燃料電池汽車設(shè)計(jì)講解

1、汽車設(shè)計(jì)課程論文題 目 燃料電池汽車設(shè)計(jì)學(xué)院工程技術(shù)員學(xué)院專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化學(xué)號(hào)222010322210241姓名周 紹 錦成績2013 年 5 月 25 日目錄1. 前言 22. 燃料電池汽車的工作原理 23. 燃料電池汽車的特點(diǎn) 23.1燃料電池汽車的優(yōu)點(diǎn) : 23.2燃料電池汽車的缺點(diǎn) : 34. 燃料電池汽車動(dòng)力及其電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 45. 燃料電池汽車的關(guān)鍵技術(shù) 65.1燃料電池技術(shù) 65.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù) 65.3車身和底盤設(shè)計(jì)技術(shù) 65.4整車熱管理 85.5測試技術(shù) 95.6整車系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù) 106. 結(jié)論 10參考文獻(xiàn)： 10燃料電池汽車設(shè)計(jì)周紹錦西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2010

2、級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 5 班摘要： 本文通過對 FCV的工作原理、特點(diǎn)及其需要的關(guān)鍵技術(shù)的介紹、分析，得 出了要達(dá)到燃料電池汽車（ FCV）的實(shí)用化還需要完善一系列關(guān)鍵技術(shù)；燃料電 池汽車作為一種用清潔能源的新技術(shù)汽車，在研制、開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及商業(yè)化方面 必將取得突破性進(jìn)展，成為 21 世紀(jì)的綠色交通工具。關(guān)鍵詞 : 燃料電池汽車、工作原理、特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)1. 前言環(huán)境污染和能源危機(jī)問題已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。 治理汽車尾氣排放， 改善 人類生存環(huán)境，發(fā)展“清潔汽車” ，遏止大氣狀況惡化已成為汽車行業(yè)需要解決 的首要難題。燃料電池汽車（ FCV）是一種用清潔能源作為新能源的新技術(shù)汽車， 具有節(jié)能

3、、零排放、無污染、效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因而有可能成為解決能源 和環(huán)保問題的關(guān)鍵技術(shù)。燃料電池汽車正越來越受到人們的關(guān)注 , 成為各國汽車 研發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)。2. 燃料電池汽車的工作原理燃料電池汽車的工作原理是使作為燃料的氫在汽車的燃料電池中，與大氣中 的氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生出電能啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。甲醇、天然氣、 也可以代替氫，不過會(huì)產(chǎn)生極少的二氧化碳和氮氧化物。3. 燃料電池汽車的特點(diǎn)3.1 燃料電池汽車的優(yōu)點(diǎn)1）燃料直接通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，無熱能轉(zhuǎn)換過程，故不受卡諾循環(huán) 的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 50%70%。2）當(dāng)燃料電池使用氫燃料時(shí)，其排放的是水，無污染

4、；當(dāng)使用甲醇、汽油 等其他燃料時(shí)，排放的二氧化碳比汽油機(jī)少二分之一。3）燃料電池堆可由若干單元電池串聯(lián)或并聯(lián)而成，可根據(jù)質(zhì)量分配均衡和 空間有效利用的原則，機(jī)動(dòng)靈活地進(jìn)行配置。4）燃料電池?zé)o運(yùn)動(dòng)部件，振動(dòng)小，噪聲低，零部件對機(jī)械加工精度要求不 高。3.2 燃料電池汽車的缺點(diǎn) :1）輔助設(shè)備復(fù)雜。以甲醇或汽油為燃料的燃料電池電動(dòng)汽車，甲醇或汽油等 燃料進(jìn)行重整后，除產(chǎn)生氫氣外，還有少量的 CO、C02、CH和 NOx等氣體混雜在 氫氣中，其中 CO會(huì)使催化劑“中毒”而失效，在 H2進(jìn)入燃料電池組之前，必須 采用凈化裝置對 CO、C02和 NO，進(jìn)行分離處理，增加了結(jié)構(gòu)和工藝的復(fù)雜性。由 于甲醇或

5、汽油在重整過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，因此還需要對重整系統(tǒng)進(jìn)行熱的控制和 管理。2）輔助設(shè)備重而體積大。目前燃料電池電動(dòng)汽車大多數(shù)是采用氫氣作為燃 料，但氫氣的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和灌裝還沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)?；踩Ｗo(hù)要求高。采 用氫氣作為燃料需要特種儲(chǔ)存罐（高壓、低溫和防護(hù)） ，罐體體積大，占用空間 大。目前使用成本也很高，給燃料電池電動(dòng)汽車的使用帶來不便。在采用甲醇、 汽油等燃料的燃料電池系統(tǒng)中，需要通過重整器對甲醇、汽油等燃料進(jìn)行重整后 才能制取氫氣。目前重器、凈化器和其輔助裝置在燃料電池電動(dòng)汽車上所占的體 積和重量都較大，還必須進(jìn)一步解決其小型化和輕量化的問題。3）起動(dòng)時(shí)間長并需提高系統(tǒng)耐振動(dòng)能力。采用甲

6、醇或汽油等作為燃料時(shí)，需 要通過重整器進(jìn)行重整，一般需要 10 min 以上才能產(chǎn)生足夠的氫氣，比內(nèi)燃機(jī) 起動(dòng)的時(shí)間長得多，影響了車輛的機(jī)動(dòng)性。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括燃料電池本 身和各種輔助備，在車輛受到振動(dòng)或沖擊時(shí)，各種管道的連接和密封的可靠性需 要進(jìn)一步提高，以防止發(fā)生氫泄漏，降低氫的利用率，影響燃料電池的效率，嚴(yán) 重時(shí)還會(huì)引發(fā)氫氣燃燒事故。由于要求嚴(yán)格的密封，使得燃料電池的制造工藝很 復(fù)雜，并給使用和維護(hù)帶來困難。4. 燃料電池汽車動(dòng)力及其電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)、蓄電池組、其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示DC /DC 變換器、 DC /AC 變換器和電

7、機(jī)組成圖 1 燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖燃料電池以氫氣作為燃料 , 為整車提供動(dòng)力源 , 多余的能量以及制動(dòng)回饋 能量存放在動(dòng)力蓄電池中。在大功率用電的情況下 , 動(dòng)力蓄電池和燃料電池一起 向電機(jī)供電。 DC/ DC 變換器對燃料電池的最大輸出電流和功率進(jìn)行控制以保護(hù)燃 料電池 , 同時(shí)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)高壓總線上的電壓。 DC/ AC變換器起電能變換控制的 作用 , 將系統(tǒng)高壓總線上的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于直流無刷永磁電機(jī)運(yùn)行的電能 , 同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。燃料電池轎車的動(dòng)力電控系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) ( FCE - ECU )、蓄電池管理系統(tǒng) ( BMS)、動(dòng)力控制系統(tǒng) ( PCU )

8、及整車控制系統(tǒng) (VMS)組 成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)按整車控制器的功率設(shè)定值控制燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī) 的功率輸出 , 監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài) , 保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行 , 同時(shí)進(jìn)行故 障診斷及管理。其具體組成包括供氫系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、水循環(huán)及冷卻系統(tǒng)。 蓄電池管理系統(tǒng)分上下兩級 , 下級 LECU 負(fù)責(zé)蓄電池組電壓、溫度等物理參 數(shù)的測量 , 進(jìn)行過充過放保護(hù)及組內(nèi)組間均衡；上級 CECU負(fù) 責(zé)動(dòng)力蓄電池組的 電流檢測及 SOC 估算 , 以及相關(guān)的故障診斷 , 同時(shí)運(yùn)行高壓漏電保護(hù)策略。圖2 燃料電池轎車動(dòng)力電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖動(dòng)力控制系統(tǒng)包含 DC /DC變換器、

9、DC /AC 變換器、 DCL和空調(diào)控制器及空 調(diào)壓縮機(jī)變頻器 , 以及電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制器。 DC /DC變換器和 DC /AC 變換器的 作用如前所述 , DCL 負(fù)責(zé)將高壓電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)零部件所需的 12 V /24 V 低壓 電源 , 電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)電動(dòng)機(jī)及 PCU 的水冷卻系統(tǒng)控制。整車控制系統(tǒng)的核心是多能源控制策略 （ 包括制動(dòng)能量回饋功能 ） , 它一方 面接收來自駕駛員的需求信息 （ 如點(diǎn)火開關(guān)、油門踏板、制動(dòng)踏板、檔位信息等 ） 實(shí)現(xiàn)整車工況控制 ; 另一方面基于反饋的實(shí)際工況 （ 如車速、制動(dòng)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 等） 以及動(dòng)力系統(tǒng)的狀況 （ 燃料電池及動(dòng)力蓄電池的電壓、

10、電流等 ） 根據(jù)預(yù)先匹配 好的多能源控制策略進(jìn)行能量分配調(diào)節(jié)控制。當(dāng)然 , 整車的故障診斷及管理也由 它負(fù)責(zé)。上述各系統(tǒng)都通過高速 CAN - Bus 進(jìn)行信息交換。在上述基本動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu) 基礎(chǔ)上 , 可以根據(jù)混合度的不同把燃料電池混合動(dòng)力汽車分為電量消耗型和電 量維持型。所謂混合度 , 是指燃料電池額定輸出功率與驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率之比。 前者的混合度較低 , 蓄電池是主要的能量源 , 燃料電池只作為里程延長器來使 用( Plug-in 即為該類型燃料電池汽車 ) ；后者的混合度較高 ,在行駛過程中蓄電 池的荷電狀態(tài)基本保持在一個(gè)合理的范圍 , 目前國際大部分及國內(nèi)全部都采用 該方案5. 燃料電

11、池汽車的關(guān)鍵技術(shù)5.1 燃料電池技術(shù) 目前采用的氫為燃料的燃料電池存在成本高、氫的儲(chǔ)存、保管、充加、隨帶 困難等缺點(diǎn)。而燃料電池是燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力源 , 對燃料電池的基本要求 是: 高的比能量和比功率 ; 安全性好且成本低 ; 對環(huán)境無危害 , 可回 收性好。迄今已研發(fā)多種類型的燃料電池 , 如堿性燃料電池 (AFC) 、磷酸燃料電 池( PAFC) 、熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC) 、固體氧化物燃料電池 (SOFC) 及質(zhì)子 交換膜燃料電池 ( PEMFC) 等, 其中以質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的質(zhì)子交換膜燃料 電池(PEMFC) , 被認(rèn)為是最適合于汽車的燃料電池。因此 , 在研發(fā)和產(chǎn)

12、業(yè)化過程 中 , 要盡量減少昂貴的催化劑鉑的用量 , 并尋找新的價(jià)格較低的非貴金屬催化 劑, 從而降低制造成本；利用重整技術(shù) , 采用改質(zhì)型燃料電池 (如甲醇燃料電池 等) , 以提高燃料的儲(chǔ)存、保管、充加、隨帶的方便性和安全性；以及減少燃料 電池系統(tǒng)技術(shù)設(shè)施的體積和質(zhì)量 , 以提高燃料電池的比能量等。5.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)為了使車輛一次加夠燃料 ( 氫) 后行駛更多里程 , 以及最大限度地利用氫 能源以及盡可能減小車輛改裝后的整備重量 , 這就要求電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有高的效 率和功率重量比。驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)向著大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī) 主要有感應(yīng)電動(dòng)機(jī) ( IM) 和永磁無刷電

13、動(dòng)機(jī) ( PMBLM), 特別是永磁無刷電動(dòng)機(jī)具 有較高的功率密度和效率、體積小、慣性低和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn) , 在電動(dòng)汽車方面有 著廣闊地應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)和選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)應(yīng)保證電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 / 轉(zhuǎn)速特性與整 車負(fù)載特性匹配良好 , 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)性能好 , 以及恒速、恒功率和變工況都應(yīng) 當(dāng)有較高的效率。5.3 車身和底盤設(shè)計(jì)技術(shù)燃料電池動(dòng)力總成包括 : 氫氣罐總成、蓄電池總成、燃料電池堆總成、動(dòng)力 輸出系統(tǒng)總成等。其中 , 儲(chǔ)氫罐一般放置于底盤的中部 , 或后排座椅的下方空間 （傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)轎車的油箱位置 ） , 將氫氣罐分散存儲(chǔ)。除了燃料電池動(dòng)力總成外 , 對汽車制動(dòng)總成、前后懸架總成及輪胎等方面也

14、應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整和測試。特別是 隨著輪轂電機(jī)技術(shù)的發(fā)展 , 使燃料電池汽車在電動(dòng)機(jī)的放置有了新的選擇 , 增大 了汽車內(nèi)部空間。而各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力也可直接控制 , 提高惡劣路面條件下汽車 的行使性能。底盤布置應(yīng)把絕大多數(shù)的負(fù)載均勻分配在底盤的前后端 , 降低車輛 的總體重心 , 使轎車具有良好的操控性能 , 并改善車輛的整體安全性。由于燃料電池電動(dòng)汽車具有通過電線傳遞動(dòng)力、動(dòng)力生成裝置結(jié)構(gòu)變化多樣 和各總成部件布置不受機(jī)械裝置限制等特點(diǎn) , 因此給其車身和底盤設(shè)計(jì)留有更 大的空間 , 以減小整車的行駛阻力系數(shù) , 提供舒適的乘座空間和較好的主 （ 被） 動(dòng)安全性能。Hypercar 有限公司設(shè)計(jì)

15、的超級汽車 Hypercar 采用極輕的碳纖維復(fù)合材料作 為車身材料 , 注重汽車凈質(zhì)量的變化。在一個(gè)輕量化的制造平臺(tái)下 , 動(dòng)力總成變 得更加精簡而且制造費(fèi)用也將減少。較低的迎風(fēng)阻力 , 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng) , 零件的高 效使用等各方面共同整合后獲得一種最佳效果。圖 3 為 Hypercar 車的底盤布置 情況。圖 3 Hypercar 車的底盤布置情況5.4 整車熱管理FCV 熱管理系統(tǒng)包括制冷系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)。圖 4 是“ 863”項(xiàng)目中 FCV 的 制冷系統(tǒng)圖 , 該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、一級冷凝器、二級冷凝器、帶溫度調(diào)節(jié)裝置的膨 脹閥、蒸發(fā)器、冷卻風(fēng)扇、制冷劑管路等組成。與前期設(shè)計(jì)不同的是 , 該

16、系統(tǒng)增 加了二級冷凝器。 一級冷凝器與二級冷凝器串聯(lián)以實(shí)現(xiàn) FCV 空調(diào)系統(tǒng)散熱量大的 要求。冷凝器的散熱采用空冷式散熱 , 一級冷凝器增加了一個(gè)高壓風(fēng)扇 , 二級冷 凝器自帶風(fēng)扇。制冷系統(tǒng)是一個(gè)密封的循環(huán)系統(tǒng) , 其中充有制冷劑 R134a。黑色 管路中走的是液態(tài)制冷劑 , 白色管路中走的是氣態(tài)制冷劑。圖4 燃料電池汽車制冷系統(tǒng)圖圖5所示是 FCV 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)圖。冷卻水系統(tǒng)分為 FCE和 PCU冷卻水循環(huán)8系統(tǒng)。FCE 的冷卻水經(jīng)水泵直接進(jìn)入 FCE 主、副散熱器 , 經(jīng)散熱器冷卻后進(jìn)入燃 料電池( FC ), 帶走 FC 的熱量后又進(jìn)入水泵進(jìn)行循環(huán)。要注意的是 FCE 水冷卻 循環(huán)系統(tǒng)

17、要求高壓水先經(jīng)過 FCE 散熱器降壓后再進(jìn)入 FC, 這是因?yàn)槟壳?FC內(nèi)部 所能承受的壓力較低 , 一般在 52. 5 157. 5 Pa, 對于能夠承受 315 Pa 水壓的 FC 可以采用高壓水直接進(jìn)入 FC的冷卻系統(tǒng)。PCU 的冷卻水經(jīng)水泵后分別進(jìn)入 PCU和空壓機(jī)為其散熱 , 其中從 PCU 出來的 冷卻水又進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電機(jī)為其散熱 , 然后從空壓機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)出來的冷卻水進(jìn)入 暖風(fēng)散熱器 , 或經(jīng)過暖風(fēng)旁通閥直接回流。根據(jù)回流冷卻水的溫度情況 , 冷卻水 經(jīng)過 PCU 旁通閥直接進(jìn)入冷卻水泵進(jìn)行循環(huán) , 或冷卻水經(jīng)過 PCU 散熱器降低溫 度后再進(jìn)入冷卻水泵進(jìn)行循環(huán)。圖 5 燃料電池汽車

18、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)圖5.5 測試技術(shù)在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)中 , 需要采集的測量參數(shù)包括流量、 電壓、電流、 溫度、壓力、濕度、濃度、轉(zhuǎn)速和扭矩等要采集如此多的測量參數(shù) , 就需要對數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面考慮。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)主要包括加載裝置和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)兩部分。加 載裝置要按照一定的測試規(guī)范要求給燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)加載 , 使發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作 在各種給定的工況下 , 同時(shí)還要為發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定的保護(hù)措施。測試對象為車用 動(dòng)力的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī) , 為了使測試工況及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與真實(shí)情況相符 , 所以應(yīng) 該采用一套與實(shí)際動(dòng)力系統(tǒng)相近的加載裝置 , 采用 DC/ DC 變換器 電機(jī) 測 功機(jī)作為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的加載裝置比較合理。5.6 整車系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)燃料電池電動(dòng)汽車的整車系統(tǒng)是一個(gè)涉及多學(xué)科技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng) , 其性能 受到多學(xué)科相關(guān)因素的影響 , 因此 , 必須在充分考慮各影響因素的基礎(chǔ)上 , 對 整車系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化 , 可以改進(jìn)燃料電池電動(dòng)汽車性能和降低整車的設(shè)計(jì)和制造 成本。整體化設(shè)計(jì)理念中 , 材料的輕量化和空氣動(dòng)力學(xué)的充分利用被放在了最重 要的位置。因?yàn)槠囋谛旭傔^程中 , 燃料消耗所產(chǎn)生的能量中 , 只有一小部分是 真正被用來推動(dòng)汽車和乘客的 , 大部分的能量都通過熱量的損失、滾動(dòng)阻力、空 氣阻力及控制系統(tǒng)的低效率等被消耗掉 , 其間 , 汽車本身