燃料电池车介绍

1、新能源汽车技术新能源汽车技术课程课程 学校：河南工业大学学校：河南工业大学 学院：机电工程学院学院：机电工程学院 专业：车辆工程专业：车辆工程2011.9.20本课程总体内容框架l第一章：绪论第一章：绪论l第二章：电动汽车用动力电池第二章：电动汽车用动力电池l 第三章：电动汽车用电动机第三章：电动汽车用电动机l 第四章：纯电动汽车第四章：纯电动汽车l 第五章：混合动力电动汽车第五章：混合动力电动汽车l 第六章：燃料电池电动汽车第六章：燃料电池电动汽车l 第七章：其它新能源汽车第七章：其它新能源汽车l6.16.1：概述：概述l6.26.2：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l

2、6.36.3：燃料电池电动汽车的传动系统：燃料电池电动汽车的传动系统l6.46.4：燃料电池电动汽车发展历程：燃料电池电动汽车发展历程3第五章第五章 混合动力电动汽车混合动力电动汽车l质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEMFC）可作为燃料电池电动汽车）可作为燃料电池电动汽车的电源，是一种使用氢气和氧气作为反应物、反应副产物只有的电源，是一种使用氢气和氧气作为反应物、反应副产物只有水的发电装置，具有能量转换效率高、无污染，且起动快、寿水的发电装置，具有能量转换效率高、无污染，且起动快、寿命长、比功率和比能量高等优点，其在汽车动力领域的应用最命长、比功率和比能量高等优点，其在汽车动力领域的

3、应用最为引人注目，被喻为二十一世纪改变人类生活的十大高科技之为引人注目，被喻为二十一世纪改变人类生活的十大高科技之首。首。lPEMFC的工作原理的工作原理阳极反应：阳极反应： H H2 22H2H+ +2e+2e- - 阴极反应：阴极反应： 0.5O0.5O2 2+2H+2H+ +2e+2e- -HH2 2O O 电池总反应：电池总反应： H H2 2+0.5O+0.5O2 2HH2 2O O 第一节第一节 概述概述5l燃料电池电动汽车的类型燃料电池电动汽车的类型u按主要燃料种类可分为：按主要燃料种类可分为：以纯氢气为燃料的以纯氢气为燃料的FCEVFCEV经过重整后产生的氢气为燃料的经过重整后

4、产生的氢气为燃料的FCEVFCEVu按按“多电源多电源”的配置不同，可分为以下四类：的配置不同，可分为以下四类：纯燃料电池驱动（纯燃料电池驱动（PFCPFC）的）的FCEV;FCEV;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FCEV;FCEV;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FCEV;FCEV;燃料电池与辅助蓄电池和超级电容器联合驱动（燃料电池与辅助蓄电池和超级电容器联合驱动（FC+B+CFC+B+C）的）的FCEVFCEV。l纯燃料电池驱动的纯燃料电池驱动的FCEVFCEV6燃料电池系统传动系传动系驱

5、动电动机l纯燃料电池驱动的纯燃料电池驱动的FCEVFCEV优点：优点：系统机构简单，便于便于实现系统控制和整体布系统机构简单，便于便于实现系统控制和整体布置；置；系统部件少，有利于整车的轻量化；系统部件少，有利于整车的轻量化；较少的部件使得整体的能量传递效率较高，提高较少的部件使得整体的能量传递效率较高，提高了整车的燃料经济性。了整车的燃料经济性。l纯燃料电池驱动的纯燃料电池驱动的FCEVFCEV缺点：缺点：燃料电池功率大、成本高；燃料电池功率大、成本高；对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求；的要求；不能进行能量回收。不能进行能量回收。7l

6、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的FCEVFCEVl燃料电池与超级电容联合驱动的燃料电池与超级电容联合驱动的FCEVFCEV的结构与燃的结构与燃料电池和蓄电池联合驱动的料电池和蓄电池联合驱动的FCEVFCEV十分相似（略）十分相似（略）。8燃料电池系统传动系传动系驱动电动机蓄电池l燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的FCEVFCEV优点：优点：系统对燃料电池的功率要求较纯燃料电池结构形系统对燃料电池的功率要求较纯燃料电池结构形式大大降低，从而降低了整车的成本；式大大降低，从而降低了整车的成本；工作时燃料电池的效率较高；工作时燃料电池的效率较高；

7、汽车的冷启动性能较好；汽车的冷启动性能较好；可以回收汽车制动时的部分能量，使整车的能量可以回收汽车制动时的部分能量，使整车的能量效率提高。效率提高。l燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的FCEVFCEV缺点：缺点：蓄电池的使用使得整车的质量增加，动力性和经蓄电池的使用使得整车的质量增加，动力性和经济性受到影响。；济性受到影响。；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；控制和整体布置难度增加。控制和整体布置难度增加。9燃料电池与辅助蓄电池和超级电容器联合驱动的燃料电池与辅助蓄电池和超级电容器联合驱动的FCEVFCEV。10燃料电池系统传动系传动系驱动电

8、动机蓄电池超级电容l与传统汽车、纯电动汽车相比，燃料电池电动汽与传统汽车、纯电动汽车相比，燃料电池电动汽车具有如下的优点：车具有如下的优点：效率高。不受卡诺循环的限制，能量转换效率较高，可效率高。不受卡诺循环的限制，能量转换效率较高，可以达到以达到30%30%以上。以上。续驶里程长。其长途行驶能力及动力性已经接近于传统续驶里程长。其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。汽车。绿色环保。绿色环保。过载能力强。在短时间内其过载能力可达到额定功率的过载能力强。在短时间内其过载能力可达到额定功率的200%200%或更大。或更大。低噪声。设计方便灵活。低噪声。设计方便灵活。l燃料电池电动汽车缺点：燃料

9、电池电动汽车缺点：燃料电池汽车制造成本和使用成本过高；燃料电池汽车制造成本和使用成本过高；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。11l燃料电池电动汽车的关键技术燃料电池电动汽车的关键技术1）燃料电池系统）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。车用燃燃料电池是燃料电池汽车发展的最关键技术之一。车用燃料电池系统的核心是燃料电池电堆。燃料电池电堆技术发料电池系统的核心是燃料电池电堆。燃料电池电堆技术发展趋势可用耐久性、低温启动温度、净输出比功率及制造展趋势可用耐久性、低温启动温度、净输出比功率及制造成本。成本。2）车载储氢系统）车载储氢系统储氢技术是氢能利

10、用走向规模化应用的关键。目前，常见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、低温储氢和金属氰化物储氢的车载储氢系统有高压储氢、低温储氢和金属氰化物储氢3 3种基本方法。种基本方法。12133）车载蓄电池系统）车载蓄电池系统车载蓄电池系统包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等蓄车载蓄电池系统包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等蓄电池及化学超级电容器。电池及化学超级电容器。4）电动机及其控制技术）电动机及其控制技术驱动电机是燃料电池汽车的心脏，它正向大功率、高转速、驱动电机是燃料电池汽车的心脏，它正向大功率、高转速、高效率和小型化方向的发展。当前驱动电机有感应电机和

11、永高效率和小型化方向的发展。当前驱动电机有感应电机和永磁无刷电动机。永磁无刷电动机具有较高的功率密度和效率、磁无刷电动机。永磁无刷电动机具有较高的功率密度和效率、体积小、惯性低和响应快等优点，在电动汽车方面有着广阔体积小、惯性低和响应快等优点，在电动汽车方面有着广阔的应用前景。感应电动机非常适合电动汽车的控制。的应用前景。感应电动机非常适合电动汽车的控制。5 5）整车热管理）整车热管理燃料电池发动机自身的运行温度为燃料电池发动机自身的运行温度为60706070度。与环境温度相比，度。与环境温度相比，温差不大，造成燃料电池汽车无法像传统汽车一样依赖环境温差不大，造成燃料电池汽车无法像传统汽车一样

12、依赖环境温差散热。转而必须依靠整车动力系统提供额外的冷却动力温差散热。转而必须依靠整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散热。为系统散热。6 6）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 7 7）多能源动力系统的能量管理策略）多能源动力系统的能量管理策略 能量管理策略对燃料电池经济性影响很大，且受到动力系能量管理策略对燃料电池经济性影响很大，且受到动力系统参数和行驶工况的双重影响。一般借助仿真技术建立一个统参数和行驶工况的双重影响。一般借助仿真技术建立一个虚拟开发环境，对动力系统模型进行合理简化，从理论分析虚拟开发环境，对动力系统模型进行合理简化，从理论分析的角度得

13、到最优功率分配策略与能量源参数和工况特征之间的角度得到最优功率分配策略与能量源参数和工况特征之间的解析关系，并从该关系出发定量地分析功率缓冲器特性参的解析关系，并从该关系出发定量地分析功率缓冲器特性参数对最优功率分配策略的影响，为功率缓冲器的参数选择提数对最优功率分配策略的影响，为功率缓冲器的参数选择提供理论依据，从而完成功率分配策略的工况适应性研究。供理论依据，从而完成功率分配策略的工况适应性研究。14156.2 6.2 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l燃料电池汽车的动力系统由燃料电池发动机、辅助燃料电池汽车的动力系统由燃料电池发动机、辅助DC/ACDC/AC逆变器和电

14、动机组成。逆变器和电动机组成。l燃料电池发动机由电堆、氢气供给系统、空气供给燃料电池发动机由电堆、氢气供给系统、空气供给系统、气体加湿系统、冷却系统和电能转换系统等系统、气体加湿系统、冷却系统和电能转换系统等组成。组成。燃料电池发动机系统燃料电池发动机系统11燃料电池发动机系统燃料电池发动机系统22“世博世博”电动游览车发动机系统电动游览车发动机系统燃料电池发动机氢气供给系统示意图燃料电池发动机空气供给系统示意图燃料电池发动机水热管理系统6.4 6.4 燃料电池电动汽车发展历程燃料电池电动汽车发展历程u1873年英国人罗伯持年英国人罗伯持戴维森制造了第一辆有实用价值的戴维森制造了第一辆有实用价

15、值的电动汽车。电动汽车。u2002年年1月美国布什政府重新提出了一项自由汽车计划，月美国布什政府重新提出了一项自由汽车计划，并表示不再积极鼓励发展纯电动汽车，而寄希望于发展燃料并表示不再积极鼓励发展纯电动汽车，而寄希望于发展燃料电池汽车。电池汽车。2003年，美国通用汽车公司、欧宝公司开发出了年，美国通用汽车公司、欧宝公司开发出了第第3 代新型燃料电池车代新型燃料电池车“氢动氢动3号号( Hydrogen3 )”，同期通，同期通用公司还开发了着眼于未来应用的用公司还开发了着眼于未来应用的“HY-Wire燃料电燃料电 池汽车。池汽车。u日本各大汽车厂商开展的燃料电池电动汽车研究计划正在蓬日本各大

16、汽车厂商开展的燃料电池电动汽车研究计划正在蓬勃开展。日本政府于勃开展。日本政府于2002年成立了燃料电池项目小组，开年成立了燃料电池项目小组，开始普及燃料电池技术的实证试验和有关规定的论证。作为当始普及燃料电池技术的实证试验和有关规定的论证。作为当今世界燃料电池汽车市场上重要企业的丰田和本田汽车公司今世界燃料电池汽车市场上重要企业的丰田和本田汽车公司，已开发出数款燃料电池汽车。丰田公司开发的，已开发出数款燃料电池汽车。丰田公司开发的“FCHV-5 于于2 0 0 1 年在美国加利福尼亚燃料电年在美国加利福尼亚燃料电 池共同体的组织下进池共同体的组织下进行了实车道路试验。本田公司于行了实车道路试

17、验。本田公司于2002年年12月月2日推出了实用日推出了实用化的燃料电池轿车化的燃料电池轿车Honda FCX。u欧洲欧洲8个国家个国家10个城市进行大规模的燃料电池巴士计划。个城市进行大规模的燃料电池巴士计划。2004年，戴姆勒一克莱斯勒公司与福特公司共同收购了巴年，戴姆勒一克莱斯勒公司与福特公司共同收购了巴拉德动力系统公司，并投资拉德动力系统公司，并投资5800万美元建立新的燃料电池万美元建立新的燃料电池汽车集团开发联盟。迄今戴姆勒一克莱斯勒公司己开发出第汽车集团开发联盟。迄今戴姆勒一克莱斯勒公司己开发出第5代燃料电池电动车代燃料电池电动车Necar5。u我国在上世纪我国在上世纪6060年

18、代也已经开始年代也已经开始PEMFC的研究，但仅由大连的研究，但仅由大连化物所等少数几家科研机构从事基础性研究，直到化物所等少数几家科研机构从事基础性研究，直到90年代才年代才开始逐渐升温。开始逐渐升温。“九五九五”期间，我国政府充分认识到燃料电期间，我国政府充分认识到燃料电池在国防和经济发展中的重要作用，将池在国防和经济发展中的重要作用，将PEMFC和电动汽车列和电动汽车列入了国家科技攻关项目，后又列入入了国家科技攻关项目，后又列入“十五十五”和和“863计划计划”电电动汽车重大科技专项。由清华大学和北京富源公司联合研制动汽车重大科技专项。由清华大学和北京富源公司联合研制的我国第一辆质子交换

19、膜燃料电池电动旅游观光车。东风汽的我国第一辆质子交换膜燃料电池电动旅游观光车。东风汽车公司早在车公司早在“九五九五”期间就已经研制出我国第一台拥有自主期间就已经研制出我国第一台拥有自主知识产权的燃料电池汽车一知识产权的燃料电池汽车一EQ6700FCEV燃料电池客车。燃料电池客车。u随着随着“863计划计划”电动汽车重大科技专项的正式起动，电动汽车重大科技专项的正式起动， 全国全国各地掀起了一股研制和开发燃料电池电动汽车的热潮。各地掀起了一股研制和开发燃料电池电动汽车的热潮。2002年年5月，上海燃料电池汽车动力系统公司与同济大学新能源汽月，上海燃料电池汽车动力系统公司与同济大学新能源汽车工程中

20、心试制成功车工程中心试制成功“ “ 春晖春晖1号号”燃料电池电动汽车。燃料电池电动汽车。2004年，武汉理工大学与东风公司合作研制成功年，武汉理工大学与东风公司合作研制成功25 kW 燃料电池燃料电池电动轿车电动轿车“ “ 楚天一号楚天一号” ” ，2004年年6月，由上汽集团、同月，由上汽集团、同济大学联合开发的我国第二代燃料电池轿车济大学联合开发的我国第二代燃料电池轿车 “ “ 超越超越2 号号” ” ，随后又开发了，随后又开发了“超越超越3 3号号”和和“超越超越4 4号号”燃料电池汽车燃料电池汽车。目前国内开展燃料电池电动汽车相关研究的机构主要有。目前国内开展燃料电池电动汽车相关研究的

21、机构主要有:中中科院大连化物所、清华大学、同济大学、武汉理工大学、中科院大连化物所、清华大学、同济大学、武汉理工大学、中山大学等单位，并形成了以大连新源动力、上海神力、北京山大学等单位，并形成了以大连新源动力、上海神力、北京富原、北京飞驰绿能、上海博能等企业为代表多个燃料电池富原、北京飞驰绿能、上海博能等企业为代表多个燃料电池产业化基地产业化基地。楚天一号燃料电池电动汽车楚天一号燃料电池电动汽车 “超越超越1 1号号”燃料电池轿车燃料电池轿车u主要技术参数主要技术参数: : 最大时速（km/h）: 105.8爬坡度（%）: 26续驶里程（km）: 231加速性能（s）: 15.4（0-80km/h）燃料经济性（kg/100km）: 0.951（持续里程试验）“超越超越3 3号号”东方之子燃料电池轿车东方之子燃料电池轿车u主要主要技术参数技术参数: :整车整备质量（kg）: 1767最高车速（km/h）: 122.30-100km/h加速时间（s）: 18最大爬坡度 : 2