燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統技術(shù)研究

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)機供電,再經(jīng)傳動(dòng)系統、驅動(dòng)橋等帶動(dòng)車(chē)輪轉動(dòng),就可使車(chē)輛在路上行駛,燃料電池的能量轉換效率比內燃機要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反應過(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)[1-3]。隨著(zhù)對汽車(chē)燃油經(jīng)濟性和環(huán)保的要求,汽車(chē)動(dòng)力系統將從現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[4]。

近幾年來(lái),燃料電池系統和燃料電池汽車(chē)技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展[4-5]。世界著(zhù)名汽車(chē)制造廠(chǎng),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)[5-12],并宣布了各種將燃料電池汽車(chē)投向市場(chǎng)的戰略

目標。目前,燃料電池轎車(chē)的樣車(chē)正在進(jìn)行試驗,以燃料電池為動(dòng)力的運輸大客車(chē)在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項目。其中本田的FCX Clarity最高時(shí)速達到了160 km/h[8];豐田燃料電池汽車(chē)FCHV-adv已經(jīng)累計運行了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)[7]。在我國科技部的支持下,燃料電池汽車(chē)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2007年,我國第四代燃料電池轎車(chē)研制成功,該車(chē)最高時(shí)速達150 km/h,最大續駛里程319 km。2008年,20燃料電池示范汽車(chē)又在北京奧運進(jìn)行了示范運行。2010年,包括上汽、奇瑞等國內汽車(chē)企業(yè)共有196輛燃料電池汽車(chē)在上海世博園區進(jìn)行示范運行[13]。

在開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)中仍然存在著(zhù)技術(shù)性挑戰,如燃料電池組的一體化,提高商業(yè)化電動(dòng)汽車(chē)燃料處理器和輔助部汽車(chē)制造廠(chǎng)都在朝著(zhù)集成部件和減少部件成本的方向努力,并已取得了顯著(zhù)的進(jìn)步。但與傳統的內燃機轎車(chē)相比,燃料電池電動(dòng)汽車(chē)采用“燃料電池+電動(dòng)機”來(lái)代替傳統車(chē)的“心臟”-發(fā)動(dòng)機和燃油系統。燃料電池轎車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統發(fā)生較大的變化,主要表現在:電動(dòng)機替代內燃機成為驅動(dòng)動(dòng)力源;離合器與扭轉減振器被省略;多擋變速器通常被替換為減速器[14,15]。因此,燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統總體得到簡(jiǎn)化。但在行駛時(shí),燃料電池是主要的動(dòng)力來(lái)源,蓄電池為輔助能量來(lái)源。汽車(chē)需要的功率主要由燃料電池提供?？梢哉f(shuō),車(chē)用燃料電池的選取,對于燃料電池汽車(chē)的性能至關(guān)重要。

本文介紹了燃料電池汽車(chē)動(dòng)力傳統技術(shù)發(fā)展概況,圍繞燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)拓撲架構、多源系統管理和動(dòng)力系統配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了詳細論述。

2　動(dòng)力傳動(dòng)系統拓撲構架設計

燃料電池汽車(chē)的運行并不是一個(gè)穩態(tài)情況,頻繁的啟動(dòng)、加速和爬坡使得汽車(chē)動(dòng)態(tài)工況非常復雜。燃料電池系統的動(dòng)態(tài)響應比較慢,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)設計方法,即引入輔助能源裝置(蓄電池、超級電容器或蓄電池十超級電容器)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動(dòng)功率時(shí),存儲富余的能量,或在回饋制動(dòng)時(shí),吸收存儲制動(dòng)能量,從而提高整個(gè)動(dòng)力系統的能量效率。

2.1　直接燃料電池混合動(dòng)力系統結構

直接燃料電池混合動(dòng)力系統式結構中采用的電力電子裝置只有電機控制器,燃料電池和輔助動(dòng)力裝置都直接并接在電機控制器的入口。如豐田的FCHV-4[16], FIAT-Elettra[17]和日產(chǎn)X-TrailFCV[12]等都采用這種類(lèi)似的結構設計。

輔助動(dòng)力裝置擴充了動(dòng)力系統總的能量容量,增加了車(chē)輛一次加氫后的續駛里程;擴大了系統的功率范圍,減輕了燃料電池承擔的功率負荷。許多插電混合的燃料電池汽車(chē)也經(jīng)常采用這樣的構架,美國Ford公司Edge Plug-in燃料電池轎車(chē)和GM公司Volt Plug-in燃料電池車(chē)[18]。這種插電式混合動(dòng)力汽車(chē)將有效的減少氫燃料的消耗。另外,輔助動(dòng)力裝置的存在使得系統具備了回收制動(dòng)能量的能力,并且增加了系統運行的可靠性。燃料電池和輔助動(dòng)力裝置之間對負載功率的合理分配還可以提高燃料電池的總體運行效率[4]。

在系統設計中,可以在輔助動(dòng)力裝置和動(dòng)力系統直流母線(xiàn)之間添加了一個(gè)雙向DC/DC變換器。使得對輔助動(dòng)力裝置充放電的控制更加靈活、易于實(shí)現。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,因此它還是系統控制策略的執行部件。

2.2　并聯(lián)式動(dòng)力系統結構

另一種構架是并聯(lián)式的燃料電池混合動(dòng)力系統的結構。這種構建通常在燃料電池和電機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)與系統直流母線(xiàn)的電壓等級進(jìn)行匹配。這種系統與上述構架不同之處還在于,這種動(dòng)力系統的設計沒(méi)有考慮能量的回饋回收,因此系統雖然簡(jiǎn)單,但效率比較低下。
盡管系統直流母線(xiàn)的電壓與燃料電池功率輸出能力之間不再有耦合關(guān)系,但DC/DC變換器必須將系統直流母線(xiàn)的電壓維持在最適宜電機系統工作的電壓點(diǎn)(或范圍),對于交流電機驅動(dòng)系統,通常還需要安裝一個(gè)DC/AC轉換器。目前這類(lèi)構架系統只在一些小型或者實(shí)驗的車(chē)上使用,如2002年通用汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的Autonomy和Hy-wire兩種車(chē)都是基于該中構架的[10]。2008年,同濟大學(xué)-蒂森克虜伯聯(lián)合實(shí)驗室采用這種架構開(kāi)發(fā)了小型燃料電池汽車(chē)[19],并研究了燃料電池電堆系統對整車(chē)性能的影響。


3　燃料電池汽車(chē)多能源系統管理與優(yōu)化

燃料電池不適合作為動(dòng)力系統的單一驅動(dòng)能源,必須選用輔助能源系統合理補充驅動(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

目前鉛酸電池[20]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。

表1　典型的燃料電池汽車(chē)
Table 1　Typical fuel cell electric vehicles

鎳氫電池屬于堿性電池,具有不易老化,無(wú)需預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(cháng),在大電流工作時(shí)能夠平穩放電。FCHV-4[6],High-lander FCHV-adv[7]和通用Chevrolet Equinox[9]的動(dòng)力系統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(jīng)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(wú)污染性等優(yōu)點(diǎn)。本田FCXClarity[8],通用Chevrolet Sequel[10]鋰和日產(chǎn)X-Trail FCV[12]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。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(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),當在非使用狀態(tài)下貯存,內部相當穩定,幾乎不發(fā)生任何化學(xué)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(guò)程中不會(huì )對環(huán)境造成污染。對于電動(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媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具來(lái)對電池系統進(jìn)行仿真分析[23],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[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(chēng)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(dòng)汽車(chē)長(cháng)時(shí)間停機后再次啟動(dòng),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(shí)車(chē)載輔助系統的供電將無(wú)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?jì)淠芰ζ湓O備體積勢必加大。當前超級電容都是與其他動(dòng)力電池一起購車(chē)輔助電源系統,在燃料電池汽車(chē)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(jìn)行建模代替簡(jiǎn)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(dòng)汽車(chē)安裝上述兩種拓撲構型,與動(dòng)力電池和超級電容進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)方式。通過(guò)對車(chē)用3種能源的比較,基于燃料電池發(fā)動(dòng)機輸出功率預測控制策略設計了多能源能量管理系統,實(shí)現了對3種能源的優(yōu)化管理和控制[26]。

4　動(dòng)力系統配置與仿真優(yōu)化技術(shù)

4.1　燃料電池系統仿真技術(shù)

對燃料電池汽車(chē)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(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)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(guān),且運算速度慢。另一種則采用較簡(jiǎn)單的數學(xué)經(jīng)驗模型并結合相應的商業(yè)軟件[24,26],這種方法具有直觀(guān)快速的特點(diǎn),但該模型只能針對特定的燃料電池系統,其建立需依靠實(shí)驗數據。

4.2　整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統仿真優(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,結合子系統和動(dòng)力傳送系統的相關(guān)模型,仿真分析燃料電池系統乃至整個(gè)汽車(chē)動(dòng)力系統的工作情況。這種系統優(yōu)化的方法主要是結合實(shí)際的使用來(lái)進(jìn)行的,一般分成兩種[24,27]。

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[28]基于FIAT Panda車(chē)型,針對燃料電池插電式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力要求,研究了兩者控制測量:離線(xiàn)全局優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)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?jì)?yōu)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(dòng)力系統和尺寸容量等做了優(yōu)化。

對于實(shí)際使用情況已知,謝長(cháng)君等[26]研究了巡航加速等工況下的優(yōu)化方法,Francisco等[31]研究了鄉村路線(xiàn)、城市路線(xiàn)和兩者混合下燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統容量的設計方法,研究了不同輔助能量系統下動(dòng)力系統的效率和能耗,為燃料電池動(dòng)力系統設計提供參考。Keshav S等[32]運用動(dòng)力系統仿真分析工具(PSAT)分析了燃料電池整車(chē)系統包括燃料電池電堆和其他部件的性能,發(fā)現當使用單個(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(dòng)態(tài)相應也需要進(jìn)一步考慮[14]。

5　總結

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(chē)的效率。本文圍繞燃料電池汽車(chē)動(dòng)力傳統技術(shù)關(guān)鍵技術(shù),分別對燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)拓撲架構、多源系統管理和動(dòng)力系統配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了詳細論述。本文的研究對燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳統設計與制造具有重要的參考價(jià)值。