項目二

新能源汽車的種類學習任務三

燃料電池電動汽車目錄目錄燃料電池電動汽車的類型一燃料電池電動汽車的基本結構與工作原理二燃料電池電動汽車車型三四復習題學習任務3燃料電池電動汽車學習目標：?知道燃料電池電動汽車的類型。?知道燃料電池電動汽車的基本結構與工作原理。?知道豐田Mirai和本田Clarity燃料電池車型的基本結構。

素養(yǎng)目標：?具養(yǎng)成定期關注燃料電池汽車新技術的習慣?培養(yǎng)學生分析燃料電池汽車技術參數的能力一、燃料電池電動汽車的類型燃料電池電動汽車（FuelCellElectricVehicle，FCEV）就是采用燃料電池作為電源的電動汽車。燃料電池電動汽車一般以質子交換脫燃料電池（PEMFC）作為車載能量源。1.按燃料特點分類燃料電池電動汽車按燃料特點可分為直接燃料電池電動汽車和重整燃料電池電動汽車兩種。（1）直接燃料電池電動汽車直接燃料電池電動汽車的燃料主要是氫氣。直接燃料電池電動汽車排放無污染，被認為是最理想的汽車，但存在氫的制取和存儲困難等缺點。（2）重整燃料電池電動汽車重整燃料電池電動汽車的燃料主要有汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等。重整燃料電池電動汽車的結構比氫燃料電池電動汽車復雜得多。學習任務3燃料電池電動汽車2.按燃料氫的存儲方式分類燃料電池電動汽車按燃料氫的存儲方式可分為壓縮氫燃料電池電動汽車、液氫燃料電池電動汽車和合金（碳納米管）吸附氫燃料電池電動汽車三種。3.按供電配置不同分類

燃料電池電動汽車按供電配置不同，可分為純燃料電池驅動（PFC）式、燃料電池與輔助高壓電池聯合驅動（FC+B）式、燃料電池與超級電容聯合驅動（FC+C）式、燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯合驅動（FC+B+C）式四種。學習任務3燃料電池電動汽車

（1）純燃料電池驅動（PFC）式電動汽車純燃料電池驅動的電動汽車只有燃料電池一個動力源，汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔。純燃料電池驅動的電動汽車的動力系統結構如圖1-3-1所示。學習任務3燃料電池電動汽車圖1-3-1純燃料電池驅動的電動汽車的動力系統結構（2）燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動（FC+B）式電動汽車燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動的燃料電池電動汽車的動力系統結構，如圖1-3-2所示。該結構是一個典型的串聯式混合動力結構。在該動力系統結構中，燃料電池和蓄電池一起為驅動電動機提供能量，驅動電動機將電能轉化成機械能傳給傳動系統，從而驅動汽車行駛；在汽車制動時，驅動電動機變成發(fā)電機，蓄電池將儲存回饋的能量。在燃料電池和蓄電池電池聯合供能時，燃料電池的能量輸出變化較為平緩，隨時間變化波動較小，而能量需求變化的高頻部分由蓄電池分擔。學習任務3燃料電池電動汽車圖1-3-2純燃料電池驅動的電動汽車的動力系統結構（3）燃料電池與超級電容聯合驅動（FC+C）式電動汽車燃料電池+超級電容的結構和燃料電池+蓄電池結構相似，只是把輔助蓄電池換成超級電容，如圖1-3-3所示。相對于輔助蓄電池，超級電容充放電效率高，能量損失小，功率密度大，作回收制動能量方面比輔助蓄電池有優(yōu)勢，循環(huán)壽命長，但是超級電容的能量密度較小，隨行超級電容技術的不斷發(fā)展，這種結構將成為一種新的重要研究方向。學習任務3燃料電池電動汽車圖1-3-3燃料電池+超級電容結構的動力系統（4）燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯合驅動（FC+B+C）式電動汽車燃料電池+輔助蓄電池+超級電容聯合驅動的電動汽車的動力系統結構如圖1-3-4所示，該結構也為并聯式混合動力結構。在該動力系統結構中，燃料電池、輔助蓄電池和超級電容一起為驅動電動機提供電能，驅動電動機將電能轉化成機械能經傳動系統傳給車輪，從而驅動汽車行駛；在汽車制動時，進入能量回收模式，驅動電機變成發(fā)電機，發(fā)電產生的電能回饋儲存到輔助蓄電池和超級電容中。在燃料電池、輔助蓄電池和超級電容聯合供電時，燃料電池的電能輸出較為平緩，隨時間變化波動較小，而電能需求變化的低頻部分由輔助蓄電池承擔，能量需求變化的高頻部分由超級電容承擔。在這種結構中，各動力源的分工更加明細，使它們的發(fā)揮各自的優(yōu)勢。學習任務3燃料電池電動汽車圖1-3-4燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯合驅動（FC+B+C）式電動汽車素養(yǎng)教育其實，氫能早已經成為國家戰(zhàn)略問題，而氫燃料電池是氫能領域實現“雙碳”目標的重要實施路徑。在2022年3月，《關于氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》出臺，其中明確指出，氫能是國家能源體系的重要組成，是實現綠色低碳轉型的重要載體。早在2021年，國家就選定京津冀、上海、廣東、鄭州和河北五城示范群為基礎，共涉及41個城市，計劃建立一個聯通五大示范城市群的氫能高速網絡。要在4年示范期內，5個城市群目標推廣燃料電池汽車超過35000輛，建設加氫站超過500座。截止到2023年12月，我國已經有60多家廠商具備氫燃料電池汽車整車的生產能力，公告的車型超過了700個。另外，全國加氫站已累計建成400多座。截至2023年11月底，全國累計生產氫燃料電池汽車5261輛，同比增長35%。并且，氫燃料電池系統的成本下降到每千瓦3000元，相比2020年降低了80%。電堆體積功率密度達到每升4000瓦，比2020年提升了35%。也就是說，中國氫燃料汽車產業(yè)鏈的上下游，均呈現出了良好的發(fā)展態(tài)勢。并且，5個城市示范群，已累計推廣氫燃料電池汽車超過7000輛。學習任務3燃料電池電動汽車中國氫燃料汽車早已經得到廣泛應用。例如，2022年6月17日，一汽解放一次性交付300輛氫燃料電池重卡。2023年的11月28日，鄭州市舉行了100輛公交車交付暨第1300輛氫燃料電池車輛運營啟動儀式，宇通客車向鄭州公交交付了100輛氫燃料公交車，而隨著此次交付，鄭州市已累計推廣氫能源車輛超1300輛。在由中國政府舉辦或承辦的各種活動或賽事上，中國也一直堅持使用氫能源汽車等新能源汽車提供交通服務。2023年于12月1日《共建中國氫能高速行動倡議》發(fā)布，包括國務院國資委等部門建議在高速公路網絡上加快建設加氫站，啟動建設中國氫能高速。這也將極大的推動氫能源汽車在中國的快速發(fā)展。學習任務3燃料電池電動汽車1.燃料電池電動汽車的基本結構現在的燃料電池電動汽絕大多數采用的是混合式燃料電池驅動系統，將燃料電池與輔助動力源相結合，燃料電池可以只滿足持續(xù)功率需求，借助輔助動力源提供加速，爬坡等所需的峰值功率，而且在制動時可以將回饋的能量儲存在輔助動力源中。混合式燃料電池驅動系統有并聯式和串聯式兩種，如圖1-3-5所示。混合式燃料電池電動汽車的動力系統主要由燃料電池系統、輔助動力源、DC/DC變換器、DC/AC逆變器、電動機和動力電控系統等組成。學習任務3燃料電池電動汽車圖1-3-5混合式燃料電池電動汽車驅動系統結構框圖二、燃料電池電動汽車的基本結構與工作原理

（1）燃料電池系統燃料電池電動汽車中的燃料電池系統主要由燃料電池組、氫氣供給系統、氧氣供給系統、氣體加濕系統、反應生成物的處理系統、冷卻系統和電能轉換系統等組成。圖1-3-6所示是奧迪h-tronquattroconcept車型的氫燃料電池系統。學習任務3燃料電池電動汽車圖1-3-6奧迪h-tronquattroconcept車型的氫燃料電池系統

只有這些輔助系統匹配恰當和運轉正常，才能保證燃料電池系統正常運轉，保證電能的輸出。

（2）輔助動力源在燃料電池電動汽車上燃料電池發(fā)動機是主要電源，另外還配備有輔助動力源。根據燃料電池電動汽車的設計方案不同，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。在具有雙電源系統的燃料電池電動汽車上，驅動電動機的電源可以出現以下幾種驅動模式：①車輛起動時，驅動電機的電源由輔助動力源提供。②車輛行駛時，由燃料電池系統提供驅動所需全部電能，多余的電能儲存到輔助動力源中。③在車輛加速和爬坡時，若燃料電池系統提供的電能還不足以滿足燃料電池電動汽車驅動功率要求，則由輔助動力源提供額外的電能，增大驅動電機的功率或轉，滿足車輛的動力要求。此時，形成燃料電池系統與輔助動力源同時供電的雙電源的供電模式。④儲存制動時反饋的電能，以及向車輛的各種電子、電器設備提供所需要的電能。學習任務3燃料電池電動汽車

（3）DC/DC變換器

燃料電池電動汽車采用的電源有各自的特性，燃料電池僅提供直流電，電壓和電流隨輸出電流的變化而變化。燃料電池沒有接受外電源的充電，電流的方向只是單向流動。燃料電池電動汽車中的DC/DC變換器的主要實現以下三個功能：①調節(jié)燃料電池的輸出電壓；②調節(jié)整車能量分配；③穩(wěn)定整車直流母線電壓。（4）驅動電動機燃料電池電動汽車用的驅動電動機主要有直流電機、交流電機、水磁電機和開關磁阻電動機等。燃料電池汽車驅動電動機的選型必須結合整車開發(fā)目標，綜合考慮電動機的特性。學習任務3燃料電池電動汽車2.燃料電池電動汽車的工作原理燃料電池汽車的工作原理是，作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧氣發(fā)生氧化還原化學反應，產生出電能來帶動電動機工作，由電動機帶動汽車中的機械傳動結構，進而帶動汽車的前橋（或后橋）等行走機械結構工作，從而驅動電動汽車前進。燃料電池的反應結果會產生極少的二氧化碳和氮氧化物，副產品主要產生水，因此被稱為綠色新型環(huán)保汽車。燃料電池汽車是電動汽車的一種，其核心部件燃料電池。通過氫氣和氧氣的化學作用，而不是經過燃燒，直接變成電能動力。學習任務3燃料電池電動汽車1.豐田Mirai豐田Mirai是一款氫燃料電池車，于2014年12月15日在日本正式上市，其結構如圖1-3-7所示。學習任務3燃料電池電動汽車圖1-3-1純燃料電池驅動的電動汽車的動力系統結構三、燃料電池電動汽車車型2.本田Clarity在2015年東京國際車展上，本田正式發(fā)布了旗下氫燃料電池車型FCV的量產版車型，并公布了其正式的名字—CLARITY，如圖1-3-8所示。該款車采用氫燃料電池動力系統，最大續(xù)航里程可達700km，在燃料耗盡后3分鐘即可充滿燃料。學習任務3燃料電池電動汽車圖1-3-8本田Clarity燃料電池汽車

2017款Clarity上用了一套最新的燃料電池電壓控制單元（FuelCellVoltageControlUnit，FCVCU），如圖1-3-9所示。根據官方發(fā)布的信息，FCVCU使用了新的四相位驅動（Four-phaseDrive）技術，基于四相位的碳化硅集成模塊（SiC-IPM），但是將其錯開90度，將消除電流轉換產生的電流波動時引起的紋波電流最小化，減小了原本為了緩和紋波電流所需要的電容量，也就可以使用更小的電容。學習任務3燃料電池電動汽車圖1-3-9本田Clarity燃料電池系統結構一、選擇題（1）燃料電池電動汽車按燃料特點可分為（

）種。A、2B、3C、4D、5（2）直接燃料電池電動汽車的燃料主要是（

）。直接燃料電池電動汽車排放無污染，被認為是最理想的汽車，但存在氫的制取和存儲困難等缺點。A、水B、氧氣C、氫氣D、太陽能（3）燃料電池電動汽車按燃料氫的存儲方式可分為（

）種。A、2B、3C、4D、5學習任務3燃料電池電動汽車復習題（4）下面說法有誤的是（

）。A、燃料電池電動汽車按燃料氫的存儲方式可分為壓縮氫燃料電池電動汽車、液氫燃料電池電動汽車和合金（碳納米管）吸附氫燃料電池電動汽車三種。B、純燃料電池驅動的電動汽車只有燃料電池一個動力源，汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔。C、現在的燃料電池電動汽絕大多數采用的是混合式燃料電池驅動系統，將燃料電池與輔助動力源相結合。

D、燃料電池汽車是燃氣汽車的一種。（5）屬于燃料電池汽車的是（

）。A、豐田MiraiB、寶馬i3C