1、精選文庫新能源汽車應用技術課程新能源汽車結構與工況實訓指導書一、實驗目的與要求1.通過實驗，學生應了解認識以氫為燃料的燃料電池汽車動力電池的基本構成和工作原理；2.通過實驗，學生應掌握油-電混合動力汽沁能源汽車車動力總成及其主要部件的結構與功能；3.通過實驗，學生應了解油-電混合動力汽車運行工況，分析汽油機子系統和電機子系統自動交替工作的運行狀態，總結其特點。二、實驗的主要儀器設備豐田普瑞斯2007版PSHEV油-電混合動力汽車1臺；NJLGPE-02燃料電池仿真實訓系統1套。圖1豐田普瑞斯油-電混合動力汽車 圖2 燃料電池仿真實訓系統平臺豐田PRIUS-普瑞斯2007版PSHEV油-電混合動

2、力汽車1臺?；緟担貉b有THS混合動力系統(Toyota Hybrid System)；1.5L直列四缸汽油機功率51.5 kW；驅動電機為500 V永磁無刷電機功率33 kW；電動/發電機為永磁交流同步電機；201 V鎳-氫動力電池重75 kg(由250個單體電池串連，每個1.2 V)；整車質量1240 kg；最高車速160 km/h；油耗3.61 L/100 km。質子交換膜燃料電池仿真實訓系統以空冷型百瓦級PEMFC為測控對象，采用LabVIEW進行軟件設計，利用該平臺可以展現燃料電池的工作原理，測試燃料電池堆的性能和運行狀態，全面監測各種參數與電池堆性能之間的關系，通過控制單元控制電

3、池實際運行所需的工作條件。實訓系統包括：風冷型質子交換膜燃料電池堆、供氣單元、電力電子轉換單元、控制單元、負載實驗單元、系統控制分析軟件六部分。三、基礎知識新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源（或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。新能源汽車包括混合動力汽車（HEV）、純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、氫發動機汽車、其他新能源（如高效儲能器、二甲醚）汽車等各類別產品。1. 質子交換膜燃料電池的原理質子交換膜燃料電池，簡稱PEMFC，由于它適用范圍廣，無需特殊

4、的運行條件，可靠性高等特點，使得它成為目前全球發展最迅速的一種燃料電池。PEMFC它由雙極板(流場板)、擴散電極、和膜組成一個單電池，它的結構如圖3所示。圖3質子交換膜燃料電池單電池結構原理圖 圖4質子交換膜燃料電池電堆雙極板常用的材料有石墨板和改性金屬板,在雙擊板的兩側分別加工有燃料和氧化劑的流場，流場主要是引導反應劑在電池氣室內的流動，確保整個電極反應劑的均勻分布并排出生成物。另外，雙擊板還具有傳輸電流和阻氣作用。擴散電極分為兩部分，擴散層和催化層。擴散層一般以碳紙或碳布為基底，并涂以具有疏水功能的聚四氟乙烯(PTFE)，使其具有多孔結構。它的功能是支撐催化層、導電及為氣體擴散和生成水排出

5、提供通道。催化層是由催化劑Pt/C(或其它形式的催化劑)和(或)疏水性的PTEF構成，它分別是燃料和氧化劑發生電化學反應的場所。膜是電池的關鍵部件，目前主要采用全氟磺酸型質子交換膜(Nafion膜)。其主要擔當水合H+的傳輸。并隔離陰陽極的燃料和氧化劑。單電池輸出功率取決于單電池的輸出電壓和工作電流。由于單電池往往功率較小，無法直接驅動負載，在實際應用中都是由多個單電池串聯構成不同等級功率的電堆，以適應不同負載的需要。電堆功率的大小由單電池的個數和功率決定。圖4為實際電堆照片圖。PEMFC單電池的工作原理如圖5所示。圖5 質子交換膜燃料電池的工作原理圖燃料H2和氧化劑O2(或空氣)分別送入陽極

6、和陰極流道，H2和氧化劑分別通過陽極和陰極擴散層到達各自的催化層，陽極H2在催化劑的作用下發生電極反應：生成的H+穿過電解質膜到達陰極，同時產生的電子經過外電路也到達陰極。此時陰極的氧化劑同樣在Pt催化劑作用下和H+及電子發生反應生成水，水通過電極隨反應尾氣排出。陰極反應式為：總化學反應為： PEMFC具有以下主要特點：(1) 可在室溫條件下運行，并啟動迅速。(2) 能量轉化效率高。效率高達50%-60%，通過對余熱的二次利用，總效率可高達80%-85%，是普通內燃機的2-3倍。(3) 無污染，可實現零排放。工作過程的唯一產物是水。(4) 運行噪聲低，可靠性高。無機械運動部件，工作時僅有氣體和

7、水的流動。(5) 成本高(目前主要表現為材料價格昂貴)。2. 混合動力汽車混合動力是指那些采用傳統燃料的，同時配以電動機/發動機來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型。按照燃料種類的不同，主要又可以分為汽油混合動力和柴油混合動力兩種。目前國內市場上，混合動力車輛的主流都是汽油混合動力，而國際市場上柴油混合動力車型發展也很快?；旌蟿恿ζ嚨膬烖c是：（1）采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優工況下工作。需要大功率內燃機功率不足時，由電池來補充；負荷少時，富余的功率可發電給電池充電，由于內燃機可持續工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。（2

8、）因為有了電池， 可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。 （3）在繁華市區，可關停內燃機，由電池單獨驅動，實現“零”排放。（4）有了內燃機可以方便地解決耗能大的空調、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。（5）可以利用現有的加油站加油，不必再投資。（6）可讓電池保持在良好的工作狀態，不發生過充、過放，延長使用壽命，降低成本?；旌蟿恿ζ嚨娜秉c:長距離高速行駛基本不能省油?；旌蟿恿ζ嚨年P鍵是混合動力系統，它的性能直接關系到混合動力汽車整車性能。經過十多年的發展，混合動力系統總成已從原來發動機與電機離散結構向發動機電機和變速箱一體化結構發展，即集成化混合動力總成系統。 混合動力總成以動力傳

9、輸路線分類，可分為串聯式、并聯式和混聯式等三種。（1）串聯式動力由發動機、發電機和電動機三部分動力總成組成，它們之間用串聯方式組成SHEV動力單元系統，發動機驅動發電機發電，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構驅動汽車。小負荷時由電池驅動電動機驅動車輪，大負荷時由發動機帶動發電機發電驅動電動機。當車輛處于啟動、加速、爬坡工況時，發動機、電動機組和電池組共同向電動機提供電能；當電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅動電動機，當電池組缺電時則由發動機-發電機組向電池組充電。串聯式結構適用于城市內頻繁起步和低速運行工況，可以將發動機調整在最佳工況點附近穩定運轉，通過調整電

10、池和電動機的輸出來達到調整車速的目的。使發動機避免了怠速和低速運轉的工況，從而提高了發動機的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量幾經轉換，機械效率較低。（2）并聯式裝置的發動機和電動機共同驅動汽車，發動機與電動機分屬兩套系統，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動。當汽車加速爬坡時，電動機和發動機能夠同時向傳動機構提供動力，一旦汽車車速達到巡航速度，汽車將僅僅依靠發動機維持該速度。電動機既可以作電動機又可以作發電機使用，又稱為電動發電機組。由于沒有單獨的發電機，發動機可以直接通過傳動機構驅動車輪，這種裝置更接近傳統的汽車驅動系統，機械效率損耗與普通汽

11、車差不多，得到比較廣泛的應用。 （3）混聯式裝置包含了串聯式和并聯式的特點。動力系統包括發動機、發電機和電動機，根據助力裝置不同，它又分為發動機為主和電機為主兩種。以發動機為主的形式中，發動機作為主動力源，電機為輔助動力源；以電機為主的形式中，發動機作為輔助動力源，電機為主動力源。該結構的優點是控制方便，缺點是結構比較復雜。四、實驗的內容與方法、步驟1. 豐田油-電混合動力汽車實驗內容（1）豐田混聯式油-電混合動力汽車動力總成的及其主要部件的結構與功能。高壓電池發電機MG1發動機變頻器電動機MG2行星齒輪組圖6 豐田普瑞斯THS II混和動力系統結構圖THS II 結構-發動機采用1NZ-FX

12、E阿特金森式直列/4缸16氣門雙頂置凸輪軸 1.5升 汽油發動機。THS II 結構-驅動橋包含交流500V電動機，發電機, 行星齒輪, 減速齒輪和主減速齒輪。使用連續變速傳動裝置，達到操作的平滑性和寧靜性。圖7 THS II 結構-發動機 圖8 THS II 結構-驅動橋圖9 THS II結構-HV電池 圖10 THS II結構-變頻器THS II結構-HV電池采用201.6V 直流HV全封閉的鎳氫 (Ni-MH)蓄電池以減輕重量，安裝位于后備箱內后排座位下。THS II結構-變頻器變頻作用：直流 交流高電壓；變壓作用：直流200V升至直流500V；直流-直流轉換：直流 200V降至直流12

13、V；A/C 變頻器：DC AC驅動，A/C 壓縮機。（2）觀察混聯式油-電混合動力汽車基本運行工況混聯式油-電混合動力汽車行駛方式：車輛可由汽油機來驅動，而無需對車輛進行充電；如果車輛電池的電量消耗，發動機會驅動發電機，對電池充電；車輛只有在“READY” 燈點亮時，才可行駛；為了改善燃油經濟性，當車輛停止時，發動機停機；車輛起動后，發動機的起動由系統自動控制。油-電混合動力汽車的幾種典型運行工況：發動機為動力電池充電：動力電池容量低于額定值時，發動機自動為動力電池充電。啟動與低速行駛：汽車由靜止開始低速行駛時由驅動電機推動汽車前進。車速到達一定值時，“電動/發電機”處于電動機狀態，啟動發動機

14、；發動機啟動后，“電動/發電機”處于發電機狀態，向動力電池充電。正常時速行駛：汽車由發動機驅動。加速行駛：發動機節氣門全開；發動機-驅動電機混合驅動。發動機動力傳遞路線是：發動機THS混合動力系統車輪；動力電池動力傳遞路線是：動力電池電流轉換器驅動電機THS混合動力系統車輪；發動機-驅動電機的動力在THS混合動力系統上混合。由教師駕駛車輛行駛，模擬混聯式油-電混合動力汽車三種基本運行工況，學生觀察并思考。發動機為動力電池充電工況演示驅動電機驅動低速行駛工況演示油-電混合動力驅動低速行駛工況演示圖11 充電工況演示 圖12 電機驅動低速行駛工況演示圖13油-電混合動力驅動低速行駛工況演示2. 氫

15、燃料電池實驗內容燃料電池發電系統實訓平臺如圖14所示，平臺中的設備主要包括：兩級減壓閥，減壓閥，壓力表，氣體流量計，燃料電池，電壓表和電流表各1個，功率表（可選作電壓表和電流表）3個，電源開關1個，負載開關2個，變阻器和LED燈各一組，直流電機及其調速器旋紐各一個，直流可編程電子負載1個，電路接口若干。圖14 燃料電池發電系統實訓平臺展示燃料電池的工作原理，系統包括：一個PEM燃料電池，一個流量計顯示氫氣流速，一個減壓閥顯示進氣壓力，系統由一個風扇冷卻和供氣?？刂破髯詣拥谋O視所有主要參數，并使系統操作安全，包括故障報警、誤操作時的獨立切斷；數碼管顯示系統的氫氣流量，輸出功率，電堆溫度，輸出電壓，負載電流。計算機實時紀錄不同的特性曲線，如V-I、P-I、P-V的動態變化曲線，檢測曲線上不同參數及各種參數間的作用。直流電機作為演示用負載，可實現電動汽車的負載特性，體現電動汽車不同的運行工況，并可以檢驗實驗過程中的不同參數?？梢栽O定負載的動態變化過程并檢測相應的性能參數。由教師操作，燃料電池工作開始發電，模擬負載變化后，記錄燃料電池系統的各項參數的變化規律，學生觀察并思考分析。圖15 燃料電池發電系統實訓平臺數據采集五、實驗報告要求1通過查找資料、教師講解與實物觀察，詳