新能源汽车概论 2-2

新能源汽车概论第1页2.3燃料电池电动汽车

1燃料电池电动汽车的类型2燃料电池电动汽车的特点3

燃料电池电动汽车的基本结构

新能源汽车概论第2页1.燃料电池电动汽车的类型按主要燃料种类:（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。新能源汽车概论第3页车载制氢和车载纯氢

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。燃料可以是醇类(甲醇、乙醇、二甲醚等)、烃类(柴油、汽油、LPG、甲烷等)。其它物质如氨、金属或金属氢化物等也可

作为制氢原料。车载纯氢高压氢气储存

容量小，安全性差，实施问题。液态氢储存

氢气以液态储存才能达到最高的储存密度。液氢存储重量比约5％－7.5％。金属氢化物储氢氢与金属形成金属氢化物，加热后，金属

氢化物分解得氢。新能源汽车概论第4页新能源汽车概论第5页新能源汽车概论第6页按照能源配置:（1）纯燃料电池驱动（PFC）（2）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）（3）燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）（4）燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）

1.燃料电池电动汽车的类型新能源汽车概论第7页1)纯燃料电池驱动的FCEV

只有燃料电池一个动力源功率负荷都由燃料电池承担。驱动电动机传动系燃料电池系统FCEV结构新能源汽车概论第8页优点：（1）结构简单，便于实现系统控制和整体布置；（2）系统部件少，有利于整车轻量化；（3）能量传递效率高。缺点：（1）燃料电池功率大、成本高；（2）对燃料电池系统动态性能和可靠性要求高；（3）不能进行制动能量回收。

1)纯燃料电池驱动的FCEV

新能源汽车概论第9页2)燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV

串联式混合动力结构燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量制动时电机变成发电机，蓄电池储存回馈能量。FCEV原理:新能源汽车概论第10页FCEV结构:驱动电动机传动系燃料电池系统蓄电池

2)燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV

新能源汽车概论第11页燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV新能源汽车概论第12页优点：

（1）对燃料电池功率要求降低，降低了整车成本；（2）燃料电池在较好的工作条件下工作，效率高；（3）对燃料电池动态响应性能要求较低；（4）汽车的冷启动性能较好；（5）可以回收汽车制动时动能，增加能量效率。

2)燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV

新能源汽车概论第13页缺点：（1）蓄电池使整车质量增加，影响动力性和经济性（2）蓄电池充放电过程有能量损耗；（3）系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。2)燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV

新能源汽车概论第14页3)燃料电池与超级电容联合驱动FCEV

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；超级电容的能量密度较小。新能源汽车概论第15页4)燃料电池与辅助蓄电池和超级电容

联合驱动的FCEV

串联式混合动力结构；燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量；制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容储存回馈能量。燃料电池+蓄电池十超级电容形式动力系统结构图

驱动电动机传动系燃料电池系统蓄电池超级电容新能源汽车概论第16页新能源汽车概论第17页优点：部件效率高，动态特性好，便于制动能量回馈等。缺点：

（1）增加超级电容，系统质量可能增加；（2）系统更加复杂，系统控制和整体布置难度增大。4)燃料电池与辅助蓄电池和超级电容

联合驱动的FCEV新能源汽车概论第18页2燃料电池电动汽车的特点

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；（3）绿色环保：生成物只有水，属于零排放；（4）过载能力强；（5）低噪音：运行过程中噪音和振动都较小；（6）设计方便灵活。新能源汽车概论第19页

燃料电池电动汽车的主要缺点

（1）制造成本和使用成本过高（2）辅助设备复杂，质量和体积较大（3）起动时间长，抗振能力有待进一步提高

纯氢气燃料的FCEV起动一般需要3分多钟；甲醇或者汽油重整技术的FCEV则长达10多分钟.2燃料电池电动汽车的特点

新能源汽车概论第20页英国Riversimple氢燃料原型汽车(2012)1加仑液态氢能行驶480公里;最高速度80Km/h;一箱燃料行驶390公里;重350公斤，能收回制动动能，提供加速必需能量的80%

新能源汽车概论第21页氢燃料汽车的发动机

福田京产氢燃料电池(2008)加一次氢可跑240公里;节能效果提高了20%；单台造价100万美.新能源汽车概论第22页新能源汽车概论第23页新能源汽车概论第24页3燃料电池电动汽车的基本结构

采用混合式燃料电池驱动系统并联式串联式串联式DC新能源汽车概论第25页并联式DC新能源汽车概论第26页新能源汽车概论第27页1)燃料电池发动机

PEMFC组氢气供给系统氧气供给系统气体加湿系统反应生成物处理系统冷却系统电能转换系统组成：新能源汽车概论第28页以氢为燃料的燃料电池发动机系统

（1）氢气供应、管理和回收系统气态氢通常用高压储气瓶来装载液态氢气用高压储气瓶储存，还要用低温保温装置

（2）氧气供应和管理系统从氧气罐中获取从空气中获取，需用压缩机提高压力新能源汽车概论第29页

（3）水循环系统

反应过程产生水和热量；水循环系统包括冷凝器、气水分离器和水泵等；其中一部分水可用于空气加湿。

（4）电力管理系统

燃料电池产生直流电，需经过DC/DC变换器调压；采用交流电动机的驱动系统，还需用逆变器将直流电转换为三相交流电。以氢为燃料的燃料电池发动机系统

燃料电池发动机系统１氢气储存罐２氢气压力调节仪表３热交换器４氢气循环泵５冷凝器及气水分离器６水箱７水泵８空气压缩机９加湿器及去离子过滤装置１０燃料电池组１１电源开关１２ＤＣ／ＤＣ变换器１３ＤＣ／ＡＣ逆变器１４驱动电动机氢为燃料供氢供氧负载新能源汽车概论第30页总布置基本结构模型１驱动轮２驱动系统３驱动电动机４ＤＣ／ＡＣ逆变器５辅助电源装置６燃料电池发动机７空气压缩机8氢气储存罐９氢气供应系统辅助装置１０中央控制器11ＤＣ／ＤＣ变换器氢为燃料新能源汽车概论第31页新能源汽车概论第32页

1、水电解制氢

2、甲醇重整制氢

3、天然气重整制氢

4、煤、焦碳气化制氢制氢方法新能源汽车概论第33页甲醇水蒸气转化制取纯氢的方法

甲醇+纯水(1:5)→经汽化→过热→反应器(在催化剂作用下)→产生氢气+二氧化碳+一氧化碳和少量的杂质新能源汽车概论第34页化学原理温度:220～280℃

压力：1.0～

5.0MPa主反应：CH3OH＝CO＋2H2CO＋H2O＝CO2＋H2

总反应：CH3OH＋H2O＝CO2＋3H2

副反应：2CH3OH＝CH3OCH3＋H2OCO＋3H2＝CH4＋H2O新能源汽车概论第35页反应产物H273～74％

CO223～24.5％

CO1.0％

CH3OH300ppm

新能源汽车概论第36页甲醇分解制氢技术具有以下特点与大规模的天然气、轻油和水煤气等转化制氢相比具有流程短投资省、能耗低和无环境污染。与水电解制氢相比单位氢气成本低30％以上。与氨裂解制氢技术相比具有反应条件温和，原料运输和储存方便。新能源汽车概论第37页

（1）甲醇储存装置

甲醇可以用普通容器储存，不需要加压或冷藏。

（2）燃烧器、加热器和蒸发器

甲醇进入改质器之前，蒸发成甲醇和纯水混合气。

（3）重整器

碳氢化合物不同，重整技术不同，温度、压力不同。

（4）氢气净化器

产生的H2因含少量CO，须净化。以甲醇为燃料的燃料电池发动机

燃料电池发动机系统１甲醇储存罐２带燃烧器的改质器３净化装置４氢气循环泵５冷凝器及气水分离器６水箱７水泵８空气压缩机９加湿器及去离子过滤装置１０燃料电池组１１电源开关１２ＤＣ／ＤＣ变换器１３ＤＣ／ＡＣ逆变器１４驱动电动机甲醇为燃料新能源汽车概论第38页１驱动轮２驱动系统３驱动电动机４ＤＣ／ＡＣ逆变器５辅助电源装置６燃料电池发动机７空气压缩机8重整器9甲醇罐１０氢气供应系统辅助装置１１中央控制器1２ＤＣ／ＤＣ变换器总布置基本模型甲醇为燃料新能源汽车概论第39页新能源汽车概论第40页2)辅助动力源

蓄电池组飞轮储能器超大容量电容器新能源汽车概论第41页

（1）起动辅助动力源提供电能带动燃料电池起动，或带动车辆起步。

（2）行驶燃料电池提供驱动全部电能，剩余的电能储存到辅助动力源装置中。（3）加速和爬坡燃料电池与辅助动力源同时供电的双电源供电模式。

（4）制动贮存制动时反馈的电能，向各种电子、电器提供电能。2)辅助动力源

新能源汽车概论第42页3)DC/DC变换器

装置DC/DC的必要性

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。电流的方向只是单向流动。辅助电源（蓄电池和超级电容器）在充电和放电时，以直流电的形式流动，电流的方向是可逆性流动。

各种电源电压和电流受工况变化影响呈不稳定状态。新能源汽车概论第43页基本功能

（1）输出负载要求的变化范围的直流电压；（2）输出负载要求的直流电流。3)DC/DC变换器

新能源汽车概论第44页FCEV车载DC/DC的功能

（1）调节燃料电池的输出电压（2）调节整车能量分配（3）稳定整车直流母线电压

3)DC/DC变换器

新能源汽车概论第45页FCEV车载DC/DC的要求

（1）转换效率高，以便提高能源利用率；（2）变换器应具有升压功能；（3）较好的动态调节能力；（4）体积小，重量轻。3)DC/DC变换器

新能源汽车概论第46页4)驱动电机

（1）直流电机易于控制；结构复杂，可靠性受换向器和电刷的影响较大。（2）交流电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、成本低；损耗大、效率低。（3）永磁电机具有较高的功率密度和效率；成本高、可靠性较低及使用寿命较短的缺点。（4）开关磁阻电机结构简单、可靠性高、控制简便；存在噪声大、转矩和母线电流脉动严重。新能源汽车概论第47页5)电控系统

燃料电池发动机管理系统(FCE-ECU)蓄电池管理系统(BMS)动力控制系统(PCU)整车控制系统(VMS)燃料电池汽车的动力电控系统新能源汽车概论第48页新能源汽车概论第49页

发动机管理系统控制燃料电池发动机的功率输出；监测发动机的工作状态；进行故障诊断及管理。新能源汽车概论第50页蓄电池管理系统

下层负责蓄电池组电压、温度等物理参数的测量，进行过充过放保护及组内组间均衡；上层负责动力蓄电池组的电流检测及SOC估算，以及相关的故障诊断，漏电保护。

新能源汽车概论第51页动力控制系统

DC/DC变换器DC/AC变换器

空调控制器及空调压缩机变频器电动机冷却系统控制器。新能源汽车概论第52页整车控制系统

多能源控制策略接收来自驾驶员的需求信息（如点火开关、油门踏板、制动踏板、档位信息等）实现整车工况控制；基于反馈的实际工况（如车速、制动、电动机转速等）以及动力系统的状况（燃料电池及动力蓄电池的电压、电流等），根据预先匹配好的多能源控制策略进行能量分配调节控制。新能源汽车概论第53页4燃料电池电动汽车车型实例

1)帕萨特领驭氢燃料电池车动力总成燃料电池发动机驱动电机及其控制器

DC/DC变换器锂离子动力蓄电池组

帕萨特领驭燃料电池车动力总成系统新能源汽车概论第54页帕萨特领驭燃料电池车外形图

新能源汽车概论第55页新能源汽车概论第56页2)福田燃料电池客车

特点：一新：独具匠心的时尚新造型；二超：超大空间、超高运营效率；三低：低油耗、低排放、低噪音；四高：高质量、高安全、高科技、高舒适。

福田燃料电池客车的外形图

新能源汽车概论第57页新能源汽车概论第58页3)本田FCXlarity燃料电池汽车

垂直系统单元结构的燃料电池堆在大幅提高性能的同时实现了轻量化和小型化，功率100kW，最大扭矩达到256N•ｍ，同时还可在零下30度的环境下启动。通过将轻量化和小型化的燃料电池安置在中央通道，在实现低车身高度的同时实现了舒适的车内空间。

本田FCXlarity燃料电池汽车的外形图

新能源汽车概论第59页新能源汽车概论第60页4)丰田新型燃料电池混合动力车“FCHV-adv”

动力系统由燃料电池和镍氢蓄电池组成；可在-30℃下起动，具有良好的低温起动性能；最高车速可达到155km/h；在汽车前部、后部和两侧面都安装了碰撞传感器，探测到碰撞发生瞬间，高压储氢罐阀门即刻关闭