新能源燃料电池电动汽车基本结构及其传动系统讲义

燃料电池发动机系统
甲醇为燃料
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１甲醇储存罐 ２带燃烧器的改质器 ３净化装置 ４氢气循环泵 ５冷凝器及气水分离器 ６水箱 ７水泵 ８空气压缩机 ９加湿器及去离子过滤装置 １０燃料电池组 １１ 电源开关 １２ ＤＣ／ＤＣ变换器 １３ ＤＣ／ＡＣ逆变器 １４ 驱动电动机
总布置基本模型 甲醇为燃料 38
3．车载蓄电系统
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（3）锂离子电池具有比能量大、比功率高、自放电小、无记忆效应、循 环特性好、可快速放电等优点。
（4）超级电容器能在短时间内提供或吸收大的功率，为蓄电池数十倍， 效率高、具有上万次的循环寿命和极长的储存寿命、工作温度范围宽、能 使用的基础材料价格便宜，可以作为混合型动力汽车的有效蓄电系统。
１驱动轮 ２驱动系统 ３驱动电动机 ４ＤＣ／ＡＣ逆变器 ５辅助电源装置 ６燃料电池发动机 ７空气压缩机 8 重整器 9 甲醇罐 ９氢气供应系统辅助装置 １０中央控制器 11 ＤＣ／ＤＣ变换器
2.2 辅助动力源
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在FCEV上燃料电池发动机是主要电源，另外还配备有辅助动力源。根 据FCEV的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同， 可以用蓄 电池组、飞轮储能器或超大容量电容器等共同组成双电源系统。在具有双 电源系统的FCEV上，驱动电动机的电源可以出现以下驱动模式。
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 变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。
燃料电池+蓄电池十超级电容形式动力系统结构图 13
超级电容 燃料电池系统
蓄电池
驱动电动机
传动系
4．燃料电池与辅助蓄电池和超级电容
1.以氢为燃料的燃料电池发动机系统 33
（3）水循环系统 燃料电池发动机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。 （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。
降低成本也是燃料电池堆研究的目标，控制成本的有效手段是减少材 料费(电催化剂、电解质膜、双极板等)，降低加工费(膜电极制作、双极板 加工和系统装配等)。
2．车载储氢系统
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储氢技术是氢能利用走向规模化应用的关键。目前，常见的车载储氢 系统有高压储氢、低温储存液氢和金属氢化物储氢三种基本方案。
如何有效减小储氢系统的质量与体积，是车载储氢技术开发的重点。 一个比较理想的方案是，采用储氢材料与高压储氢复合的车载储氢新模 式。
（6）燃料充添方便、迅速, 燃料电池能够方便地进行电极和催化剂的更换 和修理。
（7）所配置的辅助电源, 应能满足提供起动电能和储存制动反馈电能的要 求。
1.4 燃料电池电动汽车的关键技术
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1．燃料电池系统
燃料电池是燃料电池汽车发展的最关键技术之一。燃料电池堆技术发 展趋势可用耐久性、低温启动温度、净输出比功率以及制造成本四个要素 来评判。
（2）目前整车各零部件的体积留给整车布置回旋的余地很小，造成散 热系统设计的改良空间不大，无法采用通用的解决方案应对，必须开发专 用的零部件。
7．整车与动力系统的参数选择与优化 26 设计
燃料电池汽车整车性能参数是整个燃料电池动力系统开发的信息输入， 而虚拟配置的动力系统的特性参数也影响项目整车性能。两者之间的参 数选择是一个多变量多目标的优化设计过程，而且参数选择与行驶工况 和控制策略紧密相关。
2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动 10 FCEV
缺点： （1）蓄电池的使用使得整车的质量增加，动力性和经济型受到影响，这一
点在能量复合型混合动力汽车上表现更为明显； （2）蓄电池充放电过程会有能量损耗； （3）系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。
3．燃料电池与超级电容联合驱动FCEV 11
1．纯燃料电池驱动的FCEV
5
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。
燃料电池系统
驱动电动机
传动系
1．纯燃料电池驱动的FCEV
6
优点：
（1）结构简单，便于实现系统控制和整体布置； （2）系统部件少，有利于整车的轻量化； （3）较少的部件使得整体的能量传递效率高。 缺点： （1）燃料电池功率大、成本高； （2）对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了
联合驱动的FCEV
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这种结构的优点相比燃料电池+蓄电池的结构形式的优点更加明 显，尤其是在部件效率，动态特性，制动能量回馈等方面。而其 缺点也一样更加明显：
（1）增加了超级电容，系统质量将可能增加；
（2）系统更加复杂化，系统控制和整体布置的
难度也随之增大。
1.2 燃料电池电动汽车的特点
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ห้องสมุดไป่ตู้
1.燃料电池汽车的优点： （1）效率高：可以达到30%以上； （2）续驶里程长； （3）绿色环保：生成物只有水，属于零排放； （4）过载能力强； （5）低噪音：运行过程中噪音和振动都较小； （6）设计方便灵活。
新能源汽车技术
1
燃料电池电动汽车基本结构及其传动 系统讲义
2
燃料电池电动汽车目录
1 概述 2 燃料电池电动汽车的基本结构 3 燃料电池电动汽车的传动系统 4 燃料电池电动汽车车型实例
1 概述
3
1.1 燃料电池电动汽车的类型 FCEV按主要燃料种类可分为
（1）以纯氢气为燃料的FCEV；
（2）经过重整后产生的氢气为燃料的FCEV。
4．电机及其控制技术
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驱动电机是燃料电池电动汽车的心脏，它正向着大功率、高转速、高效 率和小型化方向发展。当前驱动电机主要有感应电动机和永磁无刷电动机， 永磁无刷电动机具有较高的功率密度和效率、体积小、惯性低和响应快等 优点，在电动汽车方面有着广阔地应用前景。
5．整车布置
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燃料电池汽车在整车布置上存在以下关键问题：
燃料电池发动机系统
氢为燃料
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１氢气储存罐 ２氢气压力调节仪表 ３热交换器 ４氢气循环泵 ５冷凝器及气水分离器 ６水箱 ７水泵 ８空气压缩机 ９加湿器及去离子过滤装置 １０燃料电池组 １１ 电源开关 １２ ＤＣ／ＤＣ变换器 １３ ＤＣ／ＡＣ逆变器 １４ 驱动电动机
总布置基本结构模型
氢为燃料
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１驱动轮 ２驱动系统 ３驱动电动机 ４ＤＣ／ＡＣ逆变器 ５辅助电源装置 ６燃料电池发动机 ７空气压缩机 8 氢气储存罐 ９氢气供应系统辅助装置 １０中央控制器 11 ＤＣ／ＤＣ变换器
FCEV结构 8
燃料电池系统 蓄电池
驱动电动机
传动系
2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV 9
优点： （1）由于增加了比功率价格相对低廉得多的蓄电池组，系统对燃料电池 的功率要求较纯燃料电池结构形式有很大的降低，从而大大地降低了 整车成本； （2）燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作，工作时燃料电池 的效率较高； （3）系统对燃料电池的动态响应性能要求较低； （4）汽车的冷启动性能较好； （5）制动能量回馈的采用可以回收汽车制动时的部分动能，该措施可能 会增加整车的能量效率。
8．多能源动力系统的能量管理策略 27
能量管理策略对燃料经济性影响很大，且受到动力系统参数和行驶工 况的双重影响。
完成能量管理策略的工况适应性开发后，其核心问题转变为功率分配 优化，当然还必须考虑一些限制条件。按照是否考虑这些变量的历史状 态，可以把功率分配策略分为瞬时与非瞬时策略两大类。
2 燃料电池电动汽车的基本结构
很高的要求； （3）不能进行制动能量回收。
2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV 7
该结构为一典型的串联式混合动力结构。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。
4 1.1 燃料电池电动汽车的类型
FCEV按“多电源”的配置不同，可分为 （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。
1.3 燃料电池电动汽车对燃料电池的基 17
本要求
（1）燃料电池的比能量不低于150～200Wh /kg, 比功率不低于300～400 W/kg。要求达到或超过美国先进电池联合体（USABC）所提出的电池性 能和使用寿命的指标。
（2）可以在- 20 ℃的条件下起动和工作, 有可靠的安全性和密封性, 不会发 生燃料气体的结冰和燃料气体的泄漏。
2.2 辅助动力源
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（1）在FCEV起动时，由辅助动力源提供电能带动燃料电池发动机起动， 或带动车辆起步。
2.燃料电池电动汽车的主要缺点
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（1）燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高 （2）辅助设备复杂，且质量和体积较大 （3）起动时间长，系统抗振能力有待进一步提高
采用氢气为燃料的FCEV起动时间一般需要3分多钟，而采用甲醇或者 汽油重整技术的FCEV则长达10多分钟，比起内燃机汽车起动的时间长得 多，影响其机动性能。
1.以氢为燃料的燃料电池发动机系统 32
（1）氢气供应、管理和回收系统 气态氢的储存装置通常用高压储气瓶来装载。液态氢气虽然比能量高
于气态氢，由于液态氢气是处于高压状态，不但需要用高压储气瓶储存， 还要用低温保温装置来保持低温，低温的保温装置是一套复杂的系统。 （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，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。
2．以甲醇为燃料的燃料电池发动机 36
（1）甲醇储存装置 甲醇可以用普通容器储存，不需要加压或冷藏。
（2）燃烧器、加热器和蒸发器 甲醇进入改质器之前，要蒸发成甲醇和纯水的混合气。
（3）重整器 不同的碳氢化合物采用不同的重整技术，在重整过程中的温度、压力会
有所不同 。 （4）氢气净化器
改质器所产生的H2因为含有少量的CO，因此必须对H2进行净化处理。
3．车载蓄电系统
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车载蓄电系统包括铅酸电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等蓄电池及电 化学超级电容器。
（1）铅酸电池由于其功率密度低，充电时间长，作为未来电动汽车 动力系统的可能性很小。
（2）镍氢蓄电池具有高比能、大功率、快速充放电、耐用性优异等 特性，是目前混合动力汽车和电动汽车中应用最广的绿色动力蓄电系统。
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目前燃料电池电动汽车绝大多数采用的是混合式燃料电池驱动系统， 并联式和串联式两种。
29 串联式
30 并联式
2.1 燃料电池发动机
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在FCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFC组的正常工作， 除以PEMFC组为核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加 湿系统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。
✓ 燃料电池发动机及电机的相关布置 ✓ 动力电池组的车身布置、氢气瓶的安全布置 ✓ 高压电安全系统的车身布置问题。
这些核心部件的布置，不仅要考虑布置方案的优化及零部件性能实现的 便利，还要求相关方案必须考虑传统汽车不具备的安全性问题。
6．整车热管理
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（1）燃料电池发动机自身的运行温度为60~70℃左右，实际的散热 系统工作温度大致可以控制在60℃，必须依赖整车动力系统提供额外的冷 却动力为系统散热，因此二者之间的平衡将是在热管理开发方面必须关注 的；
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 联合驱动的FCEV
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燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统结构也 为串联式混合动力结构。
（3）各种结构件有足够的强度和可靠性, 可以在负荷变化情况下正常运转。 并能够耐受FCEV行驶时的振动和冲击。
1.3 燃料电池电动汽车对燃料电池的基 18
本要求
（4）FCEV除排放达到零污染的要求外, 动力性能要求基本达到或接近内燃 机汽车的动力性能的水平, 性能稳定可靠。
（5）各种辅助技术装备的外形尺寸和辅助技术装备的质量应尽可能地减小, 以符合FCEV的装车要求。