汽車發(fā)動機概論-論文-新能源汽車-文庫吧
2025-06-09 21:53 本頁面
【正文】 FCEV 的外形和內(nèi)部空間等與普通汽車幾乎沒有差別，兩者不同之處主要在于動力系統(tǒng)。FCEV 動力系統(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 逆變器后進入電動機，驅(qū)動汽車行駛或經(jīng)DC/DC 轉(zhuǎn)換器向蓄電池充電，當汽車行駛需要的動力超過燃料電池的發(fā)電能力時，蓄電池也參加工作，其電流經(jīng)DC/DC 轉(zhuǎn)換器進入電動機，驅(qū)動汽車行駛。 燃料電池的工作原理燃料電池是一種電化學裝置，是由正負2 個電極以及電解質(zhì)組成，其工作原理，如圖2 所示。在陽極上提供H2，在陰極上提供O2，氫在陽極催化劑的作用下，分解成氫離子和電子。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向陰極，用電負荷接在外部電路中。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陰極上的電子形成水。由于電解質(zhì)中離子的運動，電極上有電荷的積累，外電路接通后有直流電通過，并可以持續(xù)。電解質(zhì)具有選擇通過性，只允許負極產(chǎn)生的質(zhì)子通過，到達正極，但不允許氣體和電子通過。原則上只要反應物不斷輸入，反應產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)發(fā)電。 陽極：H2→2H++2e 陰極：O2+4H++4e→2H2O總的化學反應式：2H2+O2→2H2O2 FCEV 整車集成的關(guān)鍵技術(shù)FCEV是集汽車、電力拖動、自動控制、化學電源、計算機、新能源及新材料等諸多技術(shù)的復雜系統(tǒng)，對應整車系統(tǒng)的開發(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)計與優(yōu)化、燃料供給、電堆溫度管理及制動回饋等。 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題。目前經(jīng)過國內(nèi)外樣車試制，電池堆與電機主要采取前置方式；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)動機系統(tǒng)一個燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆、熱交換器及空氣壓縮機等子系統(tǒng)組成，如圖3 所示。對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）對環(huán)境無危害，可回收性好。 燃料電池堆溫度控制系統(tǒng)燃料電池堆溫度對燃料電池性能、壽命和運行安全有較大影響。溫度高將使質(zhì)子交換膜脫水，不滿足膜的濕潤條件，其電導率下降，電池性能變差。特別是溫度過高或超溫運行，膜會出現(xiàn)微孔，使得氫氣進入空氣系統(tǒng)，危及運行安全；溫度過低則會降低催化劑活性，影響化學反應過程。溫度控制系統(tǒng)是由溫度傳感器、散熱風扇、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，可以借助冷卻風扇和循環(huán)水泵帶走電堆的熱量，從而降低電堆溫度。由于電堆內(nèi)部溫度難以直接測量，所以實踐中往往利用循環(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，通過傳導帶走電堆的熱量，流經(jīng)散熱片，并通過外面的冷卻風扇來降溫。2）在低溫情況下，雖然電堆持續(xù)發(fā)電會產(chǎn)生熱量，但是在室溫較低或者燃料電池輕載的情況下，在短時間內(nèi)很難使溫度達到合適范圍，這時可采用電熱絲對循環(huán)水進行加熱，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，分別對應不同的擋位。在不同情況下，通過控制每個電熱絲的閉合和斷開來實現(xiàn)。加熱過的循環(huán)水通過循環(huán)水泵帶入電堆，從而實現(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)由空氣濾清器的過濾，被高速風機壓縮，再經(jīng)過空氣流量計的測量后到達空氣的電堆入口處。目前常用的制氫方法是電解水、裂解石油、煤和天然氣制氫，制取的過程會消耗大量的能源。目前多采用液態(tài)儲氫，氫氣供給系統(tǒng)，如圖5 所示。氫瓶采用35 MPa 的儲氫壓力，在氫瓶頂端裝有一體式組合瓶閥。瓶閥中包括高壓電磁閥、手動截止閥、安全閥、瓶內(nèi)溫度傳感器和壓力傳感器等部件。加注口按35 MPa 壓力標準選取，加注口內(nèi)部具有顆粒過濾功能，可以對加注氣體進行過濾，具有單向截止等功能。為了確保氫氣通過加注口進入儲氣罐，在加注管道中增加一個單向閥。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。高壓氣體通過減壓后向燃料電池發(fā)動機提供穩(wěn)定的氫氣供應。 再生制動再生制動，即在車輛減速或制動過程中，通過帶動電機發(fā)電的方式，將車輛的動能轉(zhuǎn)化為電能存儲在輔助蓄電池中，實現(xiàn)能量回收，同時產(chǎn)生車輛所需的部分制動力。再生制動策略對燃料電池汽車的燃料經(jīng)濟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。制動減速過程中，制動力既要滿足較大制動強度的要求，又要受到電機運行速度和電池荷電狀態(tài)等方面的影響，單一的再生制動可能導致電機制動力不足，為保證制動效能的穩(wěn)定性，目前較多是采用由摩擦制動和再生制動組成的復合制動系統(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自地面固定的制氫系統(tǒng)，另一種是來自車載移動的制氫系統(tǒng)，當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)氫是一種無氣味的透明氣體，泄漏到大氣中后，一般不容易發(fā)覺，氣態(tài)或液態(tài)氫的生產(chǎn)、儲存、保管、充加、攜帶和運輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)中可能存在氫氣的泄漏。在試驗中表明，在一定的條件下，空氣中氫氣達到一定濃度時，其危險性超過了汽油。如果處理不慎，就會存在火災和爆炸的隱患。商品化的氫氣對各個環(huán)節(jié)安全性能的要求更加嚴格。氫氣供應是一個嚴格的系統(tǒng)1_程，在整個氫氣供應系統(tǒng)中，都應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儲氫合
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