汽车新能源技术新能源_06

1汽车新能源应用技术何洪文副教授车辆重点实验楼511房间[e-mail]研究生学位课汽车新能源应用技术第四章燃料电池汽车技术研究生学位课汽车新能源应用技术汽车新能源应用技术2汽车新能源应用技术教学提纲„燃料电池汽车的概念„燃料电池汽车的整车技术„燃料电池汽车的控制策略„燃料电池汽车的关键技术„燃料电池汽车的示范运行技术燃料电池电动汽车概念燃料电池概念：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)。燃料电池电动汽车概念燃料电池种类：高温≥750℃直接式燃料电池中温200～750℃低温≤200℃间接式燃料电池再生式燃料电池3燃料电池电动汽车概念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电动汽车概念Overallreaction2Zn+O2=2ZnO+2eZinc+Air=ElectricityZincAnodeAqueousKOHElectrolyte++–OxygenReductionCathodesO2燃料电池电动汽车概念燃料电池电动汽车概念4燃料电池电动汽车概念燃料电池电动汽车概念燃料电池发电系统技术‡质子交换膜燃料电池结构阳极反应：−++→e4H4H22阴极反应：O2H4H4eO22→+++−燃料电池发电系统技术‡质子交换膜燃料电池结构5燃料电池电动汽车概念燃料电池发电系统技术‡质子交换膜燃料电池特点优点：环境友好;效率较高，达60％~80％;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发电系统技术‡增压式质子交换膜燃料电池6燃料电池发电系统技术‡增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‡常压式质子交换膜燃料电池燃料电池发动机组成7燃料电池发动机组成燃料电池发动机组成燃料电池发动机组成燃料电池发动机技术86kW8燃料电池发动机技术90kW燃料电池发动机技术燃料电池发动机技术燃料电池发动机技术9燃料电池发动机技术燃料电池发动机技术燃料电池电动汽车概念燃料电池电动汽车概念理论电池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10燃料电池电动汽车概念燃料电池的效率燃料电池组的效率燃料电池电动汽车概念输出电流效率启动特性综合性能燃料电池电动汽车概念教学提纲„燃料电池汽车的概念„燃料电池汽车的整车技术„燃料电池汽车的控制策略„燃料电池汽车的关键技术„燃料电池汽车的示范运行技术11燃料电池汽车的整车技术现代TUCSONFECV现代TUCSONFECV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(3.5kg）燃料电池汽车的整车技术VWHyMotionTourAnFECV燃料电池汽车的整车技术12VWHyMotionBoraFECVFCE:75kW/255Nm,0-100kph12.6s,350km/液氢(-2530C)燃料电池汽车的整车技术ToyotaFuelCellBus燃料电池汽车的整车技术ToyotaFuelCellBus燃料电池汽车的整车技术ToyotaFuelCellBus燃料电池汽车的整车技术13ToyotaFuelCellBus燃料电池汽车的整车技术ToyotaFuelCellCar燃料电池汽车的整车技术ToyotaFuelCellCar燃料电池汽车的整车技术HondaFCXFuelCellCar燃料电池汽车的整车技术14HondaFCXFuelCellCar燃料电池汽车的整车技术HondaFCXFuelCellCar燃料电池汽车的整车技术燃料电池汽车的整车技术DaimlerChryslerF-Cell燃料电池汽车的整车技术15DaimlerChryslerF-Cell燃料电池汽车的整车技术DaimlerChryslerF-Cell燃料电池汽车的整车技术DaimlerChryslerCitaro燃料电池汽车的整车技术DaimlerChryslerCitaro燃料电池汽车的整车技术1612mMercedes-BenzCitaro:续驶里程：200km(125miles)载客量：70；FCE:200kW压缩氢车顶布置：350bar(5,000psi)最高车速：80km/h(50mph).电机＋AT后置.三个上车门（无台阶）超低地板设计DaimlerChryslerCitaro燃料电池汽车的整车技术燃料电池汽车的整车技术燃料电池汽车的整车技术17燃料电池汽车的整车技术教学提纲„燃料电池汽车的概念„燃料电池汽车的整车技术„燃料电池汽车的控制策略„燃料电池汽车的关键技术„燃料电池汽车的示范运行技术燃料电池电动汽车的基本类型传统燃料电池动力系统结构框图18结构简单，易于实现控制相对容易燃料电池电动汽车的基本类型传统燃料电池动力系统‡优点‡缺点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燃料电池电动汽车的基本类型串联式燃料电池混合动力系统结构框图结构简单对燃料电池的要求较低燃料电池电动汽车的基本类型‡优点‡缺点系统效率比较低蓄电池过大设计动力性能较差串联式燃料电池混合动力系统燃料电池电动汽车的基本类型能量型燃料电池混合动力系统结构框图19燃料电池电动汽车的基本类型能量型燃料电池混合动力系统动态响应性能较好高的系统电压有利于蓄电池实现制动回馈能量吸收‡优点‡缺点对于稳态负载效率较低燃料电池电动汽车的基本类型功率型燃料电池混合动力系统结构框图燃料电池电动汽车的基本类型动态响应性能较好效率最优化设计低的系统电压有利于燃料电池实现制动回馈能量吸收‡优点‡缺点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功率型燃料电池混合动力系统燃料电池电动汽车控制策略™工作特性互补，实现系统效率优化；™实现再生能量回收20燃料电池电动汽车控制策略燃料电池电动汽车控制策略‡燃料电池单独驱动模式燃料电池电动汽车控制策略‡加速助力模式燃料电池电动汽车控制策略‡辅助电池充电模式21燃料电池电动汽车控制策略‡再生制动能量回收模式燃料电池电动汽车控制策略举例1:燃料电池汽车整车综合控制思路22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主DC/DC变换器控制特性分析‡控制方程23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燃料电池混合动力系统综合控制流程FCE输出能量主导型控制策略‡控制方程‹FCE输出能量主导型控制策略是一种单参数控制策略，难于充分发挥FCE的功率输出能力；‹对动力电池组的功率输出和容量提出了更高的要求；‹适用于小功率的FCE和大容量的动力电池组组成的混合动力系统。FCE输出功率主导型控制策略‡以FCE作为整车行驶的主要功率源，并在一定程度上跟踪整车行驶负载功率需求。‡采用基于逻辑门限控制的控制策略24基于FCE加载特性的功率主导型控制策略‡当动力电池组荷电状态大于目标荷电状态时，动力电池组的充放电功率完全由整车行驶需求功率与FCE目标功率的差值确定；‡当动力电池组荷电状态低于目标荷电状态时，按照计算得到的动力电池组目标充电功率与整车行驶的需求功率确定FCE的目标功率给定；基于瞬态优化的功率主导型控制策略‡优化问题‡优化问题求解教学提纲„燃料电池汽车的概念„燃料电池汽车的整车技术„燃料电池汽车的控制策略„燃料电池汽车的关键技术„燃料电池汽车的示范运行技术燃料电池汽车发动机技术‡提高可靠性Ballard考核2000h/100000km25燃料电池汽车发动机技术‡提高低温启动性能燃料电池汽车发动机技术‡提高功率密度燃料电池汽车发动机技术‡降低成本燃料电池汽车发动机技术‡发展动向26燃料电池汽车发动机技术燃料电池汽车发动机技术‡燃料电池汽车DC/DC变换器™提高比功率，效率™双向DC/DC燃料电池电动汽车关键技术‡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电动汽车整车安全设计‡燃料电池汽车氢气传感器27燃料电池电动汽车整车安全设计‡燃料电池汽车氢气浓度检测燃料电池电动汽车控制技术燃料电池电动汽车控制技术教学提纲„燃料电池汽车的概念„燃料电池汽车的整车技术„燃料电池汽车的控制策略„燃料电池汽车的关键技术„燃料电池汽车的示范运行技术28新加坡新加坡燃料电池示范计划德国柏林德国CEP冰岛冰岛ECTOS美国加利福尼亚州美国CaFCP示范项目加拿大温哥华燃料电池汽车计划VFCVP澳大利亚佩思澳大利亚STEP示范项目日本东京、横滨地区日本JHFC示范项目荷兰阿姆斯特丹、西班牙巴塞罗那、德国汉堡、德国斯图加特、英国伦敦、卢森堡、西班牙马德里、瑞典斯德哥尔摩、葡萄牙波尔图欧洲CUTE示范项目中国、埃及、墨西哥、印度、巴西世界银行/全球环境基金会燃料电池发展计划参与国家和地区项目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74~84%氢的制取技术29氢的制取技术‡电解水制氢‡74~84%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30氢气的车载存储‡气态储氢‡液态储氢氢气的车载存储‡金属氢化物储氢金属氢化物储氢的机理为:某些金属或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0.101～1MPa。氢气的车载存储‡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31氢气的车载存储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