- 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)
- 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)架設(shè)計(jì)
- 燃料電池汽車(chē)多能源系統(tǒng)管理與優(yōu)化
- 動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)
1 引言
燃料電池汽車(chē)是電動(dòng)汽車(chē)的一種。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可使車(chē)輛在路上行駛，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料電池車(chē)輛是無(wú)污染汽車(chē)。隨著對(duì)汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求，汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)將從現(xiàn)在以汽油等化石燃料為主慢慢過(guò)渡到混合動(dòng)力，最終將完全由清潔的燃料電池車(chē)替代。
近幾年來(lái)，燃料電池系統(tǒng)和燃料電池汽車(chē)技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。世界著名汽車(chē)制造廠，如豐田、本田、通用、戴姆勒-克萊斯勒、日產(chǎn)和福特汽車(chē)公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾代燃料電池汽車(chē)，并宣布了各種將燃料電池汽車(chē)投向市場(chǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)。目前，燃料電池轎車(chē)的樣車(chē)正在進(jìn)行試驗(yàn)，以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn)輸大客車(chē)在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項(xiàng)目。其中本田的FCX Clarity最高時(shí)速達(dá)到了160 km/h[8]；豐田燃料電池汽車(chē)FCHV-adv已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行了360，000 km的路試，能夠在零下37度啟動(dòng)，一次加氫能夠從大阪行駛到東京(560公里)。在我國(guó)科技部的支持下，燃料電池汽車(chē)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2007年，我國(guó)第四代燃料電池轎車(chē)研制成功，該車(chē)最高時(shí)速達(dá)150 km/h，最大續(xù)駛里程319 km。2008年，20燃料電池示范汽車(chē)又在北京奧運(yùn)進(jìn)行了示范運(yùn)行。2010年，包括上汽、奇瑞等國(guó)內(nèi)汽車(chē)企業(yè)共有196輛燃料電池汽車(chē)在上海世博園區(qū)進(jìn)行示范運(yùn)行。
本文介紹了燃料電池汽車(chē)動(dòng)力傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況，圍繞燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了詳細(xì)論述。
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2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)架設(shè)計(jì)
燃料電池汽車(chē)的運(yùn)行并不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)情況，頻繁的啟動(dòng)、加速和爬坡使得汽車(chē)動(dòng)態(tài)工況非常復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，在啟動(dòng)、急加速或爬陡坡時(shí)燃料電池的輸出特性無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛的行駛要求。在實(shí)際燃料電池汽車(chē)上，常常需要使用燃料電池混合電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)方法，即引入輔助能源裝置(蓄電池、超級(jí)電容器或蓄電池十超級(jí)電容器)通過(guò)電力電子裝置與燃料電池并網(wǎng)，用來(lái)提供峰值功率以補(bǔ)充車(chē)輛在加速或爬坡時(shí)燃料電池輸出功率能力的不足。另一方面，在汽車(chē)怠速、低速或減速等工況下，燃料電池的功率大于驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，存儲(chǔ)富余的能量，或在回饋制動(dòng)時(shí)，吸收存儲(chǔ)制動(dòng)能量，從而提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率。
2.1 直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)式結(jié)構(gòu)中采用的電力電子裝置只有電機(jī)控制器，燃料電池和輔助動(dòng)力裝置都直接并接在電機(jī)控制器的入口。如豐田的FCHV-4， FIAT-Elettra和日產(chǎn)X-TrailFCV等都采用這種類(lèi)似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以在輔助動(dòng)力裝置和動(dòng)力系統(tǒng)直流母線之間添加了一個(gè)雙向DC/DC變換器。使得對(duì)輔助動(dòng)力裝置充放電的控制更加靈活、易于實(shí)現(xiàn)。由于雙向DC/DC變換器可以較好地控制輔助動(dòng)力裝置的電壓或電流，因此它還是系統(tǒng)控制策略的執(zhí)行部件。
2.2 并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
另一種構(gòu)架是并聯(lián)式的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這種構(gòu)建通常在燃料電池和電機(jī)控制器之間安裝了一個(gè)DC/DC變換器，燃料電池的端電壓通過(guò)DC/DC變換器的升壓或降壓來(lái)與系統(tǒng)直流母線的電壓等級(jí)進(jìn)行匹配。這種系統(tǒng)與上述構(gòu)架不同之處還在于，這種動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮能量的回饋回收，因此系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單，但效率比較低下。
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3 燃料電池汽車(chē)多能源系統(tǒng)管理與優(yōu)化
燃料電池不適合作為動(dòng)力系統(tǒng)的單一驅(qū)動(dòng)能源，必須選用輔助能源系統(tǒng)合理補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)所需的能量，覆蓋功率波動(dòng)，提高峰值功率，吸收回饋能量，改善燃料電池輸出功率的瞬態(tài)特性。目前各大汽車(chē)開(kāi)發(fā)商采用了輔助動(dòng)力，來(lái)提高燃料電池汽車(chē)的性能(表1所示)。
3.1 動(dòng)力電池輔助能源系統(tǒng)
目前鉛酸電池由于比能量及比功率均較低，已經(jīng)淘汰。在汽車(chē)上常用的動(dòng)力蓄電池主要有鎳氫電池和鋰離子電池等。
鎳氫電池屬于堿性電池，具有不易老化，無(wú)需預(yù)充電以及低溫放電特性較好等優(yōu)點(diǎn)。其能量密度可超過(guò)80 Wh/kg，一次充電的行駛距離長(zhǎng)，在大電流工作時(shí)能夠平穩(wěn)放電。FCHV-4，High-lander FCHV-adv和通用Chevrolet Equinox的動(dòng)力系統(tǒng)都是燃料電池和鎳氫電池集成的。但，鎳氫在高溫環(huán)境下，電池電荷量會(huì)急劇下降，并且具有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等方面的問(wèn)題。在燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)中鎳氫電池SOC應(yīng)保持在40%-60%之間，充放電電流應(yīng)處于160-240 A的范圍，溫度應(yīng)維持在常溫附近，以確保系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。
鋰離子電池具有體積小，能量密度高(>120Wh/kg)、高安全性和無(wú)污染性等優(yōu)點(diǎn)。本田FCXClarity，通用Chevrolet Sequel鋰和日產(chǎn)X-Trail FCV等都采用鋰離子電池作為燃料電池汽車(chē)的輔助能源系統(tǒng)。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(dāng)于3個(gè)鎳鋅或鎳氫電池串接起來(lái)的電壓值，因而能夠減少電池組合體的數(shù)量，降低單體電池電壓差所造成的電池故障發(fā)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(yōu)點(diǎn)，當(dāng)在非使用狀態(tài)下貯存，內(nèi)部相當(dāng)穩(wěn)定，幾乎不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬，因而在使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，鋰離子電池易于車(chē)載布置安裝，是較為理想的能量存儲(chǔ)媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具來(lái)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，提高電池的使用效率和壽命。
其充電放電動(dòng)態(tài)過(guò)程可以用Thevenin模型來(lái)如下：
3.2 超級(jí)電容系統(tǒng)
超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)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(chǔ)存能力。由于其放電特性與靜電電容更為接近，所以仍然稱(chēng)之為“電容”。
如果僅采用超級(jí)電容作為唯一輔助能源還存在諸多不足之處，如:電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后再次啟動(dòng)，由于超級(jí)電容的自放電效應(yīng)，在燃料電池的能量輸出尚未穩(wěn)定時(shí)車(chē)載輔助系統(tǒng)的供電將無(wú)法保障。況且超級(jí)電容能量密度很低，若要達(dá)到一定的能量?jī)?chǔ)備能力其設(shè)備體積勢(shì)必加大。當(dāng)前超級(jí)電容都是與其他動(dòng)力電池一起購(gòu)車(chē)輔助電源系統(tǒng)，在燃料電池汽車(chē)上使用的。為了克服精確的描述超級(jí)電容的特性，可以采用阻抗法進(jìn)行建模代替簡(jiǎn)單RC回路模型。超級(jí)電容當(dāng)前SOC主要基于超級(jí)電容的輸出電壓：
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3.3 多源能量的組合與控制
燃料電池電動(dòng)汽車(chē)安裝上述兩種拓?fù)錁?gòu)型，與動(dòng)力電池和超級(jí)電容進(jìn)行組合，才能達(dá)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(dòng)力電池，通用Chevrolet Equinox等就采用這種組合方式；
2)燃料電池+超級(jí)電容，如本田的FCV-3和馬自達(dá)FC-EV等；
3)燃料電池+動(dòng)力電池+超級(jí)電容，如本田FCHV-4。Tadaichi研究了不同狀況下，能量的流動(dòng)方式。通過(guò)對(duì)車(chē)用3種能源的比較，基于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率預(yù)測(cè)控制策略設(shè)計(jì)了多能源能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3種能源的優(yōu)化管理和控制。
4 動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)
4.1 燃料電池系統(tǒng)仿真技術(shù)
對(duì)燃料電池汽車(chē)中的燃料電池系統(tǒng)建模的方法又可分為兩種，一種是在電化學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)等理論基礎(chǔ)上，建立比較復(fù)雜的一維或多維物理模型。這種模型可根據(jù)不同燃料電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立相應(yīng)模型，分析壓力、溫度、濕度、流量、催化劑、管道結(jié)構(gòu)等多方面因素對(duì)燃料電池工作的影響。但這種模型復(fù)雜不直觀，且運(yùn)算速度慢。另一種則采用較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒔Y(jié)合相應(yīng)的商業(yè)軟件，這種方法具有直觀快速的特點(diǎn)，但該模型只能針對(duì)特定的燃料電池系統(tǒng)，其建立需依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
4.2 整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)
燃料電池車(chē)仿真的最終目的是以燃料電池模型為基礎(chǔ)，結(jié)合子系統(tǒng)和動(dòng)力傳送系統(tǒng)的相關(guān)模型，仿真分析燃料電池系統(tǒng)乃至整個(gè)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的工作情況。這種系統(tǒng)優(yōu)化的方法主要是結(jié)合實(shí)際的使用來(lái)進(jìn)行的，一般分成兩種。
在實(shí)際使用路況未知的情況，俄亥俄州立大學(xué)的T. Gabriel Choi等基于FIAT Panda車(chē)型，針對(duì)燃料電池插電式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力要求，研究了兩者控制測(cè)量:離線全局優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)化下控制測(cè)量的設(shè)置方法。對(duì)于家庭充電和燃料電池混合應(yīng)用的能量?jī)?yōu)化控制方法。Guezennec等研究了駕駛習(xí)慣對(duì)能量的使用情況，并對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和尺寸容量等做了優(yōu)化。
對(duì)于實(shí)際使用情況已知，謝長(zhǎng)君等研究了巡航加速等工況下的優(yōu)化方法，F(xiàn)rancisco等研究了鄉(xiāng)村路線、城市路線和兩者混合下燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)方法，研究了不同輔助能量系統(tǒng)下動(dòng)力系統(tǒng)的效率和能耗，為燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。Keshav S等運(yùn)用動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析工具(PSAT)分析了燃料電池整車(chē)系統(tǒng)包括燃料電池電堆和其他部件的性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用單個(gè)輔助能量時(shí)，鋰電池的效果最好(表二)。鋰電池和超級(jí)電容混用，則可以9%的效率。另外，針對(duì)燃料電池機(jī)械結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)相應(yīng)也需要進(jìn)一步考慮。
燃料電池電動(dòng)車(chē)中的燃料電池電堆只能維持車(chē)輛運(yùn)行的平均功率要求，采用輔助能量系統(tǒng)提高了燃料電池汽車(chē)的效率。本文圍繞燃料電池汽車(chē)動(dòng)力傳統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)，分別對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了詳細(xì)論述。本文的研究對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造具有重要的參考價(jià)值。
