新能源汽车技术概论 第七章 燃料电池电动汽车
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。
FC+B+C电动汽车
典型燃料电池汽车结构
它通常包括燃料电池系统、电机、蓄电池（超级电容）等功能部件组成。 燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制 系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动
力电池的工作原理不同。
与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： 1）燃料电池的能量转换效率极高。 2）零排放或近似零排放。 3）车辆性能接近内燃机汽车。 4）结构简单、运行平稳
燃料电池与内燃机效率对比
燃料电池汽车有哪些优缺点？
虽然氢燃料电池汽车在环保方面有很大的优势，但是它还处于发展的初级阶段 。如限制其发展的主要因素有：
四、供氢系统、能量管理
1 氢燃料的制备方法、储存和输配 2 燃料电池电动汽车车上供氢系统
1）高压储氢；液态储氢；金属储氢；活性炭吸附储氢；碳纳米材料储氢 2）氢气泄漏检测与控制措施
图7．10 燃料电池氢气分系统外漏测试原理图
四、供氢系统、能量管理
3 能量管理
传统内燃机混合动力汽车合成了内燃机与电动机的驱动力，在两个动力 源之间进行动力分配。在燃料电池混合动力电动汽车(FCHEV)中则是电 与电的合成，即要进行的是功率分配。燃料电池混合动力电动汽车的电 动机、电池以及燃料电池之间存在复杂的功率输入、输出关系。目前按 它们之间分配的控制策略来分，可分为两种控制模式：
基于这些不利因素，目 前的燃料电池电动汽车主要 采用的是混合驱动形式，即 在燃料电池的基础上，增加 了一组电池或超级电容作为 另一动力源。
图7.1 图7.1是采用“燃料电池+蓄电池”(FC+B)混合驱动形式的 燃料电池电动汽车的动力系统结构。
燃料电池汽车有哪些结构类型？
燃料电池汽车的结构多种多样，通常按动力源的组成进行分 类。燃料电池汽车的动力源通常包括燃料电池系统（Fuel Cell）、蓄电池（Battery）、超级电容（Capacitor）。 ①纯燃料电池驱动（Pure Fuel Cell，PFC）的燃料电池电动
3）需要配备辅助电池系统
燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收再生制动的反馈能量。通常在燃料电池汽 车上须增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在燃料电池汽车减速时接受再生 制动时的能量。
燃料电池电动汽车基本机构
纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽 车的所有功率负荷都由燃料电池承担。其主要缺点有： 燃料电池的功率大，成本昂贵。
1）生产成本高
目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换 的氢是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较
复杂，对安全性要求很高。燃料电池的燃料的生产、运输、储存等成本较高。
2）使用配套不足
由于氢燃料的生产、储存、运输等都存在一定的安全隐患，因此加氢站等基础网络设 施建设相对落后，这制约着燃料电池汽车的推广。
二、燃料电池系统
图7．3 典型的质子交换膜燃料电池系统示意图
三、燃料电池的发动机系统
以氢气为燃料的燃料电池电动汽车的发动机系统
1）氢燃料电池发动机
1）氢气供应、管理和回收
2）氧气供应和管理系统
3）水循环系统
4）电力管理系统
氢燃料电池发动机系统
燃料电池发动机系统
DC/DC变换器 DC/DC变换器的基本功能：
汽车；
纯燃料电池电动汽车只有燃料电 池一个动力源，汽车的所有功率 负荷都由燃料电池承担。但由于 燃料电池无法实现充电，因此无 法实现电动汽车的制动能量回收。
PFC汽车结构原理图
②燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV； 在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供 能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽 车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池将储存
回馈的能量。
FC+B电动汽车结构原理图
③燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV； 这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。 相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，比蓄电池功率密度大 ，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量
密度较小。 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 燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转 化成机械能传给传动系，驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电
燃料电池发动机系统
驱动电机 DC/DC变换器的基本功能：
（1）直流电机驱动系统采用换向器和电刷，保证了励磁磁动势与电枢磁动 势的严格正交，易于控制。但直流电机结构复杂，其高速性能和可靠性受换 向器和电刷的影响较大。 （2）交流电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、成本低，尤其适 合恶劣的工作环境。其缺点在于损耗大、效率低、功率因数低，进而导致控 制器容量增加，成本上升。
第七章 燃料电池电动汽车
主要内容
• 1.燃料电池电动汽车概述 • 2.燃料电池系统 • 3.燃料电池电动汽车的发动机系统 • 4. 供氢、能量管理
一、概述
什么是燃料电池汽车？
燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应 产生电流，依靠电机驱动的汽车。
其核心部件是燃料电池，燃料电池是一种能够持续的通过 发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的 能量转换装置。
燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断 地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池 就会不断提供电能。
燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动 力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通 电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不 同。
燃料电池汽车特点
新能源汽车技术概论
主要参考书1
✓李艳菲 主编 ✓新能源汽车技术概论
机械工业出版社 2019年7月
主要内容
第一章 汽车与能源 第二章 新能源汽车产业发展 第三章 新能源汽车类型 第四章 电动汽车储能装置 第五章 电动汽车驱动电机及控制系统 第六章 纯电动汽车 第七章 燃料电池电动汽车 第八章 混合动力电动汽车 第九章 其他新能源汽车
Baidu Nhomakorabea率跟随模式 开关模式。
五、 典型的氢燃料电池汽车
图7-14 2017款本田FCX Clarity燃料电池车
Honda FCX Clarity主要动力部件的整车布置图
Honda FCX Clarity动力系统结构主要由动力控制单元 （Power Control Unit），燃料储气罐（Hydrogen Storage Tank），驱动 电机（Electric Motor），燃料电池堆（Fuel Cell Stack ），高功率的锂
离子电池（High-Output Battery）等五部分组成。
本章课程结束
（1）当输入直流电压在一定范围内变化时，能输出负载要求的变化范围的 直流电压。
（2）输出负载要求的直流电流（范围）：能够输出足够的直流负载电流， 并且能够允许在足够宽的负载变化范围的情况下设备能正常运行。
（3）变换器是能量传递部件，因此需要转换效率高，以便提高能源的利用 率；
（4）为了降低对燃料电池的输出电压要求，变换器应具有升压功能； （5）由于燃料电池输出的不稳定，需要变换器闭环运行进行稳压，为了给 驱动器稳定的输入，需要变换器有较好的动态调节能力；
FC+B+C电动汽车
典型燃料电池汽车结构
它通常包括燃料电池系统、电机、蓄电池（超级电容）等功能部件组成。 燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制 系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动
力电池的工作原理不同。
与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： 1）燃料电池的能量转换效率极高。 2）零排放或近似零排放。 3）车辆性能接近内燃机汽车。 4）结构简单、运行平稳
燃料电池与内燃机效率对比
燃料电池汽车有哪些优缺点？
虽然氢燃料电池汽车在环保方面有很大的优势，但是它还处于发展的初级阶段 。如限制其发展的主要因素有：
四、供氢系统、能量管理
1 氢燃料的制备方法、储存和输配 2 燃料电池电动汽车车上供氢系统
1）高压储氢；液态储氢；金属储氢；活性炭吸附储氢；碳纳米材料储氢 2）氢气泄漏检测与控制措施
图7．10 燃料电池氢气分系统外漏测试原理图
四、供氢系统、能量管理
3 能量管理
传统内燃机混合动力汽车合成了内燃机与电动机的驱动力，在两个动力 源之间进行动力分配。在燃料电池混合动力电动汽车(FCHEV)中则是电 与电的合成，即要进行的是功率分配。燃料电池混合动力电动汽车的电 动机、电池以及燃料电池之间存在复杂的功率输入、输出关系。目前按 它们之间分配的控制策略来分，可分为两种控制模式：
基于这些不利因素，目 前的燃料电池电动汽车主要 采用的是混合驱动形式，即 在燃料电池的基础上，增加 了一组电池或超级电容作为 另一动力源。
图7.1 图7.1是采用“燃料电池+蓄电池”(FC+B)混合驱动形式的 燃料电池电动汽车的动力系统结构。
燃料电池汽车有哪些结构类型？
燃料电池汽车的结构多种多样，通常按动力源的组成进行分 类。燃料电池汽车的动力源通常包括燃料电池系统（Fuel Cell）、蓄电池（Battery）、超级电容（Capacitor）。 ①纯燃料电池驱动（Pure Fuel Cell，PFC）的燃料电池电动
3）需要配备辅助电池系统
燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收再生制动的反馈能量。通常在燃料电池汽 车上须增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在燃料电池汽车减速时接受再生 制动时的能量。
燃料电池电动汽车基本机构
纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽 车的所有功率负荷都由燃料电池承担。其主要缺点有： 燃料电池的功率大，成本昂贵。
1）生产成本高
目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换 的氢是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较
复杂，对安全性要求很高。燃料电池的燃料的生产、运输、储存等成本较高。
2）使用配套不足
由于氢燃料的生产、储存、运输等都存在一定的安全隐患，因此加氢站等基础网络设 施建设相对落后，这制约着燃料电池汽车的推广。
二、燃料电池系统
图7．3 典型的质子交换膜燃料电池系统示意图
三、燃料电池的发动机系统
以氢气为燃料的燃料电池电动汽车的发动机系统
1）氢燃料电池发动机
1）氢气供应、管理和回收
2）氧气供应和管理系统
3）水循环系统
4）电力管理系统
氢燃料电池发动机系统
燃料电池发动机系统
DC/DC变换器 DC/DC变换器的基本功能：
汽车；
纯燃料电池电动汽车只有燃料电 池一个动力源，汽车的所有功率 负荷都由燃料电池承担。但由于 燃料电池无法实现充电，因此无 法实现电动汽车的制动能量回收。
PFC汽车结构原理图
②燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV； 在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供 能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽 车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池将储存
回馈的能量。
FC+B电动汽车结构原理图
③燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV； 这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。 相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，比蓄电池功率密度大 ，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量
密度较小。 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 燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转 化成机械能传给传动系，驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电
燃料电池发动机系统
驱动电机 DC/DC变换器的基本功能：
（1）直流电机驱动系统采用换向器和电刷，保证了励磁磁动势与电枢磁动 势的严格正交，易于控制。但直流电机结构复杂，其高速性能和可靠性受换 向器和电刷的影响较大。 （2）交流电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、成本低，尤其适 合恶劣的工作环境。其缺点在于损耗大、效率低、功率因数低，进而导致控 制器容量增加，成本上升。
第七章 燃料电池电动汽车
主要内容
• 1.燃料电池电动汽车概述 • 2.燃料电池系统 • 3.燃料电池电动汽车的发动机系统 • 4. 供氢、能量管理
一、概述
什么是燃料电池汽车？
燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应 产生电流，依靠电机驱动的汽车。
其核心部件是燃料电池，燃料电池是一种能够持续的通过 发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的 能量转换装置。
燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断 地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池 就会不断提供电能。
燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动 力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通 电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不 同。
燃料电池汽车特点
新能源汽车技术概论
主要参考书1
✓李艳菲 主编 ✓新能源汽车技术概论
机械工业出版社 2019年7月
主要内容
第一章 汽车与能源 第二章 新能源汽车产业发展 第三章 新能源汽车类型 第四章 电动汽车储能装置 第五章 电动汽车驱动电机及控制系统 第六章 纯电动汽车 第七章 燃料电池电动汽车 第八章 混合动力电动汽车 第九章 其他新能源汽车
Baidu Nhomakorabea率跟随模式 开关模式。
五、 典型的氢燃料电池汽车
图7-14 2017款本田FCX Clarity燃料电池车
Honda FCX Clarity主要动力部件的整车布置图
Honda FCX Clarity动力系统结构主要由动力控制单元 （Power Control Unit），燃料储气罐（Hydrogen Storage Tank），驱动 电机（Electric Motor），燃料电池堆（Fuel Cell Stack ），高功率的锂
离子电池（High-Output Battery）等五部分组成。
本章课程结束
（1）当输入直流电压在一定范围内变化时，能输出负载要求的变化范围的 直流电压。
（2）输出负载要求的直流电流（范围）：能够输出足够的直流负载电流， 并且能够允许在足够宽的负载变化范围的情况下设备能正常运行。
（3）变换器是能量传递部件，因此需要转换效率高，以便提高能源的利用 率；
（4）为了降低对燃料电池的输出电压要求，变换器应具有升压功能； （5）由于燃料电池输出的不稳定，需要变换器闭环运行进行稳压，为了给 驱动器稳定的输入，需要变换器有较好的动态调节能力；