第6章-燃料電池電動汽車

燃料電池電動汽車第6章

燃料電池電動汽車FCEV(FuelCellElectricVehicle)是利用氫氣等燃料和空氣中的氧在催化劑的作用下在燃料電池中經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，然后用電能通過電機驅(qū)動車輛。燃料電池電動汽車的核心部件是燃料電池，它通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用，而不是經(jīng)過燃燒，直接變成電能動力，因此被稱為綠色新型環(huán)保動力。FCEV一般以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為車載能量源。6.1燃料電池電動汽車概述6.1.1燃料電池電動汽車的特點1．燃料電池電動汽車的優(yōu)點（1）能量轉(zhuǎn)換效率高

燃料電池的最大特點是反應(yīng)過程不涉及燃燒和熱機做功，因此能量轉(zhuǎn)換效率不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池理論上能量效率可接近83%，在實際使用中能量轉(zhuǎn)換效率高達60%～70%，是普通內(nèi)燃機的2倍左右。（2）綠色環(huán)保（3）運行噪聲低

（4）續(xù)駛里程長

（5）過載能力強（6）設(shè)計靈活方便

2.燃料電池電動汽車的缺點（1）燃料電池價格過高

（2）燃料電池用氫的制備、儲存困難

（3）輔助設(shè)施不完善、建設(shè)成本本昂貴

（4）起動時間長，系統(tǒng)抗振能力有待進一步提高6.1.2燃料電池電動汽車對燃料電池的基本要求FCEV對燃料電池性能基本要求有以下幾方面：1）燃料電池的比能量不低于150～200W·h/kg，比功率不低于300～400W/kg。2）可以在-20℃的條件下起動和工作，有可靠的安全性和密封性，不會發(fā)生燃料氣體的結(jié)冰和燃料氣體的泄漏。3）各種結(jié)構(gòu)件有足夠的強度和可靠性，可以在負荷變化情況下正常運轉(zhuǎn)，并能夠耐受FCEV行駛時的振動和沖擊。4）FCEV除排放達到零污染的要求外，動力性能要求基本達到或接近內(nèi)燃機汽車的動力性能的水平，性能穩(wěn)定可靠。5）各種輔助技術(shù)裝備的外形尺寸和輔助技術(shù)裝備的質(zhì)量應(yīng)盡可能地減小，以符合FCEV的裝車要求。6）燃料充添方便、迅速。7）所配置的輔助電源，應(yīng)能滿足提供起動電能和儲存制動反饋電能的要求。6.1.3燃料電池電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)1．燃料電池系統(tǒng)燃料電池是燃料電池汽車發(fā)展的最關(guān)鍵技術(shù)之一。車用燃料電池系統(tǒng)的核心是燃料電池堆。燃料電池堆技術(shù)發(fā)展趨勢可用耐久性、低溫啟動濕度、凈輸出比功率以及制造成本4個要素來評判。燃料電池堆研究正在向高性能、高效率和更高耐久性方向努力。2．車載儲氫系統(tǒng)儲氫技術(shù)是氫能利用走向規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。目前，常見的車載儲氫系統(tǒng)有高壓儲氫、低溫儲存液氫和金屬氫化物儲氫3種基本方法。如何有效減小儲氫系統(tǒng)的重量與體積，是車載儲氫技術(shù)研發(fā)的重點。一個比較理想的方案是，采用儲氫材料與高壓儲氫復(fù)合的車載儲氫新模式，即在高壓儲氫容器中裝填重量較輕的儲氫材料。3．車載蓄電系統(tǒng)車載蓄電系統(tǒng)包括鉛酸電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等蓄電池及電化學(xué)超級電容器。超級電容器能在短時間內(nèi)提供或吸收大的功率（為蓄電池數(shù)十倍）。其效率高、具有上萬次的循環(huán)壽命和極長的儲存壽命、工作溫度范圍寬、能使用的基礎(chǔ)材料價格便宜，可以作為混合型動力汽車的有效蓄電系統(tǒng)。4．電動機及其控制技術(shù)驅(qū)動電機是燃料電池電動汽車的心臟，它正向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。當(dāng)前驅(qū)動電機主要有感應(yīng)電動機和永磁無刷電動機。5．整車布置燃料電池汽車在整車布置上存在以下關(guān)鍵問題：燃料電池發(fā)動機及電動機的相關(guān)布置、動力蓄電池組的車身布置、氫氣瓶的安全布置以及高壓電安全系統(tǒng)的車身布置等。6．整車熱管理燃料電池汽車整車熱管理有兩方面特性需要關(guān)注：1）燃料電池發(fā)動機自身的運行溫度為60～70℃，實際的散熱系統(tǒng)工作溫度大致可以控制在60℃。2）目前整車各零部件的體積留給整車布置回旋的余地很小，造成散熱系統(tǒng)設(shè)計的改良空間不大，無法采用通用的解決方案應(yīng)對，必須開發(fā)專用的零部件。7．整車與動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇與優(yōu)化設(shè)計燃料電池汽車整車性能參數(shù)是整個燃料電池動力系統(tǒng)開發(fā)的信息來源，而虛擬配置的動力系統(tǒng)的特性參數(shù)也影響整車性能。目前參數(shù)設(shè)計主要借助于通用的或?qū)Ｓ玫姆抡孳浖M行離線仿真，如ADVISOR、EASY5、PSCAD、V2ELPH、FAHRSIM等。為了實現(xiàn)虛擬模擬與真實部件的聯(lián)系，必須建立實時仿真開發(fā)環(huán)境。8．多能源動力系統(tǒng)的能量管理策略目前的開發(fā)方式一般是借助仿真技術(shù)建立一個虛擬開發(fā)環(huán)境，對動力系統(tǒng)模型進行合理簡化，從理論分析的角度得到最優(yōu)功率分配策略與能量源參數(shù)和工況特征之間的解析關(guān)系，并從該關(guān)系出發(fā)定量地分析功率緩沖器特性參數(shù)對最優(yōu)功率分配策略的影響，為功率緩沖器的參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。6.2燃料電池電動汽車的類型FCEV按“多電源”的配置不同，可分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動(PFC)的FCEV、燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(FC+B)的FCEV、燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FC+C)的FCEV、燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FC+B+C)的FCEV。

6.2.1純?nèi)剂想姵仳?qū)動(PFC)的FCEV

純?nèi)剂想姵仉妱悠囍挥腥剂想姵匾粋€動力源，汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔(dān)。純?nèi)剂想姵仉妱悠嚨膭恿ο到y(tǒng)如圖所示。燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)點1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)系統(tǒng)控制和整體布置；2）統(tǒng)部件少，有利于整車的輕量化；3）較少的部件使得整體的能量傳遞效率高，從而提高整車的燃料經(jīng)濟性。2.燃料電池系統(tǒng)的缺點1）燃料電池功率大、成本高；2）對燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求；3）能進行制動能量回收。6.2.2燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(FC+B)的FCEV

燃料電池+輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動的燃料電池電動汽車的動力系統(tǒng)如圖所示。該結(jié)構(gòu)為一典型的串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的優(yōu)點1）由于增加了比功率價格相對低廉得多的蓄電池組，大大地降低了整車成本。2）料電池可以在比較好的設(shè)定的工作條件下工作，工作時燃料電池的效率較高。3）系統(tǒng)對燃料電池的動態(tài)響應(yīng)性能要求較低。4）汽車的冷起動性能較好。5）制動能量回饋的采用可以回收汽車制動時的部分動能，該措施可能會增加整車的能量效率。2.這種結(jié)構(gòu)形式的缺點1）蓄電池的使用使得整車的質(zhì)量增加。2）電池充放電過程會有能量損耗。3）系統(tǒng)變得復(fù)雜，系統(tǒng)控制和整體布置難度增加。6.2.3燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動（FC+C）的FCEV

這種結(jié)構(gòu)形式與燃料電池+蓄電池結(jié)構(gòu)相似，只是把蓄電池換成了超級電容。6.2.4燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動（FC+B+C）的FCEV

燃料電池與蓄電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動的電動汽車的動力系統(tǒng)如圖所示，該結(jié)構(gòu)也為串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)。在該動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池、蓄電池和超級電容一起為驅(qū)動電動機提供能量動電動機將電能轉(zhuǎn)化成機械能傳給傳動系統(tǒng)，從而驅(qū)動汽車前進；在汽車制動時，驅(qū)動電動機變成發(fā)電機，蓄電池和超級電容將儲存回饋的能量。

1）增加了超級電容，整個系統(tǒng)的質(zhì)量將可能增加。

2）系統(tǒng)更加復(fù)雜化，系統(tǒng)控制和整體布置的難度也隨之增大。

目前燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)是FC+B組合，這是因為它具有以下特點：1）燃料電池單獨或與動力蓄電池共同提供持續(xù)功率，而且在車輛起動、爬坡和加速等峰值功率需求時，動力蓄電池提供峰值功率。2）在車輛起步的時候和功率需求量不大的時候，蓄電池可以單獨輸出能量。3）電池技術(shù)比較成熱，可以在一定程度上彌補燃料電池技術(shù)上的不足。6.3燃料電池電動汽車的基本結(jié)構(gòu)與能量管理6.3.1燃料電池特性分析燃料電池帶負荷后的輸出電壓與電流特性曲線如圖所示。從特性曲線可以看出，燃料電池在加負荷的起始階段，電壓V下降很快，并且隨著負荷的增加，電流(功率)增大，輸出電壓也隨著曲線比普通電池大得多的斜率R下降，即燃料電池的輸出特性相對較軟。6.3.2燃料電池電動汽車基本結(jié)構(gòu)與方案輔助動力蓄電池組并聯(lián)直連混合方案

燃料電池經(jīng)單向DC/DC變換器后與輔助動力蓄電池組并聯(lián)，并通過電動機控制器為電動機提供能量，如圖所示?？刂品桨敢话悴捎霉β嗜‰姺绞?，通過相應(yīng)工況下的踏板信號給定負荷的功率需求，是單向的DC/DC斬波控制燃料電池的輸出功率，并與輔助動力蓄電池組并聯(lián)，共同向電動機供電。2.并聯(lián)混合方案該方案在前一方案的基礎(chǔ)上，在輔助動力蓄電池組與直流母線間也增加了一個雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，對輔助能源的輸出加以控制，這是考慮了輔助動力蓄電池組特性后為使其安全穩(wěn)定工作的改進方案，如圖所示。此方案仍采用功率取電方式工作，因此并未對上一方案的缺點有實質(zhì)的改進，并且增加了一套雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，降低了輔助動力蓄電池組的能量轉(zhuǎn)換效率，同時也增加了系統(tǒng)開發(fā)的成本。3.燃料電池并聯(lián)直連混合方案

該方案的燃料電池與電動機控制器之間的能量是單向流動的，輔助動力蓄電池的輸出能量可以通過能量管理單元輸送到母線上。電動機回饋能量通過能量管理單元后由鎳氫電池組吸收，如圖所示。這種方案利用能量管理單元中的主要部件雙向功率變換器來實現(xiàn)控制，從成本及其拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度以及工程實現(xiàn)上來說，不如輔助動力蓄電池組并聯(lián)直連混合方案對控制策略修改更加方便、對系統(tǒng)的設(shè)計、改造更加高效。燃料電池電動汽車混合動力的實際布置舉例6.3.3燃料電池電動汽車能量管理分析1.能量控制系統(tǒng)組成

由于燃料電池混合動力汽車運行的實際情況，在控制方面有一些特殊的要求，從能量（功率）流的角度出發(fā)，燃料電池混合動力汽車能量流控制系統(tǒng)的工作原理如圖所示。

能量管理系統(tǒng)主要由能量流控制器、燃料電池、Ni-MH電池組、DC/DC變換器和CAN總線等幾個主要部分組成。2.燃料電池混合動力汽車能量策略

（1）基于工況的控制策略

如果針對單一的道路類型進行策略的設(shè)計和研究，就會形成單一的控制規(guī)則集，這種控制思想忽略了道路類型、擁堵情況以及駕駛狀況等給車輛能量管理帶來的影響。（2）基于控制對象的控制策略

通過對車輛的控制目標的分析，可以看到燃料電池混合動力汽車是通過對兩個能量源匹配，進行能量流動的。功率跟隨式的基本思想是：當(dāng)電池荷電狀態(tài)在容許范圍內(nèi)時，燃料電池應(yīng)在某一設(shè)定的范圍內(nèi)輸出功率，輸出功率不僅要滿足車輛驅(qū)動的要求，還要為電池組充電，該功率稱為均衡功率（對電池進行了補充，使電池在最佳荷電狀態(tài)）。

開關(guān)式的基本思路是：對燃料電池氫氣消耗量進行最優(yōu)控制，即以最低氫氣消耗為目標調(diào)節(jié)燃料電池在某一工作點工作，該工作點是整個燃料電池組的最佳效率點。燃料電池混合動力汽車基于控制對象的能量控制策略比較控制模式

控制目標

優(yōu)點

缺點

功率跟蹤模式

蓄電池處于荷電最佳狀態(tài)蓄電池處于淺循環(huán)充放電工作狀態(tài)；可以延長電池工作壽命；能及時為車輛

提供足夠的輔助動力

燃料電池的工作點在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，增加對燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的控制

難度

開關(guān)工作模式

燃料電池處于效率最佳狀態(tài)燃料電池工作點固定；不需要考慮蓄電池的充放電狀態(tài)，控制策略設(shè)定相對

簡單

蓄電池處于較深的充放電循環(huán)，影響電池工作壽命；當(dāng)SOC較低時可能不能滿

足車輛的功率需求，影響車輛的動態(tài)性能

6.4.1燃料電池發(fā)動機

1．以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)6.4燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)的主要組成（1）氫氣供應(yīng)、管理和回收系統(tǒng)

氣態(tài)氫通常用高壓儲氣瓶來裝載，對高壓儲氣瓶的品質(zhì)要求很高，為保證燃料電池電動汽車一次充氣有足夠的行駛里程，就需要多個高壓儲氣瓶來儲存氣態(tài)氫。（2）氧氣供應(yīng)和管理系統(tǒng)口氧氣的來源有從空氣中獲取氧氣或從氧氣罐中獲取氧氣兩種方式?？諝庑枰脡嚎s機來提高壓力，以增加燃料電池反應(yīng)的速度。（3）水循環(huán)系統(tǒng)燃料電池發(fā)動機中，燃料電池在反應(yīng)過程中將產(chǎn)生水和熱量，在水循環(huán)系統(tǒng)中要用冷凝器、氣水分離器和水泵等對反應(yīng)生成的水和熱量進行處理，其中一部分水可以用于空氣的加濕。另外還需要裝置一套冷卻系統(tǒng)，以保證燃料電池的正常運轉(zhuǎn)。（4）電力管理系統(tǒng)

燃料電池所產(chǎn)生的是直流電，需要經(jīng)過DC／DC轉(zhuǎn)換器進行調(diào)壓，在采用交流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)中，還需要用DC／AC逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。2．以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)動機

在以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)中，用甲醇供應(yīng)系統(tǒng)代替了上述的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)。其包括甲醇儲存裝置、甲醇供應(yīng)系統(tǒng)的泵、管道、閥門、加熱器及控制裝置等。（1）甲醇儲存裝置甲醇可以FCEV容器儲存，不需要加壓或冷藏，可以部分利用內(nèi)燃機汽車的供應(yīng)系統(tǒng)，有利于降低FCEV的使用費用。（2）燃燒器、加熱器和蒸發(fā)器甲醇進改質(zhì)器之前，要用加熱器加熱甲醇和純水的混合物，使甲醇和純水的混合物一起受高溫(621℃)熱量的作用，蒸發(fā)成甲醇和純水的混合氣，然后進入改質(zhì)器。（3）重整器重整器是將甲醇用改質(zhì)技術(shù)轉(zhuǎn)化為氫氣的關(guān)鍵設(shè)備。不同的碳氫化合物采用不同的重整技術(shù)在重整過程中的溫度、壓力會有所不同。（4）氫氣凈化器改質(zhì)器所產(chǎn)生的H2因為含有少量的CO，因此必須對H2進行凈化處理。凈化器中用催化劑來控制，使H2中所含的CO被氧化成二氧化碳C02后排出，最終進入PEMFC的H2中的CO的含量不超過規(guī)定的10-5。6.4.2輔助動力源

在具有雙電源系統(tǒng)的FCEV上，驅(qū)動電動機的電源可以出現(xiàn)以下驅(qū)動模式：1）在FCFV起動時，由輔助動力源提供電能帶動燃料電池發(fā)動機起動，或帶動車輛起步。2）車輛行駛時，由燃料電池發(fā)動機提供驅(qū)動所需全部電能，剩余的電能儲存到輔助動力源裝置中。3）在加速和爬坡時，若燃料電池發(fā)動機提供的電能還不足以滿足FCEV驅(qū)動功率要求，則由輔助動力源提供額外的電能，使驅(qū)動電動機的功率或轉(zhuǎn)矩達到最大，形成燃料電池發(fā)動機與輔助動力源同時供電的雙電源的供電模式。4）儲存制動時反饋的電能，以及向車輛的各種電子、電器設(shè)備提供所需要的電能。6.4.3DC／DC轉(zhuǎn)換器1．裝置DC／DC的必要性FCEV采用的電源有各自的特性，燃料電池只提供直流電，電壓和電流隨輸出電流的變化而變化。FCEV采用的輔助電源（蓄電池和超級電容器）在充電和放電時，也是以直流電的形式流動，但電流的方向是可逆的。FCEV上的各種電源的電壓和電流受工況變化的影響呈不穩(wěn)定狀態(tài)。2.DC/DC轉(zhuǎn)換器的基本功能DC/DC轉(zhuǎn)換器具有以下基本功能：1）當(dāng)輸入直流電壓在一定范圍內(nèi)變化時，能輸出負載要求的變化范圍的直流電壓。2）輸出負載要求的直流電流（范圍）。3．FCEV車載DC/DC的功能

燃料電池轎車中的DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要功能，概括起來主要包括以下3點：1）調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓。2）調(diào)節(jié)整車能量分配。3）穩(wěn)定整車直流母線電壓。4．FCEV車載DC／DC轉(zhuǎn)換器的要求DC／DC轉(zhuǎn)換器在燃料電池電動汽車中起著重要的作用，它的性能必須滿足以下要求：1）轉(zhuǎn)換器是能量傳遞部件，因此需要的轉(zhuǎn)換效率要高，以便提高能源的利用率。2）為了降低對燃料電池的輸出電壓要求，轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有升壓功能。3）由于燃料電池存在輸出不穩(wěn)定的問題，需要轉(zhuǎn)換器閉環(huán)運行進行穩(wěn)壓，為了給驅(qū)動器以穩(wěn)定的輸入，需要轉(zhuǎn)換器有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力。4）體積小，重量輕。6.4.4驅(qū)動電機

燃料電池電動汽車用的驅(qū)動電機主要有直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機等。

直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)采用換向器和電刷，保證了勵磁磁動勢與電樞磁動勢的嚴格正交，易于控制。

交流電動機堅固耐用、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、免維護、成本低，尤其適合惡劣的工作環(huán)境。永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)，通?？煞譃榉讲ü╇姷臒o刷直流電動機和正弦波供電的永磁同步電動機。另外，永磁電動機的控制器在電動機發(fā)生故障而起保護作用時，由于永磁體的原因電動機會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的反電勢并通過反向二極管加在高壓母線兩端，造成潛在的安全問題。開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)作為一種基于“磁阻最小原理”設(shè)計的新型電動機，定子、轉(zhuǎn)子均采用凸極結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、控制簡便及功率／轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)越的特點。6.4.5動力電控系統(tǒng)

燃料電池汽車的動力電控系統(tǒng)，主要由燃料電池發(fā)動機管理系統(tǒng)(FCE-ECU)、蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)、動力控制系統(tǒng)(PCU)及整車控制系統(tǒng)(VIVIS)組成，而原型車的變速器系統(tǒng)會簡化很多。1．發(fā)動機管理系統(tǒng)

燃料電池發(fā)動機管理系統(tǒng)，按整車控制器的功率設(shè)定值控制燃料電池發(fā)動機的功率輸出，監(jiān)測發(fā)動機的工作狀態(tài)，保證發(fā)動機穩(wěn)定可靠地運行時進行故障診斷及管理。其具體組成包括供氫系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、水循環(huán)及冷卻系統(tǒng)。2．蓄電池管理系統(tǒng)

蓄電池管理系統(tǒng)分上下兩級：下級LECU負責(zé)蓄電池組電壓、溫度等物理參數(shù)的測量，進行過充過放保護及組內(nèi)組間