能源與環(huán)境是各國政府密切關(guān)注的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題。全球變暖和能源危機迫使人們重新考慮未來汽車的動力問題。燃料電池汽車以其清潔、高效的特性逐漸成為公認的未來最有前途的新能源汽車。

純?nèi)剂想姵仄嚧嬖谝韵卤锥耍喝剂想姵匕l(fā)動機存在輸出特性較軟，成本過高，起動困難以及瞬態(tài)響應(yīng)性差等特點，并且電堆不允許電流雙向流動，無法回收剎車時的能量嘲。輔助設(shè)備可以解決上述問題，它能使燃料電池工作在較高的效率區(qū)域，在剎車制動的過程中回收部分能量，因此，在以燃料電池為主要動力源的汽車動力系統(tǒng)設(shè)計中，需要配置輔助設(shè)備。燃料電池動力系統(tǒng)配置的好壞直接影響到整車的性能和效率。因此必須對其加以研究。

1、燃料電池車動力配置方案現(xiàn)狀

目前燃料電池車主要有純?nèi)剂想姵?、燃料電池加蓄電池、燃料電池加超級電容、燃料電池加蓄電池加超級電容、燃料電池加飛輪、插電式等六大類動力配置方案。

1.1、單一燃料電池方案

圖l是純?nèi)剂想姵貏恿Ψ桨笀D，在這種方案中汽車所需的所有動力全部來自燃料電池電堆。其優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，整車裝備質(zhì)量輕，控制實現(xiàn)相對容易。

但是其缺點如下：(1)燃料電池的功率大，成本昂貴;(2)需要很高的燃料電池系統(tǒng)動態(tài)性能和可靠性;(3)不能對制動能量回收;(4)冷啟動時間長。

此種方案幾乎不在實際中應(yīng)用。

1.2、燃料電池加蓄電池方案

圖2為燃料電池加電池組的混合驅(qū)動方案，其中燃料電池系統(tǒng)為主要動力源，電池組配合燃料電池系統(tǒng)進行混合驅(qū)動，電能經(jīng)過電機轉(zhuǎn)化成機械能傳給傳動系統(tǒng)。加速時，電池組和燃料電池電堆共同輸出能量，保證整車的加速性能，由于電池組提供了部分能量，減輕了電堆瞬時加速時的負擔(dān)，避免陰極“氧氣饑餓”現(xiàn)象的發(fā)生，延長電堆壽命。剎車制動時，電池回收部分能量。此過程由電池管理系統(tǒng)控制。

其優(yōu)點是：燃料電池成本降低、對電堆動態(tài)特性及功率要求降低，啟動容易、可靠性高。缺點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，急剎車時，能量回收瞬時電流較高，動力電池組可能會受到一定損傷。目前此種配置方案應(yīng)用相對廣泛。

1.3、燃料電池加超級電容

除了動力電池組外，還可以采用超級電容器作為輔助電源。圖3為燃料電池和超級電容器配置方案圖。

超級電容具有較高的功率密度和較低的能量密度，它允許較大的充放電電流，并且充電速度比電池快。采用該超級電容的突出優(yōu)點是壽命長和效率高，改善了整車的瞬態(tài)特性，使得電機負載對燃料電池系統(tǒng)的沖擊有所減免，提高了燃料電池工作穩(wěn)定性，延長了工作壽命。同時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得以簡化，降低了整車的質(zhì)量，使用成本也有所減少。而且其瞬時功率較輔助電池大，汽車啟動起來比燃料電池加電池模式更容易。但是超級電容的能量密度比較低。而由于電壓與其荷電狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性，控制其充放電電流，增加放電時間比較困難，維護費用高。目前此方案尚在實驗中[6]。

1.4、燃料電池加蓄電池加超級電容

這種模式是在燃料電池電堆加蓄電池的基礎(chǔ)上再并聯(lián)超級電容器，它可以在啟動加速時提供峰值電流，在緊急制動時回收峰值電流。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。這樣可以使比能量和比功率的要求相互分離，可以較少考慮對輔助電池的比功率要求，著重優(yōu)化輔助電池的比能量和循環(huán)壽命設(shè)計，比功率的問題可以靠超級電容器解決。由于超級電容器具有負載電平效應(yīng)，充放電效率高，來自蓄電池的大電流放電和再生制動的大電流充電被大幅度降低，能有效防止蓄電池過放過充現(xiàn)象的發(fā)生，顯著增加了輔助電池的可用能量、持續(xù)工作時間以及使用壽命用。

這種模式是目前燃料電池電動汽車混合動力驅(qū)動的理想模式。當(dāng)汽車處于啟動、爬坡、加速等工況時，輔助電池和超級電容器可以配合或者單獨提供峰值功率，能量分配更加合理。

在急減速、緊急制動工況下，超級電容器可減輕電池負擔(dān)，保護輔助電池免受強電流沖擊。

此種動力配置方案比較理想，但其成本昂貴，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，參數(shù)匹配困難。目前此種技術(shù)還不成熟。

1.5、燃料電池加蓄電池加超高速飛輪

超高速飛輪是機械方式儲能元件，具有高比能量、高比功率、長循環(huán)壽命、高效率、快速補充能量、免維護和環(huán)境友好等特點，可以應(yīng)用到混合動力汽車中。超高速飛輪的加入可以提高系統(tǒng)的效率和輸出。由于成本高、控制困難的原因，實際應(yīng)用較少。

1.6、插電式動力配置方案

這種方案有兩種配置方式：第一種是基于目前加氫設(shè)施不足，在車上裝一個RFc(regenerativemelcell)裝置，這個裝置有兩種運行模式，當(dāng)充電器充電時，是一個電解槽，生成的氫氣和氧氣分別存到相應(yīng)的高壓氫氣瓶和氧氣瓶中。當(dāng)汽車行駛時，RFc是一個典型的燃料電池裝置，利用電解槽生成的氧氣氫氣進行反應(yīng)提供電能，同時生成水。

這種裝置電解槽經(jīng)過加壓，無需空壓機，效率高，成本比燃料電池加蓄電池的配置方案低。動力蓄電池和電解槽可以在用電低峰時進行充電，尤其是當(dāng)所用的電能是來自于風(fēng)能太陽能時，這樣的裝置更環(huán)保。同時這樣的動力配置方案減輕了對加氫站的依賴。此配置方式尚在實驗中，尚無有關(guān)此種配置方案車型的報道。

第二種配置方式是以上汽榮威950為代表的插電式燃料電池車。與傳統(tǒng)的插電式混合動力汽車類似，該方案有兩種驅(qū)動模式，第一種蓄電池為主要動力來源，蓄電池外接充電器可以為蓄電池充電，第二種是純?nèi)剂想姵仳?qū)動。其配置方案如圖7所示。

此方案一方面能夠發(fā)揮電動汽車低速性能好的特點，解決擁堵造成的車輛起停和排放問題;另一方面，適當(dāng)匹配動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠很好地解決燃料電池轎車性能、應(yīng)用和成本之間的矛盾。

1.7、整車廠燃料電池車動力方案

目前各大整車廠都投入了較大精力研發(fā)燃料電池車，其中以豐田本田等為代表。表1是各整車廠目前所采用的動力方案。

從以上分析可以看出第二種方案，即燃料電池加蓄電池的動力配置方案是主流方案。此方案是未來燃料電池車動力系統(tǒng)配置的趨勢。目前量產(chǎn)的燃料電池車如韓國的現(xiàn)代ix35燃料電車、豐田的Mhi燃料電池車、本田全新的Clari哆Fuelceu燃料電池車，都采用此方案。

1.8、電流檢測方案

電流監(jiān)測設(shè)備，設(shè)置于電堆、DC?DC轉(zhuǎn)換器之間，用于采集電堆的實際輸出電流，電流采集使用霍爾電流傳感器CH704200CT;

CH704 是專為大電流檢測應(yīng)用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內(nèi)置 0.1mΩ 的初級導(dǎo)體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內(nèi)部集成獨特的溫度補償電路以實現(xiàn)芯片在 -40 到150-°C全溫范圍內(nèi)良好的一致性。出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(tài)(零電流)輸出電壓的校準(zhǔn)，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準(zhǔn)確性。

2、燃料電池車用蓄電池和電機

2.1、動力蓄電池

動力蓄電池是燃料電池車的輔助設(shè)備，輔助電堆啟動。當(dāng)燃料電池車有較大的功率需求時，蓄電池提供較大的放電電流，當(dāng)電堆性能跟上時，放電電流減小，電堆作為主要動力源。當(dāng)汽車剎車減速時，蓄電池能夠接受較大的電流充電，以回收能量。蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)應(yīng)盡可能保持在較高的狀態(tài)，一般在50哆扣85%，循環(huán)壽命長，一般能達到1000次以上深度

放電，40萬次以上淺度放電循環(huán)。

由于氫鎳蓄電池和鋰離子電池充放電迅速、能量密度大、比功率高、耐用性好、無污染、是目前燃料電池車主要采用的電池。豐田的燃料電池量產(chǎn)車M婦i使用的是氫鎳蓄電池;本田全新cl耐哆FuelCell燃料電池車和韓國現(xiàn)代ix35燃料電車采用的都是鋰離子電池。不過氫鎳蓄電池有記憶效應(yīng)，高溫性能差;鋰離子電池成本比氫鎳蓄電池高。

2.2、電機

目前燃料電池車主要采用交流感應(yīng)電機和交流永磁電機。交流感應(yīng)電機又稱異步電機，電機堅固耐用、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、成本低，尤其適合惡劣的工作環(huán)境，比較適合燃料電池電動汽車，尤其是大功率的電動汽車。例如GM開發(fā)的燃料電池汽車sequel就是采用了60kw的異步電機。交流永磁電機通常可分為方波供電的無刷直流電機和正弦波供電的永磁同步電機。這類電機功率因數(shù)大，具有較高的功率密度和效率，過載能力比異步電動機大。在中小功率系統(tǒng)中比較占優(yōu)勢，但是該系統(tǒng)成本較高，可靠性稍差。豐田量產(chǎn)的燃料電池車Mirai采用的是交流同步電機。

3、豐田Mirai的動力總成配置

Mimi是豐田汽車公司于2014年底在日本上市的第一款氫燃料電池車，用液態(tài)氫氣作為動力能源，液態(tài)氫氣存放于兩個高壓儲氫罐，儲氫罐置于車身后部，可承受70~Ⅱ，a的壓力。液態(tài)氫的加注與傳統(tǒng)汽油車類似，大約需要3~5nlin即可加滿儲氫罐。續(xù)駛里程大約可達480km，能在低溫一30℃啟動。速度從0加速到100krnm僅需約9s。其動力配置如圖8。Mirai的性能參數(shù)如表2所示。從圖8和表2中可以看出豐田Mirai采用的是燃料電池電堆加蓄電池的動力配置方案，也就是蓄電池在車減速剎車時回收能量;在車加速時，和電堆一起驅(qū)動電機，保證整車的輸出功率。

4、結(jié) 語

本文詳細地介紹了目前燃料電池汽車七種動力配置方案，給出了每種動力方案的原理框圖，從方案的復(fù)雜程度、控制的難易、成本的高低等方面進行了比較，同時分析了目前各大整車廠的燃料電池車所采用的動力方案。研究結(jié)果表明燃料電池加蓄電池的方案是目前的主流方案，是未來燃料電池車動力配置方案的趨勢。燃料電池車雖已經(jīng)量產(chǎn)，但與傳統(tǒng)汽車相比，仍然存在價格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，基礎(chǔ)設(shè)施不完善等缺點。燃料電池車的動力配置方案對燃料電池車的整車性能和效率至關(guān)重要，大規(guī)模普及仍需要加大對其動力系統(tǒng)配置方案以及燃料電池電堆和動力蓄電池之間的匹配控制等方面的研究。

原文標(biāo)題：燃料電池汽車動力總成方案分析

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審核編輯：湯梓紅