第7章新能源汽车技术

规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第1页第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规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第2页7.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第3页7.1.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第4页7.1.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第5页7.1.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第6页7.1.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第7页7.1.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第8页7.1.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第9页7.1.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第10页7.1.1燃料电池电动汽车的类型规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第11页7.1.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第12页7.1.1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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第13页7.1.2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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第14页7.1.2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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第15页7.1.3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。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。（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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第16页7.1.3燃料电池电动汽车对燃料电池的基本要求（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。（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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第17页7.1.4燃料电池电动汽车的关键技术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。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)。另外，作为车用燃料电池系统还需要攻克许多工程技术壁垒，包括：系统启动与关闭时间、系统能量管理与变换操作、电堆水热管理模式以及低成本高性能辅助设施(包括空气压缩机、传感器和控制系统)等。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第18页7.1.4燃料电池电动汽车的关键技术2．车载储氢系统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。复合式储氢模式的技术难点是如何开发吸、放氢性能好，成型加工性良好，质量轻的储氢材料。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第19页7.1.4燃料电池电动汽车的关键技术3．车载蓄电系统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。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第20页7.1.4燃料电池电动汽车的关键技术（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