电力电子技术在汽车中的应用课题研究报告
研究课题：燃料电池汽车
专业：汽车电子技术
班级：11汽电
学号：1106010332
姓名：涂霖
指导教师：郭农斐
时间：2013年11月
目录
一．简介........................................................ - 3 -
二、燃料电池电动汽车的现状与发展...................... - 3 -
1、国外燃料电池车发展现状简介 ........................ - 4 -
2、中国燃料电池车发展现状简介 ........................ - 4 -
三、燃料电池的优点.......................................... - 5 -
四、燃料电池的缺点.......................................... - 6 -
五、燃料电池的类型.......................................... - 7 -
六、燃料电池发展过程中存在的问题...................... - 8 -
七、燃料电动汽车的发展前景............................... - 8 -
燃料电池汽车
一．简介
首先在了解燃料电池汽车前，我们先来看看什么是燃料电池：
燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转化为电能的能量转换装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作。燃料电池与常规电池不同在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂通过电化学反应生成水，并释放出电能。只要保持燃料供应，电池就会不断工作提供电能。
燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。
二、燃料电池电动汽车的现状与发展
燃料电池的特点：高效：它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在40-60%；如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。环境友好：以纯氢为燃料时，燃料电池的化学反应物仅为水；以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。安静：燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。可靠性高：碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。燃料电池正在以其特有的优势吸引着世界各国各大汽车厂商的注意。这种电池将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一。
近年来一些厂家，如戴姆勒-克莱斯勒、丰田、通用、本田、日产、福特等公司都开发了自己的燃料电池电动汽车。汽车界人士认为燃料电池电动汽车是汽车工业的一大革命，是21世纪真正的纯绿色环保车，是最具实际意义的环保车种。
1、国外燃料电池车发展现状简介
燃料电池电动车的样车实验已经证明，以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为动力的电动车性能完全可与内燃机汽车相媲美。当以纯氢为燃料时，它能达到真正的“零”排放。除各国政府投巨资支持这一研究外，世界各大汽车集团和石油公司也投入巨资进行各种形式的合作来发展这一技术，投入大量人力、物力,进行氢燃料电池的研究。其竞争的焦点是在21世纪初将以燃料电池为动力的电动车推向市场。
燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元。壳牌打算到2006年投资10亿美元以上，英国石油公司和埃克森-美孚等能源巨头也都有计划，此外还有全球100多家燃料电池制造商的努力。
欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，PEMFC技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于 2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。国际上最著名的氢燃料电池公司，如加拿大的Ballard Power Systems、美国的Plug Power等认为：氢燃料电池产业化应用最先发生在汽车发动机的产业化方面技术上已经成熟。福克斯燃料电池汽车采用Ballard燃料电池发动机，利用氢和氧将化学能转变为电能，用电力驱动汽车电动机，排污量接近于0。
目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界六大汽车公司在开发氢燃料电池。
2、中国燃料电池车发展现状简介
目前，我国传统能源利用依靠煤、油的方式给我国国民经济可持续发展造成了许多不安全因素，汽车工业乃至整个国民经济的可持续发展也受到了巨大的挑战。21世纪，氢能经济将给我国汽车工业带来一次难得的跨越式发展机会，加快我国氢燃料电池的产业化发展对我国能源安全以及实现汽车工业跨越式发展有重要意义。氢能经济将是从新能源角度来构建的一种经济，氢燃料电池技术是氢能经济中的最重要的关键技术。
从20世纪50年代开始，中国一直进行燃料电池相关技术的研究，但直到20世纪90年代，全球环境署（GEF,s）支持在中国进行燃料电池公共汽车示范，中国对其产生了浓厚兴趣。从那时起，我国在此方面有了很大进步。客车、两轮车和公共汽车正在试车，他们希望能够在2008年奥运会（绿色奥运）和2010年上海世界博览会使燃料电池汽车真正投入运营。
目前我国有60个机构在从事燃料电池的研究。这些机构中的大多数为研究所，大多数研究的重点是PEM技术。2001年，我国加大了它在燃料电池车辆研究方面的投资，保证在五年内每年投资2000万美元。2002年，中国科学院宣布大约用三年的时间，投资1200万美元进行氢技术研究，其中包括质子交换膜燃料电池技术。
我国已研发出具有我国自主产权的纯电动轿车和客车、混合动力轿车和客车、燃料电池轿车和客车的实用化样车，并分别按照相关规程初步完成了道路试验和可靠性工况试验，性能指标不断提高。参加研发的有关汽车企业（如一汽、东风等）还开展了市场调查、路况分析等工作，把研制的车型列入了企业发展战略规划。在必比登世界清洁汽车挑战赛上，我国自主研发的燃料电池轿车在7个单项奖中获得了5个A(在高速蛇形障碍赛、噪音、排放、能耗、温室气体减排5个单项指标方面的最高等级)的好成绩，燃料电池城市客车也以较高的技术性能和可靠性在挑战赛中取得了良好成绩。
目前，纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的型式认证试验。
在科技部支持下，北京、武汉、天津、威海4个城市已开展电动汽车试验示范，北京、上海还承担了联合国开发计划署、全球环境基金支持的国际燃料电池公共汽车示范项目，电动汽车专项的实施得到了很多地方政府的大力支持并已经列入当地政府工业发展规划。我国在大力发展燃料电池电动汽车时，应注意加大力度从根本上、源头上支持燃料电池技术产业化，就好像发展电脑产业，就应大力实现核心技术--芯片的国产化一样。因此，燃料电池技术本身的产业化是发展我国燃料电池电动车的先决条件。氢能经济将以燃料电池产业为中心构建一条宏大的产业链，包括氢气制造、生产、储存及运输，燃料电池上游原材料的生产、下游的应用等。燃料电池不仅能在电动车上得到应用，而且可以作为分散式、移动式发电站得到应用。
三、燃料电池的优点
1、节能、转换效率高、不需要石油燃料
除用汽油重整产生氢气外，其他（甲醇、碳氢化合物等）燃料基本不用石油燃料。由发动机经驱动系统到车轮的综合效率，内燃机汽车为11％左右。以氢气为燃料的FCEV实际效率达到50％～70％；用甲醇为燃料，经过重整产生氢气FCEV，实际效率达到34％。可见，FCEV的实际效率大大高于内燃机汽车。内燃机在额定功率附近才有最高效率，而在部分功率输出条件下运转，效率迅速降低。燃料电池在额定功率下的效率可以达到60％，而在部分功率输出条件下运转效率可以达到70％，在过载功率输出条件下运转效率可以达到50～55％。高效率随功率变化的范围很宽，在低功率下运转下率高，特别适合于汽车动力性能的要求。内燃机过载能力低，在过载运转时容易"熄火"。燃料电池短时间的过载能力，可以达到额定功率的200％，非常适合汽车在加速和爬坡时动力性能的特征。所
以，燃料电池的节能远远超过内燃机，而且稳定性和可靠性高于内燃机。
2、排放达到零污染
内燃机排放废气中的有害气体，对环境造成的污染是内燃机汽车的致命缺点，尽管采取了各种各样的机内和机外的技术措施，只能是达到"低污染"的水平，由于内燃机汽车的数量庞大，即使是"低污染"也给地球环境带来巨大影响。用氢气作为燃料的燃料电池发动机主要生成物质为水，属于"零污染"。用碳氢化合物作为燃料的燃料电池发动机主要生成物质为水、二氧化碳和一氧化碳等，属于"超低污染"。出于对地球环境保护的要求和谋求新的能源，燃料电池发动机是比较理想的动力装置，并有可能逐渐取代石油作为车辆的主要能源。
3、车辆性能接近内燃机汽车
内燃机的比功率约为300W/kg，目前燃料电池本体的比功率为700 W/kg，功率密度1000W/L。如果包括燃料电池的重整器、净化器和附属装置在内，比功率为300～350 W/kg，功率密度280W/L。在能量方面燃料电池与内燃机相接近，因此其动力性能可以达到内燃机汽车的水平。
4 、结构简单、运行平稳
燃料电池发动机的能量转换是在静态下完成，结构件构造简单。加工精度要求比内燃机低得多。特别是质子交换膜燃料电池能量转换效率高，能够在80℃得低温条件下起动和运转，对结构件的耐热性能要求也不高。结构件大多数为板状和管件，没有运动零部件和各种摩擦副，没有因零部件磨损引起的故障，维修、保养方便。燃料电池发动机由多个单体燃料电池串联组成，可以配置成各种不同规格的系列燃料电池发动机组，可以装配在不同用途和不同型号的车辆上。在车辆上可以根据车辆的轴荷分配车辆有效空间的利用等具体情况，灵活、机动地进行总布置。燃料电池发动机在运行过程中，噪声小、振动小、散热系统比内燃机简单得多、热管理系统也更加简单；产出物不需要进行净化和消声处理，整个燃料电池系统容易实现自动化系统管理。
四、燃料电池的缺点
1、燃料种类单一
目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。但燃料种类的单一性，可以建立标准化、统一的供给系统。
2、要求高质量的密封
燃料电池的单体电池所能产生的电压约为1V，不同种类的燃料电池的单体电池所能产生的电压略有不同。通常将多个单体电池按使用电压和电流的要求组合成为燃料电池发动机组，在组合时，单体电池间的电极连接时，必须要有严格的密封，因为密封不良的燃料电池，氢气会泄漏到燃料电池的外面，降低了氢的利用率并严重影响燃料电池发动机的效率，还会引起氢气燃烧事故。由于要求严格的密封，使得燃料电池发动机的制造工艺很复杂，并给使用和维护带来很多困难。
3、比功率还要进一步提高
内燃机的比功率约为300W/kg，以氢为燃料的燃料电池比功率约为
300～350W/kg，功率密度为280W/L。甲醇经过重整产生的氢为燃料的燃料电池综合功率密度（包括重整器质量）降低到220W/L。为了满足FCEV动力性能的要求，需要进一步提高燃料电池发动机的比功率。
4、造价太高
目前质子交换膜燃料电池是最有发展前途的燃料电池之一，但质子交换膜燃料电池需要用贵金属铂（Pt）作为催化剂，其使用量要求达到0.1～0.2mg/cm3，目前用量要求达到0.5mg/cm3，距离要求还较远。而且铂（Pt）在反应过程中受CO 的作用会"中毒"而失效。铂（Pt）的使用和铂（Pt）的失效使质子交换膜燃料电池的造价持高不下。
5、需要配备辅助电池系统
燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收FCEV再生制动的反馈能量。通常在FCEV上还要增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在FCEV减速时接受再生制动时的能量。
五、燃料电池的类型
燃料电池按燃料状态分为液体型和气体型2种；按工作温度分为低温型(低于200℃)、中温型(200-750℃)和高温型(高于750℃)；按电解质类型不同分，常有这几种：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)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。这些燃料电池的性能和特点见表1。
表1 几种常见燃料电池的性能与特点
六、燃料电池发展过程中存在的问题
虽然燃料电池汽车在理论上具有比内燃机车辆优越的经济性、动力性和排放性，但在替代内燃机车辆的过程中还有若干的技术难题有待解决：
1.降低成本:到目前为止，燃料电池汽车仍然十分昂贵。燃料电池汽车要达到实用化的程度，至少需要产生60—90kW的功率。当NASA第一次将燃料电池技术用于电动车辆时，燃料电池成本大约是50万美元/kW，今天价格已经降到500美元／kw，但即使如此，也意味着电动汽车的燃料电池价值3万美元以上，约是普通内燃机〔3500美元〕的10倍。如何降低成本是燃料电池汽车实用化的关键。
2.降低氢气的储存成本和使用成本:燃料电池发展的一个基本难题是氢气储存困难。目前燃料电池汽车所用的燃料主要有三种：氢、甲醇和汽油。氢气的储存主要有三种方法，其一氢气可以直接利用，此时车辆需要携带一个充满高可燃性气体的高压容器，需要的空间很大。其二氢气也可以液态形式储存，那样又需要很复杂的制冷设备和更安全的压缩技术。其三使氢气与金届镁和钒反应形成储氢金届，但是此时氢气分离温度高(储氢镁分离温度287℃)，且此时其比能量较低(储氢钒比能量为700Wh／kg)。目前也有使用甲醇作为燃料的，通过甲醇和水混合、蒸发，经过车载重整器转化为氢气和二氢化碳气体。甲醇虽然储存安全，但甲醇重整对纯净度和转化温度有很高的要求，且甲醇有一定的毒性，会对人体造成危害。
3.汽油裂化困难:在路上从汽油中提取氢是非常困难的，甚至比裂化甲醇还困难。汽油裂化反应需要在850—1000℃温度下进行，并且当燃油裂化结束时，冷却它也很困难。此外在汽油裂化过程中将产生CO2和其他可导致温室效应的气体。另一个难以解决的问题是防止燃料电池在催化剂作用下发生疏化反应。
4.设备开支问题:设备开支问题对燃料电池汽车的实用化也十分重要。燃料电池汽车用来保护复杂的电池反应堆的装置和相关的费用都有待于进一步降低。
5.防结冰问题结冰性是燃料电池的致命弱点。燃料电池在工作过程中，不可避免地产生水。在低温的情况下，水结成冰会破坏聚合隔膜。更大的问题是电池反应堆在低于0℃时是不会产生电流的，如何使在—20——40℃温度下已经冻透的反应堆很快的正常工作将是一个难点。
七、燃料电动汽车的发展前景
由于近来原油价格的不断攀升，汽车制造商开始转移目标，抢占节能汽车市场。世界各国的汽车业巨子竞相发展自己的燃料电池汽车，以期成为未来环保型汽车业的霸主。
以燃料电池作为动力的电动汽车，是现代电动汽车家族中的后起之秀，是21世纪最有希望的一种汽车新能源。新型的燃料电池是采用氢和氧化学反应直接转化为电能的装置，而排出的只是水，它具有零排放、高效率和资源可再生的
巨大优点。近年，国际汽车界对燃料电池的研制，取得重大进展，现在可以说燃料电池在汽车上应用，不是什么技术层面上的困难，而是什么时候能实现大批量生产的问题。
在各大汽车厂商纷纷斥重金打造燃料电池汽车的同时，日、美、欧各国政府也对混合动力汽车倾注了巨大的心血，出台了大量的鼓励措施，以配合和刺激燃料电池汽车的发展，这对燃料电池汽车这么快进入市场起到了十分关键的推动作用。
美国政府也对那些生产燃料电池汽车的厂商和购买者提供税收优惠，原因是政府认为它们为保护环境，减少排放作出了贡献。而且美国政府还专门制定了相关的计划，大力推动节能环保型汽车的研究。90年代中期，克林顿政府曾制定了发展燃料电池汽车的计划，希望通过政府、学院和厂商的共同努力将中级电动车的成本降低到可被普通消费者接受的程度。当时美国的各大车厂都参与其中。在美国，《时代周刊》将燃料电池列为21世纪10大高科技之首。布什总统在2002年宣布出台“Freedoncar”计划，确定将使用燃料电池成为社会上的主要能源，首先在汽车产品上应用。美国AB1公司预测，2011年，全球燃料电动汽车的产量将达240万辆，约占全球汽车总产量3.4%。2010年将是燃料电池电动汽车的决战年，而真正成气候，可能是在2020年，这种预测，国内外汽车界人士多是应同的。
在日本同样如此。日本政府对那些购买燃料电池汽车的车主实施政府补贴，买车的时候实行税收减免，甚至还为那些拥有燃料电池汽车的车主提供免费的停车位。尽管燃料电池汽车在成本和售价方面比普通汽车高出了许多，但是在政府优惠的刺激下，得到了快速的发展。小泉首相明确表示，燃料电池是打开未来汽车业的一张王牌，要尽一切力量使其投入使用。日本经济产业省已组成“燃料项目小组”进行燃料电池应用的普及和推广工作，在2010年前要把燃料电池电动汽车的价格，降低到目前普通汽车发动机相等的水平。日本目标，建设3800个氢加注站，要在2020年燃料电池电动汽车的社会保有量达500万辆以上。
对于世界各国汽车厂商和政府不惜投入巨资，研发以燃料电池汽车为代表的新型节能环保汽车，国内很多有识之士表示了担心。人们认为这些厂商的如意算盘是：在通过内燃机传统技术的价值链的不断优化——包括向中国转移部分增值环节、以维护其在成熟市场的现有竞争地位和份额的同时，加速对新兴可再生能源动力系统的研发和市场进入，确保自己在汽车产业的技术领先及可持续发展。
在传统内燃机领域，中国汽车产业已经没有超越的可能。要从根本上解决中国汽车工业崛起的问题，强力推动新型动力汽车发展是一条不得不走的出路。其理由是，相对于发达国家汽车工业，中国目前的劣势——传统内燃机技术基础的薄弱——反而会成为优势，因为这意味着中国的历史包袱比他们更轻，这为中国发展以混合动力为代表的新节能环保汽车创造了一定的条件。
国际汽车界权威人士认为，尽管燃料电池电动汽车目前还存在不少困难，这些问题是不会阻碍人们对发展和应用燃料电池的热情，这已成为一种不可阻挡的潮流，推进人类进入一个完善的新能源时代。氢燃料电池电动汽车排出的仅仅是水，而不是二氧化碳、氮氧化合物等有害气体，从根本上解决了制约汽车工业发展的能源和环境问题，将给我国汽车技术的发展带来一次深层次革命。
第五章燃料电池电动汽车 学习目标 1.掌握燃料电池的类型及特点，并了解其工作原理。 2.掌握燃料电池电动汽车的类型及结构。 3.了解燃料电池电动汽车的产业发展状况。 4.了解燃料电池电动汽车的典型车型。 第一节燃料电池电动汽车的类型与基本结构 一、燃料电池类型及其性能分析 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置、燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。 1．质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极（阳极、阴极）、质子交换膜和集流板组成。 2．碱性燃料电池 碱性燃料电池的电解质为碱性的氢氧化钾（KOH），故称为碱性燃料电池。 3．磷酸燃料电池
磷酸燃料电池是以磷酸为电解质，故称为磷酸燃料电池。 4．熔融碳酸盐燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）通常采用含锂和钾的碳酸盐为电解质，阴极为镍的氧化物，阳极为镍合金，正常工作温度为650oC。 5．固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池的电解质是固体氧化物，催化剂和电池的结构材料，也都是固体氧化物。故称为固体氧化物燃料电池。 二、燃料电池电动汽车的类型与其结构 燃料电池汽车定义：燃料电池电动汽车（FCEV）是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。 1．燃料电池单独驱动FCEV 该结构只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。
图5-6纯燃料电池驱动的FCEV 2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV 该结构为一典型的串联式混合动力结构。 图5-7燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV 3．燃料电池与超级电容联合驱动FCEV 这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。
燃料电池汽车市场可行性分析报告 （长安大学信息工程学院2004级高继） 燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转化为电能的能量转换装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作。燃料电池与常规电池不同在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂通过电化学反应生成水，并释放出电能；只要保持燃料供应，电池就会不断工作提供电能。 燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。 直接供氢的FCEV推广普及的关键是纯氢的供应和储存。为了保证直接供氢的FCEV用氢的需要，必须建造氢站，这就增大了直接供氢的FCEV商品化和推广普及的难度，因此，世界上各大汽车公司纷纷推出了通过燃料重整反应制取氢气的技术，可使用多种碳氢燃料，包括醇类燃料、天然气等。目前，通过重整反应利用甲醇制取氢气的技术已十分成熟，甲醇为液体燃料，携带方便，提高了燃料电池电动汽车的续驶里程，且燃料能量的利用率可达70%-90%，大大高于热力发动机的效率。 福特汽车公司的21世纪绿色汽车的开发计划中，FCEV作为开发研究重点，其推出的P2000HFC试验车即为直接供氢的FCEV，福特公司也有利用甲醇进行改质产生氢气的技术。目前，福特公司与石油公司摩比尔一起开发更具实际意义的车载汽油改质氢燃料电池车(FCEV)。从基础设施建设和社会使用环境上看，汽油改质型比甲醇改质型更为有利。新开发的汽油改质器与以往的相比，质量和体积都缩减了30%左右，从而提供了车载性，实现了与汽油相媲美的包装效率，对汽油改质氢FCEV的早日实用化及FCEV的普及推广具有重要意义。 由于它不经历热机过程，不受热力循环限制，故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100％，实际效率已达60％~80％，是普通内燃机热效率的2—3倍。现在应用于电动汽车中的燃料电池是一种被称为质于交换膜燃料电池(PEMFC)，它以纯氢为燃料，以空气成龙为氧化剂。在1993年加拿大温哥华科技展览会上，加拿大的BALLABC公司推出了世界上第一辆以PEMFC电池为动力的电动公共汽车。载客20人，可行驶160km/h，最高速度72.2km／h。德国奔驰汽车公司也研制了以PEMFC电池为动力的电动汽车。生成物是水，不污染环境，缺点是造价太高，目前仅燃料电池的价格就要25000美元。 一、美国对燃料电池汽车的优惠政策 1999年10月克林顿总统签署清洁空气法，严格规定了汽车排放的标准，同月加州政府也有了新的规定，即要求汽车制造商在加州销售的车辆中百分之二必须是零排放车辆。2001年8月2日，美国议院代表批准了2001年美国未来能源保证法案。这项立法的目的是使美国到2012年后对外国能源的依赖由56% 降到45%,从伊拉克进口的石油由700,000桶/天减
燃料电池电动汽车发展现状与前景 随着社会的进步和人员移动性增强，全球汽车需求 量快速增长，迄今世界上的汽车保有量达到创纪录的10 亿 辆以上且还在不断大幅增长，使得基于传统的内燃机 Internal Combustion Engine ，ICE )汽车的轻量化与节能减排等技术进步难以降低汽车燃料的消耗和减少污染物的排放。2020 年之前温室气体(Greenhouse Gas ，GHG) 排放在1990 年水平基础上下降20% 的任务日益艰巨。如果再不采取有效措施，公路交通运输车辆的GHG 温室气体排放将会持续不断增长。通过研讨纯电动汽车( Battery Electric Vehicle ，BEV ）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle HEV )、或燃料电池电动汽车( Fuel Cell Vehicles ，FCVs ； Fuel Cell Electric Vehicles ，FCEVs ）等多种类型的电动汽车( Electric Vehicle ，EV )技术[3-5]有望明确实现节能减排 的理想途径。自1966 年通用汽车推出了世界上第1 款燃料电池电动汽车GMC Electrovan ，尤其是本田在1999 年推出了世界上第1 台商用的燃料电池电动汽车FCX-V4 以来，世界上EV 电动汽车型号不断丰富和租赁销售量明显增长，太、北美和欧洲成长为全球EV 电动汽车重要的新车研发制造和租赁销售市场，2014 年全世界的EV 电动汽车销售量达到34.6 万辆以上，年增长率达到86% 。
燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来 得到国内外高度重视，成为最被看好的可用于替代汽油和柴 油等传统的 ICE 内燃机发动机技术的先进新能源汽车技术。 日本政府希望其到 2020 年的 FCVs 燃料电池汽车销量达到 500 万辆，再通过 10 年的研发推广实现全面普及 FCVs 燃 料电池汽车。 美国政府在 2003 年投入 12 亿美元大力推进氢 技术和燃料电池技术，其中重要项目之一就是美国能源部 Department of Energy ， DOE ）在北加州、南加州、密歇 展的氢技术和基础实施验证与示范综合工程，吸引了 Hyundai-Kia/Chevron 、 DaimlerChrysler/BP 、 Ford/BP 和 GM/Shell 等多家汽车制造 /能源供应商参与。 美国能源部大力推进氢经济和燃料电池技术，尤其是商 业化推广应用方面取得显著进展，比如目前高容量和低容量 燃料电池制造成本分别为 55 美元 /kW 和 280 美元 /kW[6] ， 汽车燃料电池 2014 年的制造成本自 2006 年下降 50% 并自 2008 年以来进一步下降 30% 以上（基于高容量电池制造） 这必将带动创造工作岗位、投资机会和可持续、安全的能源 供应。为了在 2020 年前争取把欧盟建立成一个具有全球领 先水平的燃料电池 （Fuel Cell ，FC ）系统和氢能源 （Hydrogen Energy ，HE ） 经济的巨大市场，欧盟高度重视燃料电池技术 和氢能源技术并把之视作能源领域的战略高新技术大力推 根州东南部、大西洋区中部和佛罗里达州中部等 5 个区域开 f It 步
燃料电池汽车的动力传动系统设计 1引言 燃料电池汽车是电动汽车的一种。 燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动 机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动 ，就可使车辆在路上行驶，燃料电池的能量转 换效率比内燃机要高 2-3倍。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物 ，因此燃料电池车 辆是无污染汽车。随着对汽车燃油经济性和环保的要求 ，汽车动力系统将从现在以汽油等化 石燃料为主慢慢过渡到混合动力 ，最终将完全由清洁的燃料电池车替代。 近几年来，燃料电池系统和燃料电池汽车技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制 造厂，如丰田、本田、通用、戴姆勒-克莱斯勒、日产和福特汽车公司已经开发了几代燃料电 池汽车，并宣布了各种将燃料电池汽车投向市场的战略目标。 目前，燃料电池轿车的样车正在 进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。其中本 田的FCX Clarity 最高时速达到了 160 km/h[8];丰田燃料电池汽车 FCHV-adv 已经累计运行 了 360,000 km 的路试,能够在零下37度启动，一次加氢能够从大阪行驶到东京 （560公 里）。 在我国科技部的支持下，燃料电池汽车技术得到了迅速发展。 2007年，我国第四代燃料电池 轿车研制成功，该车最高时速达150 km/h,最大续驶里程319 km 。2008年,20燃料电池示范 汽车又 在北京奥运进行了示范运行。 2010年，包括上汽、奇瑞等国内汽车企业共有 196辆燃 料电池汽车在上海世博园区进行示范运行。 燃油绘济性 排放环保 l ;uel economic exhaust eih ironmen(al protection Internal combustion engine Shori peicxl Mid peitxl Long pei 燃料电池汽车的介绍 ?燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。它的最大特点也在于此，能量转换效率不受“卡诺循 环”的限制，其能量转换效率可高达60%~70%，实际使用效率则是普通内燃机的2倍左右。 燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是 一种理想的车辆。 燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢燃料，另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。 单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。燃料电池汽车的优点 ?与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： 1、提高了燃烧效率。 2、减少了机油泄露带来的水污染。 3、降低了温室气体的排放。 4、提高了燃油经济性。 5、零排放或近似零排放。 6、运行平稳、无噪声。 燃料电池汽车的关键技术 ?电动汽车的关键技术包括电动技术、自动化技术、电子技术、信息技术及化学技术，虽然能源是最首要的问题，但是车身结构、电力驱动以及能源管理系统的优化同样至关重要。 与内燃机车相比，电动汽车的行驶里程较短，因此为了尽可能地利用车载的储存能量，必须选用合适的能量管理系统。可以在汽车的各个子系统安装传感器，包括车内外温度传感器、 充放电时间的电流电压传感器、电动机的电流电压传感器、车速传感器、加速度传感器及外部气候和环境传感器。能量管理系统可实现9 个功能： 1）优化系统能量流； 2）预计所生的能量来估计还能行驶的路程； 3）提供参考以便进行有效操作； 4）直接从制动中获取能量存入储能元件，例如：蓄电池； 5）根据外界的气候调节温度控制； 6）根据外界环境调节灯光亮度； 7）估计合适的充电算法； 8）分析能源，尤其是蓄电池的工作记录； 9）诊断能源的任何不恰当或者无效的操作。 把能源管理系统和导航系统结合起来，就可以规划能源效率的路径，锁定充电站的位置并可以根据交通状态预测可行驶里程。总之，能源管理系统综合了多功能、灵活和可变的显着优点，从而可以合理利用有限的车载能源 1 燃料电池 同电化学电池相比，燃料电池的显着优点在于燃料电池电动汽车可达到与燃油车一样的续驶里程，这是因为燃料电池电动汽车的行驶里程仅与燃料箱中的燃料多少有关，而与燃料电池的尺寸无关。实际上，燃料电池的尺寸仅与电动汽车的功率需求水平有关。 燃料电池的优点： 1）反应物加料时间远远短于电化学电池的充电时间（机械充电式电池除外）； 2）使用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量更小。同普通电池相比，燃料电池是一个能量生成装置，并且一直产生能量直至燃料用尽。 《纯电动汽车能源系统检修》课程标准 基本信息： 课程名称：纯电动汽车能源系统检修 课程性质：职业技术课 学分：4 计划学时：64 适应对象：新能源汽车技术 建设团队：该课程团队含一线教师5人，其中高级职称2人；聘请1名具有资深工作经历的企业技师作为兼职教师参与指导实践教学。 第一部分课程概述 本课程是新能源汽车技术专业的专业核心课程。主要知识点是全面系统地介绍新能源汽车新技术。针对本专业的特点，系统阐述了新能源汽车的类型，发展新能源汽车的必要性和新能源汽车发展现状。重点介绍电动汽车用动力电池、电动汽车用电动机、纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的结构、原理及设计方法等。对天然气汽车、液化石油气汽车、甲醇燃料汽车、乙醇燃料汽车、二甲醚燃料汽车、氢燃料汽车和太阳能汽车的特点、发展现状及趋势也进行了介绍。本课程授予学生新能源汽车构造原理等规律性的知识，使学生具有举一反三的分析能力，对结构原理不断更新的适应能力，为学习后续课程和参加专业实践奠定基础，对于适应地方经济建设的应用性人才培养目标具有十分重要的意义。 第二部分课程目标 总目标：电动汽车用动力电池、电动汽车用电动机、纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的结构、原理及设计方法。 具体目标： 第一章新能源汽车概述 （一）新能源定义与分类 主要内容： 1.新能源汽车的定义。 2.新能源汽车的分类。 重点：新能源汽车的定义和分类。 难点：新能源汽车的分类方法。 基本要求： 1.掌握新能源汽车的定义。 2.了解新能源汽车的分类方法。 3.掌握新能源汽车的分类。 （二）发展新能源汽车的必要性 主要内容： 1.全球背景下的能源危机。 2.大气环流与环境污染。 3.新能源汽车的优点。 4.发展新能源汽车的必要性。 重点：能源危机。环境污染。 难点：发展新能源汽车的必要性。 基本要求： 1.了解全球背景下的能源危机。 2.了解大气环流与环境污染。 3.掌握新能源汽车的优点。 4.掌握发展新能源汽车的必要性。 第三章纯电动汽车基础 （一）纯电动汽车蓄电池 主要内容： 1.纯电动汽车用动力电池分类。 2.纯电动汽车用动力电池的性能指标。 3.纯电动汽车对动力电池的要求。 4.铅酸蓄电池的分类、结构和特点、工作原理、充放电特性和充电方法。 5.镍氢电池的分类、结构和特点，镍氢电池的工作原理、充放电特性和充电方法。 6.锂离子电池的分类、结构和特点，工作原理，充放电特性和充电方法。 7.燃料电池的发展动态、分类、结构和特点。 8.了解质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、微生物燃料电池和再生型燃料电池的性能特点。 9.了解太阳能电池的分类、特点、发电原理、伏安特性。 重点：铅酸蓄电池的分类、结构和特点；镍氢电池的分类、结构和特点；锂离子电池的分类、结构和特点。燃料电池的分类、结构和特点；燃料电池系统；质子交换膜燃料电池。 难点：铅酸蓄电池的充放电特性和充电方法。镍氢电池的充放电特性和充电方法。锂离子电池的充放电特性和充电方法。 基本要求： 纯电动汽车和燃料电池汽车的比较 【摘要】在现阶段，技术相对较成熟、污染程度最小的，当属电动汽车。电动汽车又分为纯电动汽车和燃料电池汽车。而它们都有各自的优缺点。本文介绍了纯电动汽车和燃料电池汽车各自的优缺点。 【关键词】纯电动汽车；燃料电池汽车；清洁能源 0引言 目前，世界各国针对汽车产业都在寻找一种既洁净又储量丰富的能源来缓解日益紧张的石油资源和改善不断恶化的环境，使用此类能源的汽车就是人们常说的新能源汽车。新能源汽车的发展方向呈现多元化，主要有电动汽车、燃气汽车和混合动力汽车三种，而在现阶段，技术相对较成熟、污染程度最小的，当属电动汽车。电动汽车又分为纯电动汽车和燃料电池汽车。而它们都有各自的优点和尚需解决的问题。 １纯电动汽车 纯电动汽车采用单一蓄电池作为储能动力源,通过电池向电机提供电能,驱动电动机运转,从而推动汽车前进[1]。其最大优势在于无污染、噪声小，对环境保护十分有益。另外，纯电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小，同时可回收制动、下坡时的能量，提高能量的利用效率。 在我国，首款面向个人销售的纯电动汽车是被定名为e6先行者的比亚迪纯电动汽车，该车以自主研发的，具有高安全、储电多、功率大等特点的铁电池作为动力，一次充电最大续驶里程达到300公里，列世界第一。而且，比亚迪还和南方电网合作，为每位购车者配备充电柜，只要车主有自己的固定车位，南方电网将上门为车主安装，车主自己可在家中完成充电。而这不失为纯电动汽车推广的一条可行路径。 虽然纯电动汽车的优势明显，但目前的普及程度仍远不及内燃机汽车。其需要解决的是： １．１降低电动车价格。目前电动车整车价格昂贵的主要原因一方面是蓄电池的价格昂贵，另一方面也是电动汽车量产小，配件未形成规模化生产； １．２提高一次充电后的续驶里程，目前蓄电池单位重量存储的能量太少，使得电动汽车的续驶里程过短，在一定程度上也制约了电动车的普及； １．３延长蓄电池的使用寿命。目前一个新的蓄电池在使用一到两年后，其充满电所能储存的能量明显下降，基本上三年就要报废； １．４发展包括充电设施在内的基础设施。除工作单位、家庭等夜间充电设施外，还必须建立行车途中充电所必须的充电网络[2]。电动汽车要想普及，基础充电设施的规模化、网络化是一个不能回避的问题； １．５建立一个电动汽车发展的相关行业标准。相关行业标准的缺失，容易导致各电动汽车制造企业各自为政，生产的电动汽车的充电插口以及相关零部件无法通用，限制了电动汽车的推广普及。 ２燃料电池汽车 燃料电池汽车电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用,直接变成电能获得的[3]。这种化学反应过程不会产生有害产物。燃料电池汽车与纯电动汽车最大的区别在于两个电池的概念不一样，纯电动汽车用的是蓄电池，把电储蓄在电池里。燃料电池并不是蓄电池，而是一个发电装置，能源储存在氢里面，使氢气和 GBT 24548-2009燃料电池电动汽车术语 1范围 本标准规定了与燃料电池电动汽车相关的术语及其定义。 本标准适用于使用气态氢的燃料电池电动汽车整车及部件。 2规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T 19596电动汽车术语 GB/T 20042.1质子交换膜燃料电池术语 3术语和定义 GB/T 19596和GB/T 20042.1中确立的以及下列术语和定义适用于本标准。 3.1通用术语 3.1.1 燃料电池fuel cell 将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。 3.1.2 燃料电池电动汽车fuel cell electdc vehicle；FCEV 以燃料电池系统作为动力源或主动力源的汽车。 3.1.3 冷启动cold start 在充分的浸车之后，在标准环境温度进行启动。 注：对于一个测试程序，一般推荐浸车时间应该是在12h到36 h之间，浸车期间车辆不应该启动，且应保持在规定的温度范围内。 3.1.4 热启动hot start 关机后启动，此时燃料电池系统的温度还在其正常工作温度范围内。 3.1.5 启动时间start-up time 在启动程序初始化后，燃料电池系统达到规定输出功率的时间。 注：包括热启动时间和冷启动时间。 3.1.6 运行压力operating pressure 系统在工作时的压力。 3.1.7 减压depressurize 将高压压力容器或管路中的压力降低至工作所需压力的过程。 3.1.8 燃料放空defuel 电力电子技术在汽车中的应用课题研究报告 研究课题：燃料电池汽车 专业：汽车电子技术 班级：11汽电 学号：1106010332 姓名：涂霖 指导教师：郭农斐 时间：2013年11月 目录 一．简介........................................................ - 3 - 二、燃料电池电动汽车的现状与发展...................... - 3 - 1、国外燃料电池车发展现状简介 ........................ - 4 - 2、中国燃料电池车发展现状简介 ........................ - 4 - 三、燃料电池的优点.......................................... - 5 - 四、燃料电池的缺点.......................................... - 6 - 五、燃料电池的类型.......................................... - 7 - 六、燃料电池发展过程中存在的问题...................... - 8 - 七、燃料电动汽车的发展前景............................... - 8 - 燃料电池汽车 一．简介 首先在了解燃料电池汽车前，我们先来看看什么是燃料电池： 燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转化为电能的能量转换装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作。燃料电池与常规电池不同在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂通过电化学反应生成水，并释放出电能。只要保持燃料供应，电池就会不断工作提供电能。 燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。 二、燃料电池电动汽车的现状与发展 燃料电池的特点：高效：它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在40-60%；如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。环境友好：以纯氢为燃料时，燃料电池的化学反应物仅为水；以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。安静：燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。可靠性高：碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。燃料电池正在以其特有的优势吸引着世界各国各大汽车厂商的注意。这种电池将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一。 近年来一些厂家，如戴姆勒-克莱斯勒、丰田、通用、本田、日产、福特等公司都开发了自己的燃料电池电动汽车。汽车界人士认为燃料电池电动汽车是汽车工业的一大革命，是21世纪真正的纯绿色环保车，是最具实际意义的环保车种。 新能源汽车—燃料电池工作原理 虽然燃料电池名字里面有“燃料”字样，同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃烧，但在燃料电池却不是利用燃烧来获取能量，而是利用氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的，这一过程关键的技术就是利用特殊的“电解质薄膜”将氢气拆分，整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗，但是更小的灰尘却可以……电解质薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。 丰田Mirai燃料电池堆栈结构图及主要参数 因为氢分子体积小，可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在穿越孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过，氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子（正电）和电子、将氧气拆分成氧离子（负电）和电子，电子在电极板之间形成电流，两个氢离子和一个氧离子结合成为纯水，是反应的废物。所以本质来讲，整个运行过程就是发电过程。因此Mirai是纯电动车，燃料电池堆栈代替的就是厚重且充电效率低下的锂离子电池组。 丰田2008年燃料电池技术 丰田Mirai的燃料电池创新 丰田Mirai搭载的燃料电池堆栈是由370片薄片燃料电池组成的，因此被称为“堆栈”，一共可以输出114千瓦的发电功率。丰田的燃料电池堆栈经历了十几年的技术优化，形成了自己的特色结构，比如3D立体微流道技术，通过更好地排出副产物水，让更多空气流入，有效改善了发电效率。所以整个堆栈的发电效率 达到了世界先进水平，达到了3.1千瓦/升，比2008年丰田的技术整整提升了2.2倍。 Mirai燃料电池堆栈技术迭代 由于燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在0.6V-0.8V之间，整体也不会超过300V电压，所以为了更好驱动电动机，还需要安装一个升压器，将电压提升到650V。 燃料电池迭代 700个大气压下储存氢气 了解氢气物理特性的人都清楚，氢气跟汽油不同，常温下氢气是气体，密度非常低并且非常难液化，常温下更是无法液化，所以氢气要安全储藏和运输并不容易。所以氢气无法像汽油那样直接注入普通油箱里。丰田设计了一大一小两个储氢罐，通过高压的方式尽可能多充入一些氢气。以目前的主流储存技术，丰田选用了700Mpa也就是700个大气压的高压储气罐，类似我们常见的“煤气罐”，只不过罐体更厚重。两个储氢罐一共的容量是122.4升，采用700个大气压储存，也 燃料电池电动汽车的结构组成 燃料电池电动汽车组成部分包括：燃料存储系统（或带有重整原燃料至氢气的处理器），燃料电池堆及其控制单元，动力分配单元及其控制器！电机总成和传动系统组成的推进装置单元。燃料电池具有电流源的特点，并且其单体输出电压低。假定在交流电机需要较高功率密度的前提下，必须将几个燃料电池单体串联组合，以获得更高的电压，然后将输出电压输入至与燃料电池组相连接的DC/AC逆变器以提升其输出电压，从而可驱动交流推进电机。燃料电池电动汽车系统框图如下图所示。燃料电池输出电压比较低；在电压输送给电机驱动之前，需要用DC／DC变换器对电压进行提升和整流。 燃料电池和电机之间的动力电子接口电路包括：用于升电池组输出电压的D C／D C变换器、用于交流电机的D C／A C逆变器、用于控制的微处理器／数字信号处理器和用于储能的电池／电容器。燃料电池堆的时间常数比电力负荷动态时间常数要慢很多。电池储能系统在瞬态和过载情况下为车辆提供所需动力，同时也吸收再生制动时反向流动的能量。为了能直接与高压直流母线连接，电池组的额定电压必须足够高，这就需要将大量的电池单体进行串联连接。另外，双向DC/DC变换器两端分别与低压电池组和高压直流母线相连。在燃料电池电动汽车中，尽管超级电容器技术还不能够替换燃料电池，但是它可以取代低压电池组。 基于燃料电池的电动汽车 燃科电池对负载变化十分敏感，这是由其低电压、大电流的输出特性决定的。燃料电池控制器使用电压和电流反馈的信息去调节燃料电池堆的氢气流量，在满足反应速度的情况下用尽量少的氢气流量提供所需的电力。如果在不改变氢气流量条件下想获得更多的电能，最终会耗尽氢气的浓度，进而使输出电压降低，还可能使燃料电池膜受到损害。燃料电池以氢气流量为函数的特性曲线如图所示。当氢的利用率接近100%时，受内部高损耗的控制，燃料电池进入电流限制模式。控制器必须避免燃料电池在电流限制模式下工作．以维持其良好的工作效率。随着氢气流量的减少，，燃料电池堆的输出功率也随之减少，如果动力牵引所需功率较低。则控制器会减少氢气流量，从而最大限度地减少燃料的浪费。理想的控制器能可以完全相同的速度为驱动力发电提供所需要的氢气流量。然而，由于燃料电池具有响应速度慢的特点，因此能量回馈可保证设备的不间断运行。 纯电动汽车动力系统及驱动技术 一、电动汽车简介及现状 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆，电动汽车可分为三种:蓄电池式纯电动车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车。电动汽车历史悠久，世界上的第一辆电动汽车于1834年诞生，比1886年问世的世界上第一辆内燃机汽车还要早半个世纪。 大力发展新能源汽车从而实现世界交通及能源结构的转型已经成为当代汽车行业实现可持续发展的重要趋势。和传统燃油汽车相比，电动汽车尽管目前技术不太成熟，但凭借其能源效率高、环境污染小、能源多样化的优点已经成为汽车行业发展的必然选择，其发展也得到世界各国政府的重视与支持。 国内电动汽车发展现状 我国的电动汽车研究大约开始于上个世纪60年代，自“八五”以来，通过大量人力、物力和财力在纯电动汽车研究上的投入，正式把电动汽车的研究列入攻关计划，并在在北京、杭州等城市开展了不同形式的小规模示范运行。 2001年我国正式启动了“十五”国家高新技术研究发展计划(863)，电动汽车被列入其中并投资数亿，确立了以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车为“三纵”，以多能源动力总成、驱动电机和动力蓄电池共性关键技术为“三横”的“三纵三横”研发布局川，具体分工如下:承担电动大客车项目的有北方车辆厂和北京理工大学，承担纯电动轿车研发的是上海汽车、上海交通大学、天津汽车集团等。 自2009年以来，国家陆续出台《汽车产业调整振兴规划》、电动汽车“十城千辆”项目，这表明在低碳经济的政策背景下，国家对于纯电动汽车的扶持力度正在不断加大。 国外电动汽车发展现状 在电动汽车的发展进程中，各国和各地区都依据自己的国情和特点择了不同的技术路线，而处在技术领先位置的仍然是日本、美国和欧洲，他们在电动汽车的车速、续驶里程、加速性能、动力蓄电池、基础设施等方面都有较大的优势。纯电动汽车已经在欧洲各国中拥有大量的用户，特别是在当地政府部门。但是由于没有成功地解决电动汽车续驶里程问题，商业化进程缓慢。各大汽车厂商发展电动汽车的热情明显不如日本和美国，所以其注意力更多地转向了其它清洁能源车的开发。下表是国外几种电动汽车的技术指标。 燃料电池电动汽车的发展 1.1工作原理 燃料电池严格意义上讲是一种能量发生装置，它的结构与一般电池相同，但是工作方式与普通的电池有所不同，虽然两者均由正负两个电极以及相应的电解质组成。燃料电池可以持续的将化学能转化为电能。只要燃料和氧化剂可以持续的供给，燃料电池就能连续地发电。同时，我们还可以通过改变化学反应的条件来改变能量转换的速率，实现不同功率的输出，可以说，燃料电池是工作更为温和，效率更高（燃料电池的效率一般高于60%【1】，远高于内燃机的30%~40%）的内燃机。 1.2特点 1.燃料电池的能量转换效率高：由于燃料电池采用电化学反应，与内燃机的气体膨胀做功方式不同。燃料电池的能量转换过程中不涉及燃烧，理论转换效率高达100%（但由于电化学反应也不可避免的要生成热量，实际效率一般为60%~80%），使用效率更可达普通内燃机的2－3倍。 2.真正清洁无污染：由燃料电池的工作方式看，燃料电池对环境无污染。燃料电池是通过电化学反应,而不是采用燃烧（化石燃料）或储能(蓄电池)方式输出能量。燃烧会释放如CO2、NO2、SO2 等温室与有害气体以及粉尘等污染物。相对而言，燃料电池正常工作时只产生水和热（产热很小）。如果氢是通过可再生能源产生的，那么就可以做到真正的清洁无污染。虽然蓄电池工作过程中也不产生环境污染，但是蓄电池的制造过程一般会对环境造成较大的负面，例如市面上采用最为广泛的聚合物锂离子电池、镍氢蓄电池等可充电电池，在生产时要用到镍、锂等难炼制金属，而且镍、锂矿的开采以及镍、锂（锂是极活泼元素）的提取需要耗费巨大的资源，间接造成了环境的污染。 3.安静无噪声：燃料电池运行安静,没有机械运动部件，噪声大约只有55dB,仅仅相当于人们正常交谈的水平。 4．能量密度高，功率输出平稳：通过改变燃料电池的反应条件，甚至可以瞬时将输出功率提高到额定功率的200%。 5.燃料补充方便：可以以氢气、甲醇、天然气等作为资源，可以方便的利用现成的加油站系统改造燃料电池汽车所需的加氢站，加气站。 1.3 与普通蓄电池的区别 1.燃料电池是将燃料的化学能转变为电能的装置（严格意义上讲燃料电池不是电池，只是一个能量生成装置）。但燃料电池在产生电能时，参加电化学反应的燃料在经过反应后，被不断地消耗且生成不可重新利用的反应物。因此，燃料电池需要不断地输入燃料。燃料电池的技术性能确定后，只要源源不绝地供给燃料，就可以源源不绝 燃料电池电动汽车动力传动系统技术研究 1引言 燃料电池汽车是电动汽车的一种。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶,燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2-3倍。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物,因此燃料电池车辆是无污染汽车[1-3]。随着对汽车燃油经济性和环保的要求,汽车动力系统将从现在以汽油等化石燃料为主慢慢过渡到混合动力,最终将完全由清洁的燃料电池车替代[4]。 近几年来,燃料电池系统和燃料电池汽车技术已经取得了重大的进展[4-5]。世界著名汽车制造厂,如丰田、本田、通用、戴姆勒-克莱斯勒、日产和福特汽车公司已经开发了几代燃料电池汽车[5-12],并宣布了各种将燃料电池汽车投向市场的战略 目标。目前,燃料电池轿车的样车正在进行试验,以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。其中本田的FCX Clarity最高时速达到了160 km/h[8];丰田燃料电池汽车FCHV-adv已经累计运行了360,000 km的路试,能够在零下37度启动,一次加氢能够从大阪行驶到东京(560公里)[7]。在我国科技部的支持下,燃料电池汽车技术得到了迅速发展。2007年,我国第四代燃料电池轿车研制成功,该车最高时速达150 km/h,最大续驶里程319 km。2008年,20燃料电池示范汽车又在北京奥运进行了示范运行。2010年,包括上汽、奇瑞等国内汽车企业共有196辆燃料电池汽车在上海世博园区进行示范运行[13]。 在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战,如燃料电池组的一体化,提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力,并已取得了显著的进步。但与传统的内燃机轿车相比,燃料电池电动汽车采用“燃料电池+电动机”来代替传统车的“心脏”-发动机和燃油系统。燃料电池轿车的动力传动系统发生较大的变化,主要表现在:电动机替代内燃机成为驱动动力源;离合器与扭转减振器被省略;多挡变速器通常被替换为减速器[14,15]。因此,燃料电池汽车的动力传动系统总体得到简化。但在行驶时,燃料电池是主要的动力来源,蓄电池为辅助能量来源。汽车需要的功率主要由燃料电池提供。可以说,车用燃料电池的选取,对于燃料电池汽车的性能至关重要。 本文介绍了燃料电池汽车动力传统技术发展概况,围绕燃料电池电动汽车动力传动拓扑架构、多源系统管理和动力系统配置与仿真优化技术等关键技术开展了详细论述。 2动力传动系统拓扑构架设计 燃料电池汽车的运行并不是一个稳态情况,频繁的启动、加速和爬坡使得汽车动态工况非常复杂。燃料电池系统的动态响应比较慢,在启动、急加速或爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行驶要求。在实际燃料电池汽车上,常常需要使用燃料电池混合电动汽车设计方法,即引入辅助能源装置(蓄电池、超级电容器或蓄电池十超级电容器)通过电力电子装置与燃料电池并网,用来提供峰值功率以补充车辆在加速或爬坡时燃料电池输出功率能力的不足。另一方面,在汽车怠速、低速或减速等工况下,燃料电池的功率大于驱动功率时,存储富余的能量,或在回馈制动时,吸收存储制动能量,从而提高整个动力系统的能量效率。 2.1直接燃料电池混合动力系统结构 直接燃料电池混合动力系统式结构中采用的电力电子装置只有电机控制器,燃料电池和辅助动力装置都直接并接在电机控制器的入口。如丰田的FCHV-4[16], FIAT-Elettra[17]和日产X-TrailFCV[12]等都采用这种类似的结构设计。 燃料电池汽车技术及其发展概况 摘要： 随着世界经济与人口的快速增长，人们对石油等资源的需求越来越大。传统的化石燃料正面临枯竭的危险，同时，石油等资源的利用也不可避免的带来环境的污染，为了给子孙后代的创造可持续的发展环境，我们急需发展一种全新的“清洁”汽车。燃料电池汽车作为一种理想的传统汽车替代方案有着其固有的优势，本文将以典型的燃料电池汽车为例，阐述燃料电池汽车的主要结构，技术特点。并将对燃料电池汽车的发展进行概括。 关键词：燃料电池汽车，可再生能源，发展概况 一：燃料电池概述： 燃料电池（Fuel cell），是一种通过氧化还原反应将燃料（氢气）转换成电力的装置，最早由英国物理学家威廉·格鲁夫爵士发明，由于燃料电池具有质量能量密度高、能量输出稳定、可靠性高、不产生有害排放物（一般只生成水）、使用成本低廉等优点，燃料电池获得了较快的发展。 1)工作原理： 燃料电池严格意义上讲只是一种能量发生装置，它的结构与一般电池相同，但是工作方式与普通的电池有所不同，虽然两者均由正负两个电极以及相应的电解质组成。燃料电池可以持续的将化学能转化为电能。只要燃料和氧化剂可以持续的供给，燃料电池就能连续地发电。同时，我们还可以通过改变化学反应的条件来改变能量转换的速率，实现不同功率的输出，可以说，燃料电池是工作更为温和，效率更高（燃料电池的效率一般高于60%【1】，远高于内燃机的30%~40%）的内燃机。下面简单介绍一下氢—氧燃料电池的工作原理。 图1-1 由图1-1可知：燃料（氢气）进入气体通道到达阳极（Anode），在铂催化剂的作用下，发生阳极反应： 然后氢离子通过电解质薄膜（Electrolyte Membrane）到达阴极（Cathode）。同时，氧化剂（氧气）通过气体通道到达阴极，与通过电解质薄膜到达阴极的H+在催化剂作用下发生阴极反应： 反应过程结束，产生电能以及副产物水。 图1-2 2）特点 燃料电池的诸多优点使得其在汽车上有广泛的应用前景，燃料电池有很多的优点： 1.燃料电池的能量转换效率高。 由于燃料电池采用电化学反应，与内燃机的气体膨胀做功方式不同。燃料电池的能量转换过程中不涉及燃烧，理论转换效率高达100%（但由于电化学反应也不可避免的要生成热量，实际效率一般为60%~80%），使用效率更可达普通内燃机的2－3倍。 2.真正清洁无污染 由燃料电池的工作方式看，燃料电池对环境无污染。燃料电池是通过电化学反应,而不是采用燃烧（化石燃料）或储能(蓄电池)方式输出能量。燃烧会释放如CO2、NO2、SO2等温室与有害气体以及粉尘等污染物。相对而言，燃料电池正常工作时只产生水和热（产热很小）。如果氢是通过可再生能源产生的，那么燃料电池汽车的介绍
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