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

同步精品课程——中职专业课 项目二任务3 燃料电池电动车 《新能源汽车底盘技术》（第2版）机械工业出版社 1 学习目标 项目二任务3燃料电池电动车 知识目标 能理解燃料电池汽车概述。 能力目标 能掌握燃料电池汽车类型。 情感目标 1.让学生认识到新能源汽车底盘的重要性。 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.能理解燃料电池汽车概述。 2.能掌握燃料电池汽车类型。 3.能分析燃料电池电动的构造与原理。 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 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 新知学习 02 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。 新知学习 02 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。 新知学习 02 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。 新知学习 02 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） 新知学习 02 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。 新知学习 02 1）PFC型燃料电池电动汽车 优点 缺点 新知学习 02 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。 新知学习 02 2）FC+B型燃料电池电动汽车 优点 缺点 新知学习 02 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。 新知学习 02 3）F+C型燃料电池电动汽车 优点 缺点 新知学习 02 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 新知学习 02 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。 新知学习 02 燃料电池汽车视频讲解 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。 新知学习 02 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 新知学习 02 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。 新知学习 02 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。 新知学习 02 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。 新知学习 02 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。 新知学习 02 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。 新知学习 02 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。 新知学习 02 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。 新知学习 02 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。 新知学习 02 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 新知学习 02 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。 新知学习 02 重点：燃料电池汽车概述 难点：燃料电池汽车类型 新知学习 02 小试牛刀 03 1.纯电动汽车传动系统的核心部件不包括以下( ) A.永磁同步电机 B.内燃机 C.单级减速器 D.动力电池组 答案：B.内燃机 2.以下哪项是纯电动汽车传动系统的关键功能部件( ) A.燃油喷射系统 B.排气歧管 C.机械变速箱 D.高压配电盒 答案：D.高压配电盒 3.世界上首款氢燃料电池汽车由哪家公司于1966年推出( ) A.通用汽车 B.丰田 C.本田 D.现代 答案：A.通用汽车 4.燃料电池电动汽车（FCEV）的动力系统不包括以下哪部分( ) A.燃料电池堆 B.储氢罐 C.火花塞 D.动力电池 答案： C.火花塞 小试牛刀 03 5.PFC型燃料电池电动汽车的特点是( ) A.需外接充电桩 B.仅依赖燃料电池供电 C.配备内燃机作为备用动 D.使用超级电容作为唯一辅助电源 答案：B.仅依赖燃料电池供电 6.PFC型燃料电池电动汽车的主要缺点( ) A.制造成本低 B.动力响应慢 C.需频繁加氢 D.无法实现制动能量回收 答案： D.无法实现制动能量回收 小试牛刀 03 7.FC+B型（燃料电池+电池）相比PFC型的优势( ) A.选项全是 B.降低氢气消耗量 C.提高制动能量回收效率 D.减少燃料电池功率需求 答案： A.选项全是 8.F+C型（燃料电池+超级电容）的突出优势是( ) A.能量密度高 B.低温性能差 C.充放电效率高 D.成本低廉 答案：C.充放电效率高 小试牛刀 03 课堂小结 04 1.FC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。 2.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。 作业布置 05 (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。 感谢观看 $