新能源汽車實訓(xùn)指導(dǎo)書

1、圖一圖二1新能源汽車應(yīng)用技術(shù)課程一一新能源汽車結(jié)構(gòu)與工況實訓(xùn)指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康呐c要求1 .通過實驗，學(xué)生應(yīng)了解認識以氫為燃料的燃料電池汽車動力電池的基本構(gòu)成和工作原理；2 .通過實驗，學(xué)生應(yīng)掌握油-電混合動力汽沁能源汽車車動力總成及其主要部件的結(jié)構(gòu)與功能；3 .通過實驗，學(xué)生應(yīng)了解油-電混合動力汽車運行工況，分析汽油機子系統(tǒng)和電機子系統(tǒng)自動交替工作的運行狀態(tài)，總結(jié)其特點。二、實驗的主要儀器設(shè)備豐田普瑞斯2007版PSHEV油-電混合動力汽車1臺;NJLGPE-02然料電池仿真實訓(xùn)系統(tǒng)1套。圖1豐田普瑞斯油-電混合動力汽車圖2燃料電池仿真實訓(xùn)系統(tǒng)平臺豐田PRIUS普瑞斯2007版PSHEV油-電

2、混合動力汽車1臺。基本參數(shù)：裝有THS混合動力系統(tǒng)(ToyotaHybridSystem);1.5L直列四缸汽油機功率51.5kW;驅(qū)動電機為500V永磁無刷電機功率33kW;電動/發(fā)電機為永磁交流同步電機;201V饃-氫動力電池重75kg(由250個單體電池串連，每個1.2V);整車質(zhì)量1240kg;最高車速160km/h;油耗3.61L/100km。質(zhì)子交換膜燃料電池仿真實訓(xùn)系統(tǒng)以空冷型百瓦級PEMFC為測控對象，采用LabVIEW進行軟件設(shè)計，利用該平臺可以展現(xiàn)燃料電池的工作原理，測試燃料電池堆的性能和運行狀態(tài)，全面監(jiān)測各種參數(shù)與電池堆性能之間的關(guān)系，通過控制單元控制電池實際運行所需的工

3、作條件。實訓(xùn)系統(tǒng)包括：風(fēng)冷型質(zhì)子交換膜燃料電池堆、供氣單元、電力電子轉(zhuǎn)換單元、控制單元、負載實驗單元、系統(tǒng)控制分析軟件六部分。三、基礎(chǔ)知識新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。新能源汽車包括混合動力汽車（HEV）、純電動汽車（BEV包括太陽能汽車卜燃料電池電動汽車（FCEV）氫發(fā)動機汽車、其他新能源（如高效儲能器、二甲醛）汽車等各類別產(chǎn)品。1 .質(zhì)子交換膜燃料電池的原理質(zhì)子交換膜燃料電池，簡稱PEMFC由于它適用范圍廣，無需特殊的運行條件，可靠性高等特點

4、，使得它成為目前全球發(fā)展最迅速的一種燃料電池。由雙極板擴散電極、一個單電構(gòu)如圖3池單電池結(jié)構(gòu)原圖3質(zhì)子交換膜燃料電理圖圖PEMFC它（流場板卜和膜組成池，它的結(jié)所示。圖4質(zhì)子交換膜燃料電池電堆雙極板常用的材料有石墨板和改性金屬板，在雙擊板的兩側(cè)分別加工有燃料和氧化劑的流場流場主要是引導(dǎo)反應(yīng)劑在電池氣室內(nèi)的流動，確保整個電極反應(yīng)劑的均勻分布并排出生成物。另外，雙擊板還具有傳輸電流和阻氣作用。擴散電極分為兩部分，擴散層和催化層。擴散層一般以碳紙或碳布為基底，并涂以具有疏水功能的聚四氟乙烯（PTFE）使其具有多孔結(jié)構(gòu)。它的功能是支撐催化層、導(dǎo)電及為氣體擴散和生成水排出提供通道。催化層是由催化劑Pt/

5、C（或其它形式的催化劑）和（或）疏水性的PTEF構(gòu)成，它分別是燃料和氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)Load的場所。膜關(guān)鍵部件,采用全氟磺交換膜膜）。其主要H+的傳輸。陽極的燃料單電池輸出于單電池的和工作電電池往往功法直接驅(qū)動際應(yīng)用中者B單電池串聯(lián)等級功率的應(yīng)不同負載的需要。電堆功率的大小由單電池的個數(shù)和功率決定。圖是電池的目前主要酸型質(zhì)子（Nation擔(dān)當水合并隔離陰和氧化劑。功率取決輸出電壓流。由于單率較小，無負載，在實是由多個構(gòu)成不同電堆，以適4為實際電堆照片圖。PEMFC單電池的工作原理如圖5所示。圖5質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理圖燃料H2和氧化劑O2（或空氣）分別送入陽極和陰極流道，H2和氧化劑

6、分別通過陽極和陰極擴散層到達各自的催化層，陽極H2在催化劑的作用下發(fā)生電極反應(yīng)：222HHeHeat+-?+生成的H+穿過電解質(zhì)膜到達陰極，同時產(chǎn)生的電子經(jīng)過外電路也到達陰極。此時陰極的氧化劑同樣在Pt催化劑作用下和H+及電子發(fā)生反應(yīng)生成水，水通過電極隨反應(yīng)尾氣排出。陰極反應(yīng)式為：221222HeOHOHeat+-+?+總化學(xué)反應(yīng)為：22212HOHOHeatElectricalenergy+?+PEMFC具有以下主要特點：(1)可在室溫條件下運行，并啟動迅速。(2)能量轉(zhuǎn)化效率高。效率高達50%-60%,通過對余熱的二次利用，總效率可高達80%-85%,是普通內(nèi)燃機的2-3倍。(3)無污染，

7、可實現(xiàn)零排放。工作過程的唯一產(chǎn)物是水。(4)運行噪聲低，可靠性高。無機械運動部件，工作時僅有氣體和水的流動。(5)成本高(目前主要表現(xiàn)為材料價格昂貴)。2 .混合動力汽車混合動力是指那些采用傳統(tǒng)燃料的，同時配以電動機/發(fā)動機來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型。按照燃料種類的不同，主要又可以分為汽油混合動力和柴油混合動力兩種。目前國內(nèi)市場上，混合動力車輛的主流都是汽油混合動力，而國際市場上柴油混合動力車型發(fā)展也很快。混合動力汽車的優(yōu)點是：(1)采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機功率不足時，由電池來補充；負荷少時，富余的

8、功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。(2)因為有了電池，可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。(3)在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機，由電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)零”排放。(4)有了內(nèi)燃機可以方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。(5)可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資。(6)可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長使用壽命，降低成本。混合動力汽車的缺點：長距離高速行駛基本不能省油?；旌蟿恿ζ嚨年P(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動機與電機離

9、散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機電機和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)?；旌蟿恿偝梢詣恿鬏斅肪€分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等三種。(1)串聯(lián)式動力由發(fā)動機、發(fā)電機和電動機三部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)方式組成SHEV動力單元系統(tǒng)，發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構(gòu)驅(qū)動汽車。小負荷時由電池驅(qū)動電動機驅(qū)動車輪，大負荷時由發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電驅(qū)動電動機。當車輛處于啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機、電動機組和電池組共同向電動機提供電能；當電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機，當電池組缺電時則由發(fā)動機-發(fā)電機組向電池組充電。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

10、適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運行工況，可以將發(fā)動機調(diào)整在最佳工況點附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機的輸出來達到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機避免了怠速和低速運轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機械效率較低。(2)并聯(lián)式裝置的發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動汽車，發(fā)動機與電動機分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動又可以單獨驅(qū)動。當汽車加速爬坡時，電動機和發(fā)動機能夠同時向傳動機構(gòu)提供動力，一旦汽車車速達到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動機維持該速度。電動機既可以作電動機又可以作發(fā)電機使用，又稱為電動-發(fā)電機組。由于沒有單發(fā)動機可以直

11、接通驅(qū)動車輪，這種裝置的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，機與普通汽車差不多，泛的應(yīng)用。(3)混聯(lián)式裝置包含并聯(lián)式的特點。動發(fā)動機、發(fā)電機和助力裝置不同，它又為主和電機為主兩為主的形式中，發(fā)動力源，電機為輔助動為主的形式中，發(fā)動動力源，電機為主動的優(yōu)點是控制方便，比較復(fù)雜。四、實驗的內(nèi)容與1,豐田油-電混合驗內(nèi)容發(fā)電機MGI獨的發(fā)電機，過傳動機構(gòu)更接近傳統(tǒng)械效率損耗得到比較廣了串聯(lián)式和力系統(tǒng)包括電動機，根據(jù)分為發(fā)動機種。以發(fā)動機機作為主動力源；以電機機作為輔助力源。該結(jié)構(gòu)缺點是結(jié)構(gòu)方法、步驟動力汽車實電混合動力其主要部件豐田混聯(lián)式油-汽車動力總成的及的結(jié)構(gòu)與功能。圖6豐田普瑞斯THSII混和動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖THSI

12、I結(jié)構(gòu)-發(fā)動機采用1NZ-FXE阿特金森式直列/4缸16氣門雙頂置凸輪軸1.5升汽油發(fā)動機。THSII結(jié)構(gòu)-驅(qū)動橋包含交流500V電動機，發(fā)電機，行星齒輪，減速齒輪和主減速齒輪。使用連續(xù)變速傳動裝置達到操作的平滑性和寧靜性。圖7THSII結(jié)構(gòu)-發(fā)動機圖8THSII結(jié)構(gòu)-驅(qū)動橋構(gòu)-HV圖9THSII結(jié)電池圖頻器電池采用全封10THSII結(jié)構(gòu)-變THSII結(jié)構(gòu)-HV201.6V直流HV閉的銀-氫(Ni-MH)蓄電池以減輕重量，安裝位于后備箱內(nèi)后排座位下。THSII結(jié)構(gòu)-變頻器變頻作用：直流？交流高電壓；變壓作用：直流200V升至直流500V;直流-直流車t換：直流200V降至直流12V;A/C變頻

13、器：DC-ACB動,A/C壓縮機。(2)觀察混聯(lián)式油-電混合動力汽車基本運行工況混聯(lián)式油-電混合動力汽車行駛方式：車輛可由汽油機來驅(qū)動，而無需對車輛進行充電；如果車輛電池的電量消耗，發(fā)動機會驅(qū)動發(fā)電機，對電池充電；車輛只有在“READY燈點亮?xí)r，才可行駛;為了改善燃油經(jīng)濟性，當車輛停止時，發(fā)動機停機；車輛起動后，發(fā)動機的起動由系統(tǒng)自動控制。油-電混合動力汽車的幾種典型運行工況：發(fā)動機為動力電池充電：動力電池容量低于額定值時，發(fā)動機自動為動力電池充電。啟動與低速行駛：汽車由靜止開始低速行駛時由驅(qū)動電機推動汽車前進。車速到達一定值時，電動/發(fā)電機”處于電動機狀態(tài)，啟動發(fā)動機；發(fā)動機啟動后，電動/發(fā)

14、電機”處于發(fā)電機狀態(tài)向動力電池充電。正常時速行駛：汽車由發(fā)動機驅(qū)動。加速行駛：發(fā)動機節(jié)氣門全開；發(fā)動機-驅(qū)動電機混合驅(qū)動。發(fā)動機動力傳遞路線是：發(fā)動機一THS混合動力系統(tǒng)一車輪；動力電池動力傳遞路線是：動力電池一電流轉(zhuǎn)換器一驅(qū)動電機一THS昆合動力系統(tǒng)一車輪;發(fā)動機-驅(qū)動電機的動力在THS混合動力系統(tǒng)上混合。由教師駕駛車輛行駛模擬混聯(lián)式油-電混合動力汽車三種基本運行工況，學(xué)生觀察并思考。發(fā)動機為動力電池充電工況演示驅(qū)動電機驅(qū)動低速行駛工況演示油-電混合動力驅(qū)動低速行駛工況演示圖11充電工況演示圖12電機驅(qū)動低速行駛工況演示monuorEngineMttryCurrentMOtkOH圖13油-電

15、混力驅(qū)動低速行2.氫燃料電池實驗內(nèi)容燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實訓(xùn)平臺如圖14所示，平臺中的設(shè)備主要包括：兩級減壓閥，減壓閥，壓力表,氣體流量計，燃料電池，電壓表和電流表各1個，功率表（可選作電壓表和電流表）3個，電源開關(guān)1個，負載開關(guān)2個，變阻器和LED燈各一組，直流電機及其調(diào)速器旋紐各一個，直流可編程電子負載1個，電路接口若干。直流可編程電子負載直流電機上位機顯示LED燈變阻器負載部分電源（DC/DC電源輸出（+）電源輸出（）電壓表（V（W）旋鈕阻性負載（+）阻性負載（直流電機（+）直流電機（圖14燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實訓(xùn)平臺展示燃料電池的工作原理，系統(tǒng)包括：一個PEM燃料電池，一個流量計顯示氫氣流速，一個減壓閥顯示進氣壓力，系統(tǒng)由一個風(fēng)扇冷卻和供氣。控制器自動的監(jiān)視所有主要參數(shù)，并使系統(tǒng)操作安全，包括故障報警、誤操作時的獨立切斷；數(shù)碼管顯示系統(tǒng)的氫氣流量，輸出功率，電堆溫度輸出電壓，負載電流。 計算機實時紀錄不同的特性曲線，如V-I、P-I、P-V的動態(tài)變化曲線才僉測曲線上不同參數(shù)及各種參數(shù)間的作用。 直流電機作為演示用負載，可實現(xiàn)電動汽車的負載特性，體現(xiàn)電動汽車不同的運行工況，并可以檢驗實驗過程中的不同參數(shù)?？梢栽O(shè)定負載的動態(tài)變化過程并檢測相應(yīng)