電動汽車燃料電池增程器的系統(tǒng)集成設計

　　電動汽車指全部或部分用電能驅動電動機作為動力系統(tǒng)的汽車。它包括燃料電池電動汽車(FCEV) 、混合動力電動汽車(HEV) 和純電動汽車(BEV) 3種類型。由于目前蓄電池儲能有限，純電動汽車存在一次充電后續(xù)駛里程短的問題?？紤]采用在純電動汽車上加裝一個增程器的方法來配合車載動力電池在不同工況下工作，增加純電動汽車的續(xù)駛里程。

　　增程器是為了增加純電動汽車行駛里程而加裝在純電動汽車上的一個附加儲能部件。通常用戶可以在出行時根據(jù)行駛里程需求自行選擇安裝或者不安裝( 降低車重，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，通常對其性能有如下要求: 要求系統(tǒng)可靠，長時間待機后可以立刻進入工作狀態(tài); 由于工況單一，要求對工作點進行較好的優(yōu)化以降低系統(tǒng)成本，提高效率。

　　相比純電動汽車，帶增程器的電動汽車在行駛里程方面有很大的優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)油電混合動力汽車，帶增程器的電動汽車在排放方面優(yōu)點十分突出，而相比新型電電混合動力汽車，帶增程器的電動汽車以蓄電池驅動為主，更偏向于純電動驅動，因此也可視其為從混合動力驅動向純電動驅動的一種過渡方法。

2 選擇增程器

　　通?？蛇x擇的增程器類型為小型發(fā)電機或者燃料電池。基于盡量避免使用燃油和爭取實現(xiàn)零排放的初衷，建議選用蓄電池或燃料電池作增程器。根據(jù)動力電池的充電電壓和車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(jù)增程器的輸出電壓和蓄電量來選擇目前市場上所銷售的現(xiàn)成產品，從而可以縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(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。

　　實例分析假設開發(fā)一輛場館車，整車參數(shù)見表1。

　　2.1 選擇動力性能指標

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

　　2.2 計算

　　經過計算，同時考慮到最初設計目標、今后量產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 個放電電壓為3 V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)?？紤]安全系數(shù)可選擇電池參數(shù)如下: 電池電壓為60 V，容量為80 Ah; 希望SOC 為0.2 ～0.9; 且該產品為目前已經量產成熟的零部件。

　　2.3 選擇增程器

　　要求增程器提供可供該車行駛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。為實現(xiàn)零排放的初衷，同時為以后量產做準備，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上現(xiàn)有較成熟的產品(見圖1) 。

3 增程器的布置方式

　　3.1 燃料電池增程器系統(tǒng)集成設計技術背景

　　從增程器總成安裝結構方面入手，通過將增程器系統(tǒng)總成結構改為可快速更換結構，用增加增程器總成系統(tǒng)來解決電動汽車中續(xù)駛能力不足的問題。

　　3. 2 燃料電池增程器總成各機構及關鍵部件

　　工作原理: 整個增程器總成通過前端的錐形定位元件和后端的鎖緊定位銷以及卡扣與側面的輔助擋板實現(xiàn)快速定位。當增程器開始安裝時，底板的滑輪接觸導軌，推動到末端后，滑輪滑入滑槽，此時靠導軌來支撐，然后銷上定位鎖緊銷，扣上鎖緊卡扣，則完成增程器的機械安裝。當增程器進行演示時，可以把增程器拉出來后，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束的長度，以及氫氣管路的長度等。但可能不好集中管理，感覺增程器沒有整體感和系統(tǒng)感。最小空間布置法可以最大范圍的壓縮包絡空間，使整個空間更加緊湊。但各零部件離的太近可能會產生熱輻射和電磁干擾等一些負面影響，導致整個系統(tǒng)可靠性下降，系統(tǒng)極不穩(wěn)定，某子模塊出現(xiàn)問題時，不容易找出相關的故障。模塊化布置法可以把各子模塊按照相關的功能分成若干模塊，這樣一來可以較好地管理相應的模塊，同時也可以減少一些熱輻射和電磁干擾等。當其中某個模塊出現(xiàn)問題時，可以快速發(fā)現(xiàn)并且解決。

　　在這同時，也便于整體安裝，把相關的模塊做為一個總成，可以實現(xiàn)該總成快速更換，同時縮短增程器在車上的安裝時間。

　　經過綜合比對和考慮，本實例中的電動微型車在空間允許的條件下，優(yōu)先考慮第3 種布置方案。在本實例中，經過細分，可以把燃料電池增程器分為3 個模塊，其中包括氫氣系統(tǒng)子模塊、燃料電池系統(tǒng)及其管理系統(tǒng)子模塊、電源系統(tǒng)及其管理系統(tǒng)子模塊3 部分(見圖2) 。

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

　　3.4 增程器各子模塊數(shù)模

　　3.4.1 氫氣系統(tǒng)子模塊數(shù)模

　　整個氫氣系統(tǒng)單獨布置，放在增程器總成的最后，同時，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速更換，當氫氣用完時，可以實現(xiàn)加氫，或者更換氫氣系統(tǒng)。同時該模塊留有與燃料電池系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)子模塊的接插件，可以實現(xiàn)管路系統(tǒng)的快速接換(見圖4) 。

　　3.4. 2 燃料電池系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)子模塊

　　燃料電池系統(tǒng)及其管理系統(tǒng)子模塊把燃料電池和與其配合工作的相關子部件集成在一起，可以實現(xiàn)一個小的系統(tǒng)功能，同時在出現(xiàn)問題時，也可單獨從增程器總成中取出，進行維修。該系統(tǒng)留有與氫氣系統(tǒng)子模塊數(shù)模和電源變換系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)子模塊的快速接插件和快速接頭，可以實現(xiàn)電路和氣路的快速連接和通斷，可以在很短的時間內即可把整個系統(tǒng)組裝完畢(見圖5) 。

　　3.4.3 電源變換系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)子模塊

　　電源變換系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)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，作為一個整體子模塊，該模塊也留有快速接插件，同時也留有與整車連接的接插件，可以把燃料電池發(fā)出的電變換成車輛可以使用的電。實現(xiàn)3 個子模塊的無縫連接和快速連接(見圖6) 。

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

4 結語

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