能源與環(huán)境是各國(guó)政府密切關(guān)注的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問(wèn)題。全球變暖和能源危機(jī)迫使人們重新考慮未來(lái)汽車的動(dòng)力問(wèn)題。燃料電池汽車以其清潔、高效的特性逐漸成為公認(rèn)的未來(lái)最有前途的新能源汽車。

純?nèi)剂想姵仄嚧嬖谝韵卤锥耍喝剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)存在輸出特性較軟，成本過(guò)高，起動(dòng)困難以及瞬態(tài)響應(yīng)性差等特點(diǎn)，并且電堆不允許電流雙向流動(dòng)，無(wú)法回收剎車時(shí)的能量嘲。輔助設(shè)備可以解決上述問(wèn)題，它能使燃料電池工作在較高的效率區(qū)域，在剎車制動(dòng)的過(guò)程中回收部分能量，因此，在以燃料電池為主要?jiǎng)恿υ吹钠噭?dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要配置輔助設(shè)備。燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)配置的好壞直接影響到整車的性能和效率。因此必須對(duì)其加以研究。

1、燃料電池車動(dòng)力配置方案現(xiàn)狀

目前燃料電池車主要有純?nèi)剂想姵亍⑷剂想姵丶有铍姵亍⑷剂想姵丶映?jí)電容、燃料電池加蓄電池加超級(jí)電容、燃料電池加飛輪、插電式等六大類動(dòng)力配置方案。

1.1、單一燃料電池方案

圖l是純?nèi)剂想姵貏?dòng)力方案圖，在這種方案中汽車所需的所有動(dòng)力全部來(lái)自燃料電池電堆。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整車裝備質(zhì)量輕，控制實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易。

但是其缺點(diǎn)如下：(1)燃料電池的功率大，成本昂貴;(2)需要很高的燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和可靠性;(3)不能對(duì)制動(dòng)能量回收;(4)冷啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。

此種方案幾乎不在實(shí)際中應(yīng)用。

1.2、燃料電池加蓄電池方案

圖2為燃料電池加電池組的混合驅(qū)動(dòng)方案，其中燃料電池系統(tǒng)為主要?jiǎng)恿υ矗姵亟M配合燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行混合驅(qū)動(dòng)，電能經(jīng)過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動(dòng)系統(tǒng)。加速時(shí)，電池組和燃料電池電堆共同輸出能量，保證整車的加速性能，由于電池組提供了部分能量，減輕了電堆瞬時(shí)加速時(shí)的負(fù)擔(dān)，避免陰極“氧氣饑餓”現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)電堆壽命。剎車制動(dòng)時(shí)，電池回收部分能量。此過(guò)程由電池管理系統(tǒng)控制。

其優(yōu)點(diǎn)是：燃料電池成本降低、對(duì)電堆動(dòng)態(tài)特性及功率要求降低，啟動(dòng)容易、可靠性高。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，急剎車時(shí)，能量回收瞬時(shí)電流較高，動(dòng)力電池組可能會(huì)受到一定損傷。目前此種配置方案應(yīng)用相對(duì)廣泛。

1.3、燃料電池加超級(jí)電容

除了動(dòng)力電池組外，還可以采用超級(jí)電容器作為輔助電源。圖3為燃料電池和超級(jí)電容器配置方案圖。

超級(jí)電容具有較高的功率密度和較低的能量密度，它允許較大的充放電電流，并且充電速度比電池快。采用該超級(jí)電容的突出優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)和效率高，改善了整車的瞬態(tài)特性，使得電機(jī)負(fù)載對(duì)燃料電池系統(tǒng)的沖擊有所減免，提高了燃料電池工作穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了工作壽命。同時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，降低了整車的質(zhì)量，使用成本也有所減少。而且其瞬時(shí)功率較輔助電池大，汽車啟動(dòng)起來(lái)比燃料電池加電池模式更容易。但是超級(jí)電容的能量密度比較低。而由于電壓與其荷電狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性，控制其充放電電流，增加放電時(shí)間比較困難，維護(hù)費(fèi)用高。目前此方案尚在實(shí)驗(yàn)中[6]。

1.4、燃料電池加蓄電池加超級(jí)電容

這種模式是在燃料電池電堆加蓄電池的基礎(chǔ)上再并聯(lián)超級(jí)電容器，它可以在啟動(dòng)加速時(shí)提供峰值電流，在緊急制動(dòng)時(shí)回收峰值電流。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。這樣可以使比能量和比功率的要求相互分離，可以較少考慮對(duì)輔助電池的比功率要求，著重優(yōu)化輔助電池的比能量和循環(huán)壽命設(shè)計(jì)，比功率的問(wèn)題可以靠超級(jí)電容器解決。由于超級(jí)電容器具有負(fù)載電平效應(yīng)，充放電效率高，來(lái)自蓄電池的大電流放電和再生制動(dòng)的大電流充電被大幅度降低，能有效防止蓄電池過(guò)放過(guò)充現(xiàn)象的發(fā)生，顯著增加了輔助電池的可用能量、持續(xù)工作時(shí)間以及使用壽命用。

這種模式是目前燃料電池電動(dòng)汽車混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的理想模式。當(dāng)汽車處于啟動(dòng)、爬坡、加速等工況時(shí)，輔助電池和超級(jí)電容器可以配合或者單獨(dú)提供峰值功率，能量分配更加合理。

在急減速、緊急制動(dòng)工況下，超級(jí)電容器可減輕電池負(fù)擔(dān)，保護(hù)輔助電池免受強(qiáng)電流沖擊。

此種動(dòng)力配置方案比較理想，但其成本昂貴，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，參數(shù)匹配困難。目前此種技術(shù)還不成熟。

1.5、燃料電池加蓄電池加超高速飛輪

超高速飛輪是機(jī)械方式儲(chǔ)能元件，具有高比能量、高比功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高效率、快速補(bǔ)充能量、免維護(hù)和環(huán)境友好等特點(diǎn)，可以應(yīng)用到混合動(dòng)力汽車中。超高速飛輪的加入可以提高系統(tǒng)的效率和輸出。由于成本高、控制困難的原因，實(shí)際應(yīng)用較少。

1.6、插電式動(dòng)力配置方案

這種方案有兩種配置方式：第一種是基于目前加氫設(shè)施不足，在車上裝一個(gè)RFc(regenerativemelcell)裝置，這個(gè)裝置有兩種運(yùn)行模式，當(dāng)充電器充電時(shí)，是一個(gè)電解槽，生成的氫氣和氧氣分別存到相應(yīng)的高壓氫氣瓶和氧氣瓶中。當(dāng)汽車行駛時(shí)，RFc是一個(gè)典型的燃料電池裝置，利用電解槽生成的氧氣氫氣進(jìn)行反應(yīng)提供電能，同時(shí)生成水。

這種裝置電解槽經(jīng)過(guò)加壓，無(wú)需空壓機(jī)，效率高，成本比燃料電池加蓄電池的配置方案低。動(dòng)力蓄電池和電解槽可以在用電低峰時(shí)進(jìn)行充電，尤其是當(dāng)所用的電能是來(lái)自于風(fēng)能太陽(yáng)能時(shí)，這樣的裝置更環(huán)保。同時(shí)這樣的動(dòng)力配置方案減輕了對(duì)加氫站的依賴。此配置方式尚在實(shí)驗(yàn)中，尚無(wú)有關(guān)此種配置方案車型的報(bào)道。

第二種配置方式是以上汽榮威950為代表的插電式燃料電池車。與傳統(tǒng)的插電式混合動(dòng)力汽車類似，該方案有兩種驅(qū)動(dòng)模式，第一種蓄電池為主要?jiǎng)恿?lái)源，蓄電池外接充電器可以為蓄電池充電，第二種是純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)。其配置方案如圖7所示。

此方案一方面能夠發(fā)揮電動(dòng)汽車低速性能好的特點(diǎn)，解決擁堵造成的車輛起停和排放問(wèn)題;另一方面，適當(dāng)匹配動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠很好地解決燃料電池轎車性能、應(yīng)用和成本之間的矛盾。

1.7、整車廠燃料電池車動(dòng)力方案

目前各大整車廠都投入了較大精力研發(fā)燃料電池車，其中以豐田本田等為代表。表1是各整車廠目前所采用的動(dòng)力方案。

從以上分析可以看出第二種方案，即燃料電池加蓄電池的動(dòng)力配置方案是主流方案。此方案是未來(lái)燃料電池車動(dòng)力系統(tǒng)配置的趨勢(shì)。目前量產(chǎn)的燃料電池車如韓國(guó)的現(xiàn)代ix35燃料電車、豐田的Mhi燃料電池車、本田全新的Clari哆Fuelceu燃料電池車，都采用此方案。

1.8、電流檢測(cè)方案

電流監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)置于電堆、DC?DC轉(zhuǎn)換器之間，用于采集電堆的實(shí)際輸出電流，電流采集使用霍爾電流傳感器CH704200CT;

CH704 是專為大電流檢測(cè)應(yīng)用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內(nèi)置 0.1mΩ 的初級(jí)導(dǎo)體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測(cè)：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內(nèi)部集成獨(dú)特的溫度補(bǔ)償電路以實(shí)現(xiàn)芯片在 -40 到150-°C全溫范圍內(nèi)良好的一致性。出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(tài)(零電流)輸出電壓的校準(zhǔn)，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準(zhǔn)確性。

2、燃料電池車用蓄電池和電機(jī)

2.1、動(dòng)力蓄電池

動(dòng)力蓄電池是燃料電池車的輔助設(shè)備，輔助電堆啟動(dòng)。當(dāng)燃料電池車有較大的功率需求時(shí)，蓄電池提供較大的放電電流，當(dāng)電堆性能跟上時(shí)，放電電流減小，電堆作為主要?jiǎng)恿υ础．?dāng)汽車剎車減速時(shí)，蓄電池能夠接受較大的電流充電，以回收能量。蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)應(yīng)盡可能保持在較高的狀態(tài)，一般在50哆扣85%，循環(huán)壽命長(zhǎng)，一般能達(dá)到1000次以上深度

放電，40萬(wàn)次以上淺度放電循環(huán)。

由于氫鎳蓄電池和鋰離子電池充放電迅速、能量密度大、比功率高、耐用性好、無(wú)污染、是目前燃料電池車主要采用的電池。豐田的燃料電池量產(chǎn)車M婦i使用的是氫鎳蓄電池;本田全新cl耐哆FuelCell燃料電池車和韓國(guó)現(xiàn)代ix35燃料電車采用的都是鋰離子電池。不過(guò)氫鎳蓄電池有記憶效應(yīng)，高溫性能差;鋰離子電池成本比氫鎳蓄電池高。

2.2、電機(jī)

目前燃料電池車主要采用交流感應(yīng)電機(jī)和交流永磁電機(jī)。交流感應(yīng)電機(jī)又稱異步電機(jī)，電機(jī)堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、成本低，尤其適合惡劣的工作環(huán)境，比較適合燃料電池電動(dòng)汽車，尤其是大功率的電動(dòng)汽車。例如GM開發(fā)的燃料電池汽車sequel就是采用了60kw的異步電機(jī)。交流永磁電機(jī)通常可分為方波供電的無(wú)刷直流電機(jī)和正弦波供電的永磁同步電機(jī)。這類電機(jī)功率因數(shù)大，具有較高的功率密度和效率，過(guò)載能力比異步電動(dòng)機(jī)大。在中小功率系統(tǒng)中比較占優(yōu)勢(shì)，但是該系統(tǒng)成本較高，可靠性稍差。豐田量產(chǎn)的燃料電池車Mirai采用的是交流同步電機(jī)。

3、豐田Mirai的動(dòng)力總成配置

Mimi是豐田汽車公司于2014年底在日本上市的第一款氫燃料電池車，用液態(tài)氫氣作為動(dòng)力能源，液態(tài)氫氣存放于兩個(gè)高壓儲(chǔ)氫罐，儲(chǔ)氫罐置于車身后部，可承受70~Ⅱ，a的壓力。液態(tài)氫的加注與傳統(tǒng)汽油車類似，大約需要3~5nlin即可加滿儲(chǔ)氫罐。續(xù)駛里程大約可達(dá)480km，能在低溫一30℃啟動(dòng)。速度從0加速到100krnm僅需約9s。其動(dòng)力配置如圖8。Mirai的性能參數(shù)如表2所示。從圖8和表2中可以看出豐田Mirai采用的是燃料電池電堆加蓄電池的動(dòng)力配置方案，也就是蓄電池在車減速剎車時(shí)回收能量;在車加速時(shí)，和電堆一起驅(qū)動(dòng)電機(jī)，保證整車的輸出功率。

4、結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)地介紹了目前燃料電池汽車七種動(dòng)力配置方案，給出了每種動(dòng)力方案的原理框圖，從方案的復(fù)雜程度、控制的難易、成本的高低等方面進(jìn)行了比較，同時(shí)分析了目前各大整車廠的燃料電池車所采用的動(dòng)力方案。研究結(jié)果表明燃料電池加蓄電池的方案是目前的主流方案，是未來(lái)燃料電池車動(dòng)力配置方案的趨勢(shì)。燃料電池車雖已經(jīng)量產(chǎn)，但與傳統(tǒng)汽車相比，仍然存在價(jià)格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，基礎(chǔ)設(shè)施不完善等缺點(diǎn)。燃料電池車的動(dòng)力配置方案對(duì)燃料電池車的整車性能和效率至關(guān)重要，大規(guī)模普及仍需要加大對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)配置方案以及燃料電池電堆和動(dòng)力蓄電池之間的匹配控制等方面的研究。

原文標(biāo)題：燃料電池汽車動(dòng)力總成方案分析

文章出處：【微信公眾號(hào)：電力電子技術(shù)與應(yīng)用】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

審核編輯：湯梓紅