（车辆工程专业论文）燃料电池城市客车动力系统基本技术方案研究.pdf

摘要 摘要 能源短缺和环保问题促使人们转向开发低污染或者零污染的清洁汽车。目 前，燃料电池汽车被认为是最有希望替代内燃机汽车成为下一代公路运输工具的 主流，世界各大汽车公司竞相在这方面展开研究。对于燃料电池汽车的设计开发 来讲，动力系统的结构设计和参数匹配非常重要，是实现整车动力性和经济性的 基础。 从能量转换角度看，燃料电池汽车的动力系统与传统内燃机汽车的动力系 统有着本质的区别。传统汽车动力系统以内燃机( i c e ) 为核心，内燃机将燃料 的化学能直接转化为机械能，根据内燃机的特性，其输出的动力需经过离合器 和复杂的变速机构后再传递到驱动轮，以满足汽车的行驶的性能需求。而燃料 电池是一种将氢气的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，同电 动汽车一样，燃料电池汽车采用电动机作为驱动装置。因此燃料电池汽车的结 构设计和参数匹配同传统内燃机汽车不尽相同。本文结合一燃料电池城市客车 动力系统的实际开发过程，分三个步骤系统研究并阐述了燃料电池汽车动力系 统的结构设计和参数匹配过程。第一步，通过总结分析燃料电池汽车动力系统 相关技术领域的研究现状和燃料电池的技术特征给出了动力系统结构设计的解 决方案。第二步，通过分析不同类型功率部件特性阐述了零部件选型的依据。 第三步，根据设计动力性指标要求进行主要功率部件的参数匹配设计。动力性 校核的结果证明所结构设计和参数匹配的结论满足设计指标要求。 关键字；燃料电池城市客车，结构设计，参数匹配 a b s t r a c t b e c a u s eo f t h ei n c r e a s i n ge n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , t h ec l e a n v e h i c l ew h i c ha l m o s tw i t h o u tp o l l u t i o nh a v et ob ed e v e l o p e d c u r r e n t l yt h ef u e lc e l l v e h i c l ei sr e c o g n i s e da st h en e x tg e n e r a t i o no f p u b l i ct r a n s p o r t a t i o nt or e p l a c en o r m a l e n g i n ev e h i c l e m o s tf a m o u sv e h i c l em a n u f a c t o r i s et a k et h es t u d yi nt h i sf i e l d f o r t h e d e v e l o p m e n to ff u e lc e l lv e h i c l e ，c o n f i g u r a t i o no ft h ep o w e r t r a i ns y s t e ma n d p a r a m e t e rm a t c ha r ev e r yi m p o r t a n t i ti st h eb a s ef o rt h ev e h i c l et 0b em o r ep o w e r f u l a n dm o r ee c o n o m i c f r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h ee n e r g yt r a n s f o r m , t h ep o w e r t r a l ns y s t e mi s s u b s t a i n t i a ld i f f e r e n c eb e t w e e nf u e lc e l lv e h i c l ea n dt r a d i t i o n a le n g i n ev e h i c l e t h e t r a d i t i o n a lv e h i c l et a k ei c ea st h ec o r e ，i c et r a n f c rt h e f u e lc h e m i ce n e r g yi n t o m e c h a n i c a lo n ed i r e c t l y a c c o r d i n gt ot h ei c ep e r f o r m a n c e ，i no r d e rt oa c h i e v et h e v e h i c l er i m i n gr e q u i r e m e n t , t h eo u t p u tp o w e rh a st ot r a n s m i tt ot h ed r i v i n gw h e e l t h r o u g ht h ec u l t c ha n dc o m p l e xs h i f to u t f i t h o w e v e r , f u e lc e l li st h ed e v i c et om a k e h y d d ce n e r g yb o c o m ee l e c t r i c a le n e r g yd i r e c t l ya f t e re l e c t r o c h e m i c a la c t i o n l i k e e l e c t r i cm o t o r , t h ef u e lc e l lv e h i c l eu s et h em o t o ra st h ed r i v i n gd e v i c e ，s ot h e c o n f i g u r a t i o nd i s i g na n dp a r a m e t e rm a t c ho ff u e lc e l lv e h i c l ea r cd i f f e r e n tw i t h t h o s ei ne n g i n ev e h i c l e t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e d0 1 1t h ea c t u a ld e s i g np l _ o s sf o rt h ef u e lc e l l v e h i c l e t h ec o n f i g u r t a t i o nd e s i g na n dp a r a m e t c fm a t c hh a v eb e e ns t u d i e da n d c l a r i f i e di nd e t a i li nt h r e es t e p s t h ef i r s ts t e pi st od e s i g nt h es u i t a b l ep o w e r t r a i n c o n f i g u r a t i o n , b a s e do nt h ec u r r e n ts t a t u sa n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no ft h ef u e l c e l l t h es e c o n ds t e pi st oc a l r i f yt h ep r i n c i p l eo fc o m p o n e n ts e l e c t i o nb ya n a l y s i n g t h e i rs p e c i f a c a t i o n t h et h i r ds t e pi st ot a k ep a r a m e t e rm a t c hf o rt h em a i nc o m p o n e n t a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t t h e r e b yt h ep r a j i n a r yd e s i g nf o rt h ef u e lc e l l v e h i c l eh a sb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：f u e lc e l lc i t yb u s ，c o n f i g u r a t i o n ，p a r a m e t e rm a t c h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名； 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 燃料电池电动汽车的发展 1 1 1 燃料电池技术的发展 在1 8 3 9 年，英国人w g r o v e 就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最 早的氢- 氧燃料电池c ) 。但直到2 0 世纪6 0 年代初，由于航天和国防的需要，才 开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来， 由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料 电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。 燃料电池技术在2 l 世纪上半页在技术上的冲击影响，将会类似于2 0 世纪上半叶 内燃机所起的作用。燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同 时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。 预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。同时， 燃料电池有很好的市场前景，美国a r t h u rd l i t t l e 公司最新估计，2 0 0 7 年燃料电池 在运输方面的商业价值将达到9 0 亿美元。 1 1 2 燃料电池电动车发展的背景 目前大量生活消费的结果，造成地球温暖化的问题，作为2 0 世纪文明象征之 一的汽车虽带来各种便利，但其造成的负面影响同样也是很突出的。1 9 9 7 年1 2 月 在日本京都召开的防止地球温暖化c o p 3 会议( t h e 3 r ds e s s i o n o f t h e c o n f e r e n c e o f t h ep a r t i e st ot h eu n i t e dn a t i o nf r a m e w o r kc o n v e n t i o no nc l i m a t ec h a n g e ) ，先进国家 已达成在2 0 1 0 年减少5 c 0 2 排放的共识，为达成既定的目标，各国都致力于核 能发电设备的更新、太阳能发电、风力发电、生物科技与能源、高效率发电等新 兴能源开发，核能发电因公害及安全顾虑，争议甚多，太阳能发电因能量转换效 第l 章绪论 率问题，要普及化则需要再改进，为防止地球温暖化，污染严重的机动车辆似乎 只有寄望于氢气能源了! 事实上，2 0 余年前b m w 即从事氢气引擎开发，惟仍有 若干技术瓶颈待突破致一直停滞不前，而燃料电池当时多为静置型发电厂( 磷酸盐 型燃料电池) 使用，亦曾应用于太空领域，发展质子交换膜型燃料电池电动车则是 最近几年的事，世界各大汽车厂莫不卯足全力发展燃料电池电动车，目前限于燃 料电池与周边系统的成本仍然高昂，何时量产问市众说纷纭，无论如何，2 1 世纪 都将是氢气能源发展的时代。 1 1 3 燃料电池电动车的特征 直接能量转换，最高工作动温度约8 0 ，不像传统内燃机引擎之高温燃烧现 象。 a ) 能量应用高效率，低污染排放，具备使用替代燃料可能性( 除纯氢气外， 甲醇、汽油等液体燃料亦可经由重组为富氢气( h y d r o g e n r i c h ) 使用) ； b ) 低负载状态下较传统内燃机引擎拥有较佳效率1 以燃料电池取代传统内 燃机引擎的车辆，省能源可达5 0 以上，c 0 2 排放降低7 5 以上，大量减少有毒物质 排放； c ) 燃料电池电动车补充燃料容易，可迅速获得动力，相较于传统电动车充电 时间长的缺点，具机动性； 1 1 4 燃料电池电动车的系统组成 组成燃料电池电动车的动力系统有三个关键零组件，即 a ) 重组器( r e f o r m e r ) ：将甲醇、汽油等液体燃料重组为富氢气( h y d r o g e n r i c h ) 气体燃料，提供予燃料电池反应。 b ) 燃料电池( f u e lc e l ls t a c k ) ：燃料电池是燃料电池电动车的动力源，其提 供氢气与空气中的氧气反应并产生电流与电压，同时产生废热( 水) 等副产物。 c ) 电力转换器( i n v e r t e r c o n v e r t e r ) ：将燃料电池产生的电力转换为直流 电或交流电，或具备升压或降压以调整电力输出者。 1 1 5 燃料电池电动车商业化面临的问题 ( 1 ) 氢气燃料的供给日本经济产业省原来预估2 0 1 0 年底，燃料电池电动 一2 一 第1 章绪论 车可以达到5 万台，2 0 2 0 年达到5 0 0 万台的目标，目前看来似乎有些过热，各个 车厂开始以较务实的态度对应这件事情。众所周知，燃料电池电动车系以燃料的 氢气与空气的氧气反应，以其产生的电力推动马达而得以行驶者，相较于传统电 动车，燃料电池电动车的燃料电池可视为小型发电厂，且燃料电池电动车可以改 善传统电池过重、电能容量及长时间充电的缺点，燃料电池发电可视为水电解的 逆反应，发电过程中只有水份的排放，是清净的动力能源。t o y o t a 预定2 0 0 3 年燃 料电池电动车商品化，且希望将价格订在日币1 0 0 0 万元以下才具产品竞争力，惟 短期的一至二年，燃料电池价格不易降至数百万日元内，同期从事研发工作的 h o n d a 、d a i m l e rc h r y s l e r 、f o r d 等车厂都认为燃料电池电动车发展的难题是氢 气燃料的供给! 特别是氢气供应站与氢气燃料的环境整备( i n f r a s t r u c t u r e ) ，燃 料电池电动车可以纯氢气为燃料，抑或以碳氢系燃料如甲醇、天然气、汽油等经 由重组取得富氢气燃料，其热值等性质虽各有所长，以储存性与管理而言，甲醇 与高品质的汽油经由重组似乎较具优势。 ( 2 ) 燃料重组燃料重组，最大的问题在于重组过程中造成的高温现象， 甲醇重组时温度约3 0 0 ，汽油重组时的温度则高达8 0 0 ( 碳与氢分子键结强， 不易打断) ，已经在道路行驶测试( f l e e tt e s t ) 的甲醇重组方式燃料电池电动车， 因为高温而需要配置大型冷却风扇，衍生令人不快的噪音问题，虽然静肃性( 如： 马达运转等) 较传统电动汽车优越，燃料重组时大型冷却风扇噪音问题亦不得不 重视，又大型冷却风扇亦会造成能量消耗，燃料重组方式燃料电池电动车因兼顾 能源效率与噪音问题，事实上、较t o y o t a 的p r i u s 的复合动力能源效率相异不 大，看不出燃料电池电动车的优势，更何沉燃料重组时并非百分之百的零污染， 仍有一定量的c 0 2 排出! 以甲醇重组并完成日本道路行驶测试的m a z d a 认为“唯有 以纯氢气作为燃料的燃料电池电动车才具有挑战性! ”甲醇与汽油重组衍生的各 种问题，特别是高温，是燃料电池电动车普及化的障碍，另外，高效率的重组器 开发亦刻不容缓。 ( 3 ) 纯氢气燃料储存方式纯氢气燃料，似乎是燃料电池电动车未来可能 普及化的燃料供应方式，然而氢气的储存却是另一问题点，目前即使是气密性最 佳的燃料容器，放置一边很可能即漏失完毕! 可能的现象是，这边有事未出门， 那边出门时氢气容量所剩无几甚至完全漏失完毕。氢气燃料储存方式有高压储氢 ( c o m p r e s s e dh y d r o g e ng a s ) ，可能引发安全上的顾虑，理论上较高的压力储氢量 越多，但储氢材料、容器价昂，尤其是燃料电池电动车，这种移动式载具必须严 一3 一 第1 章绪论 肃考量碰撞的安全性；低温储氨，要储存氢气燃料于- 2 7 3 y ! 环境且应考虑前述漏 失问题，其所需低温储存处理的能量消耗亦不容忽视；较安全且可行的储氢合金 ( m e t a lh y d r i d e ) ，其储存效率多在1 5 2 o w t ，储存效率仍有极大的改善空间。 ( 4 ) 纯氢气燃料制造方式依照日本经济产业省预估2 0 2 0 年达到5 0 0 万台 的燃料电池电动车目标，相当于一年需要3 7 5 亿r a m 3 的氢气，这样的消耗量单天 然气提炼氢气是不可能符合需求，沉且在精制氢气时亦会衍生一定数量的c 0 2 捧 放，与降低c 0 2 排放诉求的燃料电池电动车互为矛盾，c 0 2 排放只是改变为燃料电 池电动车以外发生的场所罢了l 为了不增加制造纯氢气燃料时所带来的环境污染， 以太阳能发电的电力对水产生电解制造纯氢气似乎可行! 实际上，h o n d a 在美国 加州的研发中心即利用太阳能发电制造纯氢气，并由供应站供给氢气进行相关实 验，单以太阳能发电制造纯氢气即可获得一年约7 6 0 0 l ，相当于每天2 0 8 l 氢气， 以目前供给氢气1 o l 行驶1 8 k m 的实验车为例，每天可行驶3 7 4 k m ，一年可累积 里程1 3 ，6 8 0 k m ，不过、配置在每台燃料电池电动车上的太阳电池面积需求量是车 辆的4 倍，太阳电池的能源利用效率与如何小型化又是另一个课题! ( 5 ) 燃料电池价格目前燃料电池因需要使用一定量配方的贵重金属，燃 料电池试作厂预估短期内不易降至量产化价格，燃料电池关键零组件中的膜组合 体，贵重金属如何降低使用量，开发耐高温( 2 0 0 ) 与耐不纯物的质子交换膜等都 是当前重要的课题。 总之，现阶段燃料电池电动车普及化最大的课题是，氢气的储存方式与供 给体制。如何增加氢气储存效率( 开发高效率储氢合金材料) 与氢气供应站的普及 化都是攸关燃料电池电动车技术能否普及化的因素。 而欲促进燃料电池电动车普及化，现阶段与未来应朝下列几个方向发展： 增加重组过程中富氢气的比例 改善反应气体供应方式 改善氢气的使用效率 改善燃料系统对硫成分的抗性 缩短启动时间 动力系统的热管理 动力系统的最佳化设计 一4 一 第1 章绪论 减少燃料电堆的容积与重量 1 2 燃料电池电动客车的动力系统结构形式 同其他的电动汽车一样，燃料电池汽车的驱动系统无论在动力源的构成还是 在能量的传递方式上都具有多种方案，驱动系统的设计有较多的自由度，因此燃 料电池汽车有多种结构形式。 1 2 1 定义 在研究动力系统结构形式之前，我们定义电动汽车的一些相关的概念： 动力系统：用于传递能量并使电动汽车获得运动能力的所有部件的总称，它 包括动力源，驱动电机和传动系三个部分。 动力源：在电动汽车的动力系统中，可以储存能源或将能源转化成可供驱动 电机使用的能源的各种部件的总称。动力源也常称做能量源。在电动汽车中，常 见的动力源有汽油机，柴油机，汽油发电机，柴油发电机，蓄电池，超级电容， 燃料电池等。 燃料电池单体：主要由膜电极( 阴极和阳极) 、密封圈和带有导气通道的集流 板组成。多个燃料电池单体组成燃料电池本体( 电堆) 。 燃料电池发电系统：由四个主要单元组成，即燃料预处理单元、燃料电池本 体、热量管理单元及电源调节及控制单元。燃料电池发电系统可简称为燃料电池 系统。 燃料电池发动机；由包括燃料电池系统的动力源、驱动电机和相关部件，如 d c - d c ，电机控制器等构成的能够直接输出机械能的系统。 混合动力电动汽车：带有两个或两个以上的动力源，并且由电力完全驱动或 部分驱动的汽车。 串联式混合动力电动汽车：由两个或两个以上的动力源混合提供能源，由单 一的驱动电机驱动传动系的混合动力电动汽车。 一5 一 第l 章绪论 串联式混合动力系统的构成如图1 1 所示。 并联式混合动力电动汽车：整车驱动由两个或多个传动系联合完成且每个传 动系必须至少与一个动力源连接的多个传动系混合的混合动力电动汽车。 并联式混合动力系统的构成如图1 2 所示。 图1 2 并联式混合动力系统构成 1 2 2 动力系统结构形式 1 2 2 1 氢源方案比较 车上供氢系统可分为车载制氢和车载纯氢两大类。 1 ) 车载制氢 车载制氢需要内部高温的燃料处理器，通过重整或部分氧化等方式由燃料 中获得氢。用于车载制氢的燃料可以是醇类( 甲醇、乙醇、二甲醚等) 、烃类( 柴 油、汽油、l p g 、甲烷等) 。其它物质如氨、金属或金属氢化物等也可以作为制氢 6 第l 章绪论 原料。 从技术上看，醇类燃料制氢的温度较低，制氢反应容易实现。其中甲醇通常 被认为是最为合适的车载制氢燃料。d a i m l e r c h r y s l e r 公司的n e c a r s ，于2 0 0 2 年 6 月4 日完成了横穿美国东西部的壮举，行程3 0 0 0 余英里，充分证明甲醇车载重 整制氢燃料电池汽车的技术可行性。 烃类比醇类制氢难度大，主要表现在重整的温度高和硫的脱除。烃类燃料中， 天然气由于是气态燃料，车载储运比较困难，并且车载重整最难，工作温度最高， 一般不作为燃料电池车载氢源的燃料。 其它制氢方法中，氨因为作为制氢原料成本高、有较大的腐蚀性，而且氨完 全裂解温度高，因此不适宜选为车载制氢燃料。而金属或金属氢化物水解制氢， 由于其高能耗和高成本、以及原料制备过程中的高排放，只能用于特殊的场合， 而不适合于大规模的汽车行业。 车载制氢避免了固定的氢制取、运输和加注等基础设施及车载储氢系统的技 术问题和投资。不过，在目前中国进行燃料电池汽车自主开发的起步阶段，选用 车载纯氢方案更加合理。首先，车载制氢需要复杂的高温燃料处理器，其技术成 熟度不及车载纯氢方案。其次，有研究表明，车载纯氢方 案在整车能量效率、预期总成本( 包括基础设施、燃料和车辆) 、减少污染和温室 气体排放、减少石油依赖和可持续性发展方面，都比车载制氢方案有利。 2 ) 车载纯氢 车载纯氢方案的燃料链包括了氢集中制备、分离纯化、及储运分配等过程。 在燃料电池汽车本身的设计中，主要考虑车载纯氢的储存技术。车载纯氢储存方 法主要分为：高压氢气储存、液态氢储存、金属贮氢、活性炭吸附贮氢和碳纳米 材料贮氢几种。 ( a ) 高压氢气储存 用氧气压缩机把氢气压缩灌人到车上携带压力容器中，是目前最简单和最常 用的车载纯氢储存方法。世界已有的燃料电池大客车示范项目中，采用这种车载 储氢方法的就占了大多数。耐高压的储氢压力容器及材料是这种方法的关键。 高压氢气存储方法的主要问题是：容量小。中国大量使用的是以普通钢材 制成的压力容器，储氢压力为1 5 m p a 时，氢的重量仅占总重量的1 ，体积容量约 0 0 0 8 k g h j l 。不过，当使用特种高强度奥氏体钢材料制成的容器时，储氢重量可 达总重量的2 - - 6 。安全性差。高压容器本身就需要特殊的照顾与维护，况 一7 一 第1 章绪论 且容器中装的是易燃易爆又易渗漏的氢气。车祸时可能有严重的后果。实施问 题。容器压力愈高，充氢站的建设、压缩运行所化的代价愈高。而且充装1 立方 米氢气要耗电0 5 度左右、而1 立方米氢气经燃料电池发电仅得2 度电。 ( b ) 液态氢储存 戴姆勒一克莱斯勒公司研制开发的n e c a r 3 型和n e c a r 4 型以及通用公司研制 开发的“氢动一号”燃料电池电动汽车均采用液氢为燃料。理论上，在各种储氢 方式中，无论是从体积密度还是从重量密度的角度看，只有氢气以液态储存才能 达到最高的储存密度。目前，液氢存储的重量比约5 一7 5 ，体积容量约 0 0 4 k g h ：l 。不过，由于低温容器的热漏损，液氢的生产、储存、运输对注，以 及氢液化消耗大量的能量等问题，使携带液氢规模实施是不可行的。 ( c ) 金属氢化物储氢 该方法首先使氢与金属形成金属氢化物，加热后，金属氢化物分解脱氢而得 氢气。 金属氢化物储氢与压力容器储氢相比：单位重量的储氧量并不高，储氢材 料加上容器后，单位重量的储氢量低于高性能材料的压力容器，储氢重量为总重 量的1 5 以下。单位体积的储氢容量有所提高，为0 0 5 k g h j l 。储氢压力 为1 - - 7 m p a ，远低于压力容器，提高了安全性，充氢站要求及充氢能耗皆降低。 金属氢化物对氢气中的少量杂质如仉，h 2 0 ，c o 等有较高的敏感度，高于燃料电池 电极催化剂的敏感度，因而提高了对原料氢的质量要求。存在金属氢化物的机 械强度、反复充放后的粉碎等问题。目前，金属氢化物可反复充放的次数不多且 价格昂贵，所以以金属氢化物作为储氢 方法的运行费用是很高的。储氧化物的容器要能够耐高压，还要有足够的换热 面积，能够迅速的传递吸氧和放氢反应过程中释放或者需要的热量。 ( d ) 活性炭吸附贮氢 活性炭低温吸附具有相当好的储氢能力，在- 1 9 6 ( 2 ，4 2 m p a 时，活性炭的储 氢量约总重的5 。但是考虑到- 1 9 6 1 2 的低温、4 2 m p a 的压力，兼有高压容器法 和液氢法的弱点，在车上也不是可行的方法。 ( e ) 碳纳米材料贮氢 纳米碳管被认为是一种非常有潜力的高容量的储氢材料。然而目前所报道的 其高储氢容量争议很大。此外，纳米碳管的价格昂贵，目前还未解决其规模制备 的方法，加上纳米碳放氢难，放氢的容量低，放氢速率低，实际应用困难，所以 一8 一 第1 章绪论 其技术的发展难以预测，至少在较短的时间内是不可能实际应用的。 不同的储氢方法对氢气纯度的要求也不尽相同。表l 为各储氢方法对氢气纯 度的要求。高压氢用的是纯氢，而其它储氢方法要求的是高纯氢或超纯氢。氢的 纯化分离能耗成本很高，因此对氢的纯度要求越高则存储方法的成本越大。 综合来看，现阶段在中国发展燃料电池汽车，从技术难度、成本、能耗等方 面考虑，在对储氢容器体积要求较低的燃料电池城市客车上，高压氢气储氢具有 一定的优势。因此，本设计燃料电池城市客车采用高压气瓶储氢的方案。 1 2 2 2 现有动力系统结构形式 燃料电池汽车的动力系统结构有多种，目前各国研究的燃料电池大客车中主 要有纯燃料电池( p f c ) 、燃料电池和辅助电池联合驱动( f c + b ) 、燃料电池加辅 助电池加超级电容联合驱动( f c + b + c ) 三种结构。 1 ) 单一燃料电池结构形式 单一燃料电池结构的动力系统如图1 3 所示，该系统实为一纯燃料电池驱动 系统。燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电机，驱动 电机将电能转化为机械能再传给传动系，从而驱动汽车前进。这种系统结构的优 点有； ( 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。 图1 3 单一燃料电池驱动形式动力系统结构图 但是，这种系统也对燃料电池提出了较高的要求： ( 1 ) 为了减少整车成本，燃料电池必须有较低的价格； 一9 一 第1 章绪论 ( 2 ) 为了提高整车的经济型，燃料电池应在较大的输出范围内有较高的效率： ( 3 ) 燃料电池应具有较快的动态响应： ( 4 ) 燃料电池应具有较好的冷启动性能。 由于燃料电池无法充电，所以这种结构形式的燃料电池电动汽车无法实现制 动能量回馈，这将影响系统能量效率的提高。 单一燃料电池结构形式的汽车以巴拉德和戴姆勒一克莱斯勒公司的车型为代 表。加拿大巴拉德公司已经开发出了四代样车，戴姆勒奔驰公司1 9 9 7 年推出n e b u s 计划，目前正计划制造3 0 辆燃料电池大客车在欧洲城市示范运行。该公司开发的 燃料电池大客车长度为9 1 2 w ，燃料电池系统功率为2 0 0 2 5 0 k w ，最高车速可达 8 0 k * h ，续驶里程为2 0 0 4 0 0 k m 。 2 ) 燃料电池+ 蓄电池结构形式 燃料电池+ 蓄电池结构形式的动力系统如图1 4 所示，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机提 供能量，驱动电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，驱动电机变成发电机，蓄电池将储存回馈的能量。在燃料电池和蓄电池 联合供能时，燃料电池的能量输出变化较为平缓，随时间变化波动较小，而能量 需求变化的高频部分由蓄电池分担。 这种结构的优点有： ( 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 要求较单一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 一1 0 - - 第1 章绪论 图】4 燃料电池+ 蓄电池形式动力系统结构图 而这种结构形式也存在一些缺点： ( 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； ( z ) 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。 德国m a n 汽车公司、日本丰田汽车公司和美国华盛顿乔治城大学研制的燃料 电池客车都采用了这种结构。 德国m a n 汽车公司第一辆p e m f c 客车于2 0 0 0 年5 月推出，车长1 2 m ，采用西 门子公司的1 2 0 k w 燃料电池系统，续驶里程2 5 0 k m 。 丰田汽车公司在2 0 0 1 年6 月推出f c h v b u s l 燃料电池大客车，车长l o 5 m ， 低地板结构，p e m f c 输出功率2 9 0 k w ，蓄电池采用镍氢电池，最高车速达8 0 k m h ， 续驶里程达3 0 0 k m 。 2 0 0 1 年美国乔治城大学研制出x c e l l s i sx lb u s ，该车采用x c e l l s i s1 0 0k w 甲醇重整p e m f c ，最高车速1 0 6 k m h ，续驶里程5 6 0 k m 。 综上所诉，燃料电池和辅助电池混合驱动是一种比较流行的结构。采用燃料 电池和辅助电池的双动力源结构主要基于以下原因：( 1 ) 当前燃料电池的动态性 能欠佳，而汽车的工作状态总是在较大的范围内动态变化，燃料电池不能随时满 足汽车的功率需求，增加辅助电池可以起到快速调节功率的作用；( 2 ) 燃料电池 最佳的负荷率在额定功率2 0 一4 0 的范围内，为了实现整车能量效率最佳，增 第1 章绪论 加辅助电池调节燃料电池的功率输出，可使其工作点尽量保持在效率最佳的范围 内。( 3 ) 目前燃料电池的成本还很高，从降低整车价格的方面来考虑，适当减小 燃料电池的额定功率，用辅助电池来弥补不足的功率输出，可以在一定程度上降 低整车成本。 与燃料电池+ 蓄电池结构相似的还有燃料电池+ 超级电容结构。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。 3 ) 燃料电池+ 蓄电池+ 超级电容结构形式 燃料电池+ 蓄电池+ 超级电容结构的动力系统如图1 5 所示，该结构也为串 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 驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车前 图1 5 燃料电池+ 蓄电池+ 超级电容形式动力系统结构图 进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。 在燃料电池、蓄电池和超级电容联合供能时，燃料电池的能量输出较为平缓，随 时间变化波动较小，而能量需求变化的低频部分由蓄电池承担，能量需求变化的 高频部分由超级电容承担。在这种结构中，各动力源的分工更加明细，因此它们 的优势也得到更好的发挥。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 2 第l 章绪论 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。 附录i 列出了目前世界上燃料电池客车的主要研究项目和成果。 1 3 燃料电池客车的动力系统技术发展趋势 1 3 1 高压氢气燃料供给 燃料电池所使用的氢气可以来源于不同的燃料，不同的燃料会影响其起动时 间和动态响应时间，进而影响整车性能。燃料电池所使用的氢气一种是纯氢气， 另一种是重整制氢。目前的主要趋势是地面制氢，车上使用纯氢气，以液态形式 储存氢气。 纯氢气做燃料时，燃料电池系统起动时间短、动态响应快，但氢气在存储、 运输等方面存在很大的危险性，需要相当完备的报警系统。纯氢气可以采用电解 水方法或地面重整制氢方法制取。电解水制氢所使用的能源可以来自水力能、太 阳能、风能和原子能等。重整制氢是利用重整器对制氢原料重整后获得氢气，甲 醇、天然气、石脑油( n a p h t h a ) 或柴油等均可作为制氢原料。重整制氢可以在地 面和车上进行。目前，重整制氢主要在地面进行，以甲醇为主要原料。由于天然 气基础设施完善，随着天然气制氢在工艺上的突破，采用天然气重整制氢开始受 到重视。清华大学在未来的制氢方案上准备采用天然气重整制氢。车上重整制氢 是利用车上的制氢原料，使用车载重整器制氢，这种方法制氢原料运输方便，但 燃料电池系统起动时间、动态响应时间较长，而且重整器要占用很大的车内空间， 还需要复杂的控制，所以其应用有逐渐减少的趋势。 1 3 2 电一电混合驱动方案 在2 0 0 2 年7 月公布的各国燃料电池大客车统计表中有一定数量的燃料电池大 客车采用燃料电池作为单一动力源，但在2 0 0 3 年2 月公布的结果中燃料电池城市大 一1 3 一 第1 章绪论 客车即全部采用混合驱动方式。考虑到城市大客车的运行特点，采用燃料电池与 辅助动力源的混合驱动系统，更能发挥各个子系统的优势，提高整个驱动系统的 效率。 1 3 3 多电动机驱动的方案增加 由于燃料电池城市大客车的承载人数较多，行驶速度不断提高，功率需求越 来越大，如果使用单个电动机，势必导致电动机的功率、体积增加，相应地对控 制器件性能要求提高，体积增大，不利于整车布置，所以应用多个电动机驱动的 方案有所增加，目前主要采用两种结构：一种是将两个电动机的输出轴用机械方 法的耦合，如丰田的f c h v b u s 2 ；另一种则是采用电动轮技术，即驱动轮采用电动 轮结构，形成多电动机驱动系统，这样，可以取消变速器、传动轴以及差速器， 对大客车特别是低地板公交车整车布置极为有利，s c a n i a 公司、g m - f i a t 公司的 大客车即采用这种结构。目前，低地板大客车采用这种方案逐渐增多，但多电动 机驱动方案应注意解决好功率循环问题。 1 3 4 高工作电压等级 由于燃料电池城市大客车要求电动机的功率不断增加，因此出现了提高工作 电压等级的趋势，如s c a n i a 公司大客车概念车总线电压采用6 5 5 v ，日本三菱汽车 公司的低地板大客车采用的总线电压为6 1 2 v ，t h u n d e r p o w e r 公司的燃料电池大客 车的总线电压为5 7 6 v 。提高工作电压等级之后，在同样功率要求的情况下，可以 大幅度降低总线电流，相应的电缆损耗、开关电源损耗和电动机消耗都会降低， 会提高系统工作效率。但提高工作电压后要解决以下两方面的问题： ( 1 ) 元器件的耐压等级要相应提高； ( 2 ) 在混合驱动结构中，需要增加串联的动力电池数量，这意味着电池组 的可靠性会降低，因此要求电池模块性能的一致性要好，并对电池管理系统提出 了更高的要求。 一1 4 一 第2 章动力系统基本技术方案 第2 章动力系统基本技术方案 2 1 任务的背景和由来 燃料电池公共汽车商业化展示项目受到政府、企业等社会各方面的关注，无 论是对提升上海国际大都市的城市形象还是对企业未来的可持续发展和提高企 业社会影响力都具有十分深远的意义。 本论文主要是对上海拟发展的燃料电池城市客车动力系统设计方案进行分 析。根据设计要求，目标车型进行动力性计算，参数匹配。燃料电池城市客车( 目 标车型) 最低技术指标( 以车长儿米为例) 如下： ( 1 ) 尾气排放为0 或超低排放； ( 2 ) 最大时速7 0 k m h ( 3 ) 加速性能要求o 5 0 k m h 的加速时间不超过3 0 s ； ( 4 ) 最大爬坡度不小于1 5 ； ( 5 ) 续驶里程不小于2 0 0 k m ； ( 6 ) 等效燃油经济性优于同类型汽油车。 2 2 主要技术指标 2 2 1 车型选择与基本指标 b 7 r 型低入口、两轴燃料电池大型公共汽车。 2 2 2 主要尺寸参数 总长m m1 1 ，9 8 5 总宽m2 ，5 0 0 总高m 2 ，1 0 0 接近角7 。 一1 5 一 第2 章动力系统基本技术方案 离去角7 。 轴距m5 9 2 0 车门入口处离地高m 3 5 0 ( 距地面) 最小转弯直径m m 2 3 ，0 0 0 2 2 3 载荷及载客能力 整车整备质量k g 1 2 ，5 0 0 满载总质量k g 1 6 ，0 0 0 前轴最大轴载质量k g 7 ，0 0 0 后轴最大轴载质量k g 3 0 最大乘员数7 5 人 允许最大超载乘客人数8 人 2 2 4 车辆的工作环境 运行于中国的上海市市区。 环境气温1 2 2 0 + 4 2 从3 1 2 到4 2 1 2 不用预热就可以启动运行；为了满 足总体要求，车辆必须停在3 以上的车库内；在- 2 0 1 2 时，车辆可能可以启动， 但是不做此建议。 环境空气湿度r h5 9 9 海拔高度m 1 0 0 路面情况铺装的水泥或沥青路面 循环工况与日本1 0 1 5 工况类似 2 2 5 动力性能 除循环工况以外，其他试验方法按照中国标准g b t1 8 3 8 5 2 0 0 1 1 电动汽 车动力性能试验方法或对应的美国、欧洲标准进行。 最高车速k m h - 1 6 0 ( 开空调) 加速性能由0 到5 0l 【m h - 1 加速所需时间 3 0 s 最大爬坡能力1 5 一次加氢行驶里程k m 2 0 0 ( 车辆充满氢) 一1 6 一 第2 章动力系统基本技术方案 2 2 6 燃料经济性 按照中国标准g b t1 8 3 8 6 2 0 0 1 2 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方 法( 不开空调) ，在匀速4 0 k m h - 1 满载条件下，氢燃料每l o o k m 消耗量 1 5k g 。 2 2 7 噪声 车外噪声车辆加速行驶时，按照g b1 4 9 5 2 0 0 2 3 汽车加速行驶车外噪声 限值及测量方法。 车内噪声车辆以5 0l 【m h 一1 匀速行驶时，按照6 b1 8 6 9 一2 0 0 2 4 声学一 机动车车内噪音测量方法。 2 2 8 可靠性 车辆的目标寿命为4 ，0 0 0 小时的驾驶时间和1 0 0 ，0 0 0 公里的驾驶距离，并 且期望每年能够运营3 1 3 天。投标人应描述关键零部件的可靠性设计过程和最 大寿命估算，并提供任何来自供应商的相似产品的、有关可靠性的历史记录。 最少运营时问为2 1 0 天年。 2 2 9 动力系统 1 ) 动力系统型式 在驻车保温、维修、调试等情况下，由外电网给汽车供电外，氢燃料作为所 有能量的来源。以氢空气质子交换膜燃料电池为唯一的车载能量转化装置，来 转化氢中的化学能。 如果采用混合动力方案，那么燃料电池系统的持续净输出功率不应小于 6 0 k w 。 2 ) 车载氢燃料储存及输送系统 a ) 应阐明对车辆用氢品质的详尽要求，以按此建设加氢设备。这些要求应 在合同签订后3 0 天内提交。 b ) 氢燃料采用压力储存方式置于储氢瓶中，储氢瓶结构为铝胆碳纤维缠绕 复合式( 3 型) ，许用压力在1 5 ( 2 时为3 5 m p a ，并满足本部分第d ) 款的快速充 氢协议的要求。储氢瓶设置在车顶储氢瓶舱内。 一1 7 一 第2 章动力系统基本技术方案 c ) 车载氢燃料储氢装置与加氢机的接口应符合国际通用接口和通讯协议 一美国加州燃料电池合作伙伴( c a f c p ) 计划的接口规定1 7 。车载加氢接口位 置应根据储氢瓶安放位置合理确定，以保证安全和方便加气。这条要求应在合同 签订后3 0 天内提交。 d ) 车辆采用快充加气方式，加氢速度应满足不超过1 5 m i n 辆车( 从储氢瓶 内1 m p a 氢燃料状态，加注到许用压力状态) 。 3 ) 燃料电池系统 燃料电池系统是指在车辆系统控