電動(dòng)汽車(chē)燃料電池增程器的系統集成設計

　　電動(dòng)汽車(chē)指全部或部分用電能驅動(dòng)電動(dòng)機作為動(dòng)力系統的汽車(chē)。它包括燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV) 、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV) 和純電動(dòng)汽車(chē)(BEV) 3種類(lèi)型。由于目前蓄電池儲能有限，純電動(dòng)汽車(chē)存在一次充電后續駛里程短的問(wèn)題?？紤]采用在純電動(dòng)汽車(chē)上加裝一個(gè)增程器的方法來(lái)配合車(chē)載動(dòng)力電池在不同工況下工作，增加純電動(dòng)汽車(chē)的續駛里程。

　　增程器是為了增加純電動(dòng)汽車(chē)行駛里程而加裝在純電動(dòng)汽車(chē)上的一個(gè)附加儲能部件。通常用戶(hù)可以在出行時(shí)根據行駛里程需求自行選擇安裝或者不安裝( 降低車(chē)重，可以減少能量消耗)。增程器的形式通常有:小型發(fā)電機、蓄電池和燃料電池等。而由于增程器的工作特點(diǎn)，通常對其性能有如下要求: 要求系統可靠，長(cháng)時(shí)間待機后可以立刻進(jìn)入工作狀態(tài); 由于工況單一，要求對工作點(diǎn)進(jìn)行較好的優(yōu)化以降低系統成本，提高效率。

　　相比純電動(dòng)汽車(chē)，帶增程器的電動(dòng)汽車(chē)在行駛里程方面有很大的優(yōu)勢，相比傳統油電混合動(dòng)力汽車(chē)，帶增程器的電動(dòng)汽車(chē)在排放方面優(yōu)點(diǎn)十分突出，而相比新型電電混合動(dòng)力汽車(chē)，帶增程器的電動(dòng)汽車(chē)以蓄電池驅動(dòng)為主，更偏向于純電動(dòng)驅動(dòng)，因此也可視其為從混合動(dòng)力驅動(dòng)向純電動(dòng)驅動(dòng)的一種過(guò)渡方法。

2 選擇增程器

　　通?？蛇x擇的增程器類(lèi)型為小型發(fā)電機或者燃料電池?；诒M量避免使用燃油和爭取實(shí)現零排放的初衷，建議選用蓄電池或燃料電池作增程器。根據動(dòng)力電池的充電電壓和車(chē)輛行駛里程的要求可以確定增程器的輸出電壓和儲電量。而根據增程器的輸出電壓和蓄電量來(lái)選擇目前市場(chǎng)上所銷(xiāo)售的現成產(chǎn)品，從而可以縮短開(kāi)發(fā)周期，節約開(kāi)發(fā)成本。本文介紹的為使用燃料電池作增程器的方案，主要介紹燃料電池增程器的集成設計方案。

　　實(shí)例分析假設開(kāi)發(fā)一輛場(chǎng)館車(chē)，整車(chē)參數見(jiàn)表1。

　　2.1 選擇動(dòng)力性能指標

　　根據其使用目的和常用工況可以選擇如下動(dòng)力性能指標。最高車(chē)速: Vmax = 35 km/h; 爬坡能力:以Vb =12 km/h 車(chē)速爬15%的坡道; 加速能力: 0 ～30 km/h 時(shí)小于6 s; 巡航車(chē)速: Vn =25 km/h。

　　2.2 計算

　　經(jīng)過(guò)計算，同時(shí)考慮到最初設計目標、今后量產(chǎn)選型及成本方面的要求，選擇其中一路供電電源為磷酸鐵鋰電池電源，其放電電壓在2.5 ～ 3.5 V之間，故可選用20 個(gè)放電電壓為3 V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)?？紤]安全系數可選擇電池參數如下: 電池電壓為60 V，容量為80 Ah; 希望SOC 為0.2 ～0.9; 且該產(chǎn)品為目前已經(jīng)量產(chǎn)成熟的零部件。

　　2.3 選擇增程器

　　要求增程器提供可供該車(chē)行駛45 km的能量，考慮蓄電池充電效率，增程器的儲電量應比蓄電池略大，磷酸鐵鋰電池充電電壓在3.5 ～ 4 V之間，故選擇增程器輸出電壓為80 V。為實(shí)現零排放的初衷，同時(shí)為以后量產(chǎn)做準備，在此選擇小型燃料電池作為增程器，且該小型燃料電池為目前市場(chǎng)上現有較成熟的產(chǎn)品(見(jiàn)圖1) 。

3 增程器的布置方式

　　3.1 燃料電池增程器系統集成設計技術(shù)背景

　　從增程器總成安裝結構方面入手，通過(guò)將增程器系統總成結構改為可快速更換結構，用增加增程器總成系統來(lái)解決電動(dòng)汽車(chē)中續駛能力不足的問(wèn)題。

　　3. 2 燃料電池增程器總成各機構及關(guān)鍵部件

　　工作原理: 整個(gè)增程器總成通過(guò)前端的錐形定位元件和后端的鎖緊定位銷(xiāo)以及卡扣與側面的輔助擋板實(shí)現快速定位。當增程器開(kāi)始安裝時(shí)，底板的滑輪接觸導軌，推動(dòng)到末端后，滑輪滑入滑槽，此時(shí)靠導軌來(lái)支撐，然后銷(xiāo)上定位鎖緊銷(xiāo)，扣上鎖緊卡扣，則完成增程器的機械安裝。當增程器進(jìn)行演示時(shí)，可以把增程器拉出來(lái)后，用支撐腿把它支好，演示結束后，可以把支撐腿合上，放入支撐架。

　　3.3 增程器各子模塊布置

　　增程器子模塊的布置方式有多種，其中一些常用的布置方式包括就近法、最小空間法、模塊化法。這幾種布置方式各有利弊。其中就近布置可以減少線(xiàn)束的長(cháng)度，以及氫氣管路的長(cháng)度等。但可能不好集中管理，感覺(jué)增程器沒(méi)有整體感和系統感。最小空間布置法可以最大范圍的壓縮包絡(luò )空間，使整個(gè)空間更加緊湊。但各零部件離的太近可能會(huì )產(chǎn)生熱輻射和電磁干擾等一些負面影響，導致整個(gè)系統可靠性下降，系統極不穩定，某子模塊出現問(wèn)題時(shí)，不容易找出相關(guān)的故障。模塊化布置法可以把各子模塊按照相關(guān)的功能分成若干模塊，這樣一來(lái)可以較好地管理相應的模塊，同時(shí)也可以減少一些熱輻射和電磁干擾等。當其中某個(gè)模塊出現問(wèn)題時(shí)，可以快速發(fā)現并且解決。

　　在這同時(shí)，也便于整體安裝，把相關(guān)的模塊做為一個(gè)總成，可以實(shí)現該總成快速更換，同時(shí)縮短增程器在車(chē)上的安裝時(shí)間。

　　經(jīng)過(guò)綜合比對和考慮，本實(shí)例中的電動(dòng)微型車(chē)在空間允許的條件下，優(yōu)先考慮第3 種布置方案。在本實(shí)例中，經(jīng)過(guò)細分，可以把燃料電池增程器分為3 個(gè)模塊，其中包括氫氣系統子模塊、燃料電池系統及其管理系統子模塊、電源系統及其管理系統子模塊3 部分(見(jiàn)圖2) 。

　　其中氫氣系統子模塊和燃料電池系統及其控制系統子模塊最后通過(guò)快速卡扣和輔助定位機構集成到電源變換系統及穩壓系統子模塊的支架上，從而構成整個(gè)燃料電池增程器總成(見(jiàn)圖3) 。

　　3.4 增程器各子模塊數模

　　3.4.1 氫氣系統子模塊數模

　　整個(gè)氫氣系統單獨布置，放在增程器總成的最后，同時(shí)，該系統可以實(shí)現快速更換，當氫氣用完時(shí)，可以實(shí)現加氫，或者更換氫氣系統。同時(shí)該模塊留有與燃料電池系統及其控制系統子模塊的接插件，可以實(shí)現管路系統的快速接換(見(jiàn)圖4) 。

　　3.4. 2 燃料電池系統及其控制系統子模塊

　　燃料電池系統及其管理系統子模塊把燃料電池和與其配合工作的相關(guān)子部件集成在一起，可以實(shí)現一個(gè)小的系統功能，同時(shí)在出現問(wèn)題時(shí)，也可單獨從增程器總成中取出，進(jìn)行維修。該系統留有與氫氣系統子模塊數模和電源變換系統及穩壓系統子模塊的快速接插件和快速接頭，可以實(shí)現電路和氣路的快速連接和通斷，可以在很短的時(shí)間內即可把整個(gè)系統組裝完畢(見(jiàn)圖5) 。

　　3.4.3 電源變換系統及穩壓系統子模塊

　　電源變換系統及穩壓系統子模塊把大的直流變換器和小的直流變換器和繼電器等電器元件集成一起，作為一個(gè)整體子模塊，該模塊也留有快速接插件，同時(shí)也留有與整車(chē)連接的接插件，可以把燃料電池發(fā)出的電變換成車(chē)輛可以使用的電。實(shí)現3 個(gè)子模塊的無(wú)縫連接和快速連接(見(jiàn)圖6) 。

　　3 個(gè)子模塊的組合組成了燃料電池增程器總成，該總成可以實(shí)現快速更換，當行駛里程小于55 km時(shí)，可以把增程器總成拔掉，這樣也可以減少整車(chē)的載荷，有利于電池的續駛里程。當行駛里程大于55 km 時(shí)，即可把燃料電池增程器安裝上。安裝時(shí)，由于是采用多種快速接頭及接插件，不需要太長(cháng)的時(shí)間。

4 結語(yǔ)

　　文中介紹了增程器這個(gè)比較新穎的概念，并詳細說(shuō)明帶增程器的純電動(dòng)汽車(chē)中燃料電池增程器的系統集成方案，最后輔以實(shí)例，希望能在后期的電動(dòng)汽車(chē)增加續駛里程以及增程器的布置集成方面起到拋磚引玉的作用，并能為以后電動(dòng)汽車(chē)增程器的量產(chǎn)奠定一定的基礎。