中职《新能源汽车概论》教案第14课认识燃料电池电动汽车.docx

课题认识燃料电池电动汽车课时2课时(90min)教学目标知识目标：(4)掌握燃料电池电动汽车的结构及工作原理(5)熟悉燃料电池电动汽车的分类和特点(6)熟悉燃料电池电动汽车的关键技术技能目标：能够分析燃料电池电动汽车的工作原理和特点素质目标：(1)树立科技成才、技能报国的人生理想(2)强化安全生产意识和集体责任感(3)践行节能环保、共筑绿色家园的生活理念教学重难点教学重点：掌握燃料电池电动汽车的结构及工作原理、熟悉燃料电池电动汽车的分类和特点教学难点：能够分析燃料电池电动汽车的工作原理和特点教学方法任务引入法、问答法、讨论法、实践操作法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：课前任务T考勤(2min)任务引入(5min)传授新知(33min)课堂讨论(5min)第2节课：传授新知(30min)课堂讨论(10min)课堂小结(3min)作业布置(2min)教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务,和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单认识燃料电池电动汽车“，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过APP或其他学习软件，收集认识燃料电池的相关资料，并进行了解【学生】提前上网观看相关资料，熟悉教材通过课前的预热，让学生了解所学课程的大概内容，激发学生的学习欲望考勒(2min)【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况任务引入(5min)【教师】讲述“燃料电池汽车”的案例，然后提出以下问题：3)燃料电池汽车有哪些优势？(2)为什么选用料电池电动客车，为2022年北京冬奥会及冬残奥会提供出行保障？【学生】聆听、思考、举手回答通过与本任务相关的创新故事引出任务，激发学生的学习兴趣，让学生带着相关背景去探索新知识【教师】通过大家的发言，引入新知，洪解燃料电池电动汽车结构及工作原理燃料电池电动汽车是以燃料电池作为动力源或主动力源的汽车.燃料电池电动汽车一般采用质子交换膜燃料电池。7.2.1燃料电池电动汽车的结构【多媒体演示】组织学生观看“燃料电池电动汽车“视频，帮助学生了解燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车主要由燃料电池系统、辅助动力源、DaDC变换器、驱动电机、控制系统、高压储氢罐等组成，如图所示。传授新知(33 min )通过讲解、图 片展示、课堂互 动等教学方法， 让学生了解燃料 电池电动汽车结 构及工作原理图7.3燃料电池电动汽车的结构1 .燃料电池系统燃料电池系统为燃料电池电动汽车提供主要动力，其主要由燃料电池、供氧系统、排水系统、供氢系统、冷却系统等组成02 .辅助动力源辅助动力源主要用于燃料电池电动汽车的快速启动，储存制动能量回收系统提供的电能，还可以为低压设备提供低压电源。辅助动力源通常有锂离子电池、超级电容、飞轮电池等类型。燃料电池电动汽车的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同.可以采用从辅助动力源中选择一种与燃料电池组成双电源的混合动力系统，也可采用锂离子电池+超级电容+燃料电池或锂离子电池+飞轮电池+燃料电池组成三电源的混合动力系统。配备辅助动力源的作用有以下几点.(I)在车辆启动时，由辅助动力源提供电能，带动燃料电池启动或带动车辆起步。(2)在车辆运行过程中，当燃料电池输出的电能大于车辆行驶所需的电能时，辅助动力源可用于储存燃料电池剩余的电能。(3)在车辆加速或爬坡时，辅助动力源可协助供电，弥补燃料电池输出功率的不足，使驱动电机获得足够的电能，燃料电池电动汽车产生满足车辆加速或爬坡所需的动力.(4)向车辆的各种电子设备、电器提供工作所需的电能。(5)在车辆制动时，由制动能量回收系统回收多余的制动能量，将车辆的动能转换为电能储存起来。【大道至简】拓展知识面【教师】讲述辅助动力源的作用辅助动力源的作用就像人体四肢上的关节。它虽然不起眼，但总在关键的地方发挥作用，没有它，燃料电池电动汽车将不能正常运行。这就像平凡生活、平凡岗位上每个看似平凡的人,都有自己的价值,都在自己的位置上发挥着不平凡的作用。【学生】聆听、思考3 .DC/DC变换器DCDC变换器主要用于调节燃料电池的输出电压,由电子控制器控制。燃料电池的电流是单向流动的，电子控制器通过调节DCDc变换器的输出电压，使燃料电池输出的较低电压上升至驱动电机所需的电压，如图所示.4 .驱动电机驱动电机的作用是将燃料电池所提供的电能转换为电磁转矩，通过传动装置驱动车辆行驶。燃料电池电动汽车用的驱动电机主要有直流电机、交流电机、永磁电机和开关磁阻电机等。驱动电机的选型必须结合整车开发目标，综合考虑驱动电机的特点。5 .控制系统控制系统用于控制燃料电池的反应过程和驱动电机的运行过程。控制系统主要由传感器、电控中心、各监控模块等组成。传感器负责采集燃料电池电动汽车的所有工作状态，并反馈给电控中心；电控中心进而通过各监控模块控制燃料电池和驱动电机的运行。6 .高压储氢罐高压储氢罐是氢气的储存装置，用于给燃料电池提供氢气。为保证燃料电池电动汽车的续驶里程，一般轿车需要24个高压储氢罐，大客车需要510个高压储氢罐。7 .2.2燃料电池电动汽车的工作原理燃料电池电动汽车通常以氢气或高含氢重整气作为燃料，其工作原理如图所k八人八A人人八八7高压储氢罐中的氢气或高含氢重整气通过供氧系统进入燃料电池堆，大气中的氧气通过供氧系统进入燃料电池堆，氧气与氧气在燃料电池堆中发生氧化还原反应，产生化学能。燃料电池将化学能转化为电能，并通过DCZDC变换器变为稳定的直流电。直流电经过电机控制器变为交流电，带动驱动电机工作。驱动电机产生的机械能经减速器传给驱动轮，驱动车辆行驶。通过课堂讨 论，激发学生的 学习兴趣，加深 学生对所学知识 的理解 【学生】聆听、思考、理解、记忆 【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：课堂讨论(5 min)燃料电池电动汽车主要由哪几部分组成？ 【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言第二节课【教师】通过大家的发言，引入新知，讲解燃料电池电动汽车的分类及特点7.2.3燃料电池电动汽车的分类通过讲解、图1.按有无其他储能装置分类片展示、课堂互传授新知燃料电池电动汽车按照有无其他储能装置，可分为纯燃料电池电动汽车和混动等教学方法，合燃料电池电动汽车两大类。让学生了解燃料(40min)电池电动汽车的1)纯燃料电池电动;气车纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，车辆需要的所有功率负荷都由燃料电池承担。纯燃料电池电动汽车的驱动系统将燃料电池产生的电能传递给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传递给减速器，驱动车辆行驶。纯燃料电池电动汽车动力系统的结构如图所示。分类及特点和燃料电池电动汽车的关键技术这种动力系统结构简单，部件少，控制容易，有利于整车的轻量化，提高了能量传递效率。但燃料电池功率大、成本高，对燃料电池系统的动态性撕口可靠性提出了很高的要求。此外，纯燃料电池电动汽车无法回收车辆制动能量，因此目前应用较少。2）混合燃料电池电动汽车为了改善纯燃料电池电动汽车的缺点，在车上配备其他储能装置（如动力电池、超级电容和飞轮电池等）,便成为混合燃料电池电动汽车。在混合燃料电池电动汽车中，一般燃料电池与其他储能装置一起为驱动电机提供电能，驱动电机将电能转化为机械能再传递给减速器，驱动车辆行驶。混合燃料电池电动汽车按照动力源配置的不同，可分为燃料电池与锂离子电池联合驱动（FC+B）的电动汽车、燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的电动汽车、燃料电池与锂离子电池超级电容联合驱动（FC+B+C）的电动汽车。燃料电池与锂离子电池联合驱动（FC+B）的电动;气车：由燃料电池和锂离子电池一起为驱动电机提供能量，如图所示。目前这种结构形式应用较为广泛，它具有整车成本低、燃料电池效率高等优点旦也具有整车质量较大、系统控制和整体布置困难等缺点。燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的电动:气车：与FC+B的电动汽车结构相似，只是把锂离子电池换成超级电容，如图所示。相对于锂离子电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，循环寿命长，但超级电容的能量密度较小。燃料电池与锂离子电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的汽车：由燃料电池、锂离子电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，如图所示。在这种结构形式中，各动力源的分工更加明确，因此它们的优势也能得到更好的发挥；但是缺点也更加明显，整车质量明显增大、系统更加复杂。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述混合燃料电池电动汽车中储能装置的作用混合燃料电池电动汽车中，由于储能装置可协助供电，因此可以适当减小燃料 电池的功率,而且储能装置还可用于车辆制动能量回收,可提高车辆的能量利用率.【学生】聆听、思考2.按所使用的燃料分类根据燃料电池所使用燃料的不同，燃料电池电动汽车可分为直接燃料电池电 动汽车和重整燃料电池电动;气车两大类。1 ）直接燃料电池电动汽车直接燃料电池电动汽车的燃料主要是氢气。如图所示为直接燃料电池电动汽 车的结构。动力电池DCZDC变换器驱动电机直接燃料电池电动汽车的排放物无污染，被认为是最理想的燃料电池电动汽车，但存在氢气的制取和储存困难等缺点。2）重整燃料电池电动汽车重整燃料电池电动汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油 气等。重整燃料电池电动汽车的结构要比氢燃料电池电动汽车复杂得多。例如， 甲醇重整燃料电池电动汽车需要对甲醇进行200°C左右的加热以从中分解出氢 气,汽油重整燃料电池电动汽车则需要对汽油进行1 Oo（Te左右的加热以从中分解出氢气。无论采用什么燃料，重整燃料电池电动汽车均需设置重整装置，将其他燃料转化为燃料电池所需的氢气.如图所示为重整燃料电池电动汽车的工作原理。STEPSSTEP41瓶前电机希动东前进：电流愉送到劾电机甲辞重整制氢,_比I电流1燃料电池动力电池骅动电机电流发电,STEP 1 透气UMl入Iet空气 (含氧气)氧气氢气112盘%1*h'°水STEP2STEP3STEP6乳/林，被输送到IRX电椎：化学反戌产生电Hl和水藻,；护由水蕉气7.2.4燃料电池电动汽车的特点1 .优点(1)能量转换效率高。因燃料直接通过电化学反应产生电能，无热能转换过程，故不受卡诺循环的限制，能量转换效率较高。(2)绿色环保。燃料电池没有燃烧过程，当用纯氧作燃料时，生成物只有水，属于零排放；当用甲醇、汽油等燃料时，生成物有水及少量二氧化碳，接近零排放。(3)续驶里程长。采用燃料电池作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已接近传统汽车。(4)过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达到额定功率的200%或更大。(5)低噪声。燃料电池除了空气压缩机和冷却系统外无其他运动部件，因此运行过程中振动小、噪声低。(6)设计灵活。燃料电池电堆可由若干个电池单体串联或并联而成，可根据质量分配均衡和空间有效利用的原则，机动灵活地进行配置。2 .缺点(1)制造成本和使用成本过高。目前，由燃料电池提供1kWh电能的成本远高于各种动力电池。(2)辅助设备复杂。燃料电池电动汽车因为需要高压、低温和防护的特种储存罐，增加了结构和工艺的复杂性。(3)启动时间长。燃料电池电动汽车的启动时间比传统汽车的启动时间长得多，影响其机动性能。例如，氢燃料电池电动汽车启动时间一般需要3min,而采用甲醇或者汽油重整技术的燃料电池电动汽车启动时间长达Iomin。7.2.5燃料电池电动汽车的关健技术燃料电池电动汽车的关键技术包括燃料电池技术、车载储氢技术、动力电池技术、驱动电机及其控制技术、整车布置技术、整车热管理技术、整车与动力系统的参数选择与优化设计、能量管理策略等。1.燃料电池技术燃料电池技术是燃料电池电动汽车发展最关键的技术之一。燃料电池系统的核心是燃料电池堆，燃料电池堆正在向高性能、高效率和高耐久性方向发展.降低成本也是燃料电池堆的发展目标，控制成本的有效手段是减少电催化剂、质子交换膜、双极板等材料的费用，降低膜电极制作、双极板加工和系统装配等的加工费用，但是如何在成本与系统性能之间做到平衡，依然需要深入研究。此外,燃料电池技术还需要攻克许多工程技术壁垒，如系统能量管理与变换、电堆热管理，以及低成本高性能的辅助设施(包括空气压缩机、传感器和控制系统)的开发等。2 .车载储氢技术目前，燃料电池电动汽车大都以纯氢气为燃料，车载储氢技术是氢气走向规模化应用的关键。车载储氢技术对燃料电池电动汽车的动力性和续驶里程影响很大.常见的车载储氢技术有高压储氢、液态储氢和金属储氢等。如何有效减小车载储氢装置的重量与体积是车载储氢技术研究的重点。一个比较理想的方案是采用储氢材料与高压储氢容器复合的车载储氢新模式，即在高压储氢容器中装填质量较轻的储氢材料，这种装置与纯高压储氢方式相比，既可以降低储氢压力又可以提高储氢能力。复合式储氢模式的技术难点是如何开发吸放氢性能好、成形加工性良好、质量轻的储氢材料。3 .动力电池技术动力电池技术是燃料电池电动汽车发展的重要技术之一。燃料电池电动汽车所用的动力电池包括银氢电池、锂离子电池、超级电容和飞轮电池等，相关技术前已述及，不再赘述。【大道至简】拓展知识面【教师】讲述废弃电池的危害废弃电池属于有害废弃物，难以自然分解。若废弃电池渗入土壤中，对土壤的污染几十年都无法修复。若废弃电池二次流入市场，也会危害使用者的安全。因此，废弃电池必须按规定统一回收。维修人员不能为了一己私利将其送到黑心商人手中，这是对环境的保护，也是对消费者权益的保护，更是对自己良心的负责。【学生】聆听、思考4 .驱动电机及其控制技术驱动电机是燃料电池电动汽车的心脏，它正向着大功率、高转速、高效率和小型化的方向发展。当前驱动电机主要有三相异步电机、永磁同步电机和永磁无刷直流电机，其中永磁无刷直流电机因具有功率密度高、效率高、体积小、惯性彳既口响应快等优点，在电动汽车方面有着广阔的应用前景。5 .整车布置技术燃料电池电动汽车在整车布置技术上需要解决以下关键问题。(1)燃料电池及驱动电机的相关布置。(2)动力电池的车身布置。(3)高压储氢罐的安全布置。(4)高压安全防护系统的车身布置。这些核心部件的布置，不仅要考虑布置方案的优化及零部件性能实现的便利，还要求相关方案必须考虑传统燃油汽车不具备的一些安全性问题。目前，燃料电池和驱动电机同时布置在前舱是一种技术趋势，动力电池沿车身主轴纵向布置要好于零星布置，高压储氢罐的布置更多地需要考虑碰撞安全性。6.整车热管理技术燃料电池自身的运行温度一般为607(C,散热系统工作温度约为6(C,两者温差不大，因此，必须依赖整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散热，但这会影响整车的经济性。二者之间的平衡是热管理开发方面必须关注的。整车各零部件留给整车布置的回旋余地很小，这就导致散热系统的设计改良空间不大，必须开发专用的零部件(如冷凝器、高功率的冷却风扇等)这就要求有丰富的整车散热系统的基础数据以支持相关开发设计，而这点正好是目前国内汽车企业所欠缺的。此外，与整车散热系统密切相关的车用空调系统的开发也是;气车企业必须关注的.燃料电池电动汽车采用电动压缩机作为空调系统的动力源.作为整车散热系统的"负载"，空调系统也成为散热系统开7 .整车与动力系统的参数选择与优化设计燃料电池电动汽车整车性能参数是整个燃料电池动力系统开发的信息来源，虚拟配置的动力系统的特性参数也会影响整车性能。两者之间的参数选择是一个多变量、多目标的优化设计过程，而且参数选择与行驶工况和控制策略紧密相关，只有在建立准确的仿真模型的基础上，经过反复寻优计算，才有可能达到较好的设计结果。8 .能量管理策略能量管理策略对燃料经济性的影响很大，且受到动力系统参数和行驶工况的双重影响。在能量管理策略的工况适应性开发完成后，还需要对其进行功率分配的优化，这时还需要考虑一些限制条件，如动力电池容量的限制、各部件额定功率的限制等。可用作功率分配的决策输入量有很多，如SoC、车速、驾驶员功率需求等。作为能量管理策略的一部分，制动能量回收是提高燃料经济性的重要措施，也是一个难点问题。必须综合考虑制动稳定性、制动效能、驾驶员感觉、动力电池充电接受能力等限制条件。上述燃料电池电动汽车的关键技术对整车的动力性、经济性和安全性影响很大，是目前各大汽车企业需要解决的核心问题【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂讨论(5min) 【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：燃料电池电动汽车优缺点分别是什么？ 【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解课堂小结(3min)【教师】简要总结本节课的要点本节课学习了燃料电池电动汽车的结构、工作原理分类和特点。希望大家课下能多练习，对燃料电池电动汽车的结构、工作原理分类和特点有一定认识，并能正确、熟练的分析燃料电池电动汽车的工作原理和特点【学生】总结回顾知识点总结知识点，巩固印象作业布置(2min)【教师】布置课后作业【学生】完成课后任务复习巩固学到的知识，并能学以致用教学反思本节课的本节课效果不错，每个学生都积极参与到教学活动中，发挥了自己的价值。教学中注意分析学生的特点，根据不同学生的学习情况采用灵活多样的教学方法，极力营造一种平等和谐、活跃有序的课堂氛围。