燃料電池電動(dòng)汽車的研究

1、 149實(shí)驗(yàn)研究 ·燃料電池電動(dòng)汽車的研究王 盛 王寶琦 李曉磊 汪作霖 楊宇軒 (齊齊哈爾工程學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161005 摘 要:隨著人類環(huán)保意識(shí)的不斷提升 , 汽車行業(yè)同樣與時(shí)俱進(jìn), 不斷研發(fā)最新型的節(jié)能環(huán)保車, 其中包括燃料電池電動(dòng)汽車。 燃料電池電 動(dòng)汽車實(shí)質(zhì)上是電動(dòng)汽車的一種 , 在車身 、 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)等方面, 燃料電池電動(dòng)汽車與普通電動(dòng)汽車基本相同, 主要區(qū)別在于動(dòng)力 電池的工作原理不同。 本文從燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)原理方面進(jìn)行了 詳細(xì)的分析。 關(guān)鍵詞:汽車行業(yè); 燃料電池電動(dòng)汽車; 結(jié)構(gòu)原理作者簡介:王盛, 王寶琦, 李曉磊, 汪作霖, 楊宇軒

2、, 齊齊哈爾 工程學(xué)院交通工程系汽車服務(wù)工程專業(yè)在校本科生。采用燃料電池作電源的電動(dòng)汽車稱為燃料電池電動(dòng)汽車 (Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV。 FCEV一般以質(zhì)子交換膜 燃料電池 (PEMFC作為車載能量源。1 燃料電池電動(dòng)汽車的分類 FCEV按主要燃料種類可分為:(1 以純氫氣為燃料的 FCEV; (2 經(jīng)過重整后產(chǎn)生的氫氣為燃料的FCEV。 FCEV按 “多電源” 的配置不同, 可分為:(1 純?nèi)剂想?池驅(qū)動(dòng) (PFC 的FCEV; (2 燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng) (FC+B 的FCEV; (3 燃料電池與超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng) (FC+C 的FCEV; (

3、4 燃料電池與輔助蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng) (FC+B+C 的FCEV。2 燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)原理純?nèi)剂想姵仉妱?dòng)汽車只有燃料電池一個(gè)動(dòng)力源, 汽車的所 有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)。 燃料電池系統(tǒng)將氫氣與氧氣反 應(yīng)產(chǎn)生的電能通過總線傳給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī), 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn) 化為機(jī)械能再傳給傳動(dòng)系, 從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。優(yōu)點(diǎn):(1 結(jié)構(gòu)簡單, 便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和整體布置; (2 系統(tǒng)部件少, 有利于整車的輕量化; (3 較少的部件使得整體 的能量傳遞效率高, 從而提高整車的燃料經(jīng)濟(jì)性。缺點(diǎn):(1 燃料電池功率大、 成本高; (2 對(duì)燃料電池系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求; (3 不能進(jìn)行制

4、動(dòng)能 量回收。為 了有效地解決上述問題, 必須使用輔助能量存儲(chǔ)系統(tǒng)作 為燃料電池系統(tǒng)的輔助動(dòng)力源, 和燃料電池聯(lián)合工作, 組成混 合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)汽車。 從本質(zhì)上來講, 這種結(jié)構(gòu)的燃料電 池電動(dòng)汽車采用的是混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。 它與傳統(tǒng)意義上的混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的差別僅在于發(fā)動(dòng)機(jī)是燃料電池而不是內(nèi)燃機(jī)。 在燃料 電池混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)汽車中, 燃料電池和輔助能量存儲(chǔ)裝置共同 向電動(dòng)機(jī)提供電能, 通過變速機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)汽車行駛。優(yōu)點(diǎn):(1 由于增加了比功率價(jià)格相對(duì)低廉得多的蓄電池 組, 系統(tǒng)對(duì)燃料電池的功率要求較純?nèi)剂想姵亟Y(jié)構(gòu)形式有很大 的降低, 從而大大地降低了整車成本; (2 燃料電池可以在比 較好的設(shè)定的工作

5、條件下工作, 工作時(shí)燃料電池的效率較高; (3 系統(tǒng)對(duì)燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求較低; (4 汽車的冷 啟動(dòng)性能較好; (5 制動(dòng)能量回饋的采用可以回收汽車制動(dòng)時(shí) 的部分動(dòng)能, 該措施可能會(huì)增加整車的能量效率。缺點(diǎn):(1 蓄電池的使用使得整車的質(zhì)量增加, 動(dòng)力性和 經(jīng)濟(jì)型受到影響, 這一點(diǎn)在能量復(fù)合型混合動(dòng)力汽車上表現(xiàn)更 為明顯; (2 蓄電池充放電過程會(huì)有能量損耗; (3 系統(tǒng)變得 復(fù)雜, 系統(tǒng)控制和整體布置難度增加。目前燃料電池電動(dòng)汽車絕大多數(shù)采用的是混合式燃料電 池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 將燃料電池與輔助動(dòng)力源相結(jié)合, 燃料電池可以 只滿足持續(xù)功率需求, 借助輔助動(dòng)力源提供加速、 爬坡等所需 的峰值

6、功率, 而且在制動(dòng)時(shí)可以將回饋的能量存儲(chǔ)在輔助動(dòng)力 源中 。 混合式燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種。在FCEV所采用的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中, 為保證PEMFC組的正 常工作, 除以PEMFC組為核心外, 還裝有氫氣供給系統(tǒng)、 氧氣供 給系統(tǒng)、 氣體加濕系統(tǒng)、 反應(yīng)生成物的處理系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)和電 能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。 只有這些輔助系統(tǒng)匹配恰當(dāng)和正常運(yùn)轉(zhuǎn), 才能 保證燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。(1 氫氣供應(yīng)、 管理和回收系統(tǒng)。 氣態(tài)氫的儲(chǔ)存裝置通常 用高壓儲(chǔ)氣瓶來裝載。 液態(tài)氫氣雖然比能量高于氣態(tài)氫, 由于 液態(tài)氫氣是處于高壓狀態(tài), 不但需要用高壓儲(chǔ)氣瓶儲(chǔ)存, 還要 用低溫保溫裝置來保持低溫, 低溫的保溫裝置是一套復(fù)雜的系 統(tǒng)。(2 氧氣供應(yīng)和管理系統(tǒng)。 氧氣的來源有從空氣中獲取氧 氣或從氧氣罐中獲取氧氣, 空氣需要用壓縮機(jī)來提高壓力, 以 增加燃料電池反應(yīng)的速度。(3 水循環(huán)系統(tǒng)。 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在反應(yīng)過程中將產(chǎn)生水 和熱量, 在水循環(huán)系統(tǒng)中用冷凝器、 氣水分離器和水泵等對(duì)反 應(yīng)生成的水和熱量進(jìn)行處理, 其中一部分水可以用于空氣的加 濕。(4 電力管理系統(tǒng)。 燃料電池所產(chǎn)生的是直流電, 需要經(jīng) 過DC/DC變換器進(jìn)行調(diào)壓, 在采用交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中, 還 需要用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。 燃料電池電動(dòng)汽車的研究