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第7章燃料电池电动汽车主讲：郑竹安YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术2第7章燃料电池电动汽车7.1概述7.2燃料电池电动汽车的基本结构7.3燃料电池电动汽车传动系统参数设计YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术37.1概述7.1.1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。•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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术47.1.1燃料电池电动汽车的类型1．纯燃料电池驱动的FCEV•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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术57.1.1燃料电池电动汽车的类型•优点：（1）系统结构简单，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，从而提高整车的燃料经济性。•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很高的要求；（3）不能进行制动能量回收。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术67.1.1燃料电池电动汽车的类型2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV•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动机提供能量，驱动电动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，驱动电动机变成发电动机，蓄电池将储存回馈的能量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术77.1.1燃料电池电动汽车的类型优点：（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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术87.1.1燃料电池电动汽车的类型缺点：（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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术97.1.1燃料电池电动汽车的类型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。随着超级电容技术的不断进步，这种结构将成为一种新的重要研究方向。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术107.1.1燃料电池电动汽车的类型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。在该动力系统结构中，燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电动机提供能量，驱动电动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，驱动电动机变成发电动机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术117.1.1燃料电池电动汽车的类型YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术127.1.1燃料电池电动汽车的类型•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，整个系统的质量将可能增加；（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。•总的来说，如果能够对系统进行很好的匹配和优化，这种结构带来的汽车的良好的性能具有很大的吸引力。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术137.1.1燃料电池电动汽车的类型•在三种混合驱动中，FC+B+C组合被认为能够最大限度满足整车的起动、加速、制动的动力和效率需求，但成本最高，结构和控制也最为复杂。目前燃料电池电动汽车动力系统的一般结构是FC+B组合。这是因为它具有以下特点：（1）燃料电池单独或与动力电池共同提供持续功率，而且在车辆起动、爬坡和加速等峰值功率需求时，动力电池提供峰值功率；（2）在车辆起步的时候和功率需求量不大的时候，蓄电池可以单独输出能量；（3）蓄电池技术比较成熟，可以在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术147.1.2燃料电池电动汽车的特点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：其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车；（3）绿色环保：生成物只有水，属于零排放；（4）过载能力强：短时过载能力可达额定功率的200％或更大；（5）低噪音：运行过程中噪音和振动都较小；（6）设计方便灵活：改变传统的汽车设计概念，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术157.1.2燃料电池电动汽车的特点2.燃料电池电动汽车的主要缺点（1）燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高,燃料电池发动机的制造成本居高不下，使用成本过高，燃料电池汽车还有相当的距离。（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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术167.1.3燃料电池电动汽车对燃料电池的基本要求（1）燃料电池的比能量不低于150～200Wh/kg,比功率不低于300～400W/kg。（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。（3）各种结构件有足够的强度和可靠性。（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。（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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术177.1.4燃料电池电动汽车的关键技术1．燃料电池系统2．车载储氢系统3．车载蓄电系统4．电动机及其控制技术5．整车布置6．整车热管理7．整车与动力系统的参数选择与优化设计8．多能源动力系统的能量管理策略YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术187.1.5燃料电池电动汽车主要技术指标YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术197.2燃料电池电动汽车的基本结构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，有并联式和串联式两种。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术207.2.1燃料电池发动机在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。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动机正常运转。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术217.2.1燃料电池发动机•1.以氢为燃料的燃料电池发动机系统•图7.5是以氢为燃料的燃料电池发动机系统，图7.6是以氢气为燃料的FCEV的总布置基本结构模型。•（1）氢气供应、管理和回收系统。•（2）氧气供应和管理系统。•（3）水循环系统。•（4）电力管理系统。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术227.2.1燃料电池发动机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１２ＤＣ／ＤＣ变换器１３ＤＣ／ＡＣ逆变器１４驱动电动机YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术237.2.1燃料电池发动机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11ＤＣ／ＤＣ变换器YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术247.2.2辅助动力源•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。（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）车辆行驶时，由燃料电池发动机提供驱动所需全部电能，剩余的电能储存到辅助动力源装置中。（3）在加速和爬坡时，若燃料电池发动机提供的电能还不足以满足FCEV驱动功率要求，则由辅助动力源提供额外的电能。（4）贮存制动时反馈的电能，以及向车辆的各种电子、电器设备提供所需要的电能。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术257.2.3DC/DC变换器1．装置DC/DC的必要性•FCEV采用的电源有各自的特性，燃料电池只提供直流电，电压和电流随输出电流的变化而变化。燃料电池不可能接受外电源的充电，电流的方向只是单向流动。•FCEV采用的辅助电源（蓄电池和超级电容器）在充电和放电时，也是以直流电的形式流动，但电流的方向是可逆性流动。•FCEV上的各种电源的电压和电流受工况变化的影响呈不稳定状态。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术267.2.3DC/DC变换器2．DC/DC变换器的基本功能•（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，例如，输入电压最低时也能达到最高输出电压，输入电压最高时也能达到最低输出电压等。•（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（例如，从空载到满载，即电流从零到最大)，设备能正常运行（例如，电压稳定、不损坏器件）。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术277.2.3DC/DC变换器•3．FCEV车载DC/DC的功能•（1）调节燃料电池的输出电压。由于燃料电池的输出特性较软，难以满足驱动电动