燃料电池汽车电源及用电设备调研报告.docx

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1、1、引言能源与环境是各国政府密切关注的可持续发展战略问题。随着世界汽车保有量的急剧增长，传统的内燃机汽车对人类环境带来的危害越来越严重，环境保护呼声的高涨和石油储量日益短缺的压力，迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。未来的汽车应当向清洁、环保的方向发展，经过对各种新燃料、新能源和新动力的探索，燃料电池汽车(FuelCellVehicle)以其清洁、高效的特性逐渐成为公认的未来最有前途的新能源汽车。本文对燃料电池汽车的电源及用电设备进行了调研，以便更好地对燃料电池汽车的能量进行控制。2、燃料电池汽车电源调研目前用于燃料电池汽车上

2、的电源是燃料电池，辅助能源通常包括超级电容和蓄电池组。蓄电池是能量存储装置，通过外界充电实现储能；燃料电池是能量生成装置，通过化学反应产生电能。蓄电池技术成熟，价格合理，而燃料电池则被认为是最有发展前途的电动汽车动力源。2.1蓄电池蓄电池的主要性能指标有：①比能量--单位电池质量所能存储的电量(W·h/kg)，是评价电动汽车整车质量和续驶里程的指标；②能量密度--单位电池体积所存储的电量(W·h/L)，它影响蓄电池的尺寸；③比功率--单位电池质量所能输出的功率(W/kg)，是评价电动汽车加速性、爬坡能力及最高车速的指标；④功率

3、密度--单位电池体积所能输出的功率(W/L)；⑤循环寿命--蓄电池充、放电一次称为一个循环，循环寿命表示更换电池前所能完成的循环数。循环寿命短，将增加电动汽车的维护费用。电动汽车用的各种蓄电池的性能参数见表，美国先进电池联合会(USABC)制定的电动汽车用蓄电池远期性能指标也列于表中。其中USABC为美国先进电池联合会指定的电动汽车用蓄电池远期性能指标。蓄电池类型比能量(W·h/kg)能量密度(W·h/L)比功率(W/kg)循环寿命（循环数）预计成本(US$/kW·h)单体额定电压（V）铅酸30-4560-90200-3004

4、00-6001502.0NI-Cd40-6080-110150-350600-12003001.2NI-MH60-70130-170150-300600-1200200-3501.2Na-S100150200800250-450/Li-Ion90-130140-200250-450800-1200>2003.6USABC2003004001000<100/2.2燃料电池燃料电池是燃料与氧化剂通过电极反应将其化学能直接转化为电能的装置。燃料电池不需要充电，只要外部不断地供给燃料和氧化剂，就能连续稳定地发电。电动汽车用燃料电池的燃

5、料为氢和甲醇，氧化剂为空气。燃料电池具有比能量高、使用寿命长、维护工作量少以及能连续大功率供电等优点。根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、溶融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池五类。适于电动汽车用的有碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池用作电动汽车的电源有以下优点：①在所有燃料电池当中，质子定换膜燃料电池的比功率和功率密度都最高，在相同输出功率的情况下，体积最小；②工作温度低，起动时间短；③电池中惟一的液体为水，从而避免了腐蚀作用；④使用固体电解质，因而不会发生电解液

6、蒸发、外溢等问题。质子交换膜燃料电池的缺点是内阻稍大，而且需使用贵金属铂作电极催化剂。直接用甲醇作燃料的燃料电池称为直接甲醇燃料电池。发展直接甲醇燃料电池的原因是甲醇来源丰富，生产成本低，而且易于储存、运输和销售，便于电动汽车使用。下表为一些燃料电池的相关性能参数。燃料电池类型比功率(W/kg)功率密度(W·h/L)工作温度（℃）预期寿命（103h）预计成本(US$/kW·h)燃料种类碱性燃料电池(AFC)30-1050.2-0.360-10010200H2质子交换膜燃料电池(PEMFC)340-15000.35-

7、0.650-10040200H2磷酸性燃料电池(PAFC)100150180-210800250-450天然气、甲醇液化石油气固体氧化物燃料电池(SOFC)15-200.3750-1000H2、CO、HC2.3燃料电池电动汽车动力系统拓扑结构研究燃料电池与锂电池组主辅构成电电混合动力系统，共有三种连接方式。依据燃料电池的输出与直流母线是否直接连通，将这三种结构分为直接并联结构及间接并联结构。直接并联结构包括：燃料电池的输出端与锂电池组的输出端直接并联、锂电池组的输出经过大功率后再与燃料电池的输出端直接并联；间接并联结构包括：燃

8、料电池的输出端连接大功率后再与锂电池组的输出端并联。2.3.1燃料电池直接并联结构定义燃料电池的输出端直接与电机控制器相连接的方式为燃料电池直接并联结构。图2-1为无DC-DC的直接并联混合动力系统结构，即燃料电池系统直接与辅助电池及驱动电机相连，通过相应高压开关器件进行控制