燃料电池电动汽车课件

2023/6/71燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车燃料电池定义

燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。燃料电池的特点

由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。燃料电池电动汽车燃料电池的优点

由于输出功率单位由堆的输出功率定，故机组容量具有自由度；部分负荷时也能保持高的效率；

通过与燃料供给装置的组合，可适用范围的燃料；

没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大尺寸相仿的效率；

转换效率高，可达60%；

没有运转部件，噪音小；

NOx及SOx等的排出量少，有利环保,若以氢为燃料，排放是水，电池部分可实现“零排放”．燃料电池的分类

根据工作温度可分为:低温型、中温型和高温型三种。

根据电解质的种类可分为：燃料电池电动汽车

碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、

聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)。根据多电源的配置不同可分为：FCEV按“多电源”的配置不同，可分为纯燃料电池驱动（PFC）的FCEV；燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV；燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV；燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV。燃料电池的原理

燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。燃料电池电动汽车燃料氧化剂阳极阴极电解质导电离子纯燃料电池驱动的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。燃料电池电动汽车纯燃料电池驱动的FCEV优点：

结构简单，便于实现系统控制和整体布置；

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高。缺点：

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的要求；

不能进行制动能量回收。燃料电池与辅助蓄电池联合驱动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。燃料电池电动汽车燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV燃料电池电动汽车优点：

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；

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；

系统对燃料电池的动态响应性能要求较低；

汽车的冷启动性能较好；

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。缺点：

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；

蓄电池充放电过程会有能量损耗；燃料电池电动汽车燃料电池与超级电容联合驱动FCEV

系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。

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。燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动的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。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，驱动汽车前进；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。燃料电池电动汽车燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动的FCEV燃料电池+蓄电池十超级电容形式动力系统结构图

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：

增加了超级电容，系统质量将可能增加；

系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车的主要不足

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。

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。燃料电池电动汽车对燃料电池的基本要求

燃料电池汽车的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

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。燃料电池电动汽车

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。

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。

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。

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。

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。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、净输出比功率以及燃料电池电动汽车

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)。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。(1)压缩氢气(CHG)燃料电池电动汽车

将CHG装在20~35MPa玻璃纤维加强的铝瓶中。

优点：质量轻、成本低、技术成熟以及燃料补充迅速等。

缺点：体积大、存在安全问题。(2)液态氢冷冻氢气至-253℃以下，形成液态氢，并储存在低温容器中。

优点：体积小、能量密度高、燃料补充迅速。

缺点：生产成本和销售成本昂贵，具有挥发性等。(3)储氢金属使氢气与金属镁和钒反应形成储氢金属，储氢反应是可逆的并与分解温度有关(最高可达300℃)。

优点：尺寸紧凑、使用安全等。

缺点：氢气分离温度高(储氢镁分离温度287℃)以及相对较低的比能量(储氢钒比能量为700Wh/kg)。(4)纳米材料储氢······燃料电池电动汽车

直接供氢的FCEV推广普及的关键是纯氢的供应和储存。为了保证直接供氢的FCEV用氢的需要，必须建造氢站，这就增大了直接供氢的FCEV商品化和推广普及的难度，因此，世界上各大汽车公司纷纷推出了通过燃料重整反应制取氢气的技术，可使用多种碳氢燃料，包括醇类燃料、天然气等。目前，通过重整反应利用甲醇制取氢气的技术已十分成熟，甲醇为液体燃料，携带方便，提高了燃料电池电动汽车的续驶里程，且燃料能量的利用率可达70%-90%，大大高于热力发动机的效率。燃料重整反应制取氢气车载蓄电系统燃料电池电动汽车

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。

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。

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。

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、可快速放电等优点。

超级电容器能在短时间内提供或吸收大的功率，为蓄电池数十倍，效率高、具有上万次的循环寿命和极长的储存寿命、工作温度范围宽、能使用的基础材料价格便宜，可以作为混合型动力汽车的有效蓄电系统。燃料电池电动汽车电机及其控制技术

驱动电机是燃料电池电动汽车的心脏，它正向着大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。当前驱动电机主要有感应电动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、体积小、惯性低和响应快等优点，在电动汽车方面有着广阔地应用前景。整车布置燃料电池汽车在整车布置上存在以下关键问题：

燃料电池发动机及电机的相关布置

动力电池组的车身布置、氢气瓶的安全布置

高压电安全系统的车身布置问题。

这些核心部件的布置，不仅要考虑布置方案的优化及零部件性能实现的便利，还要求相关方案必须考虑传统汽车不具备的安全性问题。燃料电池电动汽车整车热管理

燃料电池发动机自身的运行温度为60~70℃左右，实际的散热系统工作温度大致可以控制在60℃，必须依赖整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散热，因此二者之间的平衡将是在热管理开发方面必须关注的；

目前整车各零部件的体积留给整车布置回旋的余地很小，造成散热系统设计的改良空间不大，无法采用通用的解决方案应对，必须开发专用的零部件。整车与动力系统的参数选择与优化设计

燃料电池汽车整车性能参数是整个燃料电池动力系统开发的信息输入，而虚拟配置的动力系统的特性参数也影响项目整车性能。两者之间的参数选择是一个多变量多目标的优化设计过程，而且参数选择与行驶工况和控制策略紧密相关。燃料电池电动汽车多能源动力系统的能量管理策略

能量管理策略对燃料经济性影响很大，且受到动力系统参数和行驶工况的双重影响。

完成能量管理策略的工况适应性开发后，其核心问题转变为功率分配优化，当然还必须考虑一些限制条件。按照是否考虑这些变量的历史状态，可以把功率分配策略分为瞬时与非瞬时策略两大类。燃料电池电动汽车的基本结构

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，并联式和串联式两种。燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车的基本结构串联式并联式燃料电池电动汽车燃料电池发动机

在FCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFC（质子交换膜燃料电池）组的正常工作，除以PEMFC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、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。以氢为燃料的燃料电池发动机系统★氢气供应、管理和回收系统

气态氢的储存装置通常用高压储气瓶来装载。液态氢气虽然比能量高于气态氢，由于液态氢气是处于高压状态，不但需要用高压储气瓶储存，还要用低温保温装置来保持低温，低温的保温装置是一套复杂的系统。★氧气供应和管理系统

氧气的来源有从空气中获取氧气或从氧气罐中获取氧气，空气需要用压缩机来提高压力，以增加燃料电池反应的速度。

燃料电池电动汽车★水循环系统

燃料电池发动机在反应过程中将产生水和热量，在水循环系统中用冷凝器、气水分离器和水泵等对反应生成的水和热量进行处理，其中一部分水可以用于空气的加湿。★电力管理系统

燃料电池所产生的是直流电，需要经过DC/DC变换器进行调压，在采用交流电动机的驱动系统中，还需要用逆变器将直流电转换为三相交流电。

燃料电池电动汽车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12、ＤＣ／ＤＣ变换器13、ＤＣ／ＡＣ逆变器14、驱动电动机燃料电池发动机系统氢为燃料燃料电池电动汽车总布置基本结构模型１、驱动轮２、驱动系统３、驱动电动机４、ＤＣ／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11、ＤＣ／ＤＣ变换器氢为燃料燃料电池电动汽车辅助动力源

在FCEV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FCEV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。在具有双电源系统的FCEV上，驱动电动机的电源可以出现以下驱动模式。

在FCEV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。

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。

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FCEV驱动功率要求，则由辅助动力源提供额外的电能，使驱动电动机的功率或转矩达到最大，形成燃料电池发动机与辅助动力源同时供电的双电源的供电模式。燃料电池电动汽车

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。DC/DC变换器★装置DC/DC的必要性

FCEV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电源的充电，电流的方向只是单向流动。

FCEV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。

FCEV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。★DC/DC变换器的基本功能

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

燃料电池电动汽车化范围的直流电压，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。

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况下（例如，从空载到满载，即电流从零到最大)，设备能正常运行（例如，电压稳定、不损坏器件）。★FCEV车载DC/DC的功能

调节燃料电池的输出电压

调节整车能量分配

稳定整车直流母线电压★FCEV车载DC/DC的要求

变换器是能量传递部件，因此需要转换效率高，以便提高能源的利用率；

燃料电池电动汽车

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；

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