新能源汽车技术 第6章 燃料电池电动汽车

规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 1 页6 6.1 1 概述概述6 6.2 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 6 6.3 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6 6.4 4燃料电池电动汽车车型实例燃料电池电动汽车车型实例规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 2 页 6.1.1 燃料电池电动汽车的类型燃料电池电动汽车的类型 FCEV按主要燃料种类可分为按主要燃料种类可分为（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。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 3 页FCEV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）纯燃料电池驱动（PFC）的FCEV；（2）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV；（3）燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV；（4）燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 4 页 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。纯燃料电池电动汽车的动力系统如下图所示： 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 5 页优点优点：（1）系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置； （2）系统部件少，有利于整车的轻量化； （3）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。缺点缺点：（1）燃料电池功率大、成本高； （2）对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求； （3）不能进行制动能量回收。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 6 页 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。 结构如下图所示：规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 7 页优点：优点： （1）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； （2）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； （3）系统对燃料电池的动态响应性能要求较低； （4）汽车的冷启动性能较好； （5）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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 8 页缺点：缺点：（1）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；（2）蓄电池充放电过程会有能量损耗；（3）系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 9 页 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。随着超级电容技术的不断进步，这种结构将成为一种新的重要研究方向。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 10 页 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。在该动力系统结构中，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，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 11 页规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 12 页 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： （1）增加了超级电容，整个系统的质量将可能增加； （2）系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。 总的来说，如果能够对系统进行很好的匹配和优化，这种结构带来的汽车的良好的性能具有很大的吸引力。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 13 页 在三种混合驱动中，FC+B+C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FC+B组合。这是因为它具有以下特点： （1）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，动力电池提供峰值功率； （2）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； （3）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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 14 页 1.燃料电池汽车的优点：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：其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车；（3）绿色环保：生成物只有水，属于零排放；（4）过载能力强：短时过载能力可达额定功率的200或更大；（5）低噪音：运行过程中噪音和振动都较小；（6）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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 15 页 （1）燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高 燃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。 （2）辅助设备复杂，且质量和体积较大 （3）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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 16 页 （1）燃料电池的比能量不低于150200Wh /kg, 比功率不低于300400 W/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。 （2）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。 （3）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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 17 页 （4）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。 （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减小, 以符合FCEV的装车要求。 （6）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。 （7）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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 18 页 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。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)。 另外，作为车用燃料电池系统还需要攻克许多工程技术壁垒，包括：系统启动与关闭时间、系统能量管理与变换操作、电堆水热管理模式以及低成本高性能辅助设施(包括空气压缩机、传感器和控制系统)等。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 19 页 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。复合式储氢模式的技术难点是如何开发吸、放氢性能好，成型加工性良好，质量轻的储氢材料。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 20 页 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。 （1）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。 （2）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。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 21 页 （3）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。 （4）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。但其能量密度低，能否作为独立的车用动力系统大规模推广，还有待更多运行数据佐证。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 22 页 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。由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。矢量控制有最大效率控制和无速度传感器矢量控制，而直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 23 页 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、氢气瓶的安全布置以及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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 24 页 燃料电池汽车整车热管理有两方面特性需要关注： （1）料电池发动机自身的运行温度为6070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； （2）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。 另外，与整车散热系统密切相关的车用空调系统开发也是整车企业必须关注的。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 25 页 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，只有在建立准确的仿真模型基础上，经过反复寻优计算才可能达到较好的设计结果。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 26 页 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。 作为能量管理策略中的一部分，制动能量回馈是提高燃料经济性的重要措施，也是一个难点问题。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 27 页 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。 串联式 并联式规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 28 页 在FCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFC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。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。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 29 页 燃料电池发动机系统 总布置基本结构模型 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 30 页 （1）氢气供应、管理和回收系统）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。 （2）氧气供应和管理系统）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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 31 页 （3）水循环系统）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。另外还需要装置一套冷却系统，以保证燃料电池的正常运作。 （4）电力管理系统）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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 32 页 燃料电池发动机系统 总布置基本模型 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 33 页 （1）甲醇储存装置）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）燃烧器、加热器和蒸发器 甲醇进入改质器之前，要蒸发成甲醇和纯水的混合气。 （3）重整器）重整器 重整器是将甲醇用改质技术转化为氢气的关键设备。不同的碳氢化合物采用不同的重整技术，在重整过程中的温度、压力会有所不同 。 （4）氢气净化器）氢气净化器 改质器所产生的H2因为含有少量的CO，因此必须对H2进行净化处理。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 34 页 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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 35 页 （1）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。 （2）车辆行驶时，由燃料电池发动机提供驱动所需全部电能，剩余的电能储存到辅助动力源装置中。 （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。 （4）贮存制动时反馈的电能，以及向车辆的各种电子、电器设备提供所需要的电能。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 36 页 1装置装置DC/DC的必要性的必要性 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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 37 页 2DC/DC变换器的基本功能变换器的基本功能 （1）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）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）。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 38 页 3FCEV车载车载DC/DC的功能的功能 （1）调节燃料电池的输出电压 由于燃料电池的输出特性较软，难以满足驱动电机控制器的需求，所以借助DC/DC变换器对燃料电池的输出电压进行调节。 （2）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。 （3）稳定整车直流母线电压 燃料电池的输出电压经过DC/DC变换器后能稳定整车直流母线电压。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 39 页 4FCEV车载车载DC/DC的要求的要求 （1）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； （2）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； （3）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态调节能力； （4）体积小，重量轻。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 40 页 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。 （1）直流电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。 （2）交流电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、成本低，尤其适合恶劣的工作环境。其缺点在于损耗大、效率低、功率因数低，进而导致控制器容量增加，成本上升。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 41 页 （3）永磁电机驱动系统通常可分为方波供电的无刷直流电机和正弦波供电的永磁同步电机。转子采用永磁体，不需要励磁。因此，功率因数大，电机具有较高的功率密度和效率。但仍然存在成本高、可靠性较低及使用寿命较短的缺点。 （4）开关磁阻电机驱动系统作为一种基于“磁阻最小原理”设计的新型电机，定子、转子均采用凸极结构，具有结构简单、可靠性高、控制简便及功率/转矩特性优越的特点。但存在噪声大、转矩和母线电流脉动严重的缺陷。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 42 页 燃料电池汽车的动力电控系统主要由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 ) 及整车控制系统(VMS)组成，而原型车的变速器系统会简化很多。其系统结构框图如下： 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 43 页 燃料电池发动机管理系统按整车控制器的功率设定值控制燃料电池发动机的功率输出，监测发动机的工作状态，保证发动机稳定可靠地运行时进行故障诊断及管理。其具体组成包括供氢系统、供氧系统、水循环及冷却系统。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 44 页 蓄电池管理系统分上下两级，下级LECU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；上级CECU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，同时运行高压漏电保护策略。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 45 页 动力控制系统包含DC /DC变换器、DC/AC变换器、DCL和空调控制器及空调压缩机变频器，以及电动机冷却系统控制器。DC /DC变换器和DC /AC变换器的作用如前所述，DCL负责将高压电源转换为系统零部件所需的12V/24V低压电源，电动机冷却系统控制器负责电动机及PCU的水冷却系统控制。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 46 页 整车控制系统的核心是多能源控制策略（包括制动能量回馈功能），它一方面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；另一方面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。当然,整车的故障诊断及管理也由它负责。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 47 页 6.3.1 驱动电机驱动电机 1电机的选型 受有限的车内空间、恶劣的工作环境及频繁的运行工况切换影响，燃料电池汽车用电机必须具有以下特性：高功率密度以满足布置要求；瞬时过载能力强；以满足加速和爬坡要求；宽的调速范围(包括恒转矩区和恒功率区)；转矩动态响应快；在运行的整个转矩- 转速范围内具有高效率；以提高能量利用率；四象限运行；状态切换平滑；高可靠性及容错控制；成本合理 。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 48 页规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 49 页 与传统汽车相类似，为保证各种行驶工况需要，满足汽车动力性要求，必须根据车辆动力性指标来研究电机驱动系统性能参数，即由最高车速、加速时间和最大爬坡度三个指标来评定。电机参数主要包括额定功率、最大功率、最大转矩、额定转速、最高转速以及扩大恒功率区系数。 定义扩大恒功率区系数为电机的最高转速和额定转速之比，即： ennmax规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 50 页 （1）电机的最高转速）电机的最高转速 电机的最高转速由最高车速和机械传动系统传动比来确定。增大电动机的最高转速有利于降低其体积、减轻重量，最高转速的增大导致传动比增大，从而会加大传动系统的体积、重量和传动损耗。因此应综合考虑各方面因素决定电机的最高转速。 Riun6 . 330maxmax规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 51 页 电机的最大转矩由最大爬坡度确定，汽车爬坡时车速很低，可忽略空气阻力，则有： 电机的最大功率取决于加速时间，并与扩大恒功率区系数有关。在最高转速一定，并保证同等加速能力的情况下，电机的扩大恒功率区系数越大，其最大功率越小，并随着扩大恒功率区系数的增大，最大功率趋于饱和。 maxmax0maxsincosmgmgfiRTg规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 52 页 扩大恒功率区系数的取值对于降低电机系统功率需求、减小电机驱动系统质量与体积、提高整车效率有着非常重要的意义。扩大恒功率区系数的取值取决于电机驱动系统类型及控制算法，通常取24。 水平路面上，车辆从0到目标车速 的加速时间为：auauwftuFFFmt0dauwftuFFFmt0d规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 53 页 车辆行驶驱动力与电机峰值功率、最大转矩之间的关系为： 一般峰值功率 满足加速性能指标要求，其折算后的最大转矩 也可以满足汽车爬坡性能指标要求，即 ，因此，电机最大转矩可设计为 = 。 eeetnnnRPinnRiTRnPiFmax00maxmax09550/9550maxPmaxTgTmaxmaxTmaxTmaxT规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 54 页 （3）额定功率和额定转矩 电机额定功率主要克服滚动阻力和空气阻力，可由下式确定： 电机的额定转矩为： 3600)(uFFPwfeeeenPT/9550规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 55 页 （4）工作电压 工作电压的选择设计到用电安全、元器件的工作条件等问题，工作电压过低，导致电流过大，从而导致系统电阻损耗增大，而工作电压过高，对逆变器的安全性造成威胁。一般燃料电池汽车工作电压为280400V，但目前工作电压的设计有增高的趋势。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 56 页 传动系的总传动比是传动系中各部件传动比的乘积，主要是变速器和主减速器的传动比的乘积。 电机的机械特性对驱动车辆十分有利，因此，传动系统有多个挡位时，驱动力图与内燃机汽车相比也有其特殊性，所以在选择挡位数和速比、确定最高车速时也与内燃机汽车不同。下面对可能出现的几种情况进行分析：规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 57 页 （1）电机从额定转速向上调速的范围足够大，即 时，选择一个挡位即可，即采用固定速比。这是一种理想情况。 （2）电机从额定转速向上调速的范围不够宽，即电机最高转速不能满足 时，应考虑再增加一个挡位。 （3）电机从额定转速向上调速的范围较窄，满足 ，此时增加一个挡位后车速无法衔接起来，可考虑再增加挡位或说明电机参数与整车性能要求不匹配，应考虑重新选择电机的参数。5 . 2/maxenn5 . 2/maxenn8 . 1/maxenn规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 58 页 由于燃料电池电动汽车的动力全部由电机提供，通过控制电机能够在较大的范围满足车速要求。最大传动比根据电机的最大转矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确定。 maxmaxmaxTRFi规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 59 页 汽车大多数时间是以最高档行驶的，即用最小传动比的挡位行驶。因此，最小传动比的选择是很重要的。应考虑满足最高车速的要求和行驶在最高车速时的动力性要求。 （1）由最高车速和电机的最高转速确定传动系最小传动比的上限。 （2）由电机最高转速对应的最大输出扭矩和最高车速对应的行驶阻力确定传动系最小传动比的下限。maxmaxmin377. 0uRnimaxmaxminuuTRFi规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 60 页 燃料电池功率的选择对燃料电池电动汽车的动力系统结构设计非常重要。燃料电池功率偏大，车辆的成本增加；燃料电池功率偏小，在某些大负荷行驶工况（如加速、爬坡等）需要辅助能源提供的动力增加，这使得燃料电池数量增加，整车重量、成本上升，系统效率下降，整车布置难度增加，燃料电池均衡控制难度增加等。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 61 页 燃料电池电动汽车是由燃料电池提供平均行驶功率，在加速、爬坡、高速等大负荷工况下蓄电池输出电能辅助驱动，因而燃料电池功率选择的依据是平均行驶阻力功率。 平均行驶阻力功率是由车辆整车参数和行驶工况来决定的，可用下式表达： niiiavtPTP11规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 62 页 对于燃料电池城市客车，平均行驶阻力功率也可以选取中国典型城市循环工况来确定。如下所示： 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 63 页 平均行驶阻力功率可由加速和匀速行驶过程中消耗的能量来计算： 实际计算中，燃料电池电动汽车的燃料电池应能单独提供汽车最大速度稳定运行所要求的功率，并留有一定的富余功率对蓄电池充电，所以按汽车的最高车速下的平均行驶阻力功率计算燃料电池的需求功率： mitnjtttvaaviajvtuFtuFttP1010_dd176140360013maxmaxAuCGfuPDcmTfc规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 64 页 燃料电池输出功率大部分转化为驱动能量，剩余部分用于满足辅助系统的功率需求。在纯燃料电池驱动的情况下，输出功率为： 在实际运行时，为了保证对电机的电力供应以及对蓄电池进行充电，燃料电池应留有一定的后备功率。 parfcfcoutfcPPP_规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 65 页 由此可见，燃料电池功率的选择应遵循以下原则： （1）SOC值在循环工况前后维持不变.，从而确保燃料电池是整个行驶过程中功率消耗的唯一来源，因此燃料电池的功率应大于平均行驶阻力功率。 （2）燃料电池的最大功率应不高于车辆以最高速稳定行驶时的需求功率，避免燃料电池单独驱动状态下有过多的富裕功率。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 66 页 燃料电池电动汽车的辅助动力源为蓄电池组，在汽车起步的工况下，完全由辅助动力源提供动力；当汽车在加速或爬坡等工况时，为主动力源提供补充；同时在汽车制动时吸收制动回馈的能量。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 67 页 1电池类型的选择电池类型的选择 辅助动力源用的蓄电池要在整车有较大功率需求时，可以对其进行大电流的放电，待燃料电池响应跟上后放电电流就大幅降低，大电流放电的持续时间不长；在整车进行制动回馈时，又可以在短时间内接受较大电流的充电，即电池要具有瞬间大电流充放电的能力，虽然充放电电流很大，但由于持续时间都较短，因此电池的充电或放电深度都不大，电池的荷电状态(SOC)的波动范围也不大。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 68 页规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 69 页 由上表分析看出，电池的选型存在诸多方案，但目前主流是金属氢化物镍电池和锂离子蓄电池。其中，金属氢化物镍电池目前已在电动工具、电动车辆和混合动力汽车中逐步得到应用。而锂离子蓄电池的诸多优点也引起了世界各国极大的研究兴趣。 对于燃料电池电动客车，超级电容作为辅助动力源是一个新选择。超级电容器是 依靠电解质与电极间形成特有的电双层结构和电极表面的氧化还原反应来存储能量。能量密度是普通电容的10100倍，循环使用寿命是500000次。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 70 页 （1）能回收大部分制动能量； （2）在混合驱动模式下能满足车辆驱动和辅助电器系统的功率需求。 蓄电池的功率需求包括最大放电功率需求和最大充电功率需求。 蓄电池的额度功率可由下式确定： parfcoutfcauxmratbatPPPPP_max_规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 71 页 蓄电池的质量为： 蓄电池的额度容量为： powbatratbatbatPm_disbatratbatenbatbatbatUmQ_规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 72 页 1. 帕萨特领驭氢燃料电池车帕萨特领驭氢燃料电池车 下图为上海大众帕萨特领驭燃料电池车动力总成系统。它主要由燃料电池发动机、驱动电机及其控制器、DC/DC变换器、锂离子动力蓄电池组等组成。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 73 页规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 74 页 福田燃料电池客车是一款集“一新、二超、三低、四高”等特点于一身的高档豪华客车。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。 福田自主研发的氢燃料电池客车采用了先进的燃料电池及匹配技术，排放物为纯净的水，而且达到了可以直接饮用的程度。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 75 页规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 76 页 本田FCXlarity燃料电池汽车本田独创的垂直系统单元结构（VFlow）燃料电池堆技术为核心，实现了燃料电池车所特有的独特外观设计和划时代的驾乘感觉。 该车具有在行驶中完全不排放CO2的终极清洁性能。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，与上一代FCX搭载的HondaFC燃料电池箱相比，功率由86kW提高至100kW，最大扭矩达到256N，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。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 77 页规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 78 页 丰田新型燃料电池混合动力车“FCHV-adv”的动力系统由燃料电池和镍氢蓄电池组成。除了提高燃料电池车性能外，还降低了系统辅助装置的能耗，并且改进了再生制动系统，使燃料效率比原FCHV提高25%。FCHV-adv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。该车在汽车前部、后部和两侧面都安装了碰撞传感器，探测到碰撞发生的瞬间，高压储氢罐阀门即刻关闭，以防氢气泄漏。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 79 页规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 80 页 雪佛兰Equinox燃料电池汽车使用了通用第四代氢燃料电池系统，该燃料电池组由440块串联电池组成，电力输出可达93kW，在车载73kW同步电动机的共同驱动下，0100km/h的加速只要12s，最高时速可达160km/h，其燃料电池的设计使用寿命为2年或8万公里，可以在低于零度的气候条件下正常启动及运行。 雪佛兰Equinox燃料电池汽车与上一代的燃料电池车相比，无论是在日常使用的便利性上，还是在动力系统的持久性上，都取得了长足的进步，再次印证了通用汽车在氢燃料电池车领域中的全球领导地位。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 81 页规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 82 页 梅赛德斯-奔驰Citaro公共燃料电池汽车外形尺寸为11.952.553.7m，可乘坐70人。该车采用PEM氢燃料电池，以氢气为核心燃料，并应用600V电动机加以驱动，其输出范围可达到200千瓦(269马力)。最高车速可达80km/h，耗氢量为1723kg/100km，一箱燃料可以行驶200250 km，位居世界同类产品领先水平。 规