第四章-燃料电池电动汽车的基本组成和结构

等效油耗（汽油L/100km)
加速车外噪声（dB(A)）
18.3
76.3
汽车爬坡试验
Performances
Motor power： Battery ： 24kW (60 kW) 50AH
FCE power： 30 kW
Max speed：
Grade ability ： Acceleration： Range ： Efficient：
1、燃料电池介绍
燃料电池（Fuel Cell）是一种将持续供给的燃料和氧 化剂中的化学能连续不断的转化成电能的化学装置。 车用两种：质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池
质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极（阳 极、阴极）、质子交换膜和集流板组成。 其具体反应步骤为：经增湿后的H2和O2分别进入阳极 室和阴极室，经电极扩散层扩散到达催化层和质子交换 膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应： 阳极： 阴极： 电池总反应：
温度控制单 元 辅助子系统
1、燃料电池车工作原理
急剧加速状态下，对应于峰值功率指令，燃料电池 系统与峰值电源两者都向电动机驱动装置供给牵引 功率； 在制动状态下，电动机运行于发电机状态，将部分 制动能量变换为电能，并储存在峰值电源中； 当负载功率小于燃料电池系统的额度功率时，峰值 电源也能从燃料电池系统补充、恢复其能量。
50
抗冲击测试（左边是高空坠落，右边是枪击）
抗冲击测试后进行评估
高压氢气罐耐高温测试
直流电流对人体的影响
500Ω/V
10000 5000 2000
100Ω/V
IEC 60479-1
电流持续时间 (ms)
1000 500 200 100 50 20 10 0.1 1 人体不会产生 反应的范围 不会产生有害 的生理影响的 范围
高电压· 大电流的碰撞保护 高压电系统的碰撞保护 轻量化带来的结构强度问题
照片 1 – 时间: 0分, 0 秒 – 氢燃料车辆在左边，汽 油车辆在右边
照片 2 – 时间: 0分, 3 秒 – 两种燃料点火，氢流 量2100SCFM，汽油流量680CC/min
外形尺寸 (mm):11,0702,4903,420 满载总质量 (kg)：15,000 载客数（人）：50 最高车速 (km/h)：70 最大爬坡度：≥15% 加速性能 (050km/h)：30s 续驶里程 (km)：≥ 200 (40km/h匀速，储氢 瓶压力15MPa)
Chinese National FCB Demonstration 超过8000km 的 道路行驶试验
2004年5月27日在天 安门广场展示
整车造型与色彩设计
整车性能指标
性能指标 最高车速（km/h) 最大爬坡度（％） 0→50km/h加速时间(s) 一次加氢(40km/h匀速) 续驶里程(km) 氢消耗量（kg/100km)
试验结果
86.4 18 30.90 568.7
(按35MPa计算）
4.848
照片 3 – 时间: 1分, 0 秒，氢流量减退，汽油车火 焰扩大
照片4 – 时间: 1分, 30 秒，
照片 5 – 时间: 2 分, 20 秒 – 内部爆燃
照片 6 – 时间: 2 分, 40 秒 – 驾驶座侧后轮胎爆裂
照片 7 – 时间: 2 分, 40 秒 – 驾驶座侧后轮胎 爆裂的残片飞到乘客侧
H 2 2H 2e
1 H 2 O 2 H 2O 2 1 O 2 2 H 2e H 2 O 2
质子交换膜燃料电池的反应原理
阳极反应生成的质子（H+）通过质子交换膜传导到达 阴极，阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。生成的 水以水蒸汽或冷凝水的形式由过剩的阴极反应气体从阴极 室排出。
现代电动汽车技术
第四章
燃料电池车的基本组成和结构
主要内容 概述 燃料电池车的结构 燃料电池车的关键问题

一、概述
2002 年1 月9 日， 美国能源部宣布新的汽车研究 项目，FreedomCAR项目，长期目标是实现高效、价廉、 无污染：研究先进、高效的燃料电池技术，用氢燃料作 动力，不产生任何污染。该项目继续对电动汽车进行专 项研究，但是重点是发展氢燃料电池电动汽车。
线传操控系统
底盘线传操纵控制技术（Hy-Wire概念车)
6、发展前景
谢谢大家！
每讲一帖
天下之难事，必作于易；天下 之大事，必作于细。
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燃料电池的优势：
（1）效率高，燃料电池的化学反应不受卡诺循环的限制， 理论上能量效率可接近80％，实际效率已达50～70%。 （2）清洁无污染。 （3）效率随输出功率变化的特性好，燃料电池的效率在额 定功率附近可达60％，部分功率下运行时效率会高于额定功 率下的效率，可达约70%，过载功率下运行时效率略低于额 定功率的效率，可达50～55％。燃料电池的效率随输出功率 变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。 （4）过载能力强，燃料电池的短时过载能力可达200％的额 定功率，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。 （5）设计方便性 （6）低噪音
110 km/h
> 20％ 15.9s 220 km 0.98 kg/100km
二、燃料电池车结构
1、燃料电池车工作原理
制动 踏板 电动机驱动子系统 电动机 控制器 车轮 电机 机械传动装置 车轮 车辆控制器 加速踏板
燃料电 池系统
电子接 口设备
辅助电源
功率控制 单元 方向盘
峰值电源 能源子系统
燃料电池的不足：
1、压缩氢气存储空间问题。
2、存储的安全性及系统效率。
3、氢燃料的供给设施
甲醇经过重整, 重整产物为氢气、碳氧化物。 甲醇在重整器中发生的反应如下：
2、燃料电池车示例
燃料电池大客车
Fuel Cell Bus of Daimler-Chrysler
燃料电池城市客车设计参数
2
5
10 20 50 100 身体电流 (mA)
200
500 1000
10000
对人体造成有害的生理影响的容许电流值为2mA~10mA
为此必须确保在任何情况下电系统的绝缘阻抗值＞100Ω/Ｖ
3、可靠性
4、供氢
（1）车载制氢 （2）车载纯氢 1）高压氢气储存 2）液态氢储存 3）金属氢化物储氢 4）活性炭吸附贮氢 5）碳纳米材料贮氢
双向DCDC 放电：50kW 充电：20kW 镍氢或锂离子电池 80~100Ah 200～250V 目标样车
丰田燃料电池车市客车FCHV
戴姆勒-克莱斯勒燃料电池城市客车
燃料电池轿车
三、燃料电池车的关键问题
1、经济性
节省耗氢，匹配优化 技术难点：耗氢估计
2、安全性
氢泄漏· 滞留 氢易燃易爆性 氢脆性 氢安全 电安全
2、燃料电池控制策略
3）牵引模式 A. 若电动机输入功率大于燃料电池系统的额定功率，则应用混 合牵引模式。燃料电池系统运行在其额定功率状态，而剩余 的功率的功率需求由峰值电源供应。 B. 若电动机输入功率小于燃料电池系统预设的最小功率，且峰 值电源需要充电，则燃料电池系统以额定功率运行，一部分 功率用于驱动系，另一部分功率用于峰值电源。弱峰值电源 不需要充电，则燃料电池系统运行于空载状态，由峰值电源 单独驱动车辆。 C. 若负载功率大于燃料电池锁预设的最小功率，并小于燃料电 池的额度功率，同时峰值电源不需要充电，则由燃料电池单 独驱动车辆。若峰值电源需要充电，则燃料电池系统以额度 功率运行，其一部分功率用于驱动车辆，另一部分功率用于 向峰值电源充电。
2、燃料电池控制策略
功能： 1）电动机的输出功率始终满足功率要求； 2）峰值电源的能级始终维持在最佳范围； 3）燃料电池系统运行在其最佳运行区。
2、燃料电池控制策略
1）停顿模式
燃料电池系统和峰值电源都不向驱动系供 给功率，燃料电池系统可运行在空载状态。
2）制动模式
燃料电池系统运行在空载状态，而峰值电 源依据制动系统运行特性吸收再生制动能 量。
表2.3 各储氢方法对氢气纯度的要求
存氢方法 高压氢 液 氢 金属储氢 活性炭 纳米碳管 氢气纯度 纯氢 高纯氢 超纯氢 超纯氢 超纯氢 99% 99.999% 99.9999% 99.9999% 99.9999% 要求
5、控制系统
燃料电池城市客车动力系统主要由燃料电池发动机、 动力蓄电池、DC/DC变换器、能量控制单元、电机等及 其控制系统组成。
3、布置形式
问题：成本、重量、耗氢、动态响应、无法制动回收
问题：电池、控制复杂
问题：可回馈、性能优、容量小
问题：电池、系统复杂
问题：对电池有利、飞轮
4、整体结构与设计
混合动力燃料电池大客车原理
电动车控制器
系统构型
驱动电机 额定100kW 最大180kW
上海神力 燃料电池 130kW