新能源汽车结构与工况实训指导书

《新能源汽车应用技术》课程—— 新能源汽车结构与工况实训指导书

一、实验目的与要求

1.通过实验，学生应了解认识以氢为燃料的燃料电池汽车动力电池的基本构成和工作原理； 2.通过实验，学生应掌握油-电混合动力汽沁能源汽车车动力总成及其主要部件的结构与功能；

3.通过实验，学生应了解油-电混合动力汽车运行工况，分析汽油机子系统和电机子系统自动交替工作的运行状态，总结其特点。

二、实验的主要仪器设备

丰田普瑞斯2007版PSHEV油-电混合动力汽车1台；NJLGPE-02燃料电池仿真实训系统1套。

图1丰田普瑞斯油-电混合动力汽车 图2 燃料电池仿真实训系统平台

丰田PRIUS-普瑞斯2007版PSHEV油-电混合动力汽车1台。基本参数：装有THS混合动力系统(Toyota Hybrid System)；1.5L直列四缸汽油机功率51.5 kW；驱动电机为500 V永磁无刷电机功率33 kW；电动/发电机为永磁交流同步电机；201 V镍-氢动力电池重75 kg(由250个单体电池串连，每个1.2 V)；整车质量1240 kg；最高车速160 km/h；油耗3.61 L/100 km。

质子交换膜燃料电池仿真实训系统以空冷型百瓦级PEMFC为测控对象，采用LabVIEW进行软件设计，利用该平台可以展现燃料电池的工作原理，测试燃料电池堆的性能和运行状态，全面监测各种参数与电池堆性能之间的关系，通过控制单元控制电池实际运行所需的工作条件。实训系统包括：风冷型质子交换膜燃料电池堆、供气单元、电力电子转换单元、控制单元、负载实验单元、系统控制分析软件六部分。

三、基础知识

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具

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有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。 1. 质子交换膜燃料电池的原理

质子交换膜燃料电池，简称PEMFC，由于它适用范围广，无需特殊的运行条件，可靠性高等特点，使得它成为目前全球发展最迅速的一种燃料电池。

PEMFC它由双极板(流场板)、扩散电极、和膜组成一个单电池，它的结构如图3所示。

图3质子交换膜燃料电池单电池结构原理图 图4质子交换膜燃料电池电堆

双极板常用的材料有石墨板和改性金属板,在双击板的两侧分别加工有燃料和氧化剂的流场，流场主要是引导反应剂在电池气室内的流动，确保整个电极反应剂的均匀分布并排出生成物。另外，双击板还具有传输电流和阻气作用。扩散电极分为两部分，扩散层和催化层。扩散层一般以碳纸或碳布为基底，并涂以具有疏水功能的聚四氟乙烯(PTFE)，使其具有多孔结构。它的功能是支撑催化层、导电及为气体扩散和生成水排出提供通道。催化层是由催化剂Pt/C(或其它形式的催化剂)和(或)疏水性的PTEF构成，它分别是燃料和氧化剂发生电化学反应的场所。膜是电池的关键部件，目前主要采用全氟磺酸型质子交换膜(Nafion膜)。其主要担当水合H+的传输。并隔离阴阳极的燃料和氧化剂。

单电池输出功率取决于单电池的输出电压和工作电流。由于单电池往往功率较小，无法直接驱动负载，在实际应用中都是由多个单电池串联构成不同等级功率的电堆，以适应不同负载的需要。电堆功率的大小由单电池的个数和功率决定。图4为实际电堆照片图。

PEMFC单电池的工作原理如图5所示。

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图5 质子交换膜燃料电池的工作原理图

燃料H2和氧化剂O2(或空气)分别送入阳极和阴极流道，H2和氧化剂分别通过阳极和阴极扩散层到达各自的催化层，阳极H2在催化剂的作用下发生电极反应：

H22H2eHeat

生成的H穿过电解质膜到达阴极，同时产生的电子经过外电路也到达阴极。此时阴极的氧化剂同样在Pt催化剂作用下和H及电子发生反应生成水，水通过电极随反应尾气排出。阴极反应式为：

+

+

12H2eO2H2OHeat

21总化学反应为： H2O2H2OHeat+Electrical energy

2PEMFC具有以下主要特点：

(1) 可在室温条件下运行，并启动迅速。

(2) 能量转化效率高。效率高达50%-60%，通过对余热的二次利用，总效率可高达80%-85%，是普通内燃机的2-3倍。

(3) 无污染，可实现零排放。工作过程的唯一产物是水。

(4) 运行噪声低，可靠性高。无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。 (5) 成本高(目前主要表现为材料价格昂贵)。 2. 混合动力汽车

混合动力是指那些采用传统燃料的，同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照燃料种类的不同，主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。目前国内市场上，混合动力车辆的主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。

混合动力汽车的优点是：

（1）采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。

（2）因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。 （3）在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。

（4）有了内燃机可以方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。 （5）可以利用现有的加油站加油，不必再投资。

（6）可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长使用寿命，降低成本。 混合动力汽车的缺点:长距离高速行驶基本不能省油。

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混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。 混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。

（1）串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联方式组成SHEV动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。

（2）并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。 （3）混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。

四、实验的内容与方法、步骤

1. 丰田油-电混合动力汽车实验内容

（1）丰田混联式油-电混合动力汽车动力总成的及其主要部件的结构与功能。

电动机MG2 行星齿轮组 发动机 变频器 发电机MG1 高压电池 .

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图6 丰田普瑞斯THS II混和动力系统结构图

①THS II 结构-发动机

采用1NZ-FXE阿特金森式直列/4缸16气门双顶置凸轮轴 1.5升 汽油发动机。 ②THS II 结构-驱动桥

包含交流500V电动机，发电机, 行星齿轮, 减速齿轮和主减速齿轮。使用连续变速传动装置，达到操作的平滑性和宁静性。

图7 THS II 结构-发动机 图8 THS II 结构-驱动桥

图9 THS II结构-HV电池 图10 THS II结构-变频器

③THS II结构-HV电池

采用201.6V 直流HV全封闭的镍－氢 (Ni-MH)蓄电池以减轻重量，安装位于后备箱内后排座位下。

④THS II结构-变频器

变频作用：直流  交流高电压；变压作用：直流200V升至直流500V；直流-直流转换：直流 200V降至直流12V；A/C 变频器：DC  AC驱动，A/C 压缩机。 （2）观察混联式油-电混合动力汽车基本运行工况

混联式油-电混合动力汽车行驶方式：车辆可由汽油机来驱动，而无需对车辆进行充电；如果车辆电池的电量消耗，发动机会驱动发电机，对电池充电；车辆只有在“READY” 灯点亮时，才可行驶；为了改善燃油经济性，当车辆停止时，发动机停机；车辆起动后，发动机的起动由系统自动控制。

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油-电混合动力汽车的几种典型运行工况：

①发动机为动力电池充电：动力电池容量低于额定值时，发动机自动为动力电池充电。 ②启动与低速行驶：汽车由静止开始低速行驶时由驱动电机推动汽车前进。车速到达一定值时，“电动/发电机”处于电动机状态，启动发动机；发动机启动后，“电动/发电机”处于发电机状态，向动力电池充电。

③正常时速行驶：汽车由发动机驱动。

④加速行驶：发动机节气门全开；发动机-驱动电机混合驱动。发动机动力传递路线是：发动机→THS混合动力系统→车轮；动力电池动力传递路线是：动力电池→电流转换器→驱动电机→THS混合动力系统→车轮；发动机-驱动电机的动力在THS混合动力系统上混合。

由教师驾驶车辆行驶，模拟混联式油-电混合动力汽车三种基本运行工况，学生观察并思考。

①发动机为动力电池充电工况演示 ②驱动电机驱动低速行驶工况演示 ③油-电混合动力驱动低速行驶工况演示

图11 充电工况演示 图12 电机驱动低速行驶工况演示

图13油-电混合动力驱动低速行驶工况演示

2. 氢燃料电池实验内容

燃料电池发电系统实训平台如图14所示，平台中的设备主要包括：两级减压阀，减压阀，压力表，气体流量计，燃料电池，电压表和电流表各1个，功率表（可选作电压表和电流表）3个，电源开关1个，负载开关2个，变阻器和LED灯各一组，直流电机及其调速器旋纽各一个，直流可编程电子负载1个，电路接口若干。

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燃料电池仿真实训系统供气部分燃料电池堆气体流量计压力表减压阀保严易持谨燃通燃气风火体电源部分电压表（V）负载部分电流表(A)电源（DC/DC）输入（+）电源（DC/DC）输入（-）电源开关保护电阻电源（+） 电源（-）功率表(W)负载开关1电流表（A）负载开关2电流表（A）电源输出（+） 电源输出（-）阻性负载（+） 阻性负载（-）直流电机（+） 直流电机（-）电源（+）电源（-）DCDCDC/DC输出（+）DC/DC输出（-）变阻器（+） 变阻器（-）LED灯（+） LED灯（-）直流电机（+） 直流电机（-）电力电子变换变阻器LED灯直流电机旋钮上位机显示直流可编程电子负载

图14 燃料电池发电系统实训平台

①展示燃料电池的工作原理，系统包括：一个PEM燃料电池，一个流量计显示氢气流速，一个减压阀显示进气压力，系统由一个风扇冷却和供气。控制器自动的监视所有主要参数，并使系统操作安全，包括故障报警、误操作时的独立切断；数码管显示系统的氢气流量，输出功率，电堆温度，输出电压，负载电流。

②计算机实时纪录不同的特性曲线，如V-I、P-I、P-V的动态变化曲线，检测曲线上不同参数及各种参数间的作用。

③直流电机作为演示用负载，可实现电动汽车的负载特性，体现电动汽车不同的运行工况，并可以检验实验过程中的不同参数。

④可以设定负载的动态变化过程并检测相应的性能参数。 由教师操作，开始发电，模拟负燃料电池系统的化规律，学生观察

燃料电池工作载变化后，记录各项参数的变并思考分析。

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图15 燃料电池发电系统实训平台数据采集

五、实验报告要求

1．通过查找资料、教师讲解与实物观察，详细说明： ① 氢质子交换膜燃料电池的结构与工作原理；

② 油-电混合动力汽车动力总成及其主要部件的结构与功能、作用及特点。 2．通过实验

① 记录氢质子交换膜燃料电池工作中的主要参数，思考、分析实验测试的数据内涵； ② 观察、记录油-电混合动力汽车不同基本运行工况动力传递过程，思考、分析实验测试的数据内涵。

3．实验心得与体会。

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