第7章燃料電池電動汽車主講：鄭竹安YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術2第7章燃料電池電動汽車7.1概述7.2

燃料電池電動汽車的基本結構7.3燃料電池電動汽車傳動系統參數設計YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術37.1概述

7.1.1燃料電池電動汽車的類型

FCEV按主要燃料種類可分為（1）以純氫氣為燃料的FCEV；（2）經過重整后產生的氫氣為燃料的FCEV。FCEV按“多電源”的配置不同，可分為（1）純燃料電池驅動（PFC）的FCEV；（2）燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動（FC+B）的FCEV；（3）燃料電池與超級電容聯合驅動（FC+C）的FCEV；（4）燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯合驅動（FC+B+C）的FCEV。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術47.1.1燃料電池電動汽車的類型1．純燃料電池驅動的FCEV純燃料電池電動汽車只有燃料電池一個動力源，汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術57.1.1燃料電池電動汽車的類型優(yōu)點：（1）系統結構簡單，便于實現系統控制和整體布置；（2）系統部件少，有利于整車的輕量化；（3）較少的部件使得整體的能量傳遞效率高，從而提高整車的燃料經濟性。缺點：（1）燃料電池功率大、成本高；（2）對燃料電池系統的動態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求；（3）不能進行制動能量回收。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術67.1.1燃料電池電動汽車的類型2．燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動（FC+B）的FCEV該結構為一典型的串聯式混合動力結構。在該動力系統結構中，燃料電池和蓄電池一起為驅動電動機提供能量，驅動電動機將電能轉化成機械能傳給傳動系，從而驅動汽車前進；在汽車制動時，驅動電動機變成發(fā)電動機，蓄電池將儲存回饋的能量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術77.1.1燃料電池電動汽車的類型優(yōu)點：（1）由于增加了比功率價格相對低廉得多的蓄電池組，系統對燃料電池的功率要求較純燃料電池結構形式有很大的降低，從而大大地降低了整車成本；（2）燃料電池可以在比較好的設定的工作條件下工作，工作時燃料電池的效率較高；（3）系統對燃料電池的動態(tài)響應性能要求較低；（4）汽車的冷啟動性能較好；（5）制動能量回饋的采用可以回收汽車制動時的部分動能，該措施可能會增加整車的能量效率。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術87.1.1燃料電池電動汽車的類型缺點：（1）蓄電池的使用使得整車的質量增加，動力性和經濟型受到影響，這一點在能量復合型混合動力汽車上表現更為明顯；（2）蓄電池充放電過程會有能量損耗；（3）系統變得復雜，系統控制和整體布置難度增加。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術97.1.1燃料電池電動汽車的類型3．燃料電池與超級電容聯合驅動（FC+C）的FCEV

這種結構形式與燃料電池+蓄電池結構相似，只是把蓄電池換成超級電容。相對于蓄電池，超級電容充放電效率高，能量損失小，比蓄電池功率密度大，在回收制動能量方面比蓄電池有優(yōu)勢，循環(huán)壽命長，但是超級電容的能量密度較小。隨著超級電容技術的不斷進步，這種結構將成為一種新的重要研究方向。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術107.1.1燃料電池電動汽車的類型4．燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯合驅動（FC+B+C）的FCEV燃料電池與蓄電池和超級電容聯合驅動的電動汽車的動力系統結構也為串聯式混合動力結構。在該動力系統結構中，燃料電池、蓄電池和超級電容一起為驅動電動機提供能量，驅動電動機將電能轉化成機械能傳給傳動系，從而驅動汽車前進；在汽車制動時，驅動電動機變成發(fā)電動機，蓄電池和超級電容將儲存回饋的能量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術117.1.1燃料電池電動汽車的類型YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術127.1.1燃料電池電動汽車的類型這種結構的優(yōu)點相比燃料電池+蓄電池的結構形式的優(yōu)點更加明顯，尤其是在部件效率，動態(tài)特性，制動能量回饋等方面。而其缺點也一樣更加明顯：（1）增加了超級電容，整個系統的質量將可能增加；（2）系統更加復雜化，系統控制和整體布置的難度也隨之增大?？偟膩碚f，如果能夠對系統進行很好的匹配和優(yōu)化，這種結構帶來的汽車的良好的性能具有很大的吸引力。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術137.1.1燃料電池電動汽車的類型在三種混合驅動中，FC+B+C組合被認為能夠最大限度滿足整車的起動、加速、制動的動力和效率需求，但成本最高，結構和控制也最為復雜。目前燃料電池電動汽車動力系統的一般結構是FC+B組合。這是因為它具有以下特點：（1）燃料電池單獨或與動力電池共同提供持續(xù)功率，而且在車輛起動、爬坡和加速等峰值功率需求時，動力電池提供峰值功率；（2）在車輛起步的時候和功率需求量不大的時候，蓄電池可以單獨輸出能量；（3）蓄電池技術比較成熟，可以在一定程度上彌補燃料電池技術上的不足。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術147.1.2燃料電池電動汽車的特點1.燃料電池汽車的優(yōu)點：（1）效率高：可以達到30%以上；（2）續(xù)駛里程長：其長途行駛能力及動力性已經接近于傳統汽車；（3）綠色環(huán)保：生成物只有水，屬于零排放；（4）過載能力強：短時過載能力可達額定功率的200％或更大；（5）低噪音：運行過程中噪音和振動都較小；（6）設計方便靈活：改變傳統的汽車設計概念，可以在空間和重量等問題上進行靈活的配置。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術157.1.2燃料電池電動汽車的特點2.燃料電池電動汽車的主要缺點（1）燃料電池汽車的制造成本和使用成本過高,燃料電池發(fā)動機的制造成本居高不下，使用成本過高，燃料電池汽車還有相當的距離。（2）輔助設備復雜，且質量和體積較大（3）起動時間長，系統抗振能力有待進一步提高。采用氫氣為燃料的FCEV起動時間一般需要3分多鐘，而采用甲醇或者汽油重整技術的FCEV則長達10多分鐘，比起內燃機汽車起動的時間長得多，影響其機動性能。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術167.1.3燃料電池電動汽車對燃料電池的基本要求（1）燃料電池的比能量不低于150～200Wh/kg,比功率不低于300～400W/kg。（2）可以在-20℃的條件下起動和工作,有可靠的安全性和密封性,不會發(fā)生燃料氣體的結冰和燃料氣體的泄漏。（3）各種結構件有足夠的強度和可靠性。（4）FCEV除排放達到零污染的要求外,動力性能要求基本達到或接近內燃機汽車的動力性能的水平,性能穩(wěn)定可靠。（5）各種輔助技術裝備的外形尺寸和輔助技術裝備的質量應盡可能地減小,以符合FCEV的裝車要求。（6）燃料充添方便、迅速,燃料電池能夠方便地進行電極和催化劑的更換和修理。（7）所配置的輔助電源,應能滿足提供起動電能和儲存制動反饋電能的要求。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術177.1.4燃料電池電動汽車的關鍵技術1．燃料電池系統2．車載儲氫系統3．車載蓄電系統4．電動機及其控制技術5．整車布置6．整車熱管理7．整車與動力系統的參數選擇與優(yōu)化設計8．多能源動力系統的能量管理策略YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術187.1.5燃料電池電動汽車主要技術指標YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術197.2燃料電池電動汽車的基本結構目前燃料電池電動汽車絕大多數采用的是混合式燃料電池驅動系統，有并聯式和串聯式兩種。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術207.2.1燃料電池發(fā)動機在FCEV所采用的燃料電池發(fā)動機中，為保證PEMFC組的正常工作，除以PEMFC組為核心外，還裝有氫氣供給系統、氧氣供給系統、氣體加濕系統、反應生成物的處理系統、冷卻系統和電能轉換系統等。只有這些輔助系統匹配恰當和正常運轉，才能保證燃料電池發(fā)動機正常運轉。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術217.2.1燃料電池發(fā)動機1.以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機系統圖7.5是以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機系統，圖7.6是以氫氣為燃料的FCEV的總布置基本結構模型。（1）氫氣供應、管理和回收系統。（2）氧氣供應和管理系統。（3）水循環(huán)系統。（4）電力管理系統。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術227.2.1燃料電池發(fā)動機１氫氣儲存罐２氫氣壓力調節(jié)儀表３熱交換器４氫氣循環(huán)泵５冷凝器及氣水分離器６水箱７水泵８空氣壓縮機９加濕器及去離子過濾裝置１０燃料電池組１１電源開關１２ＤＣ／ＤＣ變換器１３ＤＣ／ＡＣ逆變器１４驅動電動機YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術237.2.1燃料電池發(fā)動機１驅動輪２驅動系統３驅動電動機４ＤＣ／ＡＣ逆變器５輔助電源裝置６燃料電池發(fā)動機７空氣壓縮機8氫氣儲存罐９氫氣供應系統輔助裝置１０中央控制器11ＤＣ／ＤＣ變換器YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術247.2.2輔助動力源在FCEV上燃料電池發(fā)動機是主要電源，另外還配備有輔助動力源。根據FCEV的設計方案不同，其所采用的輔助動力源也有所不同，可以用蓄電池組、飛輪儲能器或超大容量電容器等共同組成雙電源系統。在具有雙電源系統的FCEV上，驅動電動機的電源可以出現以下驅動模式。（1）在FCEV起動時，由輔助動力源提供電能帶動燃料電池發(fā)動機起動，或帶動車輛起步。（2）車輛行駛時，由燃料電池發(fā)動機提供驅動所需全部電能，剩余的電能儲存到輔助動力源裝置中。（3）在加速和爬坡時，若燃料電池發(fā)動機提供的電能還不足以滿足FCEV驅動功率要求，則由輔助動力源提供額外的電能。（4）貯存制動時反饋的電能，以及向車輛的各種電子、電器設備提供所需要的電能。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術257.2.3DC/DC變換器1．裝置DC/DC的必要性FCEV采用的電源有各自的特性，燃料電池只提供直流電，電壓和電流隨輸出電流的變化而變化。燃料電池不可能接受外電源的充電，電流的方向只是單向流動。FCEV采用的輔助電源（蓄電池和超級電容器）在充電和放電時，也是以直流電的形式流動，但電流的方向是可逆性流動。FCEV上的各種電源的電壓和電流受工況變化的影響呈不穩(wěn)定狀態(tài)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術267.2.3DC/DC變換器2．DC/DC變換器的基本功能（1）當輸入直流電壓在一定范圍內變化時，能輸出負載要求的變化范圍的直流電壓，例如，輸入電壓最低時也能達到最高輸出電壓，輸入電壓最高時也能達到最低輸出電壓等。（2）輸出負載要求的直流電流（范圍）：能夠輸出足夠的直流負載電流，并且能夠允許在足夠寬的負載變化范圍的情況下（例如，從空載到滿載，即電流從零到最大)，設備能正常運行（例如，電壓穩(wěn)定、不損壞器件）。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術277.2.3DC/DC變換器3．FCEV車載DC/DC的功能（1）調節(jié)燃料電池的輸出電壓。由于燃料電池的輸出特性較軟，難以滿足驅動電動機控制器的需求，所以借助DC/DC變換器對燃料電池的輸出電壓進行調節(jié)。（2）調節(jié)整車能量分配。燃料電池轎車是一種混合動力轎車，具有燃料電池和動力蓄電池兩種能源，控制燃料電池的輸出能量就可以控制整車能量的分配。（3）穩(wěn)定整車直流母線電壓。燃料電池的輸出電壓經過DC/DC變換器后能穩(wěn)定整車直流母線電壓。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術287.2.3DC/DC變換器4．FCEV車載DC/DC的要求（1）變換器是能量傳遞部件，因此需要轉換效率高，以便提高能源的利用率；（2）為了降低對燃料電池的輸出電壓要求，變換器應具有升壓功能；（3）由于燃料電池輸出的不穩(wěn)定，需要變換器閉環(huán)運行進行穩(wěn)壓，為了給驅動器穩(wěn)定的輸入，需要變換器有較好的動態(tài)調節(jié)能力；（4）體積小，重量輕。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術297.2.4驅動電動機燃料電池電動汽車用的驅動電動機主要有直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機等。（1）直流電動機驅動系統采用換向器和電刷，保證了勵磁磁動勢與電樞磁動勢的嚴格正交，易于控制。但直流電動機結構復雜，其高速性能和可靠性受換向器和電刷的影響較大。（2）交流電動機堅固耐用、結構簡單、技術成熟、免維護、成本低，尤其