燃料電池車是如何工作的？燃料電池車結(jié)構(gòu)詳解

發(fā)布時(shí)間：

2022-05-31

燃料電池車是目前氫燃料電池最重要的應(yīng)用之一，今天我們一起學(xué)習(xí)一下燃料電池車的結(jié)構(gòu)，注意這里的燃料電池車主要是指燃料電池乘用車。

　　燃料電池車是目前氫燃料電池最重要的應(yīng)用之一，今天我們一起學(xué)習(xí)一下燃料電池車的結(jié)構(gòu)，注意這里的燃料電池車主要是指燃料電池乘用車。

　　燃料電池車如何工作?

　　如下圖左上示意圖，燃料電池車的心臟——燃料電池電堆，它提供了一個(gè)加速氫氣與氧氣電化學(xué)反應(yīng)的容器，將氫氣與氧氣化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。在燃料電池車中，它與電池一起協(xié)同工作，為電機(jī)提供能量，而電機(jī)為車輛提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。對(duì)于電池來說，其本身就是能量源。而對(duì)于燃料電池電堆來說，它的能量來源——氫氣，需要另外存儲(chǔ)。目前常用的儲(chǔ)存方式為使用高壓儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存，即圖中的圓柱體。

　　

燃料電池汽車如何工作

 

　　純電動(dòng)汽車(BEV)和燃料電池車(FCEV)相同的地方在于，都使用電為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。不同的地方在于，燃料電池車使用由氫驅(qū)動(dòng)的燃料電池電堆發(fā)電，而不單一從電池中提取電能。在車輛設(shè)計(jì)過程中，電池與燃料電池的尺寸配比存在多種選擇，但是其動(dòng)力模式可以歸結(jié)為燃料電池模式、輔助模式、充電模式、能量回收模式這四種模式。

　　

燃料電池車的動(dòng)力模式

 

　　燃料電池車主要由哪些部分組成?

　　

氫電混合燃料電池車

 

　　如上圖，以類似豐田Mirai燃料電池車為例，參考自美國能源部的定義，燃料電池車主要由這些部分組成：

　　Thermal System：熱管理(冷卻)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑷剂想姵亍㈦姍C(jī)、功率電子、以及其他零部件維持在其合適的工作溫度上。

　　Battery(auxiliary)：輔助電池，就是燃油車上常見的12V輔助電池。

　　DC/DC converter：這里指的是將動(dòng)力電池的高壓電轉(zhuǎn)化為輔助電池能夠接受的低壓電的裝置。

　　Power electronics controller：電力電子控制器，能夠管理燃料電池和動(dòng)力電池的電能，進(jìn)行電壓控制，并將電能分配給電機(jī)控制電機(jī)。

　　Transmission：變速器，從電機(jī)傳遞機(jī)械動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)車輪。

　　Electric Traction Motor：驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用來自燃料電池和動(dòng)力電池組的電能，輸出機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車輪。另外也能夠回收減速時(shí)的動(dòng)能，轉(zhuǎn)化為電能。

　　Fuel Cell Stack：燃料電池電堆。將多片燃料電池組裝而成的電能轉(zhuǎn)化裝置。其一般被置于一個(gè)殼體內(nèi)，國內(nèi)一般稱之為燃料電池電堆模塊。Fuel Tank(hydrogen)：儲(chǔ)氫罐，用于儲(chǔ)存氫氣。

　　

加氫口

 

　　Fuel Filler：加氫口，特殊設(shè)計(jì)的金屬嘴，能夠卡住加氫槍，將加入的氫氣送入氫罐中。

　　Battery Pack：電池包(動(dòng)力電池)，較小容量的電池包。與純電車上所使用的的電池包區(qū)別不大。

　　燃料電池車與其他類型車有哪些區(qū)別?

　　這里小編查看了美國能源部網(wǎng)站的信息，對(duì)比了燃料電池車(Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle，又稱氫-電混合動(dòng)力車)、燃油車(Gasoline Vehicle)、油-電混合動(dòng)力車(Hybrid Electric Vehicle)、純動(dòng)力電池車(All Electric Vehicle)。其基本車輛結(jié)構(gòu)原理如下圖所示：

　　

氫電混合燃料電池車

 

　　

燃油汽車結(jié)構(gòu)

 

　　

油電混合汽車結(jié)構(gòu)

 

　　

純電汽車結(jié)構(gòu)

 

　　可以看出燃料電池車與油-電混合動(dòng)力車的架構(gòu)很相似，其中大量零部件與純動(dòng)力電池車相同。不過值得注意的是，由于不同的電池與燃料電池電堆的配置，不同廠家的燃料電池車結(jié)構(gòu)區(qū)別還是比較大的。有的燃料電池車主要以燃料電池電堆作為主動(dòng)力輸出源，有的以電池作為主動(dòng)力輸出源，燃料電池電堆起增程器作用。

　　不同燃料電池車間有哪些區(qū)別?

　　接下來來看看不同的燃料電池車之間有啥區(qū)別，我們對(duì)比了豐田Mirai一代、豐田Mirai二代、奧迪A7 (H-tron版)、奧迪H-tron版、奔馳B-Klasse、奔馳GLC、現(xiàn)代Nexo這七款燃料電池車。

　　

豐田MIRAI一代結(jié)構(gòu)

 

　　可以看到，不同燃料電池車型的主要區(qū)別在于燃料電池電堆、氫瓶與動(dòng)力電池在車輛中的布置方式，不同的布置位置也影響了這些零部件的形狀。主要布置方式有以下四類：

　　

豐田Mirai二代結(jié)構(gòu)

 

　　

奧迪A7燃料電池汽車結(jié)構(gòu)

 

　　

奧迪燃料電池汽車結(jié)構(gòu)

 

　　

奔馳燃料電池汽車結(jié)構(gòu)

 

　　

奔馳GLC燃料電池汽車結(jié)構(gòu)

 

　　(a)氫瓶沿車中軸縱置+在車尾橫置，動(dòng)力電池后置，燃料電池電堆前置(b)氫瓶在車尾橫置，動(dòng)力電池像純電車一樣中置，燃料電池電堆前置(c)氫瓶在車尾橫置，動(dòng)力電池后置，燃料電池電堆中置(d)氫瓶在車尾橫置，動(dòng)力電池后置，燃料電池電堆前置

　　豐田與奔馳在早期開發(fā)時(shí)使用了相同的(c)類方案，隨后都在更新的車型中換成了(a)類方案。包括現(xiàn)代NEXO在內(nèi)，其使用的(d)類方案與(a)類是十分相似的。總的來說，目前最新一代的車型中，大部分廠商都采用了動(dòng)力電池后置，燃料電池電堆(系統(tǒng))前置的方案，而氫瓶則有縱置也有橫置。這里面，奧迪h-tron的(b)類方案，使用了較大尺寸的電池包，容量相較(c)、(d)類方案更大。

　　從電池與燃料電池電堆的配置來看的話，目前燃料電池車主要分為混動(dòng)型和增程式兩類。增程式的工作方式即采用前文中所說的充電模式。混動(dòng)型可以再細(xì)分為“大功率電堆+小容量電池”與“中等功率電堆+中等容量電池”的方案，這兩類方案都可以實(shí)現(xiàn)前文提到的所有工作模式。目前混動(dòng)型的這兩類方案均有廠家在使用，未來哪種是主流暫時(shí)應(yīng)該還未有十分肯定的結(jié)論。不過從日韓廠商的車型看，領(lǐng)頭者目前仍更傾向于使用較小電池的(c)、(d)方案。