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電化學反應產生電能，然后用電能通過電機驅動車輛。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作用，而不是經過燃燒，直接變成電能動力，因此被稱為綠色新型環保動力。FCEV一般以質子交換膜燃料電池(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點（1）能量轉換效率高

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

（4）續駛里程長

（5）過載能力強（6）設計靈活方便

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）輔助設施不完善、建設成本本昂貴

（4）起動時間長，系統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，不會發生燃料氣體的結冰和燃料氣體的泄漏。3）各種結構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，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燃機汽車的動力性能的水平，性能穩定可靠。5）各種輔助技術裝備的外形尺寸和輔助技術裝備的質量應盡可能地減小，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鍵技術1．燃料電池系統燃料電池是燃料電池汽車發展的最關鍵技術之一。車用燃料電池系統的核心是燃料電池堆。燃料電池堆技術發展趨勢可用耐久性、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．車載儲氫系統儲氫技術是氫能利用走向規模化應用的關鍵。目前，常見的車載儲氫系統有高壓儲氫、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的重量與體積，是車載儲氫技術研發的重點。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．車載蓄電系統車載蓄電系統包括鉛酸電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等蓄電池及電化學超級電容器。超級電容器能在短時間內提供或吸收大的功率（為蓄電池數十倍）。其效率高、具有上萬次的循環壽命和極長的儲存壽命、工作溫度范圍寬、能使用的基礎材料價格便宜，可以作為混合型動力汽車的有效蓄電系統。4．電動機及其控制技術驅動電機是燃料電池電動汽車的心臟，它正向大功率、高轉速、高效率和小型化方向發展。當前驅動電機主要有感應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鍵問題：燃料電池發動機及電動機的相關布置、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注：1）燃料電池發動機自身的運行溫度為60～70℃，實際的散熱系統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，造成散熱系統設計的改良空間不大，無法采用通用的解決方案應對，必須開發專用的零部件。7．整車與動力系統的參數選擇與優化設計燃料電池汽車整車性能參數是整個燃料電池動力系統開發的信息來源，而虛擬配置的動力系統的特性參數也影響整車性能。目前參數設計主要借助于通用的或專用的仿真軟件進行離線仿真，如ADVISOR、EASY5、PSCAD、V2ELPH、FAHRSIM等。為了實現虛擬模擬與真實部件的聯系，必須建立實時仿真開發環境。8．多能源動力系統的能量管理策略目前的開發方式一般是借助仿真技術建立一個虛擬開發環境，對動力系統模型進行合理簡化，從理論分析的角度得到最優功率分配策略與能量源參數和工況特征之間的解析關系，并從該關系出發定量地分析功率緩沖器特性參數對最優功率分配策略的影響，為功率緩沖器的參數選擇提供理論依據。6.2燃料電池電動汽車的類型FCEV按“多電源”的配置不同，可分為純燃料電池驅動(PFC)的FCEV、燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動(FC+B)的FCEV、燃料電池與超級電容聯合驅動(FC+C)的FCEV、燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯合驅動(FC+B+C)的FCEV。

6.2.1純燃料電池驅動(PFC)的FCEV

純燃料電池電動汽車只有燃料電池一個動力源，汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔。純燃料電池電動汽車的動力系統如圖所示。燃料電池系統的優點1）系統結構簡單，便于實現系統控制和整體布置；2）統部件少，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濟性。2.燃料電池系統的缺點1）燃料電池功率大、成本高；2）對燃料電池系統的動態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合驅動(FC+B)的FCEV

燃料電池+輔助蓄電池聯合驅動的燃料電池電動汽車的動力系統如圖所示。該結構為一典型的串聯式混合動力結構。該系統的優點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定的工作條件下工作，工作時燃料電池的效率較高。3）系統對燃料電池的動態響應性能要求較低。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.這種結構形式的缺點1）蓄電池的使用使得整車的質量增加。2）電池充放電過程會有能量損耗。3）系統變得復雜，系統控制和整體布置難度增加。6.2.3燃料電池與超級電容聯合驅動（FC+C）的FCEV

這種結構形式與燃料電池+蓄電池結構相似，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合驅動（FC+B+C）的FCEV

燃料電池與蓄電池和超級電容聯合驅動的電動汽車的動力系統如圖所示，該結構也為串聯式混合動力結構。在該動力系統結構中，燃料電池、蓄電池和超級電容一起為驅動電動機提供能量動電動機將電能轉化成機械能傳給傳動系統，從而驅動汽車前進；在汽車制動時，驅動電動機變成發電機，蓄電池和超級電容將儲存回饋的能量。

1）增加了超級電容，整個系統的質量將可能增加。

2）系統更加復雜化，系統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的一般結構是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）電池技術比較成熱，可以在一定程度上彌補燃料電池技術上的不足。6.3燃料電池電動汽車的基本結構與能量管理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構與方案輔助動力蓄電池組并聯直連混合方案

燃料電池經單向DC/DC變換器后與輔助動力蓄電池組并聯，并通過電動機控制器為電動機提供能量，如圖所示。控制方案一般采用功率取電方式，通過相應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，共同向電動機供電。2.并聯混合方案該方案在前一方案的基礎上，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的改進，并且增加了一套雙向DC/DC轉換器，降低了輔助動力蓄電池組的能量轉換效率，同時也增加了系統開發的成本。3.燃料電池并聯直連混合方案

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控制，從成本及其拓撲結構的復雜程度以及工程實現上來說，不如輔助動力蓄電池組并聯直連混合方案對控制策略修改更加方便、對系統的設計、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，燃料電池混合動力汽車能量流控制系統的工作原理如圖所示。

能量管理系統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計和研究，就會形成單一的控制規則集，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：當電池荷電狀態在容許范圍內時，燃料電池應在某一設定的范圍內輸出功率，輸出功率不僅要滿足車輛驅動的要求，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）。

開關式的基本思路是：對燃料電池氫氣消耗量進行最優控制，即以最低氫氣消耗為目標調節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

優點

缺點

功率跟蹤模式

蓄電池處于荷電最佳狀態蓄電池處于淺循環充放電工作狀態；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進行調節，增加對燃料電池發動機系統的控制

難度

開關工作模式

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

簡單

蓄電池處于較深的充放電循環，影響電池工作壽命；當SOC較低時可能不能滿

足車輛的功率需求，影響車輛的動態性能

6.4.1燃料電池發動機

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

氣態氫通常用高壓儲氣瓶來裝載，對高壓儲氣瓶的品質要求很高，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氫。（2）氧氣供應和管理系統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。空氣需要用壓縮機來提高壓力，以增加燃料電池反應的速度。（3）水循環系統燃料電池發動機中，燃料電池在反應過程中將產生水和熱量，在水循環系統中要用冷凝器、氣水分離器和水泵等對反應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，以保證燃料電池的正常運轉。（4）電力管理系統

燃料電池所產生的是直流電，需要經過DC／DC轉換器進行調壓，在采用交流電動機的驅動系統中，還需要用DC／AC逆變器將直流電轉換為三相交流電。2．以甲醇為燃料的燃料電池發動機

在以甲醇為燃料的燃料電池發動機系統中，用甲醇供應系統代替了上述的氫氣供應系統。其包括甲醇儲存裝置、甲醇供應系統的泵、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，可以部分利用內燃機汽車的供應系統，有利于降低FCEV的使用費用。（2）燃燒器、加熱器和蒸發器甲醇進改質器之前，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，蒸發成甲醇和純水的混合氣，然后進入改質器。（3）重整器重整器是將甲醇用改質技術轉化為氫氣的關鍵設備。不同的碳氫化合物采用不同的重整技術在重整過程中的溫度、壓力會有所不同。（4）氫氣凈化器改質器所產生的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的含量不超過規定的10-5。6.4.2輔助動力源

在具有雙電源系統的FCEV上，驅動電動機的電源可以出現以下驅動模式：1）在FCFV起動時，由輔助動力源提供電能帶動燃料電池發動機起動，或帶動車輛起步。2）車輛行駛時，由燃料電池發動機提供驅動所需全部電能，剩余的電能儲存到輔助動力源裝置中。3）在加速和爬坡時，若燃料電池發動機提供的電能還不足以滿足FCEV驅動功率要求，則由輔助動力源提供額外的電能，使驅動電動機的功率或轉矩達到最大，形成燃料電池發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、電器設備提供所需要的電能。6.4.3DC／DC轉換器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定狀態。2.DC/DC轉換器的基本功能DC/DC轉換器具有以下基本功能：1）當輸入直流電壓在一定范圍內變化時，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轉換器的主要功能，概括起來主要包括以下3點：1）調節燃料電池的輸出電壓。2）調節整車能量分配。3）穩定整車直流母線電壓。4．FCEV車載DC／DC轉換器的要求DC／DC轉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）轉換器是能量傳遞部件，因此需要的轉換效率要高，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，轉換器應具有升壓功能。3）由于燃料電池存在輸出不穩定的問題，需要轉換器閉環運行進行穩壓，為了給驅動器以穩定的輸入，需要轉換器有較好的動態調節能力。4）體積小，重量輕。6.4.4驅動電機

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

直流電動機驅動系統采用換向器和電刷，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、結構簡單、技術成熟、免維護、成本低，尤其適合惡劣的工作環境。永磁電動機驅動系統，通常可分為方波供電的無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生故障而起保護作用時，由于永磁體的原因電動機會產生與轉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。開關磁阻電動機驅動系統作為一種基于“磁阻最小原理”設計的新型電動機，定子、轉子均采用凸極結構，具有結構簡單、可靠性高、控制簡便及功率／轉矩特性優越的特點。6.4.5動力電控系統

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

燃料電池發動機管理系統，按整車控制器的功率設定值控制燃料電池發動機的功率輸出，監測發動機的工作狀態，保證發動機穩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、供氧系統、水循環及冷卻系統。2．蓄電池管理系統

蓄電池管理系統分上下兩級：下級LECU負責蓄電池組電壓、溫度等物理參數的測量，進行過充過放保護及組內組間