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燃料电池车是如何工作的?燃料电池车结构详解

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2021/1/13     浏览次数:    

燃料电池车是目前氢燃料电池最重要的应用之一,今天我们一起学习一下燃料电池车的结构,注意这里的燃料电池车主要是指燃料电池乘用车。


燃料电池车如何工作?


如下图左上示意图,燃料电池车的心脏——燃料电池电堆,它提供了一个加速氢气与氧气电化学反应的容器,将氢气与氧气化学反应中释放的能量转化为电能。在燃料电池车中,它与电池一起协同工作,为电机提供能量,而电机为车辆提供动力,驱动车辆行驶。对于电池来说,其本身就是能量源。而对于燃料电池电堆来说,它的能量来源——氢气,需要另外存储。目前常用的储存方式为使用高压储氢罐储存,即图中的圆柱体。

燃料电池汽车如何工作

纯电动汽车(BEV)和燃料电池车(FCEV)相同的地方在于,都使用电为电动机提供动力。不同的地方在于,燃料电池车使用由氢驱动的燃料电池电堆发电,而不单一从电池中提取电能。在车辆设计过程中,电池与燃料电池的尺寸配比存在多种选择,但是其动力模式可以归结为燃料电池模式、辅助模式、充电模式、能量回收模式这四种模式。

燃料电池车的动力模式

燃料电池车主要由哪些部分组成?

氢电混合燃料电池车

如上图,以类似丰田Mirai燃料电池车为例,参考自美国能源部的定义,燃料电池车主要由这些部分组成:

Thermal System:热管理(冷却)系统,该系统能够将燃料电池、电机、功率电子、以及其他零部件维持在其合适的工作温度上。

Battery(auxiliary):辅助电池,就是燃油车上常见的12V辅助电池。

DC/DC converter:这里指的是将动力电池的高压电转化为辅助电池能够接受的低压电的装置。

Power electronics controller:电力电子控制器,能够管理燃料电池和动力电池的电能,进行电压控制,并将电能分配给电机控制电机。

Transmission:变速器,从电机传递机械动力来驱动车轮。

Electric Traction Motor:驱动电机,利用来自燃料电池和动力电池组的电能,输出机械能驱动车轮。另外也能够回收减速时的动能,转化为电能。

Fuel Cell Stack:燃料电池电堆。将多片燃料电池组装而成的电能转化装置。其一般被置于一个壳体内,国内一般称之为燃料电池电堆模块。
Fuel Tank(hydrogen):储氢罐,用于储存氢气。

Fuel Filler:,特殊设计的金属嘴,能够卡住加氢枪,将加入的氢气送入氢罐中。

Battery Pack:电池包(动力电池),较小容量的电池包。与纯电车上所使用的的电池包区别不大。

燃料电池车与其他类型车有哪些区别?


这里小编查看了美国能源部网站的信息,对比了燃料电池车(Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle,又称氢-电混合动力车)、燃油车(Gasoline Vehicle)、油-电混合动力车(Hybrid Electric Vehicle)、纯动力电池车(All Electric Vehicle)。其基本车辆结构原理如下图所示:

氢电混合燃料电池车

燃油汽车结构

油电混合汽车结构

纯电汽车结构

可以看出燃料电池车与油-电混合动力车的架构很相似,其中大量零部件与纯动力电池车相同。不过值得注意的是,由于不同的电池与燃料电池电堆的配置,不同厂家的燃料电池车结构区别还是比较大的。有的燃料电池车主要以燃料电池电堆作为主动力输出源,有的以电池作为主动力输出源,燃料电池电堆起增程器作用。

不同燃料电池车间有哪些区别?


接下来来看看不同的燃料电池车之间有啥区别,我们对比了丰田Mirai一代、丰田Mirai二代、奥迪A7 (H-tron版)、奥迪H-tron版、奔驰B-Klasse、奔驰GLC、现代Nexo这七款燃料电池车。

丰田MIRAI一代结构

可以看到,不同燃料电池车型的主要区别在于燃料电池电堆、氢瓶与动力电池在车辆中的布置方式,不同的布置位置也影响了这些零部件的形状。主要布置方式有以下四类:

丰田Mirai二代结构

奥迪A7燃料电池汽车结构

奥迪燃料电池汽车结构

奔驰燃料电池汽车结构

奔驰GLC燃料电池汽车结构


(a)氢瓶沿车中轴纵置+在车尾横置,动力电池后置,燃料电池电堆前置
(b)氢瓶在车尾横置,动力电池像纯电车一样中置,燃料电池电堆前置
(c)氢瓶在车尾横置,动力电池后置,燃料电池电堆中置
(d)氢瓶在车尾横置,动力电池后置,燃料电池电堆前置

丰田与奔驰在早期开发时使用了相同的(c)类方案,随后都在更新的车型中换成了(a)类方案。包括现代NEXO在内,其使用的(d)类方案与(a)类是十分相似的。总的来说,目前最新一代的车型中,大部分厂商都采用了动力电池后置,燃料电池电堆(系统)前置的方案,而氢瓶则有纵置也有横置。这里面,奥迪h-tron的(b)类方案,使用了较大尺寸的电池包,容量相较(c)、(d)类方案更大。

从电池与燃料电池电堆的配置来看的话,目前燃料电池车主要分为混动型和增程式两类。增程式的工作方式即采用前文中所说的充电模式。混动型可以再细分为“大功率电堆+小容量电池”与“中等功率电堆+中等容量电池”的方案,这两类方案都可以实现前文提到的所有工作模式。目前混动型的这两类方案均有厂家在使用,未来哪种是主流暂时应该还未有十分肯定的结论。不过从日韩厂商的车型看,领头者目前仍更倾向于使用较小电池的(c)、(d)方案。









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