研究燃料電池電動汽車動力傳動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1　動力電池輔助能源系統(tǒng)

目前鉛酸電池[20]由于比能量及比功率均較低,已經(jīng)淘汰。在汽車上常用的動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

Table 1　Typical fuel cell electric vehicles

鎳氫電池屬于堿性電池,具有不易老化,無需預(yù)充電以及低溫放電特性較好等優(yōu)點。其能量密度可超過80 Wh/kg,一次充電的行駛距離長,在大電流工作時能夠平穩(wěn)放電。FCHV-4[6],High-lander FCHV-adv[7]和通用Chevrolet Equinox[9]的動力系統(tǒng)都是燃料電池和鎳氫電池集成的。但,鎳氫在高溫環(huán)境下,電池電荷量會急劇下降,并且具有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等方面的問題。在燃料電池混合動力系統(tǒng)中鎳氫電池SOC應(yīng)保持在40%-60%之間,充放電電流應(yīng)處于160-240 A的范圍,溫度應(yīng)維持在常溫附近,以確保系統(tǒng)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)、高安全性和無污染性等優(yōu)點。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的輔助能源系統(tǒng)。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(dāng)于3個鎳鋅或鎳氫電池串接起來的電壓值,因而能夠減少電池組合體的數(shù)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,當(dāng)在非使用狀態(tài)下貯存,內(nèi)部相當(dāng)穩(wěn)定,幾乎不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)[4,5]。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬,因而在使用過程中不會對環(huán)境造成污染。對于電動汽車而言,鋰離子電池易于車載布置安裝,是較為理想的能量存儲媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具來對電池系統(tǒng)進行仿真分析[23],提高電池的使用效率和壽命。

其充電放電動態(tài)過程可以用Thevenin模型來如下[23,24]:

3.2　超級電容系統(tǒng)

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:電動汽車長時間停機后再次啟動,由于超級電容的自放電效應(yīng),在燃料電池的能量輸出尚未穩(wěn)定時車載輔助系統(tǒng)的供電將無法保障[5]。況且超級電容能量密度很低,若要達到一定的能量儲備能力其設(shè)備體積勢必加大。當(dāng)前超級電容都是與其他動力電池一起購車輔助電源系統(tǒng),在燃料電池汽車上使用的[4,25,26]。為了克服精確的描述超級電容的特性,可以采用阻抗法進行建模代替簡單RC回路模型[23]。超級電容當(dāng)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

燃料電池電動汽車安裝上述兩種拓撲構(gòu)型,與動力電池和超級電容進行組合,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,能量的流動方式。通過對車用3種能源的比較,基于燃料電池發(fā)動機輸出功率預(yù)測控制策略設(shè)計了多能源能量管理系統(tǒng),實現(xiàn)了對3種能源的優(yōu)化管理和控制[26]。

4　動力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)

4.1　燃料電池系統(tǒng)仿真技術(shù)

對燃料電池汽車中的燃料電池系統(tǒng)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(chǔ)上,建立比較復(fù)雜的一維或多維物理模型[27]。這種模型可根據(jù)不同燃料電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立相應(yīng)模型,分析壓力、溫度、濕度、流量、催化劑、管道結(jié)構(gòu)等多方面因素對燃料電池工作的影響。但這種模型復(fù)雜不直觀,且運算速度慢。另一種則采用較簡單的數(shù)學(xué)經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒⒔Y(jié)合相應(yīng)的商業(yè)軟件[24,26],這種方法具有直觀快速的特點,但該模型只能針對特定的燃料電池系統(tǒng),其建立需依靠實驗數(shù)據(jù)。

4.2　整車動力傳動系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)

燃料電池車仿真的最終目的是以燃料電池模型為基礎(chǔ),結(jié)合子系統(tǒng)和動力傳送系統(tǒng)的相關(guān)模型,仿真分析燃料電池系統(tǒng)乃至整個汽車動力系統(tǒng)的工作情況。這種系統(tǒng)優(yōu)化的方法主要是結(jié)合實際的使用來進行的,一般分成兩種[24,27]。

在實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車型,針對燃料電池插電式電動汽車的動力要求,研究了兩者控制測量:離線全局優(yōu)化和動態(tài)優(yōu)化下控制測量的設(shè)置方法。對于家庭充電和燃料電池混合應(yīng)用的能量優(yōu)化控制方法。Guezennec等[29,30]研究了駕駛習(xí)慣對能量的使用情況,并對動力系統(tǒng)和尺寸容量等做了優(yōu)化。

對于實際使用情況已知,謝長君等[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(xiāng)村路線、城市路線和兩者混合下燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)容量的設(shè)計方法,研究了不同輔助能量系統(tǒng)下動力系統(tǒng)的效率和能耗,為燃料電池動力系統(tǒng)設(shè)計提供參考。Keshav S等[32]運用動力系統(tǒng)仿真分析工具(PSAT)分析了燃料電池整車系統(tǒng)包括燃料電池電堆和其他部件的性能,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用單個輔助能量時,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(jié)構(gòu)及其動態(tài)相應(yīng)也需要進一步考慮[14]。

5　總結(jié)

燃料電池電動車中的燃料電池電堆只能維持車輛運行的平均功率要求,采用輔助能量系統(tǒng)提高了燃料電池汽車的效率。本文圍繞燃料電池汽車動力傳統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù),分別對燃料電池電動汽車動力傳動拓撲架構(gòu)、多源系統(tǒng)管理和動力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開展了詳細論述。本文的研究對燃料電池電動汽車動力傳統(tǒng)設(shè)計與制造具有重要的參考價值。