研究燃料電池電動汽車動力傳動系統關鍵技術

3.1　動力電池輔助能源系統

目前鉛酸電池[20]由于比能量及比功率均較低,已經淘汰。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

Table 1　Typical fuel cell electric vehicles

鎳氫電池屬于堿性電池,具有不易老化,無需預充電以及低溫放電特性較好等優點。其能量密度可超過80 Wh/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[6],High-lander FCHV-adv[7]和通用Chevrolet Equinox[9]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,并且具有記憶效應和充電發熱等方面的問題。在燃料電池混合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160-240 A的范圍,溫度應維持在常溫附近,以確保系統安全性和經濟性[21,22]。

鋰離子電池具有體積小,能量密度高(>120Wh/kg)、高安全性和無污染性等優點。本田FCXClarity[8],通用Chevrolet Sequel[10]鋰和日產X-Trail FCV[12]等都采用鋰離子電池作為燃料電池汽車的輔助能源系統。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,因而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,從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,當在非使用狀態下貯存,內部相當穩定,幾乎不發生任何化學反應[4,5]。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬,因而在使用過程中不會對環境造成污染。對于電動汽車而言,鋰離子電池易于車載布置安裝,是較為理想的能量存儲媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具來對電池系統進行仿真分析[23],提高電池的使用效率和壽命。

其充電放電動態過程可以用Thevenin模型來如下[23,24]:

3.2　超級電容系統

超級電容器是一種新型儲能元件,它既像靜電電容一樣具有很高的放電功率,又像電池一樣具有很大的電荷儲存能力[23,25]。由于其放電特性與靜電電容更為接近,所以仍然稱之為“電容”。

如果僅采用超級電容作為唯一輔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尚未穩定時車載輔助系統的供電將無法保障[5]。況且超級電容能量密度很低,若要達到一定的能量儲備能力其設備體積勢必加大。當前超級電容都是與其他動力電池一起購車輔助電源系統,在燃料電池汽車上使用的[4,25,26]。為了克服精確的描述超級電容的特性,可以采用阻抗法進行建模代替簡單RC回路模型[23]。超級電容當前SOC主要基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,才能達到比較好的效果。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Chevrolet Equinox等就采用這種組合方式[9,10,12];2)燃料電池+超級電容,如本田的FCV-3和馬自達FC-EV等[4];3)燃料電池+動力電池+超級電容,如本田FCHV-4[8]。Tadaichi[6]研究了不同狀況下,能量的流動方式。通過對車用3種能源的比較,基于燃料電池發動機輸出功率預測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[26]。

4　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[27]。這種模型可根據不同燃料電池的結構參數建立相應模型,分析壓力、溫度、濕度、流量、催化劑、管道結構等多方面因素對燃料電池工作的影響。但這種模型復雜不直觀,且運算速度慢。另一種則采用較簡單的數學經驗模型并結合相應的商業軟件[24,26],這種方法具有直觀快速的特點,但該模型只能針對特定的燃料電池系統,其建立需依靠實驗數據。

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終目的是以燃料電池模型為基礎,結合子系統和動力傳送系統的相關模型,仿真分析燃料電池系統乃至整個汽車動力系統的工作情況。這種系統優化的方法主要是結合實際的使用來進行的,一般分成兩種[24,27]。

在實際使用路況未知的情況,俄亥俄州立大學的T. Gabriel Choi等[28]基于FIAT Panda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:離線全局優化和動態優化下控制測量的設置方法。對于家庭充電和燃料電池混合應用的能量優化控制方法。Guezennec等[29,30]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。

對于實際使用情況已知,謝長君等[26]研究了巡航加速等工況下的優化方法,Francisco等[31]研究了鄉村路線、城市路線和兩者混合下燃料電池電動汽車動力系統容量的設計方法,研究了不同輔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提供參考。Keshav S等[32]運用動力系統仿真分析工具(PSAT)分析了燃料電池整車系統包括燃料電池電堆和其他部件的性能,發現當使用單個輔助能量時,鋰電池的效果最好(表二)。鋰電池和超級電容混用,則可以9%的效率。另外,針對燃料電池機械結構及其動態相應也需要進一步考慮[14]。

5　總結

燃料電池電動車中的燃料電池電堆只能維持車輛運行的平均功率要求,采用輔助能量系統提高了燃料電池汽車的效率。本文圍繞燃料電池汽車動力傳統技術關鍵技術,分別對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關鍵技術開展了詳細論述。本文的研究對燃料電池電動汽車動力傳統設計與制造具有重要的參考價值。