项目二 任务3 燃料电池电动车（教案）《新能源汽车底盘技术》同步精品课堂（机工版·第2版）

《新能源汽车底盘技术》教案 课 题 项目二任务3 燃料电池电动车 课 型 理论课 课 时 2 授课班级 授课时间 授课教师 教材分析 本节课的内容是关于《新能源汽车底盘技术》中的项目二。要求学生理解新能源汽车底盘的功用、结构等，课标要求是掌握新能源汽车底盘的作用。选用的教材是由机械工业出版社出版的《新能源汽车底盘技术》（第二版），学习内容是新能源汽车底盘基本知识的内容和各项方法。 学情分析 知识储备：对新能源汽车底盘结构基本知识有着初步的了解。 能力水平：熟悉新能源汽车底盘结构基本知识的各项方法。 学习特点：学习、接受新知识能力较弱，尤其是理论性强的知识，不能充分利用课余时间学习。 学习目标 知识目标：理解燃料电池汽车概述。 能力目标：能够掌握燃料电池汽车类型。 素质目标：1.认识到新能源汽车底盘基本知识的重要性。 2.积极参与课堂，能够表达自己的观点和想法。 学习重难点 教学重点：1.燃料电池汽车概述。 2.燃料电池汽车类型。 教学方法 讲授法、讨论法、演示法、实物教学法 课前准备 教师准备：教学课件 学生准备：课前预习 教学媒体 多媒体教室、多媒体课件 教学过程 教学环节 教师活动设计 学生活动设计 设计意图 活动一： 创设情境 生成问题 1. 情境导入 让学生阅读教材导入情景，引导学生思考： 新能源汽车底盘基本知识。 2. 展示学习目标 认识到新能源汽车底盘基本知识的重要性。 掌握新能源汽车底盘基本知识的具体内容。 1.阅读导入情景，思考教师提问，结合生活中的实际，认真回答。 2.查看并记住本节任务的学习目标。 1.通过情景问话，引出本课主题。同时激发学习兴趣。 2.通过课件展示本节任务，让学生明确课堂任务。 活动二： 调动思维 探究新知 一.导入新课:组织教学、吸引学生注意力，使学生进入上课状态。 二.1.新课讲解:借助PPT讲授新能源汽车底盘基本知识内容，利用课件进行讲授，对比课件中的构造简图 ，对新能源汽车底盘基本知识有一个初步的了解。 纯电动汽车（EV）动力传动系统 纯电动汽车（EV）传动系统概述 纯电动汽车与传统汽车相比，二者在能量来源和驱动来源方面有明显不同，前者能量源来自于电池，仅仅依靠电机进行驱动，后者能量来源于化石燃料的燃烧，依靠发动机进行驱动。因此，二者在动力传动系统结构及布局方面明显不同。纯电动汽车动力系统结构布局主要可分为中央电机驱动和电动轮驱动两种形式。 目前纯电动汽车动力传动系统的结构布局主要采用中央电机驱动型式。轮毂电机及控制技术尚未成熟，处于发展阶段。 纯电动汽车（EV）传动系统 纯电动汽车传动系统结构组成 相较于传统燃油汽车和混合动力汽车，纯电动汽车动力传动系统结构一般较为简单，驱动电机经过固定齿比的减速器进行降速增扭，然后直接将动力通过差速器传递到半轴，半轴带动车轮行驶。目前市场上常见的纯电动汽车大部分都未配备多挡位变速器。 BYD E5纯电动汽车动力总成外形结构包括电机驱动器、驱动电机、减速器、差速器。 燃料电池电动汽车（FCEV）动力传动系统 1. 燃料电池电动汽车概述 燃料电池电动汽车概述 起源： 燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV），兴起于20世纪70年代末，以燃料电池作为动力源，通过氢氧反应产生电能驱动电动机进而带动车辆行驶。由于该车型的排放物为水，氢氧利用率较高，因此被普遍认为是一种新型、高效、清洁的环保车型。 结构组成： 氢燃料电池汽车与纯电动汽车的区别在于其包含了两套能量系统，一套为功率型小容量储能系统，另一套则是氢燃料电池系统。氢燃料电池电堆输出直流电，经过DC-DC升压后可直接为储能系统以及电驱系统供电，驱动车辆行驶。除了氢燃料电池电堆等主要动力部件外，氢燃料电池汽车还需要完整的辅助系统才能实现能量输出，包括储氢系统、散热系统、DC-DC、氢气供应系统和空气供应系统等，这些系统及部件的功能，均由燃料电池系统控制器（FCU）控制实现。 2. 燃料电池电动汽车分类 燃料电池电动汽车分类 纯燃料电池驱动（PFC） 燃料电池与蓄电池联合驱动（FC+B） 燃料电池与超级电容联合驱动（F+C） 燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C） 1）PFC型燃料电池电动汽车 PFC型燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车需要的所有功率都由燃料电池提供。 PFC型燃料电池电动汽车在工作的过程中，将燃料电池中的氢气和氧气反应产生的电能，通过DC/DC转换器转化传给驱动电机，驱动电机将电能转化成机械能后传递给减速机构，驱动汽车行驶。 1）PFC型燃料电池电动汽车 优点 缺点 2）FC+B型燃料电池电动汽车 FC+B型燃料电池电动汽车在PFC型燃料电池电动汽车的结构上增加了辅助动力电池，两者联合驱动燃料电池电动汽车动力系统。目前这种结构形式应用较为广泛，它解决了诸如辅助设备供电、水热管理系统供电、燃料电池堆加热、能量回收等问题。 2）FC+B型燃料电池电动汽车 优点 缺点 3）F+C型燃料电池电动汽车 F+C型燃料电池电动汽车在加速形式的过程中，燃料电池和超级电容一起为电动机提供能量，驱动电机将电能转换成机械能再传递给减速机构，进而驱动汽车行驶；在正常行驶过程中，由燃料电池为整车提供能量；在制动过程中，驱动电机变成发电机，超级电容将储存制动回馈的能量。超级电容充放电响应较快，当能量需求变化较大时由超级电容迅速释放或吸收能量，对动力系统进行能量补偿和调节，从而保障汽车的动力性能。 3）F+C型燃料电池电动汽车 优点 缺点 4）FC+B+C型燃料电池电动汽车 FC+B+C型燃料电池电动汽车中，燃料电池与动力电池和超级电容器联合驱动车辆行驶。驱动电机将电能转换成机械能再传递给减速机构驱动汽车行驶；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，供给动力电池和超级电容存储回馈的能量。在燃料电池、动力电池和超级电容联合供电时，燃料电池能量输出平缓，随时间波动小，而能量需求变化的低频部分由动力电池分担，能量需求变化的高频由超级电容承担。各动力源的分工更加明确，各自优势得到更好的发挥。 优点 缺点 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 1）燃料电池工作原理 燃料电池的基本组成由阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。 氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应：H→2H^++2e 氢质子穿过电解质到达阴极。电子（无法通过质子交换膜）则通过外电路及负载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下，生成水反应式为： 2H^++2e+1/2O_2→H_2O 综合式以上两式，氢氧燃料电池中总的电池反应为：2H_2+O_2=2H_2O 伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 2）燃料电池中的催化剂及催化作用 燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中电荷转移的，一般发生在电极与电解质的分界面上。催化剂是一类可产生电催化作用的物质。电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极反应。 评价催化剂的主要技术指标为稳定性、电催化活性、电导率和经济性。 3）质子交换膜 燃料电池最关键的技术就是利用特殊的“电解质薄膜”—质子交换膜将氢气与电子拆分，整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗，但是更小的灰尘却可以……。电解质薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。 因为氢分子体积小，可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在穿越孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过，氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子（正电）和电子、将氧气拆分成氧离子（负电）和电子，电子在电极板之间形成电流。 两个氢离子和一个氧离子结合成为纯水，是反应的产物。因此燃料电池是用燃料电池堆栈代替的厚重且充电效率低下的锂离子电池组。 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 4）燃料电池汽车的组成 燃料电池电动汽车除了具有纯电动汽车所具有的驱动电机、动力控制单元和动力储能电池外，还具有其不具备的燃料电池堆栈、高压储氢罐（70MPa）、燃料电池升压器等。 丰田Mirai燃料电池电动汽车结构组成 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 （1）氢燃料电池电堆栈 氢燃料电池电堆栈是整个燃料电池系统的核心，是氢气与氧气反应产生的场所，也是氢燃料电池汽车动力系统中最重要的组成部分之一。燃料电池可以将氢氧反应的化学能直接以电能的形式直接输出，相比于内燃机，减少了机械传动过程的能量损耗，不受卡诺循环的限制，除去辅助系统的能耗外，实际输出效率可达50%以上。且质子交换膜燃料电池（PEMFC）能在低温下工作，体积能量密度大，转化效率高，功率调节响应时间快，是最适合在新能源汽车上应用的燃料电池之一。 本田燃料电池堆栈外形 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 丰田Mirai搭载的燃料电池堆栈是由370片薄片燃料电池组成的，因此被称为“堆栈”，可输出114千瓦的发电功率。采用3D立体微流道技术，更好地排出副产物：水，以让更多空气流入，改善发电效率。 燃料电池堆栈比功率达到了3.1千瓦/升，由于燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在0.6V~0.8V之间，370片也不会超过300V电压。所以为了减小驱动电动机的体积和重量，需要安装一个升压器，将电压提升到650V。 升压转换器（DC-DC转换器），利用升压转换器提高燃料电池电压，以提高电机转速，从而增加输出功率、缩小驱动用电机的尺寸，并减少了燃料电池单元数量，实现燃料电池组小型化。 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 （2）氢气的储存 氢气跟汽油不同，常温下氢气是气体，密度非常低并且非常难液化，常温下更是无法液化，所以氢气要安全储藏和运输并不容易。氢气无法像汽油那样直接注入普通油箱里。 氢燃料电池汽车的储氢装置一般使用车载高压储氢瓶，可用于车载储氢的是Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶。Ⅲ型瓶材料为铝内胆碳纤维缠绕，常见压力为35MPa，在国内应用广泛，相关技术也比较成熟。Ⅳ型瓶为塑料内胆碳纤维缠绕，有质量轻、耐压能力强的特点，可承受70MPa或更高压力。储氢瓶的额定压力等级和容积决定了相同温度下储氢系统的最大储氢质量，氢瓶的体积和压力等级越大，系统的储氢密度越高。 车载储氢瓶的体积受汽车总体布置限制不能无限增大，氢瓶耐压等级的提升依然是世界各国研发的目标。在进行车载储氢系统选择时，需要根据整车性能、成本、空间要求选择最合适的储氢瓶类规格。 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 丰田燃料电池汽车设计了一大一小两个高压储氢罐，通过高压的方式充入氢气。丰田选用了70Mpa也就是700个大气压的高压储气罐，类似我们常见的“煤气罐”，只不过罐体更厚重。两个储氢罐一共的容量是122.4升，采用70Mpa储存，也只能容纳约5公斤的氢气。 所以燃料的重量并不大，反而储氢罐特别笨重。为了在承受70Mpa的前提下仍旧保持行驶安全性，所以储氢罐被设计成四层结构。铝合金的罐体内部衬有塑料内胆，外面包裹一层碳纤维强化塑料的保护层，保护层外侧再增加一层玻璃纤维材料的减振保护层，并且每一层的纤维纹路都根据所处罐身位置不同而做了额外的优化，使纤维顺着压力分布的方向，提升保护层的效果。 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 （4）升压DC-DC变换器 氢燃料电池电堆在整车行驶过程中的输出电压是不断变化的，且通常低于整车高压系统的工作电压，所以需要在其输出端配置升压DC-DC变换器，将输出电压提升到整车所需的高压等级。由于燃料电池电堆输出电流大，所以升压DC-DC变换器需要有较好的耐流能力以及快速的响应能力，确保在输入电压随时变化的情况下，通过及时地反馈调节稳定输出电压。此外，DC-DC变换器还应具备预充、过流保护、过温保护等基本安全功能。 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 （5）散热系统 在燃料电池反应堆工作过程中，会产生大量的热能。如果没有良好的散热系统将热量发散出去，会导致燃料电池内部温度持续上升，轻则影响催化剂活性，导致动力系统输出功率不足，重则导致车辆失去动力或发生火灾等危险。动力电池、空气压缩机、升压DC-DC变换器和电驱系统等均需要设计到散热回路中。通常燃料电池汽车的散热系统比传统燃油车和纯电动汽车都复杂得多，很多因素都会对实际散热效果产生影响，如环境温度、空气湿度、风速等。散热系统设计还包括散热回路设计和水泵、风机等设备选型，以及散热系统在不同工况下的控制策略。在有限空间和功耗的限制下，氢燃料电池汽车的散热系统需要结合工程经验和零部件位置，高效、合理地布置冷却管路，最大程度地保证整车动力性、经济性、可靠性和安全性。 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 5）氢燃料电池汽车基本架构 氢燃料电池汽车基本架构主要包括氢燃料电池电堆、散热系统、升压DC-DC变换器、氢气/空气系统等。空气从进气口进入，通过空压机增压，与储氢瓶中减压后的氢气一同进入燃料电池电堆中反应并产生直流电能，直流电经过升压DC-DC变换器升压后为动力电池充电或向电驱系统供电。动力电池主要起到储存回馈制动能量和提高整车动力响应速度的作用。 动力电池主要起到储存回馈制动能量和提高整车动力响应速度的作用。当氢燃料电池汽车动力电池容量较大时，往往带有充电口，可以通过车载充电机充电；若动力电池容量较小，则无需配置充电口和车载充电机。动力电池将电能输送到高压配电系统，给降压 DC-DC 变换器、空调压缩机、PTC等高压输入零部件供电；降压DC-DC变换器输出14V给低压蓄电池充电，另一部分给车身和燃料电池辅助系统相关的低压零部件供电。 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 6）燃料电池汽车的特点 （1）能量转化效率高：燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程。燃料电池的能量转换效率可高达60~80%，为内燃机的2~3倍； （2）排放物只有水，无有害气体的排放、噪音低； （3）工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便，氢来源广泛，可再生等。 （4）燃料电池汽车面临的亟待解决的问题：造价高，氢气的储存、制备和运输，加氢站等基础设施建设。 虽然现在加氢站还是极度罕见，但是普通加油站改造成加氢站的成本要远低于改造成快速充电站的成本。因此可以预计，如果燃料电池汽车能在成本控制上取得突破，实际上市场空间会比纯电动车更大。 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 7）氢燃料与其它部分燃料性能和排放对比表 3. 燃料电池电动汽车的构造与原理 8）燃料电池电动汽车几种行驶工况： （1）在正常工况下，车辆起步由动力蓄电池向牵引电机提供电能。 （2）在车辆部分负荷行驶时，燃料电池堆的电能驱动牵引电机并可以向动力蓄电池充电。 （3）在加速过程中，燃料电池堆和镍氢动力电池共同向驱动电机供电。此时来自燃料电池堆的电能增加，燃料电池转换器的升压比增大，动力蓄电池可提供额外的电能来加速车辆。 （4）在减速过程中，利用车轮传递的驱动力使牵引电机旋转，将动能转换为电能，用于给动力蓄电池充电，或者用于驱动燃料电池空压机电机的运转。 （5）当车辆停止且动力蓄电池充电状态较低时， 燃料电池堆将会发电，并为动力蓄电池充电。 三.课堂互动: 组织学生进行小组讨论，分享学习心得和体会，教师进行点评和指导。 四.巩固练习:布置相关练习题和思考题，让学生巩固所学知识，教师进行个别辅导 学习新能源汽车底盘基本知识的总体认知 学生以小组为单位，巩固旧课，展示预习情况 (1) 听课、思考、结合生活实际，认真回答教师提出的问题。 (2) 听课、理解新能源汽车底盘结构基本知识的总体认知 积极发言 (3) 结合生活实际，思考现代新能源汽车底盘基本知识的总体构造及作用。 请学生先结合教材自行归纳分类 观看PPT、图片及动画，学生自主分析，各小组派代表阐述本组学习成果。 针对特点，提出相应的底盘技术要点 注意要点，提醒学生结合生活经验分析。 通过视频、多媒体学习。以小组为单位进行阐述。 小组讨论，根据所学知识进行总结，阐述。 1.通过导入情景以及学生思考结果引出新能源汽车底盘基本知识的总体内容。为进一步学习本课重点奠定基础。 2.教师讲述新能源汽车底盘基本知识总体认知等重点知识。 活动三： 巩固练习 素质提升 1.提问学生燃料电池电动汽车类型。 2.提问学生燃料电池电动汽车的构造。 学生课上复习，并完成本节教学重点。 加深对本节内容的理解并加强课堂知识点的记忆。 课堂小结 作业布置 1.课堂小结： 本节课通过讲解、示范、小组讨论和案例分析等多种教学方法和手段，使学生掌握了新能源汽车底盘基本知识等内容，培养了学生对于新能源汽车底盘这门课程的兴趣，树立了良好的职业道德观念。同时，也让学生认识到新能源汽车底盘的基本内容，为今后的学习和工作打下坚实的基础。 2.作业： (1)简述燃料电池电动汽车类型。 (2)简述燃料电池电动汽车的构造。 板书设计 三、各类型燃料电池 1.特点 2.结构原理 3.构造原理 一、燃料电池电动汽车 1.概念 2.起源 3.结构组成 4.传动系统 5.作用 二、燃料电池电动汽车分类 1.纯燃料电池驱动 2.燃料与蓄电池驱动 3.燃料与超级电容驱动 4.燃料与蓄电池和超级电容驱动 教学反思 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $