1、燃料电池电动汽车动力传动系统核心技术专项研究燃料电池电动汽车动力传动系统技术研究1引言燃料电池汽车是电动汽车一种。燃料电池发出电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶,燃料电池能量转换效率比内燃机要高2-3倍。燃料电池化学反映过程不会产生有害产物,因而燃料电池车辆是无污染汽车1-3。随着对汽车燃油经济性和环保规定,汽车动力系统将从当前以汽油等化石燃料为主慢慢过渡到混合动力,最后将完全由清洁燃料电池车代替4。近几年来,燃料电池系统和燃料电池汽车技术已经获得了重大进展4-5。世界知名汽车制造厂,如丰田、本田、通用、戴姆勒-克莱斯勒、日产和福
2、特汽车公司已经开发了几代燃料电池汽车5-12,并宣布了各种将燃料电池汽车投向市场战略目的。当前,燃料电池轿车样车正在进行实验,以燃料电池为动力运送大客车在北美几种都市中正在进行示范项目。其中本田FCX Clarity最高时速达到了160 km/h8;丰田燃料电池汽车FCHV-adv已经合计运营了360,000 km路试,可以在零下37度启动,一次加氢可以从大阪行驶到东京(560公里)7。在国内科技部支持下,燃料电池汽车技术得到了迅速发展。,国内第四代燃料电池轿车研制成功,该车最高时速达150 km/h,最大续驶里程319 km。,20燃料电池示范汽车又在北京奥运进行了示范运营。,涉及上汽、奇瑞
3、等国内汽车公司共有196辆燃料电池汽车在上海世博园区进行示范运营13。在开发燃料电池汽车中依然存在着技术性挑战,如燃料电池组一体化,提高商业化电动汽车燃料解决器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本方向努力,并已获得了明显进步。但与老式内燃机轿车相比,燃料电池电动汽车采用“燃料电池+电动机”来代替老式车“心脏”-发动机和燃油系统。燃料电池轿车动力传动系统发生较大变化,重要体当前:电动机代替内燃机成为驱动动力源;离合器与扭转减振器被省略;多挡变速器普通被替代为减速器14,15。因而,燃料电池汽车动力传动系统总体得到简化。但在行驶时,燃料电池是重要动力来源,蓄电池为辅助能量来源。汽车需要
4、功率重要由燃料电池提供。可以说,车用燃料电池选用,对于燃料电池汽车性能至关重要。本文简介了燃料电池汽车动力老式技术发展概况,环绕燃料电池电动汽车动力传动拓扑架构、多源系统管理和动力系统配备与仿真优化技术等核心技术开展了详细阐述。2动力传动系统拓扑构架设计燃料电池汽车运营并不是一种稳态状况,频繁启动、加速和爬坡使得汽车动态工况非常复杂。燃料电池系统动态响应比较慢,在启动、急加速或爬陡坡时燃料电池输出特性无法满足车辆行驶规定。在实际燃料电池汽车上,经常需要使用燃料电池混合电动汽车设计办法,即引入辅助能源装置(蓄电池、超级电容器或蓄电池十超级电容器)通过电力电子装置与燃料电池并网,用来提供峰值功率以
5、补充车辆在加速或爬坡时燃料电池输出功率能力局限性。另一方面,在汽车怠速、低速或减速等工况下,燃料电池功率不不大于驱动功率时,存储富余能量,或在回馈制动时,吸取存储制动能量,从而提高整个动力系统能量效率。2.1直接燃料电池混合动力系统构造直接燃料电池混合动力系统式构造中采用电力电子装置只有电机控制器,燃料电池和辅助动力装置都直接并接在电机控制器入口。如丰田FCHV-416，FIAT-Elettra17和日产X-TrailFCV12等都采用这种类似构造设计。辅助动力装置扩充了动力系统总能量容量,增长了车辆一次加氢后续驶里程;扩大了系统功率范畴,减轻了燃料电池承担功率负荷。许多插电混合燃料电池汽车也
6、经常采用这样构架,美国Ford公司Edge Plug-in燃料电池轿车和GM公司Volt Plug-in燃料电池车18。这种插电式混合动力汽车将有效减少氢燃料消耗。此外,辅助动力装置存在使得系统具备了回收制动能量能力,并且增长了系统运营可靠性。燃料电池和辅助动力装置之间对负载功率合理分派还可以提高燃料电池总体运营效率4。在系统设计中,可以在辅助动力装置和动力系统直流母线之间添加了一种双向DC/DC变换器。使得对辅助动力装置充放电控制更加灵活、易于实现。由于双向DC/DC变换器可以较好地控制辅助动力装置电压或电流,因而它还是系统控制方略执行部件。2.2并联式动力系统构造另一种构架是并联式燃料电池
7、混合动力系统构造。这种构建普通在燃料电池和电机控制器之间安装了一种DC/DC变换器,燃料电池端电压通过DC/DC变换器升压或降压来与系统直流母线电压级别进行匹配。这种系统与上述构架不同之处还在于,这种动力系统设计没有考虑能量回馈回收,因而系统虽然简朴,但效率比较低下。尽管系统直流母线电压与燃料电池功率输出能力之间不再有耦合关系,但DC/DC变换器必要将系统直流母线电压维持在最适当电机系统工作电压点(或范畴),对于交流电机驱动系统,普通还需要安装一种DC/AC转换器。当前此类构架系统只在某些小型或者实验车上使用,如通用汽车公司开发Autonomy和Hy-wire两种车都是基于该中构架10。,同济
8、大学-蒂森克虏伯联合实验室采用这种架构开发了小型燃料电池汽车19,并研究了燃料电池电堆系统对整车性能影响。3燃料电池汽车多能源系统管理与优化燃料电池不适合伙为动力系统单一驱动能源,必要选用辅助能源系统合理补充驱动电动汽车所需能量,覆盖功率波动,提高峰值功率,吸取回馈能量,改进燃料电池输出功率瞬态特性。当前各大汽车开发商采用了辅助动力,来提高燃料电池汽车性能(表1所示)。3.1动力电池辅助能源系统当前铅酸电池20由于比能量及比功率均较低,已经裁减。在汽车上惯用动力蓄电池重要有镍氢电池和锂离子电池等。表1典型燃料电池汽车Table 1Typical fuel cell electric vehic
9、les镍氢电池属于碱性电池,具备不易老化,无需预充电以及低温放电特性较好等长处。其能量密度可超过80 Wh/kg,一次充电行驶距离长,在大电流工作时可以平稳放电。FCHV-46,High-lander FCHV-adv7和通用Chevrolet Equinox9动力系统都是燃料电池和镍氢电池集成。但,镍氢在高温环境下,电池电荷量会急剧下降,并且具备记忆效应和充电发热等方面问题。在燃料电池混合动力系统中镍氢电池SOC应保持在40%-60%之间,充放电电流应处在160-240 A范畴,温度应维持在常温附近,以保证系统安全性和经济性21,22。锂离子电池具备体积小,能量密度高(120Wh/kg)、高
10、安全性和无污染性等长处。本田FCXClarity8,通用Chevrolet Sequel10锂和日产X-Trail FCV12等都采用锂离子电池作为燃料电池汽车辅助能源系统。离子电池能量密度是镍氢电池1.5-3倍。其单体电池平均电压为3.2V,相称于3个镍锌或镍氢电池串接起来电压值,因而可以减少电池组合体数量,减少单体电池电压差所导致电池故障发生概率,从而提高了电池组使用寿命。锂离子电池具备自放电低(仅为5%-10%)长处,当在非使用状态下贮存,内部相称稳定,几乎不发生任何化学反映4,5。由于锂离子电池不具有镉、汞和铅等重金属,因而在使用过程中不会对环境导致污染。对于电动汽车而言,锂离子电池易
11、于车载布置安装,是较为抱负能量存储媒介。经常使用Simulink和Dymola等工具来对电池系统进行仿真分析23,提高电池使用效率和寿命。其充电放电动态过程可以用Thevenin模型来如下23,24:3.2超级电容系统超级电容器是一种新型储能元件,它既像静电电容同样具备很高放电功率,又像电池同样具备很大电荷储存能力23,25。由于其放电特性与静电电容更为接近,因此依然称之为“电容”。如果仅采用超级电容作为唯一辅助能源还存在诸多局限性之处,如:电动汽车长时间停机后再次启动,由于超级电容自放电效应,在燃料电池能量输出尚未稳定期车载辅助系统供电将无法保障5。况且超级电容能量密度很低,若要达到一定能量
12、储备能力其设备体积势必加大。当前超级电容都是与其她动力电池一起购车辅助电源系统,在燃料电池汽车上使用4,25,26。为了克服精准描述超级电容特性,可以采用阻抗法进行建模代替简朴RC回路模型23。超级电容当前SOC重要基于超级电容输出电压:3.3多源能量组合与控制燃料电池电动汽车安装上述两种拓扑构型,与动力电池和超级电容进行组合,才干达到比较好效果。当前,重要采用三种能量组合方式有:1)燃料电池+动力电池,通用Chevrolet Equinox等就采用这种组合方式9,10,12;2)燃料电池+超级电容,如本田FCV-3和马自达FC-EV等4;3)燃料电池+动力电池+超级电容,如本田FCHV-48
13、。Tadaichi6研究了不同状况下,能量流动方式。通过对车用3种能源比较,基于燃料电池发动机输出功率预测控制方略设计了多能源能量管理系统,实现了对3种能源优化管理和控制26。4动力系统配备与仿真优化技术4.1燃料电池系统仿真技术对燃料电池汽车中燃料电池系统建模办法又可分为两种,一种是在电化学、工程热力学、流体力学等理论基本上,建立比较复杂一维或多维物理模型27。这种模型可依照不同燃料电池构造参数建立相应模型,分析压力、温度、湿度、流量、催化剂、管道构造等多方面因素对燃料电池工作影响。但这种模型复杂不直观,且运算速度慢。另一种则采用较简朴数学经验模型并结合相应商业软件24,26,这种办法具备直
14、观迅速特点,但该模型只能针对特定燃料电池系统,其建立需依托实验数据。4.2整车动力传动系统仿真优化技术燃料电池车仿真最后目是以燃料电池模型为基本,结合子系统和动力传送系统有关模型,仿真分析燃料电池系统乃至整个汽车动力系统工作状况。这种系统优化办法重要是结合实际使用来进行,普通提成两种24,27。在实际使用路况未知状况,俄亥俄州立大学T. Gabriel Choi等28基于FIAT Panda车型,针对燃料电池插电式电动汽车动力规定,研究了两者控制测量:离线全局优化和动态优化下控制测量设立办法。对于家庭充电和燃料电池混合应用能量优化控制办法。Guezennec等29,30研究了驾驶习惯对能量使用
15、状况,并对动力系统和尺寸容量等做了优化。对于实际使用状况已知,谢长君等26研究了巡航加速等工况下优化办法,Francisco等31研究了乡村路线、都市路线和两者混合下燃料电池电动汽车动力系统容量设计办法,研究了不同辅助能量系统下动力系统效率和能耗,为燃料电池动力系统设计提供参照。Keshav S等32运用动力系统仿真分析工具(PSAT)分析了燃料电池整车系统涉及燃料电池电堆和其她部件性能,发现当使用单个辅助能量时,锂电池效果最佳(表二)。锂电池和超级电容混用,则可以9%效率。此外,针对燃料电池机械构造及其动态相应也需要进一步考虑14。5总结燃料电池电动车中燃料电池电堆只能维持车辆运营平均功率规定,采用辅助能量系统提高了燃料电池汽车效率。本文环绕燃料电池汽车动力老式技术核心技术,分别对燃料电池电动汽车动力传动拓扑架构、多源系统管理和动力系统配备与仿真优化技术等核心技术开展了详细阐述。本文研究对燃料电池电动汽车动力老式设计与制造具备重要参照价值。
