燃料电池车动力系统配置对提高燃料电池电堆效率，延长电堆寿命，以及优化整车的性能至关重要。分析了燃料电池车动力总成的七种配置方案的研究现状和优缺点，以及当前各大整车厂所采用的动力方案，结果表明燃料电池加蓄电池的动力方案与其他方案相比具有成本低、可靠性高等优点，是未来的发展趋势。同时分析表明电堆和电池之间的匹配、能量分配的优化控制是进一步提高燃料电池车性能的关键。 能源与环境是各国政府密切关注的可持续发展战略问题。全球变暖和能源危机迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。燃料电池汽车以其清洁、高效的特性逐渐成为公认的未来最有前途的新能源汽车。 纯燃料电池汽车存在以下弊端：燃料电池发动机存在输出特性较软，成本过高，起动困难以及瞬态响应性差等特点，并且电堆不允许电流双向流动，无法回收刹车时的能量。辅助设备可以解决上述问题，它能使燃料电池工作在较高的效率区域，在刹车制动的过程中回收部分能量，因此, 在以燃料电池为主要动力源的汽车动力系统设计中，需要配置辅助设备。燃料电池动力系统配置的好坏直接影响到整车的性能和效率。因此必须对其加以研究。 1、燃料电池车动力配置方案现状 目前燃料电池车主要有纯燃料电池、燃料电池加蓄电池、燃料电池加超级电容、燃料电池加蓄电池加超级电容、燃料电池加飞轮、插电式等六大类动力配置方案。 1.1、单一燃料电池方案 图1是纯燃料电池动力方案图，在这种方案中汽车所需的所有动力全部来自燃料电池电堆。 其优点是系统结构简单，整车装备质量轻，控制实现相对容易。但是其缺点如下： (1) 燃料电池的功率大，成本昂贵； (2) 需要很高的燃料电池系统动态性能和可靠性； (3) 不能对制动能量回收； (4) 冷启动时间长。 此种方案几乎不在实际中应用。 1.2、 燃料电池加蓄电池方案 图2为燃料电池加电池组的混合驱动方案，其中燃料电池系统为主要动力源，电池组配合燃料电池系统进行混合驱动，电能经过电机转化成机械能传给传动系统。加速时，电池组和燃料电池电堆共同输出能量，保证整车的加速性能，由于电池组提供了部分能量，减轻了电堆瞬时加速时的负担，避免阴极“氧气饥饿”现象的发生，延长电堆寿命。刹车制动时，电池回收部分能量。此过程由电池管理系统控制。 图2 燃料电池加蓄电池动力配置方案 其优点是：燃料电池成本降低、对电堆动态特性及功率要求降低，启动容易、可靠性高。 缺点是：结构复杂，急刹车时，能量回收瞬时电流较高，动力电池组可能会受到一定损伤。目前此种配置方案应用相对广泛。 1.3、燃料电池加超级电容 除了动力电池组外，还可以采用超级电容器作为辅助电源。图3 为燃料电池和超级电容器配置方案图。 图3 燃料电池加超级电容动力配置方案 超级电容具有较高的功率密度和较低的能量密度，它允许较大的充放电电流，并且充电速度比电池快。采用该超级电容的突出优点是寿命长和效率高，改善了整车的瞬态特性，使得电机负载对燃料电池系统的冲击有所减免，提高了燃料电池工作稳定性，延长了工作寿命。同时系统的结构得以简化，降低了整车的质量，使用成本也有所减少。而且其瞬时功率较辅助电池大，汽车启动起来比燃料电池加电池模式更容易。但是超级电容的能量密度比较低。而由于电压与其荷电状态的关联性，控制其充放电电流，增加放电时间比较困难，维护费用高。目前此方案尚在实验中。 1.4、燃料电池加蓄电池加超级电容 这种模式是在燃料电池电堆加蓄电池的基础上再并联超级电容器，它可以在启动加速时提供峰值电流，在紧急制动时回收峰值电流。其结构如图4 所示。 图4 燃料电池加蓄电池加超级电容动力配置方案 这样可以使比能量和比功率的要求相互分离，可以较少考虑对辅助电池的比功率要求，着重优化辅助电池的比能量和循环寿命设计，比功率的问题可以靠超级电容器解决。由于超级电容器具有负载电平效应，充放电效率高，来自蓄电池的大电流放电和再生制动的大电流充电被大幅度降低，能有效防止蓄电池过放过充现象的发生，显着增加了辅助电池的可用能量、持续工作时间以及使用寿命。 这种模式是目前燃料电池电动汽车混合动力驱动的理想模式。当汽车处于启动、爬坡、加速等工况时，辅助电池和超级电容器可以配合或者单独提供峰值功率，能量分配更加合理。在急减速、紧急制动工况下，超级电容器可减轻电池负担，保护辅助电池免受强电流冲击。 此种动力配置方案比较理想，但其成本昂贵，控制系统比较复杂，参数匹配困难。目前此种技术还不成熟。 1.5、燃料电池加蓄电池加超高速飞轮 超高速飞轮是机械方式储能元件，具有高比能量、高比功率、长循环寿命、高效率、快速补充能量、免维护和环境友好等特点，可以应用到混合动力汽车中。超高速飞轮的加入可以提高系统的效率和输出。由于成本高、控制困难的原因，实际应用较少。图 5 为此动力方案配置图。 图 5 燃料电池加蓄电池加超高速飞轮动力配置方案 1.6、插电式动力配置方案 这种方案有两种配置方式：第一种是基于目前加氢设施不足，在车上装一个 RFC(regenerative fuel cell)装置，这个装置有两种运行模式，当充电器充电时，RFC 是一个电解槽，生成的氢气和氧气分别存到相应的高压氢气瓶和氧气瓶中。当汽车行驶时，RFC 是一个典型的燃料电池装置，利用电解槽生成的氧气氢气进行反应提供电能，同时生成水。其动力系统结构如图 6 所示。  图 6 插电式燃料电池动力配置方案图一 这种装置电解槽经过加压，无需空压机，效率高，成本比燃料电池加蓄电池的配置方案低。动力蓄电池和电解槽可以在用电低峰时进行充电，尤其是当所用的电能是来自于风能太阳能时，这样的装置更环保。同时这样的动力配置方案减轻了对加氢站的依赖。此配置方式尚在实验中，尚无有关此种配置方案车型的报道。 第二种配置方式是以上汽荣威950 为代表的插电式燃料电池车。与传统的插电式混合动力汽车类似，该方案有两种驱动模式，第一种蓄电池为主要动力来源，蓄电池外接充电器可以为蓄电池充电，第二种是纯燃料电池驱动。其配置方案如图7 所示。 图7 插电式燃料电池动力配置方案图二 此方案一方面能够发挥电动汽车低速性能好的特点，解决拥堵造成的车辆起停和排放问题；另一方面，适当匹配动力系统结构参数，能够很好地解决燃料电池轿车性能、应用和成本之间的矛盾。 1.7、整车厂燃料电池车动力方案 目前各大整车厂都投入了较大精力研发燃料电池车，其中以丰田本田等为代表。表1 是各整车厂目前所采用的动力方案。
从以上分析可以看出第二种方案，即燃料电池加蓄电池的动力配置方案是主流方案。此方案是未来燃料电池车动力系统配置的趋势。目前量产的燃料电池车如韩国的现代ix35燃料电车、丰田的Mirai 燃料电池车、本田全新的Clarity Fuel Cell 燃料电池车，都采用此方案。 2、燃料电池车用蓄电池和电机 2.1 动力蓄电池 动力蓄电池是燃料电池车的辅助设备，辅助电堆启动。当燃料电池车有较大的功率需求时，蓄电池提供较大的放电电流，当电堆性能跟上时，放电电流减小，电堆作为主要动力源。当汽车刹车减速时，蓄电池能够接受较大的电流充电，以回收能量。蓄电池的荷电状态(SOC)应尽可能保持在较高的状态，一般在50%~85%，循环寿命长，一般能达到1 000 次以上深度放电，40 万次以上浅度放电循环。 由于氢镍蓄电池和锂离子电池充放电迅速、能量密度大、比功率高、耐用性好、无污染、是目前燃料电池车主要采用的电池。 丰田的燃料电池量产车Mirai 使用的是氢镍蓄电池；本田全新Clarity Fuel Cell 燃料电池车和韩国现代ix35 燃料电车采用的都是锂离子电池。不过氢镍蓄电池有记忆效应，高温性能差；锂离子电池成本比氢镍蓄电池高。 2.2、电机 目前燃料电池车主要采用交流感应电机和交流永磁电机。交流感应电机又称异步电机，电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、成本低，尤其适合恶劣的工作环境，比较适合燃料电池电动汽车，尤其是大功率的电动汽车。例如GM 开发的燃料电池汽车Sequel 就是采用了60 kW 的异步电机。交流永磁电机通常可分为方波供电的无刷直流电机和正弦波供电的永磁同步电机。这类电机功率因数大，具有较高的功率密度和效率，过载能力比异步电动机大。在中小功率系统中比较占优势，但是该系统成本较高，可靠性稍差。丰田量产的燃料电池车Mirai 采用的是交流同步电机。 3、丰田Mirai的动力总成配置 Mirai 是丰田汽车公司于2014 年底在日本上市的第一款氢燃料电池车，用液态氢气作为动力能源，液态氢气存放于两个高压储氢罐，储氢罐置于车身后部，可承受70 MPa 的压力。液态氢的加注与传统汽油车类似，大约需要3~5 min 即可加满储氢罐。续驶里程大约可达480 km，能在低温－30 ℃启动。速度从0 加速到100 km/h 仅需约9 s。其动力配置如图8。 图8 丰田Mirai动力系统图 Mirai 的性能参数如表2 所示。 表2 丰田Mirai动力系统参数 从图8 和表2 中可以看出丰田Mirai 采用的是燃料电池电堆加蓄电池的动力配置方案，也就是蓄电池在车减速刹车时回收能量；在车加速时，和电堆一起驱动电机，保证整车的输出功率。 4、结语 本文详细地介绍了目前燃料电池汽车七种动力配置方案，给出了每种动力方案的原理框图，从方案的复杂程度、控制的难易、成本的高低等方面进行了比较，同时分析了目前各大整车厂的燃料电池车所采用的动力方案。研究结果表明燃料电池加蓄电池的方案是目前的主流方案，是未来燃料电池车动力配置方案的趋势。燃料电池车虽已经量产，但与传统汽车相比，仍然存在价格昂贵，控制系统复杂，基础设施不完善等缺点。燃料电池车的动力配置方案对燃料电池车的整车性能和效率至关重要，大规模普及仍需要加大对其动力系统配置方案以及燃料电池电堆和动力蓄电池之间的匹配控制等方面的研究。 |
