第六章 燃料电池电动汽车（课件）《新能源汽车概论》同步精品课堂（上海交通版·第3版）

第六章 燃料电池电动汽车 《新能源汽车概论》（第3版）上海交通大学出版社 学习目标 第六章燃料电池电动汽车 知识目标 能理解燃料电池电动汽车的定义与类型。 能力目标 能掌握燃料电池电动汽车的结构与工作原理。 情感目标 1.让学生认识到新能源汽车的重要性。 2.积极参与课堂，能够表达自己的观点和想法。 学习内容 01 1.能理解燃料电池电动汽车的定义与类型。 2.能掌握燃料电池电动汽车的结构与工作原理。 3.能分析燃料电池电动汽车的关键技术。 4.培养一丝不苟、严肃认真的工作作风。 新知学习 02 二、相关知识 第一节燃料电池电动汽车的定义与类型 一、燃料电池汽车类型 1.按燃料的来源方式分类 FCEV按燃料特点可分为直接燃料电池电动汽车和重整燃料电池电动汽车。 2.按“多电源”的配置不同分类 （1）纯燃料电池驱动（PFC）的FCEV （2）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV （3）燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV （4）燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV 新知学习 02 二、燃料电池汽车车型实例 1.奔驰燃料电池汽车 2015年东京车展上，奔驰推出了一款名为Vision Tokyo的燃料电池概念车，它采用氢燃料电池系统进行驱动，综合续航能力可达到980km，纯电的续航里程为190km。 2016年6月，奔驰推出了一款全新氢燃料电池概念车，该车搭载了一套结构紧凑的电池系统，由奔驰与福特联合开发。新车命名为GLC fuel-cell，于2017年上市，由于该车需要加氢，所以新车前期将仅在日本和美国加州投放。 新知学习 02 2.宝马燃料电池汽车 2015年，宝马展示了基于宝马i8和5系GT车型的氢燃料电池原型车，自那以后宝马对于此种车型的研发工作从未停止过。 3.奥迪燃料电池汽车 2016年奥迪曾经展示过一款h-tron quattro的氢燃料电池概念车，奥迪h-tron quattro搭载的是第五代氢燃料电池动力系统，其中前轮电机功率为120马力，后轮电机功率为188马力，新车0-100公里/小时加速时间不到7秒，极速可达200公里/小时。 新知学习 02 4.本田燃料电池汽车 本田燃料电池车首次亮相于1999年，到现在其燃料电池汽车的发展已经发生了很大的变化。本田氢燃料电池车CLARITY亮相2020FCVC氢燃料电池汽车展会。 5.现代燃料电池汽车 2013年，韩国现代开展千辆级别的燃料电池SUV（N代ix35）生产。现代ix35燃料电池汽车作为世界上第一款量产版的氢燃料电池汽车， 现代全新2018款氢燃料电池车亮相，新车续航里程约800千米，燃料电池能量密度比现代ix35氢燃料电池车高出30%。这款车被正式命名为现代Nexo。 新知学习 02 第二节燃料电池汽车的结构与原理 一、燃料电池汽车的基本结构 1.燃料电池电动汽车的结构类型 （1）只有一台电机驱动型 四轮单驱车型，例如丰田Mirai。丰田Mirai的动力系统被称作TFCS（Toyota FC Stack），即丰田燃料电池堆栈，是以燃料电池堆栈为核心组件的混合动力系统。 （2）有两台电机驱动型 有两台电机驱动车型，例如大众Hymotion （3）三台电机驱动型 三台电机驱动型燃料电池电动汽车，例如通用Sequel。 新知学习 02 新知学习 02 （4）轮毂电机驱动型 丰田Fine-X为四轮转向与四轮驱动的燃料电池混合动力电动汽车，如图所示。 新知学习 02 2.燃料电池电动汽车的构成 （1）燃料电池系统 燃料电池系统如图6-19所示，核心是燃料电池电堆（燃料电池反应堆）。此外，还配备了氢气供给系统、氧气供给系统气体加湿系统、水循环及反应物生成处理系统等，用以确保燃料电池电堆正常工作。 新知学习 02 （2）辅助储能装置 混合式燃料电池电动汽车还配备辅助蓄能装置。辅助蓄能装置可采用蓄电池、超级电容和飞轮电池中的一种，组成双电源的混合动力系统，或采用蓄电池+超级电容、蓄电池+飞轮电池的三电源系统。 （3）驱动电机 驱动电动机用于将电源所提供的电能转换为电磁转矩，并通过传动装置驱动车辆行驶。与纯电动汽车和混合动力电动汽车一样，燃料电池电动汽车可采用驱动电动机，也可采用直流有刷电动机、交流异步电动机、交流同步电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机等。 新知学习 02 （4）电子控制系统 常见的直接型燃料电池电动汽车的电子控制系统包括燃料电池系统控制、DC/DC转换器控制、辅助储能装置能量管理、电动机驱动控制及整车协调控制等控制功能，各控制功能模块通过总线连接，如图6-20所示。 新知学习 02 二、燃料电池汽车的工作原理 1.燃料电池模式 当燃料电池电动汽车工作在燃料电池模式时，电动机的电力全由燃料电池提供。 2.混合动力模式 混合动力模式是指燃料电池和蓄电池共同提供电动机所需电力的工作方式。 3.蓄电池模式 蓄电池模式是指燃料电池停止输出电能，车辆单独由蓄电池提供电力。 4.能量回馈模式 能量回馈模式是指电动机工作在发电机状态，将车辆的动能转换为电能，并向蓄电池充电的工作方式。 新知学习 02 知识拓展 《燃料电池电动汽车加氢口》新国标 《燃料电池电动汽车加氢口》GB/T 26779-2021发布，于2021年10月1日正式开始实施，代替(GB/T-2011)旧国标。 与旧国标相比，新国标除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下： 增加部分 1.增加了耐臭氧老化测试； 2.增加了耐盐雾腐蚀性测试； 3.增加了耐温度循环性测试； 4.增加了兼容性测试； 5.增加了70MPa加氢口尺寸； 6.增加了加氢口防冻设计的资料性附录。 修改部分 1.修改了35MPa加氢口的加工要求； 2.删除了消除静电设计； 3.删除了材料的氢脆要求； 4.删除了检验规则章节； 5.删除了25MPa加氢口的尺寸设计。 新知学习 02 第三节燃料电池电动汽车关键技术 一、整车系统优化技术 在充分考虑各影响因素的基础上，对整车系统进行优化，可以改进燃料电池电动汽车性能和降低整车的设计与制造成本。 整体化设计理念中，材料的轻量化和空气动力学的充分利用被放在了最重要的位置。汽车在行驶过程中大部分的能量都通过热量的损失、滚动阻力、空气阻力及控制系统的低效率等被消耗掉。在整体化设计过程中，强调质量的减轻，即轻量化的车身需要更轻的底盘组件和更小的动力总成，而此组件的相互联系和组合小，但可以减小体积和减轻质量，甚至可以摒弃原先组件，进一步减轻系统的质量 新知学习 02 二、燃料电池技术 燃料电池技术是燃料电池电动汽车最关键的技术之一。燃料电池电堆的净输出功率、耐久性、低温起动性及成本等，直接影响燃料电池电动汽车的性能和发展。 1.氢气供应、管理和回收系统 在使用不同压力的氢气（高压气态氢气和高压低温液态氢气）时，就需要用不同的氢气储存容器，不同的减压阀、调压阀、安全阀、压力表、流量表、热量交换器和传感器等来进行控制，并对各种管道、阀和仪表等的接头采取严格的防泄漏措施。从燃料电池中排出的水，含有未发生反应的少量的氢气。正常情况下，从燃料电池排出的少量的氢气应低于1%，应用氢气循环泵将这少量的氢气回收。 新知学习 02 2.氧气供应和管理系统 氧气的来源有从空气中获取氧气或从氧气罐中获取氧气两种。空气需要用压缩机来提高压力，以增加燃料电池反应的速度。在燃料电池系统中，配套压缩机的性能有特定的要求，压缩机质量和体积会增加燃料电池发电系统的质量、体积和成本，压缩机所消耗的功率会使燃料电池的效率降低。空气供应系统的各种阀、压力表、流量表等的接头要采取防泄漏措施。在空气供应系统中还要对空气进行加湿处理，保证空气有一定的湿度。 新知学习 02 3.水循环系统 燃料电池发电系统在反应过程中将产生水和热量，在水循环系统中用冷凝器、气水分离器和水泵等对反应生成的水和热量进行处理，其中一部分水可以用于空气的加湿。另外还需要装置一套冷却系统，以保证燃料电池的正常运作。 4.电力管理系统 燃料电池所产生的是直流电，需要经过DC／DC变换器进行调压，在采用交流电动机的驱动系统中，还需要用逆变器将直流电转换为三相交流电。以氢气为燃料的燃料电池发电系统的各种外围装置的体积和质量占系统总体积和质量的1/3～1/2。 新知学习 02 三、驱动电机技术 目前，燃料电池电动汽车上使用较多的主要是永磁无刷直流电动机、交流异步电动机、交流同步电动机及开关磁阻电动机等。 直流电动机驱动系统易于控制，但结构复杂，其高速性能和可靠性受换向器和电刷的影响较大，目前在燃料电池汽车上的应用已逐步减少；交流电动机坚固耐用、结构简单，尤其适合恶劣的工作环境；永磁电动机驱动系统，因不需要励磁，故功率因数大，电动机具有较高的功率密度和效率；开关磁阻电动机驱动系统是基于“磁阻最小原理”设计的一种新型电动机，具有结构简单、可靠性高、控制简便及功率／转矩特性优越的特点。 新知学习 02 四、电子控制技术 与传统汽车相同，电子控制在燃料电池汽车的发展中也将起着越来越重要的作用：汽车的各种操纵系统都会向着电子化和电动化的方向发展，实现“线操控”即用导线代替机械传动机构，如“导线制动”和“导线转向”等。 现有的12V动力电源已满足不了汽车上所有电气系统的需要，而42V汽车电气系统新标准的实施，将会使汽车电器零部件的设计和结构发生重大的变革；同时，机械式继电器和熔丝式保护电路也将随之淘汰。大多数电器和电机难以适应其电压特性，所以必须与DC/DC变换器和DC/AC逆变器配合使用，需要对燃料电池系统进行大量的功率调节以保证电压的稳定。 新知学习 02 五、功率跟随控制策略 1.最优工作点控制策略 该控制策略为单参数控制策略，控制简单，但由于发动机的输出功率大部分用于为电池组充电，系统能量利用效率较低，故主要用在串联混合动力汽车控制中。另外，由于受电池组充电条件约束，发动机的功率不能设计得太高，否则，一方面，难以及时补充车载电池组的能量（通常用于能量衰减型的混合动力车辆）；另一方面，也提高了对车载电池组功率输出和功率均衡能力的要求，必须附加如超级电容器、飞轮电池等高功率储能元件。 新知学习 02 2.最低燃油消耗率曲线策略 该控制策略基于外界负载功率、附件功率和动力电池的SOC。发动机输出功率用来跟踪路面负载，不仅提高了系统能量利用效率，而且降低了对电池组功率均衡的要求；电池组参与工作的时间比例减少，强度降低，延长了电池组的循环寿命，因此，可以选择较小功率的电池。为避免发动机频繁开关带来的排放和能耗的增加，需要限制发动机的开关频次，设置最小的发动机开启时间。 新知学习 02 3.最佳系统效率控制策略 控制模型如下： （1）电池SOC低于预先设定值时，发动机开始工作，发动机工作点由加速踏板开度和电池组当前的荷电状态SOC共同决定。 （2）发动机启动之后持续工作，为电池组充电，直到电池SOC达到设定的阈值上限。当进入低排放工况区域时，关闭发动机。 新知学习 02 本章导读 虽然燃料电池电动汽车的历史不长，但是与纯电动汽车相比，燃料电池电动汽车无须依赖蓄电池技术性能的完善，与内燃机汽车相比，则具有环保、节能的优势。因此，燃料电池电动汽车已成为全世界新能源汽车开发的热点，且不断地开发出不同结构的燃料电池电动汽车。本章节介绍了燃料电池电动汽车的类型、结构、工作原理和特点及其关键技术，通过学习，能够对燃料电池电动汽车技术有全面的了解或掌握；应重点掌握燃料电池电动汽车的类型、结构；了解燃料电池电动汽车的工作原理和特点。 新知学习 02 重点：燃料电池电动汽车的定义与类型 难点：燃料电池电动汽车的结构与工作原理 新知学习 02 小试牛刀 03 1.燃料电池电动汽车（FCEV）的定义是（ ） A.依靠内燃机驱动的汽车 B.使用电池储存电能的汽车 C.使用氢气和氧气通过燃料电池产生电能的汽车 D.依靠太阳能驱动的汽车 答案：C.使用氢气和氧气通过燃料电池产生电能的汽车 2.以下哪种类型的燃料电池最常用于燃料电池电动（ ） 。 A.磷酸燃料电池（PAFC） B. 固体氧化物燃料电池（SOFC） C.聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC） D.碱性燃料电池（AFC） 答案：C.聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC） 3.燃料电池电动汽车的核心组成部分是（ ） A.发动机 B.电池组 C.燃料电池堆 D.变速器 答案：C.燃料电池堆 4.燃料电池电动汽车是通过以下哪种反应产生电能（ ） 。 A.化学反应 B.物理反应 C.核反应 D.生物反应 答案： A.化学反应 小试牛刀 03 5.燃料电池电动汽车的主要优势包括（ ） A.充电时间长 B.续里程短 C.零排放和快速加氢 D.结构复杂 答案：C.零排放和快速加氢 6.在料电池电动汽车中，氢气的储存方式通常是（ ） 。 A.液态储存 B.固态存 C.气态高压储存 D.直接从空气中提取 答案： C.气态高压储存 小试牛刀 03 7.燃料电池的电解质通常选择哪种材料（ ） A.硅 B.聚合物膜 C.金属氧化物 D.石墨 答案：B.聚合物膜 8.燃料电池电动汽车的关键技术中，不包括以下哪项（ ） 。 A.氢气生产储存技术 B.燃料电池系统集成技术 C.内机技术 D.能量管理系统 答案：C.内机技术 小试牛刀 03 课堂小结 04 1.燃料电池电动汽车的类型、结构、工作原理和特点及其关键技术。 2.通过学习，能够对燃料电池电动汽车技术有全面的了解或掌握；应重点掌握燃料电池电动汽车的类型、结构。 作业布置 05 (1)简述燃料电池汽车的类型。 (2)简述燃料电池电动汽车的构成。 感谢观看 $$