1、<p>　　車載用動力燃料電池系統(tǒng)設計</p><p>　　背景：隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和汽車 保有量的飛速增長，全球石油資源遞減和環(huán)境污染等問題卻日益突出。世界各國政府開始投入大量的人力、物力、財力競相研制和開發(fā)旨在以節(jié)能、環(huán)保為終極目標 的混合動力汽車、純電動汽車等新能源汽車。電動汽車作為一種節(jié)能、無污染的理想“零排放”汽車，理所當然地受到了廣泛的關注與重視，并在今后汽車工業(yè)的發(fā) 展中占有越來越重要

2、的地位。 燃料電池電動汽車（FCEV）由燃料電池提供動力源，主要是以氫燃料類型為主，其具有無污染、零排放、氫能資源豐富，制取方法很多，可獲取性大等優(yōu)勢。以 質(zhì)子交換膜燃料電池為主，其燃料轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機高達60%～70%，代表了新能源汽車的發(fā)展方向，我國863計劃當中，明確將燃料電池汽車發(fā)展放在了我國的電動汽車發(fā)展的首位。</p><p><b>　　FECV分類及構造</b><

3、/p><p>　　FCEV是以電力驅(qū)動為惟一的驅(qū)動模式，其電氣化和自動化的程度大大高于內(nèi)燃機汽車，早期用內(nèi)燃機汽車底盤改裝的FCEV，在汽車底盤上布置了氫氣儲存罐或甲醇改質(zhì)系統(tǒng)，燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)等總成和裝置，在進行總布置時受到一些局限。新研發(fā)的FCEV采用了滑板式底盤，將FCEV的氫氣儲存罐和供應系統(tǒng)、燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)、電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等，統(tǒng)統(tǒng)裝在一個滑板

4、式的底盤中，在底盤上部可以布置不同用途的車身和個性化造型的車身。采用多種現(xiàn)代技術，以計算機控制為核心和電子控制的"線傳"系統(tǒng)(Control-by-wire)，CAN總線系統(tǒng)等，使新型燃料電池電動車輛進入一個全新的時代FCEV按主要燃料種類可分為:①以純氫氣為燃料的FCEV;②以甲醇改質(zhì)后產(chǎn)生的氫氣為燃料的FCEV。FCEV按"多電源"的配置不同，可分為:①純?nèi)剂想姵谾CEV;②燃料電池與蓄電池混

5、合電源的FCEV;③燃料電池與蓄電池和超級電容器混合電源的FCEV。后2種多電源的配置方式是FCEV的主要配置方式。輔助電源用于提供起動電流和回收制動反饋的電能。圖 1 所示為典型的能量混合型的燃料</p><p>　　圖 1 燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)示意圖</p><p>　　二、動力蓄電池選型及參數(shù)設計</p><p>　　1 動力蓄電池的分類及比較 作為輔

6、助動力源的動力蓄電池，在汽車起步的工況下提供全部動力；當汽車在加速或爬坡等工況時，為主動力源提供補充；同時在汽車制動時，吸收制動回饋的能量。目前，在電動汽車上普遍使用的電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。鉛酸電池由于安全耐用、價格低廉，曾是電動汽車動力電源的首選，但是由于電池的能量密度和功率密度小，造成電動汽車體積過大，不適用于燃料電池汽車。鎳氫電池的能量密度和功率密度都優(yōu)于鉛酸電池，許多公司都將其作為混合動力汽車和燃料電池汽車使用的

7、首選電池。鋰離子電池的出現(xiàn)使得電池的性能和壽命都有了長足進步。鋰離子蓄電池在容量、功率等方面的優(yōu)點引起了世界各國極大的研究興趣。日本、美國、加拿大、法國、德國等都已經(jīng)在電動車用鋰離子蓄電池的開 發(fā)方面取得了很大進展，如通用汽車公司為了在其新版的 Hy- Wire 上 提高效率,配備了法國 SAFT 公司生產(chǎn)的鋰離子電池。</p><p>　　2 動力蓄電池的要求 燃料電池汽車燃料電池與蓄電池這種“電 - 電”

8、混合形式下對蓄電池有以下要求： 1）整車有較大功率需求時，能夠大電流放電，待燃料電池響應跟上后放電電流迅速降低； 2）進行制動回饋時，可以在短時間內(nèi)接受較大電流的充電，即要具有瞬間大電流充放電能力； 3）電池的荷電狀態(tài)（SOC）應盡可能保持在 50%~85%的范圍內(nèi)； 4）循環(huán)壽命長，能夠達到 1000 次以上的深度放電和 40 萬次以上的淺度放電循環(huán)。</p><p>　　3 動力蓄電池參數(shù)設計 對于能量混合型

9、的燃料電池電動汽車主要有以下參數(shù)需要確定： 1）蓄電池組的額定電壓和單體電池的個數(shù)。蓄電池組的額定電壓取決于動力總線的電壓，配合單體電池允許的電壓工作范圍，就能計算出所需的電池節(jié)數(shù)。2）蓄電池的功率和能量需求。電池的功率需求包括最大放電功率 需求和最大充電功率需求。對于燃料電池汽車，根據(jù)整車的動力性能要 求，分析各個工況，如汽車起步、爬坡、超車、制動等的功率需求可以得 到對動力源的功率需求。計算最大能量需求時要考慮 SOC 的波動范圍

10、和電池。3）蓄電池的容量。根據(jù)蓄電池允許的最大放電電流不超過 20C 為 依據(jù)計算得到蓄電池的容量。</p><p>　　二、電機驅(qū)動系統(tǒng)選型及參數(shù)設計</p><p>　　1 電機驅(qū)動系統(tǒng)的分類及比較 電機驅(qū)動系統(tǒng)是燃料電池汽車中將電能轉(zhuǎn)換成機械能的動力部件，目前常用的驅(qū)動形式有直流電機驅(qū)動系統(tǒng)、交流感應電機驅(qū)動系統(tǒng)、交流永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)和開關磁阻驅(qū)動系統(tǒng)。直流電機驅(qū)動系統(tǒng)具有成本低、

11、易于平滑調(diào)速、控制簡單、技術成熟等特點，在早期的無軌電車和電動叉車等電動車輛中使用比較廣泛。但由于電機在運行過程中需要電刷和換向器轉(zhuǎn)向，其高速性能和可靠性受影響較大。隨著交流調(diào)速理論及電力電子器件的發(fā)展，目前其在燃 料電池汽車上的應用已逐步減少。交流感應電機又稱異步電機，與直流電機相比結構簡單，采用鼠籠式或繞線式轉(zhuǎn)子結構，電機堅固耐用、結構簡單、技術成熟、免維護、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汽車，尤其是大功率的電

12、動汽車。例如 GM 開發(fā)的燃料電池汽車Sequel就是采用了 60 kW 的異步電機。交流永磁電機通?？煞譃榉讲ü╇姷臒o刷直流電機和正弦波供電的永磁同步電機。轉(zhuǎn)子采用永磁體,不需要勵磁。因此，功率因數(shù)大，電機具有較高的功率密度和效率。在中小功率系統(tǒng)中比較占優(yōu)優(yōu)勢，但是該系統(tǒng)成本較高，可靠性上也比感應電機差，本田推出的燃料電池汽車 FCX 前</p><p>　　2 電機驅(qū)動系統(tǒng)要求 燃料電池電動汽車的驅(qū)動電機系統(tǒng)

13、具有以下要求： 1）轉(zhuǎn)矩對油門和制動踏板的動態(tài)響應快，波動??； 2）驅(qū)動電機具有較寬的調(diào)速范圍，電機能在四象限工作，狀態(tài)切換平滑； 3）在低速時要有較大的轉(zhuǎn)矩和過載量，高速區(qū)有一定的功率輸出； 4）功率密度高，可靠性好，易于維護。</p><p>　　3 電機驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)設計 電機工作區(qū)域主要包括基速以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)和基速以上的恒功率工作區(qū)兩個工作區(qū)間，前者主要保證電動汽車的載重能力，后者則 保證電動汽車有充

14、足的加速空間。電機的特性如圖 2 所示。其中，峰值 特性用于車輛加速、爬坡，而持續(xù)特性用于車輛巡航行駛。根據(jù)整車動 力性能要求確定的電機性能參數(shù)包括：最高轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩、最大功 率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、額定功率。</p><p>　　圖 2 電機轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性曲線</p><p>　　三、燃料電池發(fā)動機的選型及參數(shù)設計</p><p>　　1 燃料電池的分類及比

15、較 燃料電池按電解質(zhì)類型的不同，可分為六種主要的燃料電池：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFCs）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFCs）、固態(tài)氧化物燃料電池（SOFCs）和直接甲醇燃料電池（DM-FCs）。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池相對于其他類型的燃料電池具有低溫 運行、快速啟動性、功率密度高、固態(tài)電解質(zhì)不變化、遷移或從燃料電池中氣化、腐蝕性小等優(yōu)點，被認為是理想的燃料電池類型。</p><p>　　

16、2 燃料電池發(fā)動機要求 燃料電池發(fā)動機作為燃料電池汽車的主動力源，有以下要求：1）在額定工作溫度（60℃）下能夠持續(xù)提供額定功率；在常溫運行時也能夠提供額定功率和電壓；2）有一定的過載能力，能夠滿足燃料電池汽車起步、加速或者爬坡等工況；3）有較好的啟動性能和動態(tài)響應性能；4）有較好的效率特性。</p><p>　　3 燃料電池發(fā)動機參數(shù)設計燃料電池發(fā)動機的的主要參數(shù)包括：1）極化曲線。即電壓 - 電流輸出特性

17、，包括不同溫度下的極化曲線特性。2）氫氣消耗。不同功率下的氫氣消耗量，通過氫氣消耗特性和極化曲線特性可以計算得到燃料電池發(fā)動機的效率特性。3）啟動時間。燃料電池發(fā)動機從停機啟動到輸出額定功率所需要的時間，燃料電池發(fā)動機的啟動特性對動力蓄電池的要求有很大影響。4）動態(tài)響應時間。燃料電池發(fā)動機的動態(tài)響應特性決定了整車的加速能力。</p><p><b>　　總結</b></p>&

18、lt;p>　　燃料電池對環(huán)境無污染。它是通過電化學反應，而不是采用燃燒 (汽、柴油 )或儲能 (蓄電池)方式－－最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會釋放象 COx、NOx、SOx 氣體和粉塵等污染物。燃料電池的發(fā)電效率可以達到50%以上,這是由燃料電池的轉(zhuǎn)換性質(zhì)決定的，直接將化學能轉(zhuǎn)換為電能,不需要經(jīng)過熱能和機械能的中間變換。</p><p>　　目前，不論是液態(tài)氫、氣態(tài)氫、儲氫金屬儲存的氫，還有碳水化合<

19、;/p><p>　　物經(jīng)過重整后轉(zhuǎn)換的氫是燃料電池的唯一燃料。氫氣的產(chǎn)生、儲存、</p><p>　　保管、運輸和灌裝或重整，都比較復雜，對安全性要求很高。但燃</p><p>　　料種類的單一性，可以建立標準化、統(tǒng)一的供給系統(tǒng)。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　1