第七章

燃料電池電動汽車主要內(nèi)容1.燃料電池電動汽車概述2.燃料電池系統(tǒng)3.燃料電池電動汽車的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)4.供氫、能量管理什么是燃料電池汽車？燃料電池汽車是指以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，依靠電機(jī)驅(qū)動的汽車。其核心部件是燃料電池，燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于，它工作時需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，只要持續(xù)供應(yīng)，燃料電池就會不斷提供電能。燃料電池電動汽車實(shí)質(zhì)上是電動汽車的一種，在車身、動力傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面，燃料電池電動汽車與普通電動汽車基本相同，主要區(qū)別在于動力電池的工作原理不同。一、概述燃料電池汽車特點(diǎn)與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率極高。2）零排放或近似零排放。3）車輛性能接近內(nèi)燃機(jī)汽車。4）結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)

燃料電池與內(nèi)燃機(jī)效率對比燃料電池汽車有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？雖然氫燃料電池汽車在環(huán)保方面有很大的優(yōu)勢，但是它還處于發(fā)展的初級階段。如限制其發(fā)展的主要因素有：1）生產(chǎn)成本高目前，不論是液態(tài)氫、氣態(tài)氫、儲氫金屬儲存的氫，還有碳水化合物經(jīng)過重整后轉(zhuǎn)換的氫是燃料電池的唯一燃料。氫氣的產(chǎn)生、儲存、保管、運(yùn)輸和灌裝或重整，都比較復(fù)雜，對安全性要求很高。燃料電池的燃料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存等成本較高。2）使用配套不足由于氫燃料的生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸?shù)榷即嬖谝欢ǖ陌踩[患，因此加氫站等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)相對落后，這制約著燃料電池汽車的推廣。3）需要配備輔助電池系統(tǒng)

燃料電池可以持續(xù)發(fā)電，但不能充電和回收再生制動的反饋能量。通常在燃料電池汽車上須增加輔助電池，來儲存燃料電池富裕的電能和在燃料電池汽車減速時接受再生制動時的能量。燃料電池電動汽車基本機(jī)構(gòu)

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)。其主要缺點(diǎn)有：燃料電池的功率大，成本昂貴。

圖7.1是采用“燃料電池+蓄電池”(FC+B)混合驅(qū)動形式的燃料電池電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖7.1

基于這些不利因素，目前的燃料電池電動汽車主要采用的是混合驅(qū)動形式，即在燃料電池的基礎(chǔ)上，增加了一組電池或超級電容作為另一動力源。燃料電池汽車有哪些結(jié)構(gòu)類型？燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)多種多樣，通常按動力源的組成進(jìn)行分類。燃料電池汽車的動力源通常包括燃料電池系統(tǒng)（FuelCell）、蓄電池（Battery）、超級電容（Capacitor）。

①純?nèi)剂想姵仳?qū)動（PureFuelCell，PFC）的燃料電池電動汽車；PFC汽車結(jié)構(gòu)原理圖純?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)。但由于燃料電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)充電，因此無法實(shí)現(xiàn)電動汽車的制動能量回收。②燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動（FC+B）的FCEV；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。FC+B電動汽車結(jié)構(gòu)原理圖③燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動（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。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。FC+B+C電動汽車

它通常包括燃料電池系統(tǒng)、電機(jī)、蓄電池（超級電容）等功能部件組成。燃料電池電動汽車實(shí)質(zhì)上是電動汽車的一種，在車身、動力傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面，燃料電池電動汽車與普通電動汽車基本相同，主要區(qū)別在于動力電池的工作原理不同。典型燃料電池汽車結(jié)構(gòu)二、燃料電池系統(tǒng)圖7．3典型的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)示意圖三、燃料電池的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)以氫氣為燃料的燃料電池電動汽車的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)1）氫燃料電池發(fā)動機(jī)1）氫氣供應(yīng)、管理和回收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)

氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)

燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)DC/DC變換器

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。（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設(shè)備能正常運(yùn)行。（3）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；（4）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；（5）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；驅(qū)動電機(jī)

DC/DC變換器的基本功能：（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。燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)

1氫燃料的制備方法、儲存和輸配2燃料電池電動汽車車上供氫系統(tǒng)1）高壓儲氫；液態(tài)儲氫；金屬儲氫；活性炭吸附儲氫；碳納米材料儲氫2）氫氣泄漏檢測與控制措施四、供氫系統(tǒng)、能量管理圖7．10燃料電池氫氣分系統(tǒng)外漏測試原理圖

3能量管理傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)混合動力汽車合成了內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)的驅(qū)動力，在兩個動力源之間進(jìn)行動力分配。在燃料電池混合動力電動汽車(FCHEV)中則是電與電的合成，即要進(jìn)行的是功率分配。燃料電池混合動力電動汽車的電動機(jī)、電池以及燃料電池之間存在復(fù)雜的功率輸入、輸出關(guān)系。目前按它們之間分配的控制策略來分，可分為兩種控制模式：功率跟隨模式開關(guān)模式。四、供氫系統(tǒng)、能量管理圖7-142017款本田FCXClarity燃料電池車五、

典型的氫燃料電池汽車Honda

FCX

Clarity動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由動力控制單元（Power

Control

Unit），燃料儲氣罐（Hy