燃料電池汽車的動力傳動系統(tǒng)設計
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燃料電池不適合作為動力系統(tǒng)的單一驅動能源,必須選用輔助能源系統(tǒng)合理補充驅動電動汽車所需的能量,覆蓋功率波動,提高峰值功率,吸收回饋能量,改善燃料電池輸出功率的瞬態(tài)特性。目前各大汽車開發(fā)商采用了輔助動力,來提高燃料電池汽車的性能(表1所示)。
3.1 動力電池輔助能源系統(tǒng)
目前鉛酸電池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
鎳氫電池屬于堿性電池,具有不易老化,無需預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,High-lander FCHV-adv和通用Chevrolet Equinox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(tǒng)安全性和經(jīng)濟性。
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,通用Chevrolet Sequel鋰和日產(chǎn)X-Trail FCV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,當在非使用狀態(tài)下貯存,內(nèi)部相當穩(wěn)定,幾乎不發(fā)生任何化學反應。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,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:
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。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,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。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備體積勢必加大。當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。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。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
燃料電池電動汽車安裝上述兩種拓撲構型,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;2)燃料電池+超級電容,如本田的FCV-3和馬自達FC-EV等;3)燃料電池+動力電池+超級電容,如本田FCHV-4。Tadaichi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)動機輸出功率預測控制策略設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。
4 動力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術
4.1 燃料電池系統(tǒng)仿真技術
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、工程熱力學、流體力學等理論基礎上,建立比較復雜的一維或多維物理模型。這種模型可根據(jù)不同燃料電池的結構參數(shù)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,且運算速度慢。另一種則采用較簡單的數(shù)學經(jīng)驗模型并結合相應的商業(yè)軟件,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
燃料電池車仿真的最終目的是以燃料電池模型為基礎,結合子系統(tǒng)和動力傳送系統(tǒng)的相關模型,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)化的方法主要是結合實際的使用來進行的,一般分成兩種。
在實際使用路況未知的情況,俄亥俄州立大學的T. Gabriel Choi等基于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
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