研究燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統關(guān)鍵技術(shù)

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。