汽車發(fā)動(dòng)機(jī)概論-論文-新能源汽車-文庫(kù)吧
2025-06-09 21:53 本頁(yè)面
【正文】 FCEV 的外形和內(nèi)部空間等與普通汽車幾乎沒(méi)有差別，兩者不同之處主要在于動(dòng)力系統(tǒng)。FCEV 動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。燃料電池組發(fā)出的電力經(jīng)DC/AC 逆變器后進(jìn)入電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)汽車行駛或經(jīng)DC/DC 轉(zhuǎn)換器向蓄電池充電，當(dāng)汽車行駛需要的動(dòng)力超過(guò)燃料電池的發(fā)電能力時(shí)，蓄電池也參加工作，其電流經(jīng)DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)入電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。 燃料電池的工作原理燃料電池是一種電化學(xué)裝置，是由正負(fù)2 個(gè)電極以及電解質(zhì)組成，其工作原理，如圖2 所示。在陽(yáng)極上提供H2，在陰極上提供O2，氫在陽(yáng)極催化劑的作用下，分解成氫離子和電子。氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向陰極，用電負(fù)荷接在外部電路中。在陰極上，O2 在催化劑的作用下同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)陰極上的電子形成水。由于電解質(zhì)中離子的運(yùn)動(dòng)，電極上有電荷的積累，外電路接通后有直流電通過(guò)，并可以持續(xù)。電解質(zhì)具有選擇通過(guò)性，只允許負(fù)極產(chǎn)生的質(zhì)子通過(guò)，到達(dá)正極，但不允許氣體和電子通過(guò)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)發(fā)電。 陽(yáng)極：H2→2H++2e 陰極：O2+4H++4e→2H2O總的化學(xué)反應(yīng)式：2H2+O2→2H2O2 FCEV 整車集成的關(guān)鍵技術(shù)FCEV是集汽車、電力拖動(dòng)、自動(dòng)控制、化學(xué)電源、計(jì)算機(jī)、新能源及新材料等諸多技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)整車系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，包括的內(nèi)容十分廣泛，如：整車集成布置、車輛安全管理、能量管理策略的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、燃料供給、電堆溫度管理及制動(dòng)回饋等。 整車集成布置燃料電池汽車的整車布置除去與傳統(tǒng)汽車相同部分，還包括燃料電池堆與電機(jī)的布置，氫氣罐的安全布置以及高壓電安全隔離。這些核心部件的布置，不僅要考慮布置方案的優(yōu)化及零部件性能實(shí)現(xiàn)的便利，還必須考慮氫泄漏等傳統(tǒng)汽車所不具備的安全性問(wèn)題。目前經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外樣車試制，電池堆與電機(jī)主要采取前置方式；氫氣罐布置更多考慮汽車碰撞安全性和車輛外形結(jié)構(gòu)緊湊，多采用后置。 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一個(gè)燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆、熱交換器及空氣壓縮機(jī)等子系統(tǒng)組成，如圖3 所示。對(duì)燃料電池的基本要求是：1）高的比能量和比功率；2）安全性好且成本低；3）對(duì)環(huán)境無(wú)危害，可回收性好。 燃料電池堆溫度控制系統(tǒng)燃料電池堆溫度對(duì)燃料電池性能、壽命和運(yùn)行安全有較大影響。溫度高將使質(zhì)子交換膜脫水，不滿足膜的濕潤(rùn)條件，其電導(dǎo)率下降，電池性能變差。特別是溫度過(guò)高或超溫運(yùn)行，膜會(huì)出現(xiàn)微孔，使得氫氣進(jìn)入空氣系統(tǒng)，危及運(yùn)行安全；溫度過(guò)低則會(huì)降低催化劑活性，影響化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。溫度控制系統(tǒng)是由溫度傳感器、散熱風(fēng)扇、水箱、電熱絲和循環(huán)水泵等組成，如圖4 所示。溫度控制問(wèn)題可以分為2 種情況：1）在高溫情況下，電堆溫度不能自然下降，此時(shí)，可以借助冷卻風(fēng)扇和循環(huán)水泵帶走電堆的熱量，從而降低電堆溫度。由于電堆內(nèi)部溫度難以直接測(cè)量，所以實(shí)踐中往往利用循環(huán)水的溫度間接反映電堆內(nèi)部的溫度。調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以使冷卻循環(huán)水的溫度控制在合適范圍。循環(huán)水從電堆中經(jīng)過(guò)，通過(guò)傳導(dǎo)帶走電堆的熱量，流經(jīng)散熱片，并通過(guò)外面的冷卻風(fēng)扇來(lái)降溫。2）在低溫情況下，雖然電堆持續(xù)發(fā)電會(huì)產(chǎn)生熱量，但是在室溫較低或者燃料電池輕載的情況下，在短時(shí)間內(nèi)很難使溫度達(dá)到合適范圍，這時(shí)可采用電熱絲對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加熱，電熱絲的加熱方式采用分擋控制方式，電熱絲由幾條并聯(lián)的電熱絲組成，分別對(duì)應(yīng)不同的擋位。在不同情況下，通過(guò)控制每個(gè)電熱絲的閉合和斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。加熱過(guò)的循環(huán)水通過(guò)循環(huán)水泵帶入電堆，從而實(shí)現(xiàn)給電堆加熱。 燃料供給一般燃料電池汽車燃料為空氣和氫氣，空氣可自由獲得，經(jīng)由空氣濾清器的過(guò)濾，被高速風(fēng)機(jī)壓縮，再經(jīng)過(guò)空氣流量計(jì)的測(cè)量后到達(dá)空氣的電堆入口處。目前常用的制氫方法是電解水、裂解石油、煤和天然氣制氫，制取的過(guò)程會(huì)消耗大量的能源。目前多采用液態(tài)儲(chǔ)氫，氫氣供給系統(tǒng)，如圖5 所示。氫瓶采用35 MPa 的儲(chǔ)氫壓力，在氫瓶頂端裝有一體式組合瓶閥。瓶閥中包括高壓電磁閥、手動(dòng)截止閥、安全閥、瓶?jī)?nèi)溫度傳感器和壓力傳感器等部件。加注口按35 MPa 壓力標(biāo)準(zhǔn)選取，加注口內(nèi)部具有顆粒過(guò)濾功能，可以對(duì)加注氣體進(jìn)行過(guò)濾，具有單向截止等功能。為了確保氫氣通過(guò)加注口進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，在加注管道中增加一個(gè)單向閥。為了確保系統(tǒng)安全，在供氫管路中安裝具有流量限制功能的溢流閥。高壓氣體通過(guò)減壓后向燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)。 再生制動(dòng)再生制動(dòng)，即在車輛減速或制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電的方式，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在輔助蓄電池中，實(shí)現(xiàn)能量回收，同時(shí)產(chǎn)生車輛所需的部分制動(dòng)力。再生制動(dòng)策略對(duì)燃料電池汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性有著直接的影響，是燃料電池汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。制動(dòng)減速過(guò)程中，制動(dòng)力既要滿足較大制動(dòng)強(qiáng)度的要求，又要受到電機(jī)運(yùn)行速度和電池荷電狀態(tài)等方面的影響，單一的再生制動(dòng)可能導(dǎo)致電機(jī)制動(dòng)力不足，為保證制動(dòng)效能的穩(wěn)定性，目前較多是采用由摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)組成的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。3 FCEV的燃料(Fuel)氫氣H2是FCEV的惟一燃料，F(xiàn)CEV采用的氫氣一種是來(lái)自地面固定的制氫系統(tǒng)，另一種是來(lái)自車載移動(dòng)的制氫系統(tǒng)，當(dāng)前主要采用地面固定的制氫系統(tǒng)生產(chǎn)的氫氣作為FCEV的燃N。 地面固定的制氫系統(tǒng)工廠化氫氣的制備方法有：④用裂解法從天然氣或石油氣中制取氫；②用水煤氣法從焦碳或白煤中制取氫；⑧用“改質(zhì)法”從醇類或烴類中制取氫；④用電解法或太陽(yáng)能從水中制取氫；⑤從含氫的工業(yè)尾氣中提取氫；⑥生物制氫等。直接使用氫燃料可以使FCEV的輔助系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，效率提高。燃料電池所使用的氣態(tài)或液態(tài)氫是一種無(wú)氣味的透明氣體，泄漏到大氣中后，一般不容易發(fā)覺(jué)，氣態(tài)或液態(tài)氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、保管、充加、攜帶和運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)中可能存在氫氣的泄漏。在試驗(yàn)中表明，在一定的條件下，空氣中氫氣達(dá)到一定濃度時(shí)，其危險(xiǎn)性超過(guò)了汽油。如果處理不慎，就會(huì)存在火災(zāi)和爆炸的隱患。商品化的氫氣對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)安全性能的要求更加嚴(yán)格。氫氣供應(yīng)是一個(gè)嚴(yán)格的系統(tǒng)1_程，在整個(gè)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中，都應(yīng)該采取有效的安全防范措施和救援設(shè)施。毛EFCEV上采用的氫氣有：①壓縮氫氣；②液化氫氣；③儲(chǔ)氫合
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