1、燃料電池汽車的動力傳動系統設計序言燃料電池汽車是電動汽車的一種。燃料電池發出的電,經逆變器、控制器等裝置,給電動機供電,再經傳動系統、驅動橋等帶動車輪轉動,即可使車輛在路上行駛,燃料電池的能量轉換效率比內燃機要高2-3倍。燃料電池的化學反響過程不會產生有害產物,所以燃料電池車輛是無污染汽車。隨著對汽車燃油經濟性和環保的要求,汽車動力系統將從現在以汽油等化石燃料為主慢慢過渡到混淆動力,最后將完好由干凈的燃料電池車取代。近幾年來,燃料電池系統和燃料電池汽車技術已經獲取了重要的進展。世界出名汽車制造廠,如豐田、本田、通用、戴姆勒-克萊斯勒、日產和福特汽車公司已經開發了幾代燃料電池汽車,并宣布了各樣將

2、燃料電池汽車投向市場的戰略目標。目前,燃料電池轎車的樣車正在進行試驗,以燃料電池為動力的運輸大客車在北美的幾個城市中正在進行示范項目。其中本田的FCXClarity最高時速達到了160km/h8;豐田燃料電池汽車FCHV-adv已經累計運行了360,000km的路試,能夠在零下37度啟動,一次加氫能夠從大阪行駛到東京(560公里)。在我國科技部的支持下,燃料電池汽車技術獲取了快速發展。2007年,我國第四代燃料電池轎車研制成功,該車最高時速達150km/h,最大續駛里程319km。2008年,20燃料電池示范汽車又在北京奧運進行了示范運行。2010年,包括上汽、奇瑞等國內汽車公司共有196輛燃

3、料電池汽車在上海世博園區進行示范運行。在開發燃料電池汽車中如故存在著技術性挑戰,如燃料電池組的一體化,提高商業化電動汽車燃料辦理器和協助部汽車制造廠都在朝著集成零件和減少零件成本的方向努力,并已獲取了顯然的進步。但與傳統的內燃機轎車對照,燃料電池電動汽車采用“燃料電池+電動機”來取代傳統車的“心臟”-發動機和燃油系統。燃料電池轎車的動力傳動系統發生較大的變化,主要表現在:電動機取代內燃機成為驅動動力源;離合器與扭轉減振器被省略;多擋變速器過去被取代為減速器。所以,燃料電池汽車的動力傳動系統整體獲取簡化。但行家駛時,燃料電池是主要的動力根源,蓄電池為協助能量根源。汽車需要的功率主要由燃料電池供應

4、。能夠說,車用燃料電池的選用,關于燃料電池汽車的性能至關重要。本文介紹了燃料電池汽車動力傳統技術發展大體,圍繞燃料電池電動汽車動力傳動拓撲架構、多源系統管理和動力系統配置與仿真優化技術等重點技術張開了詳確闡述。動力傳動系統拓撲構架設計燃料電池汽車的運行其實不是一個穩態情況,頻頻的啟動、加快和爬坡使得汽車動向工況特別復雜。燃料電池系統的動向響應比較慢,在啟動、急加快或爬斜坡時燃料電池的輸出特性無法知足車輛的行駛要求。在實質燃料電池汽車上,經常需要使用燃料電池混淆電動汽車設計方法,即引入協助能源裝置(蓄電池、超級電容器或蓄電池十超級電容器)經過電力電子裝置與燃料電池并網,用來供應峰值功率以補充車輛

5、在加快或爬坡時燃料電池輸出功率能力的不足。另一方面,在汽車怠速、低速或減速等工況下,燃料電池的功率大于驅動功率時,儲藏充裕的能量,或在回饋制動時,吸取儲藏制動能量,進而提高整個動力系統的能量效率。2.1直接燃料電池混淆動力系統構造直接燃料電池混淆動力系統式構造中采用的電力電子裝置只有電機控制器,燃料電池和協助動力裝置都直接并接在電機控制器的入口。如豐田的FCHV-4,FIAT-Elettra和日產X-TrailFCV等都采用這類近似的構造設計。協助動力裝置擴大了動力系統總的能量容量,增添了車輛一次加氫后的續駛里程;擴大了系統的功率范圍,減少了燃料電池擔當的功率負荷。很多插電混淆的燃料電池汽車也

6、經常采用這樣的構架,美國Ford公司EdgePlug-in燃料電池轎車和GM公司VoltPlug-in燃料電池車。這類插電式混淆動力汽車將有效的減少氫燃料的耗資。其他,協助動力裝置的存在使得系統具備了回收制動能量的能力,并且增添了系統運行的可靠性。燃料電池和協助動力裝置之間對負載功率的合理分派還能夠夠提高燃料電池的整體運行效率。在系統設計中,能夠在協助動力裝置和動力系統直流母線之間增添了一個雙向DC/DC變換器。使得對協助動力裝置充放電的控制更為靈便、易于實現。由于雙向DC/DC變換器能夠較好地控制協助動力裝置的電壓或電流,所以它仍是系統控制策略的履行零件。2.2并聯式動力系統構造另一種構架是

7、并聯式的燃料電池混淆動力系統的構造。這類建立過去在燃料電池和電機控制器之間安裝了一個DC/DC變換器,燃料電池的端電壓經過DC/DC變換器的升壓或降壓來與系統直流母線的電壓等級進行般配。這類系統與上述構架不同樣之處還在于,這類動力系統的設計沒有考慮能量的回饋回收,所以系統誠然簡單,但效率比較低下。只管系統直流母線的電壓與燃料電池功率輸出能力之間不再有耦合關系,但DC/DC變換器必定將系統直流母線的電壓保持在最適合電機系統工作的電壓點(或范圍),關于溝通電機驅動系統,過去還需要安裝一個DC/AC變換器。目前這類構架系統只在一些小型或許實驗的車上使用,如2002年通用汽車公司開發的Autonomy

8、和Hy-wire兩種車都是鑒于該中構架的。2008年,同濟大學-蒂森克虜伯聯合實驗室采用這類架構開發了小型燃料電池汽車,并研究了燃料電池電堆系統對整車性能的影響。燃料電池汽車多能源系統管理與優化燃料電池不適合作為動力系統的單調驅動能源,必定采用協助能源系統合理補充驅動電動汽車所需的能量,覆蓋功率顛簸,提頂峰值功率,吸取回饋能量,改良燃料電池輸出功率的瞬態特點。目前各大汽車開發商采用了協助動力,來提高燃料電池汽車的性能(表1所示)。3.1動力電池協助能源系統目前鉛酸電池由于比能量及比功率均較低,已經裁汰。在汽車上常用的動力蓄電池主要有鎳氫電池和鋰離子電池等。表1典型的燃料電池汽車鎳氫電池屬于堿性

9、電池,擁有不易老化,無需預充電以及低溫放電特點較好等優點。其能量密度可高出80Wh/kg,一次充電的行駛距離長,在大電流工作時能夠平穩放電。FCHV-4,High-landerFCHV-adv和通用ChevroletEquinox的動力系統都是燃料電池和鎳氫電池集成的。但,鎳氫在高溫環境下,電池電荷量會急劇下降,并且擁有記憶效應和充電發熱等方面的問題。在燃料電池混淆動力系統中鎳氫電池SOC應保持在40%-60%之間,充放電電流應處于160-240A的范圍,溫度應保持在常溫相鄰,以保證系統安全性和經濟性。鋰離子電池擁有體積小,能量密度高(120Wh/kg)、高安全性和無污染性等優點。本田FCXC

10、larity,通用ChevroletSequel鋰和日產X-TrailFCV等都采用鋰離子電池作為燃料電池汽車的協助能源系統。離子電池的能量密度是鎳氫電池的1.5-3倍。其單體電池的平均電壓為3.2V,相當于3個鎳鋅或鎳氫電池串接起來的電壓值,所以能夠減少電池組合體的數量,降低單體電池電壓差所造成的電池故障發生概率,進而提高了電池組的使用壽命。鋰離子電池具備自放電低(僅為5%-10%)的優點,當在非使用狀態下儲藏,內部相當牢固,幾乎不發生任何化學反響。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬,所以在使用過程中不會對環境造成污染。關于電動汽車而言,鋰離子電池易于車載部署安裝,是較為理想的能量儲藏媒

11、介。經常使用Simulink和Dymola等工具來對電池系統進行仿真剖析,提高電池的使用效率和壽命。其充電放電動向過程能夠用Thevenin模型來以下:3.2超級電容系統超級電容器是一種新式儲能元件,它既像靜電電容同樣擁有很高的放電功率,又像電池同樣擁有很大的電荷儲備能力。由于其放電特點與靜電電容更為湊近,所以如故稱之為“電容”。若是僅采用超級電容作為唯一協助能源還存在諸多不足之處,如:電動汽車長時間停機后再次啟動,由于超級電容的自放電效應,在燃料電池的能量輸出還沒有穩準時車載協助系統的供電將無法保障。況且超級電容能量密度很低,若要達到必然的能量儲備能力其設施體積必然加大。目前超級電容都是與其

12、他動力電池一同購車協助電源系統,在燃料電池汽車上使用的。為了戰勝精準的描繪超級電容的特點,能夠采用阻抗法進行建模取代簡單RC回路模型。超級電容目前SOC主要鑒于超級電容的輸出電壓:3.3多源能量的組合與控制燃料電池電動汽車安裝上述兩種拓撲構型,與動力電池和超級電容進行組合,才能達到比較好的收效。目前,主要采用的三種能量組合方式有:1)燃料電池+動力電池,通用ChevroletEquinox等就采用這類組合方式;2)燃料電池+超級電容,如本田的FCV-3和馬自達FC-EV等;3)燃料電池+動力電池+超級電容,如本田FCHV-4。Tadaichi研究了不同樣情況下,能量的流動方式。經過對車用3種能

13、源的比較,鑒于燃料電池發動機輸出功率展望控制策略設計了多能源能量管理系統,實現了對3種能源的優化管理和控制。動力系統配置與仿真優化技術4.1燃料電池系統仿真技術對燃料電池汽車中的燃料電池系統建模的方法又可分為兩種,一種是在電化學、工程熱力學、流體力學等理論基礎上,建立比較復雜的一維或多維物理模型。這類模型可依照不同樣燃料電池的構造參數建立相應模型,剖析壓力、溫度、濕度、流量、催化劑、管道構造等多方面因素對燃料電池工作的影響。但這類模型復雜不直觀,且運算速度慢。另一種則采用較簡單的數學經驗模型并聯合相應的商業軟件,這類方法擁有直觀快速的特點,但該模型只能針對特定的燃料電池系統,其建立需依賴實驗數

14、據。4.2整車動力傳動系統仿真優化技術燃料電池車仿真的最后目的是以燃料電池模型為基礎,聯合子系統和動力傳達系統的有關模型,仿真剖析燃料電池系統以致整個汽車動力系統的工作情況。這類系統優化的方法主若是聯合實質的使用來進行的,一般分紅兩種。在實質使用路況未知的情況,俄亥俄州立大學的T.GabrielChoi等鑒于FIATPanda車型,針對燃料電池插電式電動汽車的動力要求,研究了兩者控制測量:離線全局優化和動向優化下控制測量的設置方法。關于家庭充電和燃料電池混淆應用的能量優化控制方法。Guezennec等研究了駕駛習慣對能量的使用情況,并對動力系統和尺寸容量等做了優化。關于實質使用情況已知,專家研究了巡航加快等工況下的優化方法,Francisco等研究了農村路線、城市路線和兩者混淆下燃料電池電動汽車動力系統容量的設計方法,研究了不同協助能量系統下動力系統的效率和能耗,為燃料電池動力系統設計供應參照。KeshavS等運用動力系統仿真剖析工具(PSAT)剖析了燃料電池整車系統包括燃料電池電堆和其他零件的性能,發現當使用單