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燃料电池汽车

2018年01月23日 15:58   易车   

燃料电池汽车( FCV) 是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较, 其动力方面的不同在于FCV 用的电力来自车载燃料电池装置, 电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此, FCV 的关键是燃料电池。

燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。发电的基本原理是: 电池的阳极( 燃料极) 输入氢气( 燃料) , 氢分子( H2) 在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子( H+ ) 和电子( e-) , H+ 穿过燃料电池的电解质层向阴极( 氧化极) 方向运动, e-因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极; 在电池阴极输入氧气( O2) , 氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子( O) , 与通过外部电路流向阴极的e-和燃料穿过电解质的H+ 结合生成稳定结构的水( H2O) , 完成电化学反应放出热量。这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的, 只要阳极不断输入氢气, 阴极不断输入氧气, 电化学反应就会连续不断地进行下去, e-就会不断通过外部电路流动形成电流, 从而连续不断地向汽车提供电力。与传统的导电体切割磁力线的回转机械发电原理也完全不同, 这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。因而, 燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点, 这确保了FCV 成为真正意义上的高效、清洁汽车。

为满足汽车的使用要求, 车用燃料电池还必须具有高比能量、低工作温度、起动快、无泄漏等特性,在众多类型的燃料电池中, 质子交换膜燃料电池( PEMFC) 完全具备这些特性, 所以FCV 所使用的燃料电池都是PEMFC。

与传统汽车相比,燃料电池汽车与传统的内燃机驱动汽车在构造及动力传输等方面的不同, 为汽车的整体设计提出了新的要求。传统内燃机汽车的发动机----变速器动力总成在燃料电池汽车中不复存在, 取而代之的是燃料电池反应堆、蓄电池、氢气罐、电动机、DC /DC 转化器等设备。而制动系统和悬架也相应变化。因此, 根据燃料电池汽车自身特点,在设计时, 应作相应的变化和改进。燃料电池汽车具有以下优点:

1、零排放或近似零排放。

2、减少了机油泄漏带来的水污染。

3、降低了温室气体的排放。

4、提高了燃油经济性。

5、提高了发动机燃烧效率。

6、运行平稳、无噪声。

燃料电池汽车的特点表现在以下方面:

底盘布置

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。

管理系统

燃料电池汽车的动力系统一般由质子交换膜燃料电池、蓄电池、电机和系统控制设备组成。燃料电池所生成的电能经过DC /DC 转换器、DC /AC逆变器等的变换, 带动电机的运转, 将电能转变为机械能, 为汽车提供动力。在一些关键部件, 如质子交换膜燃料电池和蓄电池等, 其热特性及传热性质与传统汽车有着很大的不同, 为燃料电池汽车的水、热管理提出了新的目标和要求。

电子控制

与传统汽车相同, 电子控制在燃料电池汽车的发展中也将起着越来越重要的作用。汽车的各种操纵系统都会向着电子化和电动化的方向发展, 实现“线操控”, 即用导线代替机械传动机构,如“导线制动”、“导线转向”等; 现有的12V 动力电源已满足不了汽车上所有电气系统的需要, 42V汽车电气系统新标准的实施, 将会使汽车电器零

部件的设计和结构发生重大的变革, 机械式继电器、熔丝式保护电路也将随之淘汰。同时, 燃料电池的特性有其自身的特点:

a.电压低, 电流大;

b.输出电流会随温度的升高而升高, 输出电压会随输出电流的增大而下降;

c.从开始输出电压、电流到逐渐进入稳定状态, 停留在过渡带范围内的动态反应时间较长。正是由于以上特点, 大多数电器和电机难以适应其电压特性, 所以必须和DC /DC 变换器和DC /AC 逆变器配合使用, 需要对燃料电池系统进行大量的功率调节以保证电压的稳定。

( 1)当燃料电池的输出功率大于汽车的需要时, 多余的功率可对蓄电池进行充电, 在动力系统起动时蓄电池可以给辅助系统提供电源;

( 2)当燃料电池的功率不能满足汽车加速、爬坡时, 蓄电池可提供附加功率, 配合燃料电池共同使用。

所以, 车辆可采用42V 的辅助电源独立地为各种电子、电气设备提供电能。由于燃料电池汽车较之传统内燃机汽车在驱动方式上有着本质的区别, 所以在底盘布置、水热管理、电子控制等诸多方面的设计也有着很大的不同。

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