燃料电池电动汽车类型

NO.008 按多电源的配置分类 按燃料特点分类 按燃料存储方式分类 燃料电池电动汽车类型 燃料电池 汽车 直接燃料电池电动汽车 重燃料电池电动汽车 压缩氢燃料电池电动汽车 液态燃料电池电动汽车 合金吸附氢燃料电池电动汽车 纯燃料电池驱动（PFC） 燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B） 燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C） 燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C） AF：空气过滤器APP：加速踏板位置 BEV：电池电动汽车BPP：双极板 CAC：增压空气冷却器CAN：控制器区域网络CPR：压缩机FC：燃料电池 FCEV:燃料电池电动汽车MEA:膜电极组件 MIL：循环模型NEDC:新欧洲驾驶循环 NRV:止回阀REM:范围扩展模块 REX:范围扩展器RP:额定功率 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 燃料电池与辅助动力电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV 燃料电池发电基本原理 燃料电池发电的基本原理是，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分解为氢离子 （H+）和电子（e-），氢离子（H+）穿过燃料电池的电解质层向阴极（氧化极）方向运动，电子（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，氧气在阴极催化剂作用下分解为氧原子（O），与通过外部电路流向阴极的电子（e-）和燃料穿过电解质的氢离子（H+）结合成稳定结构的水（H20），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，电子（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。 催化剂：一种化学物质，可以提高反应速度并不会被消耗；在反应之后，它可以从反应混合物中恢复，在化学上不变。催化剂可以降低活化所需能量，允许更快地或在较低的温度进行反应。 燃料电池反应堆是一个化学“发电厂”，利用电解水的逆反应过程 从氢气和氧气化学反应过程中电荷转移得到电能。 2（H20）通电=2（H2）+（O2）负极：H2→2H++2e- 正极：1/2O2+2H++2e-→H2O 丰田两代燃料电池堆参数对比 款型 2008年型燃料电池堆 新型（Mirai）燃料电池堆 体积功率密度、质量功率密度 1.4kW/L、0.83kW/Kg 3.1kW/L、2kW/Kg 体积/质量 64L/108Kg 37L/56Kg 电池单体数量 400片（两排堆叠） 370片（一排堆叠） 电池单体厚度 1.68mm 1.34mm 电池单体重量 166g 102g 电池单体流场 直通道流场 3D精细网格流场 安装位置 电机舱 地板下方 储氢罐是气态氢的储存装置，用于给燃料电池提供氢气。为了保证燃料电池电动汽车一次充气有足够的续驶里程，就需要多个高压储气罐来储存气态氢气。一般轿车需要2-4个高压储气罐，大客车需要5-10个高压储气罐。 下图是丰田Mirai氢燃料电动汽车的储气罐图，其由两个储气罐组成， 容积分别为60L和62.4L，最大可以储存5公斤氢燃料，储气压力可达 70兆帕。罐体采用碳纤维+凯夫拉复合材质，其强度可以抵挡轻型枪 械的攻击。加满两个储气罐大约需要3-5分钟时间。 Mirai的工作原理为：储氢罐中的氢气与车头吸入的氧气在燃料电池 内发生反应，产生的电能驱动电机从而带动车辆；反应产生的剩余电能存入储能电池（充电电池）。 氢储存系统 为了保持足够的乘客空间和行李箱空间，氢气罐安装在后排座椅下方。对于大多的商用车和乘用车，氢气罐在车中的安装位置固定。 在HondaClarity，HyundaiNexo和ToyotaMirai中，氢气罐安装在后排座椅下方以及行李箱下方。 此外，本田从2008版FCXClarity的氢气罐从350bar逐渐发展为目前ClarityFuelCell的700bar。 在BREEZE项目中FC系统安装在行李箱下方，氢气储存在700bar后排座椅下方的罐中，其容积为34升。 为了防止水箱在发生火灾时爆裂，热激活释放阀安装在高压部分。 为了应对减压器机械故障，安全阀应该安装在中压部分中。在这两种情况下，氢通过隐藏在C柱中的排气管线在屋顶附近排出。 热管理系统 冷却系统的目的是独立于环境温度去控制工作温度。另一个目标是将FC堆栈的温度范围限制在最大10K。 由于排气热量在大约80°C时释放，而在内燃机气体温度为120°C，因此需要大约两倍的冷却器表面。 BREEZE项目中的冷却器充分利用整个纵梁之间的宽度，并且冷却器深度显着增加。大型单风扇由六个较小的风扇代替，以最小化结构空间并将冷却性能提高7％，同时将风扇功率降低110W。 此外，双极板、冷却器和端板设计减少压力损失。冷却液通过一台 12V的泵循环，其最大功率约为200W。 下图为整个冷却系统，在40℃的环境温度和80℃的冷却剂温度下，可以在约100km/h的车速和全风扇功率下提供超过36kW的FC总功率。这使得能够以120km/h的恒定速度在平路中驱动行驶时电池仍然维持充电模式。 由于FEVLiiona电子冷却回路的温度水平最高为55°C，但燃料电池 冷却回路中的温度可高达80°C，现在新设计的冷却系统分为两个回路。 用于电动压缩机的增程器，油冷却器和逆变器以及用于将FC堆栈连接到FEVLiiona的高压总线的升压转换器。 下图中灰色所示为低温冷却回路，黑色为高温冷却回路。 可以看到FC堆，增压空气冷却器和电动径向压缩机的电动机被冷却。冷却电路的设计使得可以根据燃料电池电流自由控制温度水平。 两个离子交换器分别位于平行于高温冷却器和增压空气冷却器之间 的空腔内，以确保冷却流体在所有运行工况下通过离子交换器。 低温回路和高温回路的冷却特性曲线 DC/DC转换器：FCEV的燃料电池需要装置单向DC/DC转换器，蓄电池和超级电容器需要装置双向DC/DC转换器。 DC/DC转换器的主要功能有调节燃料电池的输出电压，能够升压到650V；调节整车能量分配；稳定整车直流母线电压。 驱动电机：燃料电池电动汽车使用的驱动电机主要有直流电机、交 流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。 丰田FCV作为一款氢燃料电池车，前后轴各配备了一台最大输出功率114kW，最大扭矩335Nm的电动机。虽然Mirai的车重超过了1.8吨，但扭矩输出依然保证了其良好的中低速响应。 整车控制器：控制系统是FCEV的控制核心，由燃料电池管理系统、电池管理系统、驱动电机控制器等组成，它一方面接受来自驾驶员的需求信息（如点火开关/加速踏板/制动踏板/档位位置信号等）实现整车工况控制；另一方面基于反馈的实际工况（车速/制动/电机转速等）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），根据预先设定好的多能源控制策略进行能量分配调节控制。 高压系统集成：高压系统的集成如图所示，现有的FEVLiiona高压系统由牵引电池、电动机、逆变器和车载充电器、电加热器和12VDC/DC组成。REM通过高压升压转换器集成到现有的高压系统中。为了能够完全分离REX系统，一个继电器集成在正电源线中，一个集成在负高压电源线中。这需要预充电电路来缓慢地为REX系统的容量充电。REM和压缩机都通过适当的保险丝连接。 高压系统的系统设计参数 燃料电池还必须提供30千瓦的最小净功率，以便使得汽车能够在水平高速公路路面上以120公里/小时的速度行驶，并使陡峭的高速公路路段的电荷维持模式高于重型卡车。为了满足良好的封装要求，采用以下技术方法来提高体积功率密度：①增压空气；②消除体积和质量较大的组件如膜加湿器；③使用薄金属双极板（BPP）减少电池间距；④将BOP组件集成到燃料电池堆的端板中。 燃料电池电动汽车优点： 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，而传统汽油机和柴油机汽车效率分别为16%-18%和22%-24%。 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。采用其他富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池汽车的燃料，生成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）低噪声：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他运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪声和振动都较小。 燃料电池电动汽车的缺点： 1）燃料电池电动汽车的制造成本和使用成本较高。 2）辅助设备复杂，且重量和体积较大。 3）启动时间长，系统抗振能力有待进一步提高。 此外，在FCEV受到振动或者冲击时，各种管道的连接和密封的可靠性需要进一步提高。