綜合設(shè)計(jì)車(chē)載用動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　車(chē)載用動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　背景：隨著汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展和汽車(chē) 保有量的飛速增長(zhǎng)，全球石油資源遞減和環(huán)境污染等問(wèn)題卻日益突出。世界各國(guó)政府開(kāi)始投入大量的人力、物力、財(cái)力競(jìng)相研制和開(kāi)發(fā)旨在以節(jié)能、環(huán)保為終極目標(biāo) 的混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)等新能源汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)作為一種節(jié)能、無(wú)污染的理想“零排放”汽車(chē)，理所當(dāng)然地受到了廣泛的關(guān)注與重視，并在今后汽車(chē)工業(yè)的發(fā) 展中占有越來(lái)越重要

2、的地位。 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV）由燃料電池提供動(dòng)力源，主要是以氫燃料類(lèi)型為主，其具有無(wú)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(shì)。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(jī)高達(dá)60%～70%，代表了新能源汽車(chē)的發(fā)展方向，我國(guó)863計(jì)劃當(dāng)中，明確將燃料電池汽車(chē)發(fā)展放在了我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的首位。</p><p><b>　　FECV分類(lèi)及構(gòu)造</b><

3、/p><p>　　FCEV是以電力驅(qū)動(dòng)為惟一的驅(qū)動(dòng)模式，其電氣化和自動(dòng)化的程度大大高于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，早期用內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)底盤(pán)改裝的FCEV，在汽車(chē)底盤(pán)上布置了氫氣儲(chǔ)存罐或甲醇改質(zhì)系統(tǒng)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等總成和裝置，在進(jìn)行總布置時(shí)受到一些局限。新研發(fā)的FCEV采用了滑板式底盤(pán)，將FCEV的氫氣儲(chǔ)存罐和供應(yīng)系統(tǒng)、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等，統(tǒng)統(tǒng)裝在一個(gè)滑板

4、式的底盤(pán)中，在底盤(pán)上部可以布置不同用途的車(chē)身和個(gè)性化造型的車(chē)身。采用多種現(xiàn)代技術(shù)，以計(jì)算機(jī)控制為核心和電子控制的"線(xiàn)傳"系統(tǒng)(Control-by-wire)，CAN總線(xiàn)系統(tǒng)等，使新型燃料電池電動(dòng)車(chē)輛進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代FCEV按主要燃料種類(lèi)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(jí)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(dòng)電流和回收制動(dòng)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(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)示意圖</p><p>　　二、動(dòng)力蓄電池選型及參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　1 動(dòng)力蓄電池的分類(lèi)及比較 作為輔

6、助動(dòng)力源的動(dòng)力蓄電池，在汽車(chē)起步的工況下提供全部動(dòng)力；當(dāng)汽車(chē)在加速或爬坡等工況時(shí)，為主動(dòng)力源提供補(bǔ)充；同時(shí)在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，吸收制動(dòng)回饋的能量。目前，在電動(dòng)汽車(chē)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(jià)格低廉，曾是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)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(dòng)汽車(chē)體積過(guò)大，不適用于燃料電池汽車(chē)。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(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)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(zhǎng)足進(jìn)步。鋰離子蓄電池在容量、功率等方面的優(yōu)點(diǎn)引起了世界各國(guó)極大的研究興趣。日本、美國(guó)、加拿大、法國(guó)、德國(guó)等都已經(jīng)在電動(dòng)車(chē)用鋰離子蓄電池的開(kāi) 發(fā)方面取得了很大進(jìn)展，如通用汽車(chē)公司為了在其新版的 Hy- Wire 上 提高效率,配備了法國(guó) SAFT 公司生產(chǎn)的鋰離子電池。</p><p>　　2 動(dòng)力蓄電池的要求 燃料電池汽車(chē)燃料電池與蓄電池這種“電 - 電”

8、混合形式下對(duì)蓄電池有以下要求： 1）整車(chē)有較大功率需求時(shí)，能夠大電流放電，待燃料電池響應(yīng)跟上后放電電流迅速降低； 2）進(jìn)行制動(dòng)回饋時(shí)，可以在短時(shí)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(yīng)盡可能保持在 50%~85%的范圍內(nèi)； 4）循環(huán)壽命長(zhǎng)，能夠達(dá)到 1000 次以上的深度放電和 40 萬(wàn)次以上的淺度放電循環(huán)。</p><p>　　3 動(dòng)力蓄電池參數(shù)設(shè)計(jì) 對(duì)于能量混合型

9、的燃料電池電動(dòng)汽車(chē)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(gè)數(shù)。蓄電池組的額定電壓取決于動(dòng)力總線(xiàn)的電壓，配合單體電池允許的電壓工作范圍，就能計(jì)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(duì)于燃料電池汽車(chē)，根據(jù)整車(chē)的動(dòng)力性能要 求，分析各個(gè)工況，如汽車(chē)起步、爬坡、超車(chē)、制動(dòng)等的功率需求可以得 到對(duì)動(dòng)力源的功率需求。計(jì)算最大能量需求時(shí)要考慮 SOC 的波動(dòng)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(guò) 20C 為 依據(jù)計(jì)算得到蓄電池的容量。</p><p>　　二、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型及參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi)及比較 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是燃料電池汽車(chē)中將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力部件，目前常用的驅(qū)動(dòng)形式有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有成本低、

11、易于平滑調(diào)速、控制簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在早期的無(wú)軌電車(chē)和電動(dòng)叉車(chē)等電動(dòng)車(chē)輛中使用比較廣泛。但由于電機(jī)在運(yùn)行過(guò)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(chē)上的應(yīng)用已逐步減少。交流感應(yīng)電機(jī)又稱(chēng)異步電機(jī)，與直流電機(jī)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用鼠籠式或繞線(xiàn)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、免維護(hù)、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(chē)，尤其是大功率的電

12、動(dòng)汽車(chē)。例如 GM 開(kāi)發(fā)的燃料電池汽車(chē)Sequel就是采用了 60 kW 的異步電機(jī)。交流永磁電機(jī)通?？煞譃榉讲ü╇姷臒o(wú)刷直流電機(jī)和正弦波供電的永磁同步電機(jī)。轉(zhuǎn)子采用永磁體,不需要?jiǎng)?lì)磁。因此，功率因數(shù)大，電機(jī)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(shì)，但是該系統(tǒng)成本較高，可靠性上也比感應(yīng)電機(jī)差，本田推出的燃料電池汽車(chē) FCX 前</p><p>　　2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

13、具有以下要求： 1）轉(zhuǎn)矩對(duì)油門(mén)和制動(dòng)踏板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，波動(dòng)??； 2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，電機(jī)能在四象限工作，狀態(tài)切換平滑； 3）在低速時(shí)要有較大的轉(zhuǎn)矩和過(guò)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(hù)。</p><p>　　3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì) 電機(jī)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(gè)工作區(qū)間，前者主要保證電動(dòng)汽車(chē)的載重能力，后者則 保證電動(dòng)汽車(chē)有充

14、足的加速空間。電機(jī)的特性如圖 2 所示。其中，峰值 特性用于車(chē)輛加速、爬坡，而持續(xù)特性用于車(chē)輛巡航行駛。根據(jù)整車(chē)動(dòng) 力性能要求確定的電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)</p><p>　　三、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的選型及參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　1 燃料電池的分類(lèi)及比

15、較 燃料電池按電解質(zhì)類(lèi)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(duì)于其他類(lèi)型的燃料電池具有低溫 運(yùn)行、快速啟動(dòng)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(diǎn)，被認(rèn)為是理想的燃料電池類(lèi)型。</p><p>　　

16、2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)要求 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為燃料電池汽車(chē)的主動(dòng)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(yùn)行時(shí)也能夠提供額定功率和電壓；2）有一定的過(guò)載能力，能夠滿(mǎn)足燃料電池汽車(chē)起步、加速或者爬坡等工況；3）有較好的啟動(dòng)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；4）有較好的效率特性。</p><p>　　3 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的的主要參數(shù)包括：1）極化曲線(xiàn)。即電壓 - 電流輸出特性

17、，包括不同溫度下的極化曲線(xiàn)特性。2）氫氣消耗。不同功率下的氫氣消耗量，通過(guò)氫氣消耗特性和極化曲線(xiàn)特性可以計(jì)算得到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的效率特性。3）啟動(dòng)時(shí)間。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)從停機(jī)啟動(dòng)到輸出額定功率所需要的時(shí)間，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性對(duì)動(dòng)力蓄電池的要求有很大影響。4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性決定了整車(chē)的加速能力。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p>&

18、lt;p>　　燃料電池對(duì)環(huán)境無(wú)污染。它是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒 (汽、柴油 )或儲(chǔ)能 (蓄電池)方式－－最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會(huì)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(dá)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(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,不需要經(jīng)過(guò)熱能和機(jī)械能的中間變換。</p><p>　　目前，不論是液態(tài)氫、氣態(tài)氫、儲(chǔ)氫金屬儲(chǔ)存的氫，還有碳水化合<

19、;/p><p>　　物經(jīng)過(guò)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(chǔ)存、</p><p>　　保管、運(yùn)輸和灌裝或重整，都比較復(fù)雜，對(duì)安全性要求很高。但燃</p><p>　　料種類(lèi)的單一性，可以建立標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一的供給系統(tǒng)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1