氢能及质子交换膜燃料电池动力系统魏学哲王学远王超等_魏学哲王学远王超等_9787111736745

我国车用燃料电池经过二十多年的发展，性能有了长足的进展，已经可以满足交通工具用动力系统的大部分性能需求，但围绕进一步提高燃料电池性能、延长寿命和降低成本的研究仍然任重而道远。本书系统介绍了氢能及燃料电池动力系统基础知识，从能量转换角度完整介绍了燃料电池汽车的动力系统各个环节能量转换和变换的基本原理，提出了燃料电池汽车动力系统中电化学复合电源这一重要概念，介绍了电化学电源的原理、质子交换膜燃料电池和锂离子电池的结构，深入介绍了基于机理的电化学电源建模的方法、氢电复合及多模块复合的电源设计技术、复合电源状态估计及管控技术等。在车用燃料电池技术和产业发展的牵引下和可再生能源发电技术的推动下，氢能的重要性日益凸显，本书介绍了支撑燃料电池汽车所需的氢能的制备、存储、运输、加注等关键技术的发展现状、存在的重大挑战等。最后，对基于可再生能源发电制氢及氢电二元网络的构建做出了展望，并提出了基于绿氢和绿电的零碳交通能源系统的构思。
本书适合从事燃料电池技术、锂离子电池技术、氢能技术及新能源汽车动力系统研究和开发的科研人员和工程师学习参考，也可作为高等院校汽车相关专业师生的参考用书。

本书是围绕我国碳中和发展目标和《新能源汽车产业发展规划（20212035年）》发展愿景，为构建碳中和交通体系而编写的碳中和交通出版工程·氢能燃料电池动力系统系列的第一部。
车用燃料电池的应用和推广对改善交通能源结构和治理空气污染有重大意义，是碳中和交通实现的途径之一。我国车用燃料电池技术经过二十多年的发展，性能有了长足的进展，已经可以满足交通工具用动力系统的大部分性能需求，与国际先进水平之间的差距正在逐步缩小，但围绕进一步提高燃料电池性能、延长寿命和降低成本的研究仍然任重而道远。
本书可以让读者对氢能及燃料电池汽车动力系统具备基础认知，首先从能量转换的角度，介绍了燃料电池汽车动力系统各种能量转换的原理，包括从氢能到电能的转换、锂离子电池的电化学储能、DC/DC变换器的电流变换、化学电源与电力电子变换器构成的复合电源系统以及车用氢电能源供给基础设施，让读者对燃料电池汽车动力系统中的能量转换过程建立基本的概念。
在上述基础上，本书介绍了电化学电源的原理、质子交换膜燃料电池和锂离子电池的结构，深入介绍了基于机理的电化学电源建模的方法，针对燃料电池汽车动力系统的瓶颈问题，提出了燃料电池汽车动力系统中燃料电池-锂离子电池复合电源系统的概念，系统介绍了氢电复合及多模块复合的电源设计技术、复合电源状态估计及管控技术等。
在车用燃料电池技术和产业发展的牵引下和可再生能源发电技术的推动下，氢能的重要性日益凸显，本书介绍了支撑燃料电池汽车所需的氢能的制备、存储、运输、加注等关键技术的发展现状、存在的重大挑战等。最后，对基于可再生能源发电制氢及氢电二元网络的构建做出了展望，并提出了基于绿氢和绿电的零碳交通能源系统的构思，希望氢电二元网络为零碳交通能源体系奠定基础，并以交通零碳化为先导，带动整个能源体系的低碳化发展。
本书的目标是成为一部该领域的知识地图，让从事某一特定领域的科研工作者了解全貌，适合机械、能源、车辆、电气或者化学等专业的研究生及相关领域的专业技术人员阅读。
恳请读者对本书的内容和章节安排等提出宝贵意见，并对书中存在的不当之处提出批评和建议，以便本书再版修订时参考。

著　者

丛书序
序（一）
序（二）
前?言
第1章　燃料电池汽车及其能量转换
1.1　燃料电池汽车002
1.1.1　车辆电动化路径002
1.1.2　燃料电池及燃料电池汽车的发展历程003
1.1.3　燃料电池汽车动力系统012
1.2　燃料电池汽车动力系统中的电能来源014
1.2.1　燃料电池的原理及其能量转换014
1.2.2　燃料电池发电系统015
1.3　燃料电池汽车动力系统中的电能存储018
1.3.1　锂离子电池原理及其能量存储018
1.3.2　锂离子电池储能系统022
1.4　燃料电池汽车动力系统中的电能复合023
1.4.1　电流变换的基本原理023
1.4.2　电化学电源的复合024
1.4.3　电化学电源的管控026
1.5　燃料电池汽车动力系统中的机电能量转换027
1.5.1　电机中的电磁能量转换027
1.5.2　交流电机的矢量控制031
1.5.3　电流逆变及其调制033
1.5.4　电机与电驱动集成035
1.6　氢能与交通能源的零碳化038
1.6.1　交通零碳化的需求及其路径038
1.6.2　氢能的概念及其特点039
1.6.3　燃料电池汽车动力系统和能源供给系统的同构性041
1.6.4　绿氢和燃料电池推动交通零碳化042
第2章　燃料电池汽车电化学电源原理及建模
2.1　电化学电源基本原理045
2.1.1　热力学基础与电压的产生045
2.1.2　电化学基础与极化051
2.1.3　电压损耗机理与电池内阻056
2.1.4　电化学电源的电极与电极过程061
2.2　燃料电池机理模型063
2.2.1　燃料电池内部的物质守恒模型065
2.2.2　燃料电池的电中性电荷守恒074
2.2.3　燃料电池的电极过程074
2.3　锂离子电池机理模型076
2.3.1　锂离子电池内部的物质守恒模型079
2.3.2　锂离子电池的电中性电荷守恒081
2.3.3　锂离子电池的电极过程082
2.4　电化学电源的外特性088
2.4.1　工作电压088
2.4.2　工作温度089
2.4.3　能量和功率密度090
2.4.4　使用寿命091
2.4.5　安全性091
第3章　电化学复合电源系统架构及构成
3.1　电化学复合电源的基本架构093
3.1.1　电化学电源复合的必要性093
3.1.2　电化学电源的复合模式094
3.1.3　电化学复合电源系统的架构095
3.2　燃料电池堆与系统099
3.2.1　燃料电池堆结构099
3.2.2　空气供给系统105
3.2.3　氢气供给系统108
3.2.4　热管理系统113
3.2.5　燃料电池发动机控制系统114
3.3　锂离子电池组与系统116
3.3.1　单体电池116
3.3.2　电池模块与电池包119
3.3.3　热管理系统121
3.3.4　电池管理系统125
3.4　电化学复合电源的电能变换器130
3.4.1　电力电子器件130
3.4.2　隔离型DC/DC变换器133
3.4.3　非隔离型DC/DC变换器135
3.4.4　Boost型多相交错并联DC/DC变换器137
第4章　电化学复合电源系统设计
4.1　复合电源设计关键技术145
4.1.1　复合电源系统的优化设计原则145
4.1.2　准稳态模式下复合电源系统的优化146
4.1.3　全温域高效热管理设计149
4.1.4　复合电源在线阻抗测量150
4.2　基于DC/DC变换器的宽频在线阻抗测量案例152
4.2.1　交变激励源需求分析152
4.2.2　交变激励源拓扑选型与参数计算153
4.2.3　电流与电压采样电路设计155
4.2.4　交错并联Boost变换器及驱动电路设计157
4.2.5　在线阻抗测量结果158
4.3　大功率多模块复合电源设计案例161
4.3.1　350kW级燃料电池复合电源系统161
4.3.2　主功率高压系统方案162
第5章　电化学复合电源系统管控
5.1　复合电源管控需求167
5.1.1　燃料电池系统运行特性及需求167
5.1.2　锂离子电池系统运行特性及需求172
5.1.3　复合电源运行特性及需求174
5.2　燃料电池系统管控176
5.2.1　反应物状态估计176
5.2.2　水状态估计176
5.2.3　水含量故障诊断185
5.3　锂离子电池系统管控196
5.3.1　荷电状态估计196
5.3.2　其他状态估计207
5.4　复合电源系统管控208
5.4.1　高低温热管理208
5.4.2　多目标优化管理216
5.4.3　在线故障诊断220
第6章　氢电复合的零碳交通能源体系
6.1　交通能源及其零碳化需求224
6.2　绿色氢能技术225
6.2.1　绿氢的制取225
6.2.2　其他制氢方式及其比较230
6.2.3　氢气的存储234
6.2.4　氢气的运输238
6.2.5　加氢站技术240
6.3　绿色电能技术246
6.3.1　绿色发电技术246
6.3.2　电能存储技术251
6.4　基于氢电耦合二元网络的能源运输256
6.4.1　大规模绿色电能传输256
6.4.2　大规模绿色氢能的管道传输260
6.4.3　氢电二元耦合的传输模式261
6.5　零碳交通能源网络263
6.5.1　电动汽车的电氢补能263
6.5.2　氢电耦合的零碳交通能源模型266
6.5.3　零碳交通能源网络发展与展望267
参考文献

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