燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統設計

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)。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。

　　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。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),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)。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。

　　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。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, FIAT-Elettra和日產(chǎn)X-TrailFCV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)。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。

　　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。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),并研究了燃料電池電堆系統對整車(chē)性能的影響。