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1、电动汽车原理与构造,第四章 燃料电池电动汽车技术,概述-燃料电池电动汽车的概念,燃料电池概念： 是一种把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”。,燃料电池电动汽车：是电动汽车的一种基本类型，用于驱动汽车行驶的电能主要来自“燃料电池”，整车的燃料补给不同于动力电池电动汽车的充电方式(化学反应过程)，而采用机械式充电方式(燃料的装填和加注，物理过程)。,概述-燃料电池电动汽车的优点,工作效率高。内燃机汽车的效率为11左右，而以氢气为燃料的燃料电池汽车效率可达到5070左右，甲醇重整产生氢气的燃料电池汽车效率可达到30左右。可见燃料电池汽车的效率高于内燃机汽车。 节能、环保。燃料电池汽车使用能
2、源主要是氢气，排放的主要物质是水，对于环境问题日益突出的地球来说，燃料电池汽车是内燃机汽车的理想替代。 结构简单和运行平稳。由于燃料电池汽车能量转换不涉及燃烧和热机做功，因此所需零件少，结构简单，振动和噪声小。,PNGV,Freedom CAR,长远来看，氢燃料汽车是长途旅行的理想交通工具，混合动力汽车适于中距离的驾驶，而纯电动汽车最好用于短途通勤。燃料电池汽车的续驶里程已经可超过500英里。,概述-燃料电池电动汽车得到各国重视,概述-燃料电池电动汽车得到各国重视,中国科技部”十五“863电动汽车重大专项项目,超越三号 - S3000,超越三号 - MPV,超越三号-东方之子,BK6110FC
3、HEV型样车,BF6120FCHEV型样车,概述-燃料电池电动汽车得到各国重视,中国科技部”十一五“863节能与新能源汽车重大项目,概述-燃料电池电动汽车得到各国重视,概述-燃料电池电动汽车得到各国重视,开展燃料电池电堆、发动机及其关键材料核心技术研究。把握世界新能源汽车发展动向，对其他类型的新能源汽车技术加大研究力度。,节能与新能源汽车产业发展规划,以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。,概述-燃料电池电动汽车的缺点,造价高。目前在燃料电池汽车上广泛
4、使用的质子膜燃料电池需要贵金属Pt作为电催化剂，但是Pt的价格昂贵、资源匮乏，使得质子交换膜燃料电池的成本居高不下，限制了其大规模运用。 氢气的储存、制备和运输。地球上的氢气资源丰富，但是如何获取且安全的安装到汽车上是燃料电池汽车所面临的一个难题。 加氢站等基础设施建设。目前制约燃料电池汽车商业化的难题之一就是加氢站和基础设施的建设。,教学提纲,燃料电池系统的组成和工作原理 典型的燃料电池汽车整车结构 燃料电池汽车的系统组成和工作原理 燃料电池汽车的示范运行和关键技术,燃料电池的定义和工作原理,燃料电池是一种把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”，是电化学反应的发生器。燃料电池的反应机
5、理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。氢气和氧气分别是燃料电池在电化学反应过程中的燃料和氧化剂。,燃料电池的定义和工作原理,燃料电池参与反应的化学物质，如氢和氧，是由燃料电池外部的单独供气系统供给的，只要保证物质供应的连续性，就可以保证能量输出的连续性。从这个意义上来讲，燃料电池本身是一个开放的发电装置。,燃料电池的定义和工作原理,燃料电池的类别,燃料电池种类： 高温750 直接式燃料电池 中温 200750 低温200 间接式燃料电池 再生式燃料电池,汽车用燃料电池的要求：常温下工作；电流密度高；免维护性好
6、；耐振性与耐冲击性好；能够从低负荷到高负荷进行高效率运转；可以放置在冰点以下环境中。,燃料电池的类别,阳极反应：,阴极反应：,燃料电池的类别-质子交换膜,质子交换膜燃料电池结构,燃料电池的类别-质子交换膜,燃料电池的类别-质子交换膜电堆,优点： 环境友好;效率较高，达6080;对燃料适应性强，既可用纯氢，也可用转化燃料，氧化剂可用空气;工作温度低;比功率与比能量高;可变负荷运转。 技术难关： 质子交换膜：杜邦的Nafion、日本的Asahi 电极催化剂：铂金 双极板：无孔石墨板 燃料电池的组装 反应气体的供给系统 水、热管理系统,燃料电池的类别-质子交换膜燃料电池特点,燃料电池发电系统的组成,
7、增压式质子交换膜燃料电池,燃料电池的类别-质子交换膜燃料电池系统20170419,增压式质子交换膜燃料电池,燃料电池的类别-质子交换膜燃料电池系统,燃料电池发电系统技术,常压式质子交换膜燃料电池,燃料电池发电系统技术,常压式质子交换膜燃料电池,燃料电池发电系统技术,燃料电池发电系统技术,增压与常压式质子交换膜燃料电池比较,燃料电池发电系统技术,燃料电池发电系统水热管理系统结构,燃料电池发电系统技术,内增湿,燃料电池发电系统技术,外增湿,燃料电池发电系统技术,燃料电池发电系统技术,86kW,燃料电池发电系统技术,90kW,燃料电池发电系统技术,燃料电池发电系统技术,燃料电池发电系统技术,理论电池
8、电压,实际电池电压,活化极化损失,欧姆极化损失,浓差极化损失,输出电流,输出电压,燃料电池发电系统技术-工作特性,燃料电池电堆的效率,燃料电池发电系统的效率,燃料电池发电系统技术-工作特性,输出电流,效率,燃料电池发电系统技术-工作特性,启动特性,综合性能,燃料电池发电系统技术-工作特性,教学提纲,燃料电池系统的组成和工作原理 典型的燃料电池汽车整车结构 燃料电池汽车的系统组成和工作原理 燃料电池汽车的示范运行和关键技术,燃料电池汽车的整车技术,现代TUCSON FECV,现代TUCSON FECV,燃料电池汽车的整车技术,整备质量：1765kg 续驶里程：300kg，油箱：350bar气灌(
9、3.5kg）,燃料电池汽车的整车技术,VW HyMotion TourAn FECV,燃料电池汽车的整车技术,VW HyMotion Bora FECV,FCE:75kW/255Nm,0-100kph12.6s, 350km/液氢(-2530C),燃料电池汽车的整车技术,Toyota Fuel Cell Bus,燃料电池汽车的整车技术,Toyota Fuel Cell Bus,燃料电池汽车的整车技术,Toyota Fuel Cell Bus,燃料电池汽车的整车技术,Toyota Fuel Cell Bus,燃料电池汽车的整车技术,Toyota Fuel Cell Car,燃料电池汽车的整车技术
10、,Toyota Fuel Cell Car,燃料电池汽车的整车技术,Honda FCX Fuel Cell Car,燃料电池汽车的整车技术,Honda FCX Fuel Cell Car,燃料电池汽车的整车技术,Honda FCX Fuel Cell Car,燃料电池汽车的整车技术,燃料电池汽车的整车技术,Daimler Chrysler F-Cell,燃料电池汽车的整车技术,Daimler Chrysler F-Cell,燃料电池汽车的整车技术,Daimler Chrysler F-Cell,燃料电池汽车的整车技术,Daimler Chrysler Citaro,燃料电池汽车的整车技术,梅塞
11、德斯奔驰 Citaro,燃料电池汽车的整车技术,最高车速： 80 km/h (50 mph). 电机AT后置. 三个上车门（无台阶）超低地板设计,Daimler Chrysler Citaro,燃料电池汽车的整车技术,教学提纲,燃料电池系统的组成和工作原理 典型的燃料电池汽车整车结构 燃料电池汽车的系统组成和工作原理 燃料电池汽车的示范运行和关键技术,燃料电池电动汽车的动力系统,传统燃料电池动力系统,结构简单，易于实现 控制相对容易,动态响应性能差 无法吸收制动回馈能量 电机控制器须有较宽的电压范围 燃料电池功率过高设计,能量型燃料电池混合动力系统,燃料电池电动汽车的动力系统,动态响应性能较好
12、 高的系统电压有利于蓄电池实现制动回馈能量吸收,对于稳态负载效率较低,功率型燃料电池混合动力系统,燃料电池电动汽车的动力系统,动态响应性能较好 效率最优化设计 实现制动回馈能量吸收,系统控制复杂 对燃料电池要求较高 DC/DC须要支持双向变换 电机控制器须有较宽的电压范围,燃料电池混合动力系统工作原理,工作特性互补，实现系统效率优化； 实现再生能量回收,燃料电池混合动力系统工作原理,燃料电池单独驱动模式,燃料电池混合动力系统工作原理,加速助力模式,辅助电池充电模式,燃料电池混合动力系统工作原理,再生制动能量回收模式,燃料电池混合动力系统工作原理,举例1: 能量型混合动力系统,举例1:燃料电池汽
13、车整车综合控制思路,举例1:燃料电池汽车车载能源特性分析,燃料电池发电系统,启动特性,综合性能,举例1:燃料电池发电系统控制特性方程,输出功率约束方程,目标功率给定约束方程,加载约束方程,卸载约束方程,举例1:动力电池组控制特性方程,充放电功率约束方程,荷电状态约束方程,充放电目标功率计算,举例1:主DC/DC变换器控制特性分析,300420V,260400V,控制方程,举例1:主DC/DC变换器控制特性分析,假设,电压控制方式,电流控制方式,限制了动力电池组在整车功率增长时的峰值输出能力,由于母线电压下降， 引起动力电池组被动的输出峰值功率，满足母线功率增加需求,举例1:主DC/DC变换器控
14、制特性分析,燃料电池汽车关键技术-发动机技术,提高可靠性,Ballard 考核2000h/100000km,提高低温启动性能,燃料电池汽车关键技术-发动机技术,提高功率密度,燃料电池汽车关键技术-发动机技术,降低成本,燃料电池汽车关键技术-发动机技术,发展动向,燃料电池汽车关键技术-发动机技术,燃料电池汽车关键技术-发动机技术,燃料电池汽车关键技术-发动机技术,燃料电池汽车DC/DC变换器,提高比功率，效率 双向DC/DC,燃料电池汽车燃料制取技术,廉价氢气制取技术 氢气安全运输和加注技术 氢气站建设,燃料电池汽车关键技术-整车技术,燃料电池汽车氢气安全技术,燃料电池汽车关键技术-整车技术,燃
15、料电池汽车关键技术-整车技术,整车系统集成和控制技术,教学提纲,燃料电池系统的组成和工作原理 典型的燃料电池汽车整车结构 燃料电池汽车的系统组成和工作原理 燃料电池汽车的示范运行和关键技术,燃料电池示范运行项目,燃料电池示范运行项目,氢的制取技术,电解水制氢 7484%,氢的制取技术,氢的制取技术,电解水制氢 7484%,氢的制取技术,重整制氢,高压重整器,氢的制取技术,化学反应制氢,生物制氢,工业附属产物,NaBH4 + 2H2O NaBO2 + 4H2,氢的制取技术,氢气的车载存储,气态储氢,液态储氢,氢气的车载存储,存储质量比57.5%,金属氢化物储氢,金属氢化物储氢的机理为:某些金属或
16、合金在一定条件下可与氢气发生反应,生成金属氢化物,生成的金属氢化物在适当的温度和压力下,又能将所吸收的氢气释放出来。 用这种方法储氢的密度为标准状态下氢气的1000 倍左右。与液态储氢密度相当或超过液氢,而且储氢压力非常低,在室温附近,压力仅为0.1011MPa 。,氢气的车载存储,存储质量比1.5%,纳米碳材料储氢,一些碳纳米材料,如碳纳米管、纳米炭纤维等是有希望的储氢材料。碳纳米管是一种具有很大表面积的碳材料,其上含有许多尺寸均一的微孔。当氢到达到材料表面时,一方面被吸附在材料表面上;另一方面在微孔毛细管力的作用下,氢被压缩到微孔中,因此能储存相当多的氢。,氢气的车载存储,燃料电池汽车加氢站,氢气加注站,氢气的车载存储,氢气的车载存储,氢气的车载存储,
