第7章燃料电池电动汽车新能源汽车技术

1、第第7章章 燃料燃料电电池池电动电动汽汽车车主主讲讲：郑郑竹安竹安YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术27 7. .1 1 概述概述7 7. .2 2 燃料电池电动汽车的基本结构燃料电池电动汽车的基本结构 7 7. .3 3 燃料电池电动汽车传动系统参数设计燃料电池电动汽车传动系统参数设计YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术3 7.1.1 7.1.1 燃料电池电动汽车的类型燃料电池电动汽车的类型 FCEVFCEV按主要燃料种类可分为按

2、主要燃料种类可分为（1 1）以纯氢气为燃料的）以纯氢气为燃料的FCEVFCEV；（2 2）经过重整后产生的氢气为燃料的）经过重整后产生的氢气为燃料的FCEVFCEV。FCEVFCEV按按“多电源多电源”的配置不同，可分为的配置不同，可分为（1 1）纯燃料电池驱动（）纯燃料电池驱动（PFCPFC）的）的FCEVFCEV；（2 2）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+BFC+B）的）的FCEVFCEV；（3 3）燃料电池与超级电容联合驱动（）燃料电池与超级电容联合驱动（FC+CFC+C）的）的FCEVFCEV；（4 4）燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（）燃料

3、电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+CFC+B+C）的的FCEVFCEV。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术41 1纯燃料电池驱动的纯燃料电池驱动的FCEVFCEV纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽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。车的所有功率负荷都由燃料电池承担。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术5优点：优点：（1 1）系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置；）系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置；（2 2）系统部件少，有利于整车的轻

4、量化；）系统部件少，有利于整车的轻量化；（3 3）较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整）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。车的燃料经济性。缺点：缺点：（1 1）燃料电池功率大、成本高；）燃料电池功率大、成本高；（2 2）对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要）对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求；求；（3 3）不能进行制动能量回收。）不能进行制动能量回收。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术6 2 2燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+BFC+B）的）的FCEVFC

5、EV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；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。馈的能量。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术7优点：优点： （1 1）由于增加了比功率价格相对低廉得多的蓄电池组，系）由于增加

6、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；降低，从而大大地降低了整车成本； （2 2）燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作，工）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；作时燃料电池的效率较高； （3 3）系统对燃料电池的动态响应性能要求较低；）系统对燃料电池的动态响应性能要求较低； （4 4）汽车的冷启动性能较好；）汽车的冷启动性能较好； （5 5）制动能量回馈的采用可以回收汽车制动时的部分动能，）制动能量回馈的采用可以回收汽车制动

7、时的部分动能，该措施可能会增加整车的能量效率。该措施可能会增加整车的能量效率。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术8缺点：缺点：（1 1）蓄电池的使用使得整车的质量增加，动力性和）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；汽车上表现更为明显；（2 2）蓄电池充放电过程会有能量损耗；）蓄电池充放电过程会有能量损耗；（3 3）系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。）系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。 YANCHENG INSTITUTE OF

8、 TECHNOLOGY新能源汽车技术9 3 3燃料电池与超级电容联合驱动（燃料电池与超级电容联合驱动（FC+CFC+C）的）的FCEVFCEV 这种结构形式与燃料电池这种结构形式与燃料电池+ +蓄电池结构相似，只是蓄电池结构相似，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是超级电容的能量密度较小。随着超级电容技术的

9、不断进步，这种结构将成为一种新的重要研究方向。断进步，这种结构将成为一种新的重要研究方向。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术104 4燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+CFC+B+C）的）的FCEVFCEV燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车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

10、电动机将电能转化成机械能动电动机提供能量，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。馈的能量。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术11YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术12这种结构的优点相比燃料电池这种结构的优点相比燃料电池+ +蓄电池的结构形式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，制的优点更加明显，尤其是在部

11、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：动能量回馈等方面。而其缺点也一样更加明显：（1 1）增加了超级电容，整个系统的质量将可能增）增加了超级电容，整个系统的质量将可能增加；加；（2 2）系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难）系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。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，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这种结构带来的汽车的良好的性能具有很大的吸引力。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术13在三种混合驱动中

12、，在三种混合驱动中，FC+B+CFC+B+C组合被认为能够最大限度满足整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般结构是FC+BFC+B组合。这是因为它具有以下特点：组合。这是因为它具有以下特点：（1 1）燃料电池单独或与动力电池共同提供持续功率，而且）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，动力电池提供在车辆起动、爬坡和加速等峰值功率需求时，动力

13、电池提供峰值功率；峰值功率；（2 2）在车辆起步的时候和功率需求量不大的时候，蓄电池）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；可以单独输出能量；（3 3）蓄电池技术比较成熟，可以在一定程度上弥补燃料电）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。池技术上的不足。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术141 1. .燃料电池汽车的优点：燃料电池汽车的优点：（1 1）效率高：可以达到）效率高：可以达到30%30%以上；以上；（2 2）续驶里程长：其长途行驶能力及动力性已经接近于传）续驶里程长：其长途行驶能力及动力性

14、已经接近于传统汽车；统汽车；（3 3）绿色环保：生成物只有水，属于零排放；）绿色环保：生成物只有水，属于零排放；（4 4）过载能力强：短时过载能力可达额定功率的）过载能力强：短时过载能力可达额定功率的200200或更或更大；大；（5 5）低噪音：运行过程中噪音和振动都较小；）低噪音：运行过程中噪音和振动都较小；（6 6）设计方便灵活：改变传统的汽车设计概念，可以在空）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。间和重量等问题上进行灵活的配置。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术152 2. .燃料电池电动汽车的主要缺

15、点燃料电池电动汽车的主要缺点（1 1）燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高）燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高, ,燃燃料电池发动机的制造成本居高不下，使用成本过高，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。燃料电池汽车还有相当的距离。（2 2）辅助设备复杂，且质量和体积较大）辅助设备复杂，且质量和体积较大（3 3）起动时间长，系统抗振能力有待进一步提高。）起动时间长，系统抗振能力有待进一步提高。采用氢气为燃料的采用氢气为燃料的FCEVFCEV起动时间一般需要起动时间一般需要3 3分多钟，分多钟，而采用甲醇或者汽油重整技术的而采用甲醇或者汽油重整技术的FCEV

16、FCEV则长达则长达1010多分多分钟，比起内燃机汽车起动的时间长得多，影响其机动钟，比起内燃机汽车起动的时间长得多，影响其机动性能性能。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术16（1 1）燃料电池的比能量不低于）燃料电池的比能量不低于150150200Wh /kg, 200Wh /kg, 比功率不低于比功率不低于300300400 W/kg400 W/kg。（2 2）可以在）可以在- 20 - 20 的条件下起动和工作的条件下起动和工作, , 有可靠的安全性和密封性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。不会发生燃料气体的

17、结冰和燃料气体的泄漏。（3 3）各种结构件有足够的强度和）各种结构件有足够的强度和可靠性。可靠性。 （4 4）FCEVFCEV除排放达到零污染的要求外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内燃机汽车的动力性能的水平, , 性能稳定可靠。性能稳定可靠。（5 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）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减小, , 以符合以符合FCEVFCEV的装车要求。的装车要求。（6 6）燃料充添方便、迅速）燃料充添方便、迅速, , 燃料电池能够方便地进行电极和催

18、化剂的燃料电池能够方便地进行电极和催化剂的更换和修理。更换和修理。（7 7）所配置的辅助电源）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应能满足提供起动电能和储存制动反馈电能的要求的要求。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术17 1 1燃料电池系统燃料电池系统 2 2车载储氢系统车载储氢系统 3 3车载蓄电系统车载蓄电系统 4 4电动机及其控制技术电动机及其控制技术 5 5整车布置整车布置 6 6整车热管理整车热管理 7 7整车与动力系统的参数选择与优化设计整车与动力系统的参数选择与优化设计 8 8多能源动力系统的能量管理策略多能源

19、动力系统的能量管理策略YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术18YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术19目前燃料电池电动汽车绝大多数采用的是混合式燃目前燃料电池电动汽车绝大多数采用的是混合式燃料电池驱动系统，有并联式和串联式两种。料电池驱动系统，有并联式和串联式两种。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术20在在FCEVFCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFCPEMFC组的正常工作，除以组的正常工作，除以PEMFCPEMFC组为核

20、心外，还装有氢组为核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转，才能保证只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动机正常运转。燃料电池发动机正常运转。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术211.1.以氢为燃料的燃料电池发动机系统以氢为燃料的燃料电池发动机系统图图7.57.5是以氢为燃料的燃料电池发动机系统，图是以氢为燃料的燃料电池发动机系统，图7.67.6是以

21、氢气为燃料的是以氢气为燃料的FCEVFCEV的总布置基本结构模型。的总布置基本结构模型。（1 1）氢气供应、管理和回收）氢气供应、管理和回收系统。系统。（2 2）氧气供应和）氧气供应和管理系统。管理系统。（3 3）水循环）水循环系统。系统。 （4 4）电力）电力管理系统。管理系统。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术22氢气储存罐氢气压力调节仪表热交换器 氢气循环泵冷凝器及气水分离器水箱水泵空气压缩机加湿器及去离子过滤装置 燃料电池组电源开关 变换器 逆变器驱动电动机YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术23驱动

22、轮驱动系统驱动电动机逆变器辅助电源装置燃料电池发动机空气压缩机8 氢气储存罐 氢气供应系统辅助装置中央控制器 11变换器YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术24在在FCEVFCEV上燃料电池发动机是主要电源，另外还配备有辅助动力源。根据上燃料电池发动机是主要电源，另外还配备有辅助动力源。根据FCEVFCEV的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同，的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同， 可以用蓄电可以用蓄电池组、飞轮储能器或超大容量电容器等共同组成双电源系统。在具有双电池组、飞轮储能器或超大容量电容器等共同组成双电源系统。在具有双电源系

23、统的源系统的FCEVFCEV上，驱动电动机的电源可以出现以下驱动模式。上，驱动电动机的电源可以出现以下驱动模式。 （1 1）在）在FCEVFCEV起动时，由辅助动力源提供电能带动燃料电池发动机起动，起动时，由辅助动力源提供电能带动燃料电池发动机起动，或带动车辆起步或带动车辆起步。（2 2）车辆行驶时，由燃料电池发动机提供驱动所需全部电能，剩余的）车辆行驶时，由燃料电池发动机提供驱动所需全部电能，剩余的电能储存到辅助动力源装置中。电能储存到辅助动力源装置中。（3 3）在加速和爬坡时，若燃料电池发动机提供的电能还不足以满足）在加速和爬坡时，若燃料电池发动机提供的电能还不足以满足FCEVFCEV驱动

24、功率要求，则由辅助动力源提供额外的驱动功率要求，则由辅助动力源提供额外的电能。电能。（4 4）贮存制动时反馈的电能，以及向车辆的各种电子、电器设备提供）贮存制动时反馈的电能，以及向车辆的各种电子、电器设备提供所需要的电能所需要的电能。YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术251 1装置装置DC/DCDC/DC的必要性的必要性 FCEVFCEV采用的电源有各自的特性，燃料电池只提供直流电，电采用的电源有各自的特性，燃料电池只提供直流电，电压和电流随输出电流的变化而变化。燃料电池不可能接受外压和电流随输出电流的变化而变化。燃料电池不可能接受外电源的充电，电流

25、的方向只是单向流动。电源的充电，电流的方向只是单向流动。FCEVFCEV采用的辅助电源（蓄电池和超级电容器）在充电和放电采用的辅助电源（蓄电池和超级电容器）在充电和放电时，也是以直流电的形式流动，但电流的方向是可逆性流动。时，也是以直流电的形式流动，但电流的方向是可逆性流动。FCEVFCEV上的各种电源的电压和电流受工况变化的影响呈不稳定上的各种电源的电压和电流受工况变化的影响呈不稳定状态。状态。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术262 2DC/DCDC/DC变换器的基本功能变换器的基本功能 （1 1）当输入直流电压在一定范围内变化时，能输出负载要

26、）当输入直流电压在一定范围内变化时，能输出负载要求的变化范围的直流电压，例如，输入电压最低时也能达到求的变化范围的直流电压，例如，输入电压最低时也能达到最高输出电压，输入电压最高时也能达到最低输出电压等。最高输出电压，输入电压最高时也能达到最低输出电压等。（2 2）输出负载要求的直流电流（范围）：能够输出足够的）输出负载要求的直流电流（范围）：能够输出足够的直流负载电流，并且能够允许在足够宽的负载变化范围的情直流负载电流，并且能够允许在足够宽的负载变化范围的情况下（例如，从空载到满载，即电流从零到最大况下（例如，从空载到满载，即电流从零到最大) )，设备能正，设备能正常运行（例如，电压稳定、不

27、损坏器件）。常运行（例如，电压稳定、不损坏器件）。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术273 3FCEVFCEV车载车载DC/DCDC/DC的功能的功能（1 1）调节燃料电池的输出电压。由于燃料电池的输出特性）调节燃料电池的输出电压。由于燃料电池的输出特性较软，难以满足驱动电动机控制器的需求，所以借助较软，难以满足驱动电动机控制器的需求，所以借助DC/DCDC/DC变变换器对燃料电池的输出电压进行调节。换器对燃料电池的输出电压进行调节。（2 2）调节整车能量分配。燃料电池轿车是一种混合动力轿）调节整车能量分配。燃料电池轿车是一种混合动力轿车，具有燃料

28、电池和动力蓄电池两种能源，控制燃料电池的车，具有燃料电池和动力蓄电池两种能源，控制燃料电池的输出能量就可以控制整车能量的分配。输出能量就可以控制整车能量的分配。（3 3）稳定整车直流母线电压。燃料电池的输出电压经过）稳定整车直流母线电压。燃料电池的输出电压经过DC/DCDC/DC变换器后能稳定整车直流母线电压。变换器后能稳定整车直流母线电压。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术284 4FCEVFCEV车载车载DC/DCDC/DC的要求的要求 （1 1）变换器是能量传递部件，因此需要转换效率高，以便）变换器是能量传递部件，因此需要转换效率高，以便提高

29、能源的利用率；提高能源的利用率；（2 2）为了降低对燃料电池的输出电压要求，变换器应具有）为了降低对燃料电池的输出电压要求，变换器应具有升压功能；升压功能；（3 3）由于燃料电池输出的不稳定，需要变换器闭环运行进）由于燃料电池输出的不稳定，需要变换器闭环运行进行稳压，为了给驱动器稳定的输入，需要变换器有较好的动行稳压，为了给驱动器稳定的输入，需要变换器有较好的动态调节能力；态调节能力；（4 4）体积小，重量轻。）体积小，重量轻。 YANCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术29燃料电池电动汽车用的驱动电动机主要有直流电动机、交流燃料电池电动汽车用的驱动电动机主要有直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。（1 1）直流电动机驱动系统采用换向器和电刷，保证了励磁）直流电动机驱动系统采用换向器和电刷，保证了励磁磁动势与电枢磁动势的严格正交，易于控制。但直流电动机磁动势与电枢磁动势的严格正交，易于控制。但直流电动机结构复杂，其高速性能和可靠性受换向器和电刷的影响较大。结构复杂，其高速性能和可靠性受换向器和电刷的影响较大。（2 2）交流电动机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、）交流电动机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、成本低，尤其适合恶劣的工作