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燃料电池汽车设计

《汽车设计》课程论文

题目燃料电池汽车设计

学院工程技术员学院

专业机械设计制造及自动化

学号***************

姓名周绍锦

成绩

2013年5月25日

燃料电池汽车设计

周绍锦

西南大学工程技术学院

2010级机械设计制造及自动化5班

摘要：

本文通过对FCV的工作原理、特点及其需要的关键技术的介绍、分析，得出了要达到燃料电池汽车（FCV）的实用化还需要完善一系列关键技术；燃料电池汽车作为一种用清洁能源的新技术汽车，在研制、开发、产业化及商业化方面必将取得突破性进展，成为21世纪的绿色交通工具。

关键词:

燃料电池汽车、工作原理、特点、关键技术

1.前言

环境污染和能源危机问题已成为全球关注的焦点。

治理汽车尾气排放，改善人类生存环境，发展“清洁汽车”，遏止大气状况恶化已成为汽车行业需要解决的首要难题。

燃料电池汽车（FCV）是一种用清洁能源作为新能源的新技术汽车，具有节能、零排放、无污染、效率高、噪声低等优点，因而有可能成为解决能源和环保问题的关键技术。

燃料电池汽车正越来越受到人们的关注,成为各国汽车研发的一个重点。

2.燃料电池汽车的工作原理

燃料电池汽车的工作原理是使作为燃料的氢在汽车的燃料电池中，与大气中的氧发生氧化还原反应，从而产生出电能启动电动机驱动汽车。

甲醇、天然气、也可以代替氢，不过会产生极少的二氧化碳和氮氧化物。

3.燃料电池汽车的特点

3.1燃料电池汽车的优点:

1）燃料直接通过电化学反应产生电能，无热能转换过程，故不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，实际能量转换效率高达50%～70%。

　　2）当燃料电池使用氢燃料时，其排放的是水，无污染；当使用甲醇、汽油等其他燃料时，排放的二氧化碳比汽油机少二分之一。

　　3）燃料电池堆可由若干单元电池串联或并联而成，可根据质量分配均衡和空间有效利用的原则，机动灵活地进行配置。

4）燃料电池无运动部件，振动小，噪声低，零部件对机械加工精度要求不高。

3.2燃料电池汽车的缺点:

1）辅助设备复杂。

以甲醇或汽油为燃料的燃料电池电动汽车，甲醇或汽油等燃料进行重整后，除产生氢气外，还有少量的CO、C02、CH和NOx等气体混杂在氢气中，其中CO会使催化剂“中毒”而失效，在H2进入燃料电池组之前，必须采用净化装置对CO、C02和NO，进行分离处理，增加了结构和工艺的复杂性。

由于甲醇或汽油在重整过程中会产生热量，因此还需要对重整系统进行热的控制和管理。

2）辅助设备重而体积大。

目前燃料电池电动汽车大多数是采用氢气作为燃料，但氢气的制取、储存、运输和灌装还没有实现规模化，安全保护要求高。

采用氢气作为燃料需要特种储存罐（高压、低温和防护），罐体体积大，占用空间大。

目前使用成本也很高，给燃料电池电动汽车的使用带来不便。

在采用甲醇、汽油等燃料的燃料电池系统中，需要通过重整器对甲醇、汽油等燃料进行重整后才能制取氢气。

目前重器、净化器和其辅助装置在燃料电池电动汽车上所占的体积和重量都较大，还必须进一步解决其小型化和轻量化的问题。

3）起动时间长并需提高系统耐振动能力。

采用甲醇或汽油等作为燃料时，需要通过重整器进行重整，一般需要10min以上才能产生足够的氢气，比内燃机起动的时间长得多，影响了车辆的机动性。

燃料电池发动机系统包括燃料电池本身和各种辅助备，在车辆受到振动或冲击时，各种管道的连接和密封的可靠性需要进一步提高，以防止发生氢泄漏，降低氢的利用率，影响燃料电池的效率，严重时还会引发氢气燃烧事故。

由于要求严格的密封，使得燃料电池的制造工艺很复杂，并给使用和维护带来困难。

4.燃料电池汽车动力及其电控系统结构

燃料电池汽车的动力系统由燃料电池发动机及其辅助系统、蓄电池组、DC/DC变换器、DC/AC变换器和电机组成,其系统结构框图如图1所示。

图1燃料电池轿车动力系统结构框图

燃料电池以氢气作为燃料,为整车提供动力源,多余的能量以及制动回馈能量存放在动力蓄电池中。

在大功率用电的情况下,动力蓄电池和燃料电池一起向电机供电。

DC/DC变换器对燃料电池的最大输出电流和功率进行控制以保护燃料电池,同时稳压调节系统高压总线上的电压。

DC/AC变换器起电能变换控制的作用,将系统高压总线上的电能转变为适合于直流无刷永磁电机运行的电能,同时控制电动机的运行。

燃料电池轿车的动力电控系统主要由燃料电池发动机管理系统（FCE-ECU）、蓄电池管理系统（BMS）、动力控制系统（PCU）及整车控制系统（VMS）组成。

其系统结构框图如图2所示。

燃料电池发动机管理系统按整车控制器的功率设定值控制燃料电池发动机的功率输出,监测发动机的工作状态,保证发动机稳定可靠地运行,同时进行故障诊断及管理。

其具体组成包括供氢系统、供氧系统、水循环及冷却系统。

蓄电池管理系统分上下两级,下级LECU负责蓄电池组电压、温度等物理参数的测量,进行过充过放保护及组内组间均衡；上级CECU负责动力蓄电池组的电流检测及SOC估算,以及相关的故障诊断,同时运行高压漏电保护策略。

图2燃料电池轿车动力电控系统结构框图

动力控制系统包含DC/DC变换器、DC/AC变换器、DCL和空调控制器及空调压缩机变频器,以及电动机冷却系统控制器。

DC/DC变换器和DC/AC变换器的作用如前所述,DCL负责将高压电源转换为系统零部件所需的12V/24V低压电源,电动机冷却系统控制器负责电动机及PCU的水冷却系统控制。

整车控制系统的核心是多能源控制策略（包括制动能量回馈功能）,它一方面接收来自驾驶员的需求信息（如点火开关、油门踏板、制动踏板、档位信息等）实现整车工况控制;另一方面基于反馈的实际工况（如车速、制动、电动机转速等）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）根据预先匹配好的多能源控制策略进行能量分配调节控制。

当然,整车的故障诊断及管理也由它负责。

上述各系统都通过高速CAN-Bus进行信息交换。

在上述基本动力系统架构基础上,可以根据混合度的不同把燃料电池混合动力汽车分为电量消耗型和电量维持型。

所谓混合度,是指燃料电池额定输出功率与驱动电机额定功率之比。

前者的混合度较低,蓄电池是主要的能量源,燃料电池只作为里程延长器来使用（Plug-in即为该类型燃料电池汽车）；后者的混合度较高,在行驶过程中蓄电池的荷电状态基本保持在一个合理的范围,目前国际大部分及国内全部都采用该方案。

5.燃料电池汽车的关键技术

5.1燃料电池技术

目前采用的氢为燃料的燃料电池存在成本高、氢的储存、保管、充加、随带困难等缺点。

而燃料电池是燃料电池电动汽车的动力源,对燃料电池的基本要求是:

①高的比能量和比功率;②安全性好且成本低;③对环境无危害,可回收性好。

迄今已研发多种类型的燃料电池,如碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等,其中以质子交换膜作为电解质的质子交换膜燃料电池（PEMFC）,被认为是最适合于汽车的燃料电池。

因此,在研发和产业化过程中,要尽量减少昂贵的催化剂铂的用量,并寻找新的价格较低的非贵金属催化剂,从而降低制造成本；利用重整技术,采用改质型燃料电池（如甲醇燃料电池等）,以提高燃料的储存、保管、充加、随带的方便性和安全性；以及减少燃料电池系统技术设施的体积和质量,以提高燃料电池的比能量等。

5.2驱动电机技术

为了使车辆一次加够燃料（氢）后行驶更多里程,以及最大限度地利用氢能源以及尽可能减小车辆改装后的整备重量,这就要求电力驱动系统有高的效率和功率重量比。

驱动电机应向着大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。

当前驱动电机主要有感应电动机（IM）和永磁无刷电动机（PMBLM）,特别是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地应用前景。

在设计和选择驱动电机时应保证电机的转矩/转速特性与整车负载特性匹配良好,电机转矩的动态性能好,以及恒速、恒功率和变工况都应当有较高的效率。

5.3车身和底盘设计技术

燃料电池动力总成包括:

氢气罐总成、蓄电池总成、燃料电池堆总成、动力输出系统总成等。

其中,储氢罐一般放置于底盘的中部,或后排座椅的下方空间（传统内燃机轿车的油箱位置）,将氢气罐分散存储。

除了燃料电池动力总成外,对汽车制动总成、前后悬架总成及轮胎等方面也应作相应的调整和测试。

特别是随着轮毂电机技术的发展,使燃料电池汽车在电动机的放置有了新的选择,增大了汽车内部空间。

而各电动轮的驱动力也可直接控制,提高恶劣路面条件下汽车的行使性能。

底盘布置应把绝大多数的负载均匀分配在底盘的前后端,降低车辆的总体重心,使轿车具有良好的操控性能,并改善车辆的整体安全性。

由于燃料电池电动汽车具有通过电线传递动力、动力生成装置结构变化多样和各总成部件布置不受机械装置限制等特点,因此给其车身和底盘设计留有更大的空间,以减小整车的行驶阻力系数,提供舒适的乘座空间和较好的主（被）动安全性能。

Hypercar有限公司设计的超级汽车Hypercar采用极轻的碳纤维复合材料作为车身材料,注重汽车净质量的变化。

在一个轻量化的制造平台下,动力总成变得更加精简而且制造费用也将减少。

较低的迎风阻力,混合动力驱动,零件的高

效使用等各方面共同整合后获得一种最佳效果。

图3为Hypercar车的底盘布置情况。

图3Hypercar车的底盘布置情况。

5.4整车热管理

FCV热管理系统包括制冷系统和冷却水系统。

图4是“863”项目中FCV的制冷系统图,该系统由压缩机、一级冷凝器、二级冷凝器、带温度调节装置的膨胀阀、蒸发器、冷却风扇、制冷剂管路等组成。

与前期设计不同的是,该系统增加了二级冷凝器。

一级冷凝器与二级冷凝器串联以实现FCV空调系统散热量大的要求。

冷凝器的散热采用空冷式散热,一级冷凝器增加了一个高压风扇,二级冷凝器自带风扇。

制冷系统是一个密封的循环系统,其中充有制冷剂R134a。

黑色管路中走的是液态制冷剂,白色管路中走的是气态制冷剂。

图4燃料电池汽车制冷系统图

图5所示是FCV冷却水循环系统图。

冷却水系统分为FCE和PCU冷却水循环系统。

FCE的冷却水经水泵直接进入FCE主、副散热器,经散热器冷却后进入燃料电池（FC）,带走FC的热量后又进入水泵进行循环。

要注意的是FCE水冷却循环系统要求高压水先经过FCE散热器降压后再进入FC,这是因为目前FC内部所能承受的压力较低,一般在52.5～157.5Pa,对于能够承受315Pa水压的FC可以采用高压水直接进入FC的冷却系统。

PCU的冷却水经水泵后分别进入PCU和空压机为其散热,其中从PCU出来的冷却水又进入驱动电机为其散热,然后从空压机和驱动电机出来的冷却水进入暖风散热器,或经过暖风旁通阀直接回流。

根据回流冷却水的温度情况,冷却水经过PCU旁通阀直接进入冷却水泵进行循环,或冷却水经过PCU散热器降低温度后再进入冷却水泵进行循环。

图5燃料电池汽车冷却水循环系统图

5.5测试技术

在燃料电池发动机测试系统中,需要采集的测量参数包括流量、电压、电流、温度、压力、湿度、浓度、转速和扭矩等要采集如此多的测量参数,就需要对数据采集系统的设计进行全面考虑。

燃料电池发动机测试系统主要包括加载装置和数据采集处理系统两部分。

加载装置要按照一定的测试规范要求给燃料电池发动机加载,使发动机可以工作在各种给定的工况下,同时还要为发动机提供一定的保护措施。

测试对象为车用动力的燃料电池发动机,为了使测试工况及发动机负载与真实情况相符,所以应该采用一套与实际动力系统相近的加载装置,采用DC/DC变换器—电机—测功机作为燃料电池发动机的加载装置比较合理。

5.6整车系统优化技术

燃料电池电动汽车的整车系统是一个涉及多学科技术的复杂系统,其性能受到多学科相关因素的影响,因此,必须在充分考虑各影响因素的基础上,对整车系统进行优化,可以改进燃料电池电动汽车性能和降低整车的设计和制造成本。

整体化设计理念中,材料的轻量化和空气动力学的充分利用被放在了最重要的位置。

因为汽车在行驶过程中,燃料消耗所产生的能量中,只有一小部分是真正被用来推动汽车和乘客的,大部分的能量都通过热量的损失、滚动阻力、空气阻力及控制系统的低效率等被消耗掉,其间,汽车本身的质量和空气动力学因素起着很重要的作用。

在整体化设计过程中,强调质量的减轻是:

轻量化的车身只需要更轻的底盘组件,更小的动力总成；而一些组件的相互联系和组合,不但可以减少体积重量,甚至可以摒弃原先组件,进一步减小系统的质量。

6.结论

作为一种清洁、高效的发电技术,燃料电池有望成为下一代的车辆动力装置。

燃料电池的广泛应用有助于节约燃料以及减少大气污染。

燃料电池发动机在短期之内尚无法取代内燃机发动机的地位,要达到燃料电池车辆的实用化还需要完善一系列关键技术问题。

燃料电池电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车及信息燃料电池电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车及信息技术等多种高新技术的集成,是典型的高新技术产品,它的开发和产业化的成败关系到能源、环保、交通运输和高科技等诸多产业的可持续发展。

随着机电技术、计算机控制技术、电化学技术及材料技术的迅速发展,燃料电池电动汽车在研制、开发、产业化及商业化方面将会取得突破性进展。

在不久的将来,燃料电池汽车将成为主流技术,成为21世纪的绿色交通工具。

参考文献：

[1]梁婷张浩.燃料电池汽车的关键技术探讨

[2]熊伟铭张觉慧任纪良刘奋沈玲.燃料电池汽车整车集成的关键技术.2007.08

[3]徐乔.燃料电池汽车设计探索.2006.01

[4]李正秋蒋燕青.燃料电池汽车整车热管理系统研究.2008.02