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燃料电池电动汽车

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  • 发布时间:2016/1/20 15:04:25
  • 作者:ly_yinhe
定义
采用燃料电池做电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV),其动力源是用燃料电池发动机—电动机系统,燃料电池驱动系统是FCEV的核心部分,不同燃料作为动力源,发动机系统组成是有区别的。目前多以压缩氢气或液化氢气及作为基本燃料。
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燃料电池电动汽车简介

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图示:一种燃料电池电动汽车剖面图

  燃料电池电动汽车(FCEV)是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较,其动力方面的不同在于FCEV用的电力来自车载燃料电池装置,电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此,FCEV的关键是燃料电池。

  燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。发电的基本原理是:电池的阳极(燃料极)输入氢气(燃料,氢分子(H2)在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子(H+)和电子(e-),H+穿过燃料电池的电解质层向阴极(氧化极)方向运动,e-因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极;在电池阴极输入氧气(O2),氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子(O),与通过外部电路流向阴极的e-和燃料穿过电解质的H+结合生成稳定结构的水(H2O),完成电化学反应放出热量。这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的,只要阳极不断输入氢气,阴极不断输入氧气,电化学反应就会连续不断地进行下去,e-就会不断通过外部电路流动形成电流,从而连续不断地向汽车提供电力。与传统的导电体切割磁力线的回转机械发电原理也完全不同,这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。因而,燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点,这确保了FCEV成为真正意义上的高效、清洁汽车。

  为满足汽车的使用要求,车用燃料电池还必须具有高比能量、低工作温度、起动快、无泄漏等特性,在众多类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)完全具备这些特性,所以目前FCEV所使用的燃料电池都是PEMFC。

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燃料电池电动汽车分类

01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。

02按“多电源”的配置不同,可分为以下四类

  1、纯燃料电池驱动的FCEV

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。

  纯燃料电池驱动的FCEV系统结构简单,便于实现系统控制和整体布置;系统部件少,有少于整车的轻量化;较少的部件使得整体的能量传递效率较高,提高了整车的燃料经济性。

  但是,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;不能进行能量回收。

  2、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动(FC+B)的FCEV

燃料电池与辅助蓄电池联合驱动(FC+B)的FCEV

  燃料电池与辅助蓄电池联合驱动(FC+B)的FCEV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;工作时燃料电池的效率较高;汽车的冷启动性能较好;可以回收汽车制动时部分能量,使整车的能量效率提高。

  但是,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;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。

  3、燃料电池与超级电容联合驱动(FC+C)的FCEV

  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。

  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

燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动(FC+B+C)的FCEV

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燃料电池电动汽车特点

  与传统汽车相比,燃料电池电动汽车与传统的内燃机驱动汽车在构造及动力传输等方面的不同,为汽车的整体设计提出了新的要求。传统内燃机汽车的发动机——变速器动力总成在燃料电池电动汽车中不复存在,取而代之的是燃料电池反应堆、蓄电池、氢气罐、电动机、DC/DC转化器等设备,而制动系统和悬架也相应变化。因此,根据燃料电池电动汽车自身特点,在设计时,应作相应的变化和改进。

  燃料电池电动汽车具有以下优点:

  1. 效率高。燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程,不受卡诺循环的限制,能量转换效率较高,可以达到30%以上。

  2. 续驶里程长。采用燃料电池系统作为能量源,克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点,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。燃料电池没有燃烧过程,以纯氢作燃料,生成物只有水,属于零排放。采用其它富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料,生产物除水之外还可能有少量的CO2,接近零排放。

  4. 过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外,其短时过载能力可达额定功率的200%或更大。

  5. 低噪音。燃料电池属于静态能量转换装置,除了空气压缩机和冷却系统以外无其它运动部件,因此与内燃机汽车相比,运行过程中噪音和振动都较小。

  6. 设计方便灵活。燃料电池电动汽车可以按照X-By-Wire的思路进行汽车设计,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。

  燃料电池电动汽车的主要缺点有:

  1. 燃料电池电动汽车的制造成本和使用成本过高。

  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。

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燃料电池电动汽车关键技术

01燃料电池系统

  燃料电池是燃料电池电动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。

02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、低温储氢和金属氰化物储氢3种基本方法。

03车载蓄电池系统

  车载蓄电池系统包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等蓄电池及化学超级电容器。

04电动机及其控制技术

  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的应用前景。感应电动机非常适合电动汽车的控制。

05整车热管理

  燃料电池发动机自身的运行温度为60~70度。与环境温度相比,温差不大,造成燃料电池电动汽车无法像传统汽车一样依赖环境温差散热。转而必须依靠整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散热。

06整车与动力系统的参数选择与优化设计

  随着国内汽车保有量持续快速增长,公路交通所消耗的石油资源占全国石油消耗总量的份额不断攀升。提供给用户低油耗并具备良好动力性能的汽车产品成为目前汽车追求的主要目标之一。

  对汽车的动力性和燃料经济性影响最大的是发动机的运行特性以及传动系统的速比和效率。整车性能匹配通常是先确定发动机资源,然后合理匹配传动系统参数以实现整车综合性能的设计目标,这是典型的优化设计过程,必须通过专业的汽车性能仿真软件和专业的优化软件相结合来完成这个过程。

07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。


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