燃料電池汽車1.概述2.燃料電池汽車的特點(diǎn)3.燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀4.燃料電池汽車的類型和特點(diǎn)5.燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)原理6.燃料電池汽車底盤布置7.車用燃料電池急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要內(nèi)容1.概述燃料電池汽車（FEEV）是電動(dòng)汽車的一種，它的工作原理是在汽車搭載的燃料電池中，使作為燃料的氫與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生出電能啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車。甲醇、天然氣和汽油也可以替代氫，不過(guò)將會(huì)產(chǎn)生極度少的二氧化碳和氮氧化物。但總的來(lái)說(shuō)，這類化學(xué)反應(yīng)除了電能就只產(chǎn)生水。因此燃料電池車被稱為“地道的環(huán)保車”。燃料電池汽車的氫燃料能通過(guò)幾種途徑得到。有些車輛直接攜帶著純氫燃料，另外一些車輛有可能裝有燃料重整器，能將甲醇、天然氣、汽油等烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體。單個(gè)的燃料電池必須結(jié)合成燃料電池組，以便獲得必需的動(dòng)力，滿足車輛使用的要求。2.燃料電池汽車的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）效率高。燃料電池的工作過(guò)程是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，不受卡諾循環(huán)的限制，與傳統(tǒng)汽車相比，能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)60%-80%。2）續(xù)駛里程長(zhǎng)。采用燃料電池系統(tǒng)作為能量源，克服了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，其長(zhǎng)途行駛能力及動(dòng)力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車。3）綠色環(huán)保。燃料電池沒(méi)有燃燒過(guò)程，以純氫作燃料，生成物只有水，屬于零排放。采用其它富氫有機(jī)化合物用車載重整器制氫作為燃料電池的燃料，生產(chǎn)物除水之外還可能有少量的CO2，接近零排放。4）過(guò)載能力強(qiáng)。燃料電池除了在較寬的工作范圍內(nèi)具有較高的工作效率外，其短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)額定功率的200％或更大。5）低噪音。燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，除了空氣壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)以外無(wú)其它運(yùn)動(dòng)部件，因此與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，運(yùn)行過(guò)程中噪音和振動(dòng)都較小。6）設(shè)計(jì)方便靈活。燃料電池汽車可以按照X－By－Wire的思路進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)概念，可以在空間和重量等問(wèn)題上進(jìn)行靈活的配置。缺點(diǎn)：1）燃料電池汽車的制造成本和使用成本過(guò)高。2）輔助設(shè)備復(fù)雜，且質(zhì)量和體積較大。3）起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)抗振能力有待進(jìn)一步提高。面臨問(wèn)題：1）造價(jià)高，技術(shù)要求高2）氫氣的制備、儲(chǔ)存和運(yùn)輸3）加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)3.燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀在眾多的新能源汽車中，燃料電池汽車因其具有零排放、效率高、燃料來(lái)源多元化、能源可再生等優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為是未來(lái)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展重要方向，是解決全球能源問(wèn)題和氣候變化的理想方案。國(guó)際燃料電池汽車現(xiàn)已進(jìn)入技術(shù)與市場(chǎng)示范階段。我國(guó)燃料電池汽車面臨著發(fā)展后勁不足，技術(shù)創(chuàng)新突破難、產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱、專業(yè)人才缺乏等難題，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)燃料電池汽車技術(shù)進(jìn)步。3.1國(guó)外燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀2011年美國(guó)財(cái)政預(yù)算中安排5000萬(wàn)美元用于燃料電池和氫能技術(shù)研發(fā)。通用汽車開(kāi)發(fā)全新的一代氫燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用在雪佛蘭Equinox燃料電池車上。與以往燃料電池系統(tǒng)相比，新一代氫燃料電池體積縮小了一半，質(zhì)量減輕了100kg，鉑金用量?jī)H為原來(lái)的1/3，下降到30g，燃料電池的成本大幅度下降。2012年6月德國(guó)主要的汽車和能源公司與政府一起建立了廣泛的全國(guó)氫燃料加注網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到2015年，全國(guó)建成1000個(gè)加氫站，開(kāi)始實(shí)現(xiàn)燃料電池動(dòng)力汽車的大規(guī)模商業(yè)化，到2020年將有超過(guò)50萬(wàn)輛燃料電池汽車投入使用。2011年1月，奔馳公司研發(fā)的3輛燃料電池原型車，橫跨4大洲、14個(gè)國(guó)家，完成繞地球行駛1周的創(chuàng)舉，驗(yàn)證了燃料電池轎車性能已經(jīng)達(dá)到了傳統(tǒng)轎車的性能，具備了產(chǎn)業(yè)化推廣的能力。2010年5月法國(guó)開(kāi)發(fā)出使用“運(yùn)程”燃料電池的電動(dòng)汽車“Fever”，它以低溫儲(chǔ)存的氫和空氣作燃料，發(fā)電功率達(dá)20kW，電壓為90V，且采用先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行控制，并把制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存在蓄電池里，以備汽車起動(dòng)或加速時(shí)使用。韓國(guó)現(xiàn)代已經(jīng)推出第三代燃料電池電動(dòng)車ix35。ix35完全由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)，這款零排放SUV是在2010年由200多名設(shè)計(jì)師在韓國(guó)現(xiàn)代的燃料電池研發(fā)中心設(shè)計(jì)完成并在2013年小規(guī)模量產(chǎn)。該SUV采用了100kW燃料電池，24kW鋰離子電池，100kW電機(jī)，70MPa的氫瓶可以儲(chǔ)存5.6kg氫氣，新歐洲行駛循環(huán)循環(huán)工況續(xù)駛里程高達(dá)588km，最高車速達(dá)160km/h。全球范圍看，日本的燃料電池汽車研發(fā)水平處于全球領(lǐng)先，尤其是豐田汽車公司，在燃料電池汽車的耐久性、壽命和成本方面逐步超越了美國(guó)和歐洲。2014年11月豐田發(fā)布全新一代氫燃料電池汽車Mirai（未來(lái)），該車每次加注氫燃料只需三分鐘并且巡航里程可以達(dá)到500公里以上。它的最大輸出功率為113千瓦，峰值扭矩為335牛·米，十秒內(nèi)可以完成百公里加速。豐田新一代氫燃料電池汽車Mirai3.2國(guó)內(nèi)燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)家節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目支持下，我國(guó)燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)取得重要進(jìn)展，基本掌握了整車、動(dòng)力系統(tǒng)與關(guān)鍵零部件的核心技術(shù)；建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)；形成了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、DC/DC變換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、儲(chǔ)氫與供氫系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件配套研發(fā)體系，具有百輛級(jí)燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)與整車生產(chǎn)能力。目前我國(guó)自主研發(fā)的新一代燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步優(yōu)化與提高。主要表現(xiàn)在：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率從40kW提高到55kW；動(dòng)力蓄電池容量從48kWh減小到26kWh；電機(jī)功率從60kW提高到90kW；電機(jī)控制器(DC/AC)功率提高35%，體積比功率增加12.5%。同時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)繼續(xù)保持燃料經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在車輛整備質(zhì)量增加近250公斤的前提下整車動(dòng)力性明顯提高，燃料經(jīng)濟(jì)性則仍然保持在1.2kg/(100km)的原有水平。2008年奧運(yùn)會(huì)，23輛燃料電池汽車示范運(yùn)行7.6萬(wàn)公里。到了2010年世博會(huì)，這個(gè)數(shù)字上升到196輛和91萬(wàn)公里。4.燃料電池汽車的類型和特點(diǎn)4.1純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)純?nèi)剂想姵仉妱?dòng)汽車只有燃料電池一個(gè)動(dòng)力源，汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)。純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制2）系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性缺點(diǎn)1）燃料電池功率大，制造成本較高和整車質(zhì)量增加，引起整車消耗的能量和功率增加2）盡管燃料電池系統(tǒng)效率較高，但這種電池結(jié)構(gòu)氫氣的消耗量較大，從而使用成本較高3）燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和可靠性難以滿足車輛的要求4）系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，造成較大浪費(fèi)4.2燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+B)這種結(jié)構(gòu)在燃料電池驅(qū)動(dòng)模式的基礎(chǔ)上增加了一組蓄電池和DC/DC變換器。燃料電池為主動(dòng)力源，蓄電池的功能是回收汽車制動(dòng)能量以及為汽車起動(dòng)、加速、爬坡等過(guò)程提供補(bǔ)充能量。(FC+B)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）降低對(duì)燃料電池的功率要求2）燃料電池可在比較好的設(shè)定的工作條件下工作，工作時(shí)效率較高3）系統(tǒng)對(duì)燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求較低4）汽車的冷起動(dòng)性能好5）實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回饋缺點(diǎn)：1）動(dòng)力電池使整車質(zhì)量增加，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性受到影響2）動(dòng)力電池充放電過(guò)程會(huì)有能量損耗3）系統(tǒng)變得復(fù)雜，系統(tǒng)控制和整體布置難度增加采用FC+B的雙動(dòng)力源結(jié)構(gòu)的主要原因：1）當(dāng)前燃料電池的動(dòng)態(tài)性能欠佳，而汽車的而工作狀態(tài)總是在較大的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，燃料電池不能隨時(shí)滿足汽車的功率需求，增加輔助電池可以起到快速調(diào)節(jié)功率的作用。2）燃料電池最佳負(fù)荷率在額定功率20%-40%的范圍內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)整車能量效率最佳，增加輔助電池調(diào)節(jié)燃料電池的功率輸出，可使其工作點(diǎn)盡量保持在效率最佳的范圍內(nèi)。3）目前燃料電池的成本還很高，從降低整車價(jià)格的方面來(lái)考慮，適當(dāng)減小燃料電池的額定功率，用輔助電池來(lái)彌補(bǔ)不足的功率輸出，可以在一定程度上降低整車成本。4.3燃料電池與超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+C)這種結(jié)構(gòu)形式與燃料電池+蓄電池結(jié)構(gòu)相似，只是把蓄電池?fù)Q成超級(jí)電容。相對(duì)于蓄電池，超級(jí)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(dòng)能量方面比蓄電池有優(yōu)勢(shì)，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但是超級(jí)電容的能量密度較小。隨著超級(jí)電容技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種結(jié)構(gòu)將成為一種新的重要研究方向。(FC+C)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）由于超級(jí)電容能快速充電和快速放電，所以可以利用超級(jí)電容高效迅速地回收汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量2）超級(jí)電容有負(fù)載均衡作用，放電電流減少?gòu)亩闺姵氐睦媚芰俊⒀h(huán)壽命得到提高，降低了使用成本3）FC+C結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，解決了汽車?yán)淦饎?dòng)和加速爬坡的難題，充分發(fā)揮超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)缺點(diǎn)：1）超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量有限，即比能量極低，只能持續(xù)提供1分鐘的峰值功率4.4燃料電池與輔助蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+B+C)這種結(jié)構(gòu)是在FC+B的基礎(chǔ)上，在電源總線上再并聯(lián)一組超級(jí)電容。電容可以提供加速所需的尖峰電流或吸收緊急制動(dòng)的尖峰電流，保護(hù)蓄電池防止過(guò)充。(FC+B+C)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）能量輸出較為平緩，隨時(shí)間變化波動(dòng)較小，能量需求變化的低頻部分由動(dòng)力電池承擔(dān)，能量需求變化的高頻部分由超級(jí)電容承擔(dān)。進(jìn)一步降