性,不會發(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,可以在負(fù)荷變化情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。并能夠耐受FCEV行駛時的振動和沖擊。

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頁6.1.3燃料電池電動汽車對燃料電池的基本要求（（4）FCEV除排放達(dá)到零污染的要求外,動力性能要求基本達(dá)到或接近內(nèi)燃機(jī)汽車的動力性能的水平,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)能滿足提供起動電能和儲存制動反饋電能的要求。

6.1.3燃料電池電動汽車對燃料電池的基本要求

新能源汽車技術(shù)

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頁（4）FCEV除排放達(dá)到零污染的要求外,動力性能要6.1.4燃料電池電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)

1．燃料電池系統(tǒng)燃料電池是燃料電池汽車發(fā)展的最關(guān)鍵技術(shù)之一。燃料電池堆技術(shù)發(fā)展趨勢可用耐久性、低溫啟動溫度、凈輸出比功率以及制造成本四個要素來評判。降低成本也是燃料電池堆研究的目標(biāo)，控制成本的有效手段是減少材料費(fèi)(電催化劑、電解質(zhì)膜、雙極板等)，降低加工費(fèi)(膜電極制作、雙極板加工和系統(tǒng)裝配等)。

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頁6.1.4燃料電池電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)1．燃料2．車載儲氫系統(tǒng)

儲氫技術(shù)是氫能利用走向規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。目前，常見的車載儲氫系統(tǒng)有高壓儲氫、低溫儲存液氫和金屬氫化物儲氫三種基本方案。如何有效減小儲氫系統(tǒng)的質(zhì)量與體積，是車載儲氫技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)。一個比較理想的方案是，采用儲氫材料與高壓儲氫復(fù)合的車載儲氫新模式。新能源汽車技術(shù)

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頁2．車載儲氫系統(tǒng)儲氫技術(shù)是氫能利3．車載蓄電系統(tǒng)

車載蓄電系統(tǒng)包括鉛酸電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等蓄電池及電化學(xué)超級電容器。（1）鉛酸電池由于其功率密度低，充電時間長，作為未來電動汽車動力系統(tǒng)的可能性很小。（2）鎳氫蓄電池具有高比能、大功率、快速充放電、耐用性優(yōu)異等特性，是目前混合動力汽車和電動汽車中應(yīng)用最廣的綠色動力蓄電系統(tǒng)。新能源汽車技術(shù)

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頁3．車載蓄電系統(tǒng)車載蓄電系統(tǒng)包括鉛（3）鋰離子電池具有比能量大、比功率高、自放電小、無記憶效應(yīng)、循環(huán)特性好、可快速放電等優(yōu)點(diǎn)。（4）超級電容器能在短時間內(nèi)提供或吸收大的功率，為蓄電池數(shù)十倍，效率高、具有上萬次的循環(huán)壽命和極長的儲存壽命、工作溫度范圍寬、能使用的基礎(chǔ)材料價格便宜，可以作為混合型動力汽車的有效蓄電系統(tǒng)。3．車載蓄電系統(tǒng)

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頁（3）鋰離子電池具有比能量大、比功率高、4．電機(jī)及其控制技術(shù)

驅(qū)動電機(jī)是燃料電池電動汽車的心臟，它正向著大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。當(dāng)前驅(qū)動電機(jī)主要有感應(yīng)電動機(jī)和永磁無刷電動機(jī)，永磁無刷電動機(jī)具有較高的功率密度和效率、體積小、慣性低和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車方面有著廣闊地應(yīng)用前景。新能源汽車技術(shù)

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頁4．電機(jī)及其控制技術(shù)驅(qū)動電機(jī)是燃5．整車布置

燃料電池汽車在整車布置上存在以下關(guān)鍵問題：燃料電池發(fā)動機(jī)及電機(jī)的相關(guān)布置動力電池組的車身布置、氫氣瓶的安全布置高壓電安全系統(tǒng)的車身布置問題。

這些核心部件的布置，不僅要考慮布置方案的優(yōu)化及零部件性能實現(xiàn)的便利，還要求相關(guān)方案必須考慮傳統(tǒng)汽車不具備的安全性問題。

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頁5．整車布置燃料電池汽車在整車布置上存在以下關(guān)6．整車熱管理

（1）燃料電池發(fā)動機(jī)自身的運(yùn)行溫度為60~70℃左右，實際的散熱系統(tǒng)工作溫度大致可以控制在60℃，必須依賴整車動力系統(tǒng)提供額外的冷卻動力為系統(tǒng)散熱，因此二者之間的平衡將是在熱管理開發(fā)方面必須關(guān)注的；（2）目前整車各零部件的體積留給整車布置回旋的余地很小，造成散熱系統(tǒng)設(shè)計的改良空間不大，無法采用通用的解決方案應(yīng)對，必須開發(fā)專用的零部件。

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頁6．整車熱管理（1）燃料電池發(fā)動機(jī)自身的運(yùn)行溫度為607．整車與動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇與優(yōu)化設(shè)計

燃料電池汽車整車性能參數(shù)是整個燃料電池動力系統(tǒng)開發(fā)的信息輸入，而虛擬配置的動力系統(tǒng)的特性參數(shù)也影響項目整車性能。兩者之間的參數(shù)選擇是一個多變量多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計過程，而且參數(shù)選擇與行駛工況和控制策略緊密相關(guān)。新能源汽車技術(shù)

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頁7．整車與動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇與優(yōu)化設(shè)計8．多能源動力系統(tǒng)的能量管理策略

能量管理策略對燃料經(jīng)濟(jì)性影響很大，且受到動力系統(tǒng)參數(shù)和行駛工況的雙重影響。完成能量管理策略的工況適應(yīng)性開發(fā)后，其核心問題轉(zhuǎn)變?yōu)楣β史峙鋬?yōu)化，當(dāng)然還必須考慮一些限制條件。按照是否考慮這些變量的歷史狀態(tài)，可以把功率分配策略分為瞬時與非瞬時策略兩大類。

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頁8．多能源動力系統(tǒng)的能量管理策略6.2燃料電池電動汽車的基本結(jié)構(gòu)

目前燃料電池電動汽車絕大多數(shù)采用的是混合式燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)，并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種。新能源汽車技術(shù)

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頁6.2燃料電池電動汽車的基本結(jié)構(gòu)串聯(lián)式新能源汽車技術(shù)

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頁串聯(lián)式新能源汽車技術(shù)第28頁并聯(lián)式新能源汽車技術(shù)

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頁并聯(lián)式新能源汽車技術(shù)第29頁6.2.1燃料電池發(fā)動機(jī)

在FCEV所采用的燃料電池發(fā)動機(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。新能源汽車技術(shù)

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頁6.2.1燃料電池發(fā)動機(jī)在FC1.以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)

（1）氫氣供應(yīng)、管理和回收系統(tǒng)氣態(tài)氫的儲存裝置通常用高壓儲氣瓶來裝載。液態(tài)氫氣雖然比能量高于氣態(tài)氫，由于液態(tài)氫氣是處于高壓狀態(tài)，不但需要用高壓儲氣瓶儲存，還要用低溫保溫裝置來保持低溫，低溫的保溫裝置是一套復(fù)雜的系統(tǒng)。

（2）氧氣供應(yīng)和管理系統(tǒng)氧氣的來源有從空氣中獲取氧氣或從氧氣罐中獲取氧氣，空氣需要用壓縮機(jī)來提高壓力，以增加燃料電池反應(yīng)的速度。

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頁1.以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)（1）氫氣供應(yīng)、管理和

（3）水循環(huán)系統(tǒng)

燃料電池發(fā)動機(jī)在反應(yīng)過程中將產(chǎn)生水和熱量，在水循環(huán)系統(tǒng)中用冷凝器、氣水分離器和水泵等對反應(yīng)生成的水和熱量進(jìn)行處理，其中一部分水可以用于空氣的加濕。

（4）電力管理系統(tǒng)

燃料電池所產(chǎn)生的是直流電，需要經(jīng)過DC/DC變換器進(jìn)行調(diào)壓，在采用交流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)中，還需要用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。1.以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)

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頁（3）水循環(huán)系統(tǒng)1.以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)１氫氣儲存罐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)動電動機(jī)氫為燃料新能源汽車技術(shù)

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頁燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)１氫氣儲存罐２氫氣壓力調(diào)節(jié)儀表３熱交總布置基本結(jié)構(gòu)模型１驅(qū)動輪２驅(qū)動系統(tǒng)３驅(qū)動電動機(jī)４ＤＣ／ＡＣ逆變器５輔助電源裝置６燃料電池發(fā)動機(jī)７空氣壓縮機(jī)8氫氣儲存罐９氫氣供應(yīng)系統(tǒng)輔助裝置１０中央控制器11ＤＣ／ＤＣ變換器氫為燃料新能源汽車技術(shù)

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頁總布置基本結(jié)構(gòu)模型１驅(qū)動輪２驅(qū)動系統(tǒng)３驅(qū)動電動機(jī)氫為燃料

（1）甲醇儲存裝置

甲醇可以用普通容器儲存，不需要加壓或冷藏。

（2）燃燒器、加熱器和蒸發(fā)器

甲醇進(jìn)入改質(zhì)器之前，要蒸發(fā)成甲醇和純水的混合氣。

（3）重整器

不同的碳?xì)浠衔锊捎貌煌闹卣夹g(shù)，在重整過程中的溫度、壓力會有所不同。

（4）氫氣凈化器改質(zhì)器所產(chǎn)生的H2因為含有少量的CO，因此必須對H2進(jìn)行凈化處理。2．以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)動機(jī)

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頁（1）甲醇儲存裝置2．以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)動機(jī)燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)１甲醇儲存罐２帶燃燒器的改質(zhì)器３凈化裝置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)動電動機(jī)甲醇為燃料新能源汽車技術(shù)

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頁燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)１甲醇儲存罐２帶燃燒器的改質(zhì)器３凈化１驅(qū)動輪２驅(qū)動系統(tǒng)３驅(qū)動電動機(jī)４ＤＣ／ＡＣ逆變器５輔助電源裝置６燃料電池發(fā)動機(jī)７空氣壓縮機(jī)8重整器9甲醇罐９氫氣供應(yīng)系統(tǒng)輔助裝置１０中央控制器11ＤＣ／ＤＣ變換器總布置基本模型甲醇為燃料新能源汽車技術(shù)

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頁１驅(qū)動輪２驅(qū)動系統(tǒng)３驅(qū)動電動機(jī)總布置基本模型甲醇為燃料新6.2.2輔助動力源

在FCEV上燃料電池發(fā)動機(jī)是主要電源，另外還配備有輔助動力源。根據(jù)FCEV的設(shè)計方案不同，其所采用的輔助動力源也有所不同，可以用蓄電池組、飛輪儲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)動電動機(jī)的電源可以出現(xiàn)以下驅(qū)動模式。新能源汽車技術(shù)

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頁6.2.2輔助動力源在FCEV上

（1）在FCEV起動時，由輔助動力源提供電能帶動燃料電池發(fā)動機(jī)起動，或帶動車輛起步。（2）車輛行駛時，由燃料電池發(fā)動機(jī)提供驅(qū)動所需全部電能，剩余的電能儲存到輔助動力源裝置中。（3）在加速和爬坡時，若燃料電池發(fā)動機(jī)提供的電能還不足以滿足FCEV驅(qū)動功率要求，則由輔助動力源提供額外的電能，使驅(qū)動電動機(jī)的功率或轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，形成燃料電池發(fā)動機(jī)與輔助動力源同時供電的雙電源的供電模式。（4）貯存制動時反饋的電能，以及向車輛的各種電子、電器設(shè)備提供所需要的電能。6.2.2輔助動力源

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頁（1）在FCEV起動時，由輔助動力源提供電能帶動燃料6.2.3DC/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。FCEV采用的輔助電源（蓄電池和超級電容器）在充電和放電時，也是以直流電的形式流動，但電流的方向是可逆性流動。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)。新能源汽車技術(shù)

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頁6.2.3DC/DC變換器1．裝置DC/DC的

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，能輸出負(fù)載要求的變化范圍的直流電壓，例如，輸入電壓最低時也能達(dá)到最高輸出電壓，輸入電壓最高時也能達(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）。6.2.3DC/DC變換器

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頁2．DC/DC變換器的基本功能6.2.3DC/D

3．FCEV車載DC/DC的功能

（1）調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓（2）調(diào)節(jié)整車能量分配（3）穩(wěn)定整車直流母線電壓

6.2.3DC/DC變換器

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頁3．FCEV車載DC/DC的功能6.2.3DC/

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)動器穩(wěn)定的輸入，需要變換器有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力；（4）體積小，重量輕。6.2.3DC/DC變換器

新能源汽車技術(shù)

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頁4．FCEV車載DC/DC的要求6.2.3DC/6.2.4驅(qū)動電機(jī)

（1）直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用換向器和電刷，保證了勵磁磁動勢與電樞磁動勢的嚴(yán)格正交，易于控制。但直流電機(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）交流電機(jī)堅固耐用、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、免維護(hù)、成本低，尤其適合惡劣的工作環(huán)境。其缺點(diǎn)在于損耗大、效率低、功率因數(shù)低，進(jìn)而導(dǎo)致控制器容量增加，成本上升。新能源汽車技術(shù)

第44

頁6.2.4驅(qū)動電機(jī)（1）直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采

（3）永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)通常可分為方波供電的無刷直流電機(jī)和正弦波供電的永磁同步電機(jī)。轉(zhuǎn)子采用永磁體，不需要勵磁。因此，功率因數(shù)大，電機(jī)具有較高的功率密度和效率。但仍然存在成本高、可靠性較低及使用壽命較短的缺點(diǎn)。（4）開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)作為一種基于“磁阻最小原理”設(shè)計的新型電機(jī)，定子、轉(zhuǎn)子均采用凸極結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、控制簡便及功率/轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)越的特點(diǎn)。但存在噪聲大、轉(zhuǎn)矩和母線電流脈動嚴(yán)重的缺陷。6.2.4驅(qū)動電機(jī)

新能源汽車技術(shù)

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頁（3）永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)通?？煞譃榉讲ü?.2.5電控系統(tǒng)

燃料電池汽車的動力電控系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)(FCE-ECU)、蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)、動力控制系統(tǒng)(PCU)及整車控制系統(tǒng)(VMS)組成，而原型車的變速器系統(tǒng)會簡化很多。新能源汽車技術(shù)

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頁6.2.5電控系統(tǒng)燃料電池汽車的動燃料電池汽車的動力電控系統(tǒng)新能源汽車技術(shù)

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頁燃料電池汽車的動力電控系統(tǒng)新能源汽車技術(shù)第47頁1．發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)

燃料電池發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)按整車控制器的功率設(shè)定值控制燃料電池發(fā)動機(jī)的功率輸出，監(jiān)測發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，保證發(fā)動機(jī)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行時進(jìn)行故障診斷及管理。其具體組成包括供氫系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、水循環(huán)及冷卻系統(tǒng)。新能源汽車技術(shù)

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頁1．發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)燃料電池發(fā)動機(jī)管理2．蓄電池管理系統(tǒng)

蓄電池管理系統(tǒng)分上下兩級，下級LECU負(fù)責(zé)蓄電池組電壓、溫度等物理參數(shù)的測量，進(jìn)行過充過放保護(hù)及組內(nèi)組間均衡；上級CECU負(fù)責(zé)動力蓄電池組的電流檢測及SOC估算，以及相關(guān)的故障診斷，同時運(yùn)行高壓漏電保護(hù)策略。

新能源汽車技術(shù)

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頁2．蓄電池管理系統(tǒng)蓄電池管理系統(tǒng)3．動力控制系統(tǒng)

動力控制系統(tǒng)包含DC/DC變換器、DC/AC變換器、DCL和空調(diào)控制器及空調(diào)壓縮機(jī)變頻器，以及電動機(jī)冷卻系統(tǒng)控制器。DC/DC變換器和DC/AC變換器的作用如前所述，DCL負(fù)責(zé)將高壓電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)零部件所需的12V/24V低壓電源，電動機(jī)冷卻系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)電動機(jī)及PCU的水冷卻系統(tǒng)控制。新能源汽車技術(shù)

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頁3．動力控制系統(tǒng)動力控制系統(tǒng)包含

4．整車控制系統(tǒng)

整車控制系統(tǒng)的核心是多能源控制策略（包括制動能量回饋功能），它一方面接收來自駕駛員的需求信息（如點(diǎn)火開關(guān)、油門踏板、制動踏板、檔位信息等）實現(xiàn)整車工況控制；另一方面基于反饋的實際工況（如車速、制動、電動機(jī)轉(zhuǎn)速等）以及動力系統(tǒng)的狀況（燃料電池及動力蓄電池的電壓、電流等），根據(jù)預(yù)先匹配好的多能源控制策略進(jìn)行能量分配調(diào)節(jié)控制。新能源汽車技術(shù)

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頁4．整車控制系統(tǒng)整車控制系統(tǒng)的核6.3燃料電池電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

6.3.1驅(qū)動電機(jī)

1．電機(jī)的選型

高功率密度以滿足布置要求；瞬時過載能力強(qiáng)；以滿足加速和爬坡要求；寬的調(diào)速范圍(包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū))；轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快；在運(yùn)行的整個轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有高效率；以提高能量利用率；四象限運(yùn)行；狀態(tài)切換平滑；高可靠性及容錯控制；成本合理。新能源汽車技術(shù)

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頁6.3燃料電池電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計6.3.12．電機(jī)參數(shù)的確定

與傳統(tǒng)汽車相類似，為保證各種行駛工況需要，滿足汽車動力性要求，必須根據(jù)車輛動力性指標(biāo)來研究電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)，即由最高車速、加速時間和最大爬坡度三個指標(biāo)來評定。電機(jī)參數(shù)主要包括額定功率、最大功率、最大轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速以及擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)。定義擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)為電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之比，即：

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頁2．電機(jī)參數(shù)的確定與傳統(tǒng)汽車相類

（1）電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速

電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速由最高車速和機(jī)械傳動系統(tǒng)傳動比來確定。增大電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速有利于降低其體積、減輕重量，最高轉(zhuǎn)速的增大導(dǎo)致傳動比增大，從而會加大傳動系統(tǒng)的體積、重量和傳動損耗。因此應(yīng)綜合考慮各方面因素決定電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。2．電機(jī)參數(shù)的確定

新能源汽車技術(shù)

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頁（1）電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速2．電機(jī)參數(shù)的確定新能源汽車技術(shù)（2）最大轉(zhuǎn)矩、最大功率、額定轉(zhuǎn)速

電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩由最大爬坡度確定，汽車爬坡時車速很低，可忽略空氣阻力.

2．電機(jī)參數(shù)的確定

新能源汽車技術(shù)

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頁（2）最大轉(zhuǎn)矩、最大功率、額定轉(zhuǎn)速

擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)的取值對于降低電機(jī)系統(tǒng)功率需求、減小電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量與體積、提高整車效率有著非常重要的意義。擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)的取值取決于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)類型及控制算法，通常取2~4。

水平路面上，車輛從0到目標(biāo)車速的加速時間為：2．電機(jī)參數(shù)的確定

新能源汽車技術(shù)

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頁擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)的取值對于降低電機(jī)系

車輛行駛驅(qū)動力與電機(jī)峰值功率、最大轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：

一般峰值功率滿足加速性能指標(biāo)要求，其折算后的最大轉(zhuǎn)矩也可以滿足汽車爬坡性能指標(biāo)要求，即>，因此，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩可設(shè)計為=。

2．電機(jī)參數(shù)的確定

新能源汽車技術(shù)

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頁車輛行駛驅(qū)動力與電機(jī)峰值功率、最大轉(zhuǎn)

（3）額定功率和額定轉(zhuǎn)矩

電機(jī)額定功率主要克服滾動阻力和空氣阻力，可由下式確定：電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為：

2．電機(jī)參數(shù)的確定

新能源汽車技術(shù)

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頁（3）額定功率和額定轉(zhuǎn)矩2．電機(jī)參數(shù)的確定新能源汽

（4）工作電壓

工作電壓的選擇設(shè)計到用電安全、元器件的工作條件等問題，工作電壓過低，導(dǎo)致電流過大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)電阻損耗增大，而工作電壓過高，對逆變器的安全性造成威脅。一般燃料電池汽車工作電壓為280~400V，但目前工作電壓的設(shè)計有增高的趨勢。2．電機(jī)參數(shù)的確定

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頁（4）工作電壓2．電機(jī)參數(shù)的確定新能源汽車技術(shù)6.3.2傳動系傳動比

傳動系的總傳動比是傳動系中各部件傳動比的乘積，主要是變速器和主減速器的傳動比的乘積。電機(jī)的機(jī)械特性對驅(qū)動車輛十分有利，傳動系統(tǒng)有多個擋位時，驅(qū)動力圖與內(nèi)燃機(jī)汽車相比也有其特殊性，所以在選擇擋位數(shù)和速比、確定最高車速時也與內(nèi)燃機(jī)汽車不同。新能源汽車技術(shù)

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頁6.3.2傳動系傳動比傳動系的

（1）電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速的范圍足夠大，即時，選擇一個擋位即可，即采用固定速比。這是一種理想情況。（2）電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速的范圍不夠?qū)挘措姍C(jī)最高轉(zhuǎn)速不能滿足時，應(yīng)考慮再增加一個擋位。（3）電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速的范圍較窄，滿足，此時增加一個擋位后車速無法銜接起來，可考慮再增加擋位或說明電機(jī)參數(shù)與整車性能要求不匹配，應(yīng)考慮重新選擇電機(jī)的參數(shù)。6.3.2傳動系傳動比

新能源汽車技術(shù)

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頁（1）電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速的范

由于燃料電池電動汽車的動力全部由電機(jī)提供，通過控制電機(jī)能夠在較大的范圍滿足車速要求。最大傳動比根據(jù)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度對應(yīng)的行駛阻力確定。

6.3.2傳動系傳動比新能源汽車技術(shù)

第62

頁由于燃料電池電動汽車的動力全部由電

（1）由最高車速和電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速確定傳動系最小傳動比的上限。

（2）由電機(jī)最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大輸出扭矩和最高車速對應(yīng)的行駛阻力確定傳動系最小傳動比的下限。6.3.2傳動系傳動比新能源汽車技術(shù)

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頁（1）由最高車速和電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速確定傳動系最小傳動比的6.3.3燃料電池

燃料電池功率的選擇對燃料電池電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。燃料電池功率偏大，車輛的成本增加；燃料電池功率偏小，在某些大負(fù)荷行駛工況（如加速、爬坡等）需要輔助能源提供的動力增加，這使得燃料電池數(shù)量增加，整車重量、成本上升，系統(tǒng)效率下降，整車布置難度增加，燃料電池均衡控制難度增加等。新能源汽車技術(shù)

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頁6.3.3燃料電池燃料電池功率的

燃料電池電動汽車是由燃料電池提供平均行駛功率，在加速、爬坡、高速等大負(fù)荷工況下蓄電池輸出電能輔助驅(qū)動，因而燃料電池功率選擇的依據(jù)是平均行駛阻力功率。平均行駛阻力功率是由車輛整車參數(shù)和行駛工況來決定的，可用下式表達(dá)：

6.3.3燃料電池

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第65

頁燃料電池電動汽車是由燃料電池提供平均行對于燃料電池城市客車，平均行駛阻力功率也可以選取中國典型城市循環(huán)工況來確定。如下所示：

6.3.3燃料電池

時間/s車速/(km/h)新能源汽車技術(shù)

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頁對于燃料電池城市客車，平均行駛阻力功率平均行駛阻力功率可由加速和勻速行駛過程中消耗的能量來計算：

實際計算中，燃料電池電動汽車的燃料電池應(yīng)能單獨(dú)提供汽車最大速度穩(wěn)定運(yùn)行所要求的功率，并留有一定的富余功率對蓄電池充電，所以按汽車的最高車速下的平均行駛阻力功率計算燃料電池的需求功率：

6.3.3燃料電池

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頁平均行駛阻力功率可由加速和勻速行駛過程中

燃料電池輸出功率大部分轉(zhuǎn)化為驅(qū)動能量，剩余部分用于滿足輔助系統(tǒng)的功率需求。在純?nèi)剂想姵仳?qū)動的情況下，輸出功率為：在實際運(yùn)行時，為了保證對電機(jī)的電力供應(yīng)以及對蓄電池進(jìn)行充電，燃料電池應(yīng)留有一定的后備功率。

6.3.3燃料電池

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頁燃料電池輸出功率大部分轉(zhuǎn)化為驅(qū)動能量，

由此可見，燃料電池功率的選擇應(yīng)遵循以下原則：（1）SOC值在循環(huán)工況前后維持不變.，從而確保燃料電池是整個行駛過程中功率消耗的唯一來源，因此燃料電池的功率應(yīng)大于平均行駛阻力功率。（2）燃料電池的最大功率應(yīng)不高于車輛以最高速穩(wěn)定行駛時的需求功率，避免燃料電池單獨(dú)驅(qū)動狀態(tài)下有過多的富裕功率。

6.3.3燃料電池

新能源汽車技術(shù)

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頁由此可見，燃料電池功率的選擇應(yīng)遵循以下原則6.3.4輔助動力源

燃料電池電動汽車的輔助動力源為蓄電池組，在汽車起步的工況下，完全由輔助動力源提供動力；當(dāng)汽車在加速或爬坡等工況時，為主動力源提供補(bǔ)充；同時在汽車制動時吸收制動回饋的能量。

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頁6.3.4輔助動力源燃料電池電動汽1．電池類型的選擇輔助動力源用的蓄電池要在整車有較大功率需求時，可以對其進(jìn)行大電流的放電，待燃料電池響應(yīng)跟上后放電電流就大幅降低，大電流放電的持續(xù)時間不長；在整車進(jìn)行制動回饋時，又可以在短時間內(nèi)接受較大電流的充電，即電池要具有瞬間大電流充放電的能力。

6.3.4輔助動力源

新能源汽車技術(shù)

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頁1．電池類型的選擇6.3.4輔助動力源新能源汽車2．蓄電池參數(shù)的確定

（1）能回收大部分制動能量；（2）在混合驅(qū)動模式下能滿足車輛驅(qū)動和輔助電器系統(tǒng)的功率需求。蓄電池的功率需求包括最大放電功率需求和最大充電功率需求。蓄電池的額度功率可由下式確定：新能源汽車技術(shù)

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頁2．蓄電池參數(shù)的確定（1）能回收大部分制動蓄電池的質(zhì)量為：

蓄電池的額度容量為：2．蓄電池參數(shù)的確定

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頁蓄電池的質(zhì)量為：2．蓄電池參數(shù)的確定新6.4燃料電池電動汽車車型實例

1.帕薩特領(lǐng)馭氫燃料電池車

上海大眾帕薩特領(lǐng)馭燃料電池車動力總成系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)及其控制器、DC/DC變換器、鋰離子動力蓄電池組等組成。

新能源汽車技術(shù)

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頁6.4燃料電池電動汽車車型實例1.帕薩特領(lǐng)馭氫帕薩特領(lǐng)馭燃料電池車動力總成系統(tǒng)新能源汽車技術(shù)

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頁帕薩特領(lǐng)馭燃料電池車動力總成系統(tǒng)新能源汽車技術(shù)第7帕薩特領(lǐng)馭燃料電池車外形圖

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頁帕薩特領(lǐng)馭燃料電池車外形圖新能源汽車技術(shù)第762.福田燃料電池客車

福田燃料電池客車是一款集“一新、二超、三低、四高”等特點(diǎn)于一身的高檔豪華客車。一新：獨(dú)具匠心的時尚新造型；二超：超大空間、超高運(yùn)營效率；三低：低油耗、低排放、低噪音；四高：高質(zhì)量、高安全、高科技、高舒適。福田自主研發(fā)的氫燃料電池客車采用了先進(jìn)的燃料電池及匹配技術(shù)，排放物為純凈的水，而且達(dá)到了可以直接飲用的程度。新能源汽車技術(shù)

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頁2.福田燃料電池客車福田燃料電池客車福田燃料電池客車的外形圖

新能源汽車技術(shù)

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頁福田燃料電池客車的外形圖新能源汽車技術(shù)第783.本田FCXlarity燃料電池汽車

本田FCXlarity燃料電池汽車本田獨(dú)創(chuàng)的垂直系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu)（VFlow）燃料電池堆技術(shù)為核心，實現(xiàn)了燃料電池車所特有的獨(dú)特外觀設(shè)計和劃時代的駕乘感覺。該車具有在行駛中完全不排放CO2的終極清潔性能。垂直系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu)的燃料電池堆在大幅提高性能的同時實現(xiàn)了輕量化和小型化，與上一代FCX搭載的HondaFC燃料電池箱相比，功率由86kW提高至100kW，最大扭矩達(dá)到256N?ｍ，同時還可在零下30度的環(huán)境下啟動。通過將輕量化