燃料电池汽车的驱动系统分析

燃料电池汽车也可以算作电动汽车，但你可以在五分钟内给电池灌满燃料，而不是等上几个小时来充满电。燃料电池汽车也是电动汽车，只不过“电池”是氢氧混合燃料电池。和普通化学电池相比，燃料电池可以补充燃料，通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料，但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。

燃料电池汽车（ FCV） 是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较， 其动力方面的不同在于FCV 用的电力来自车载燃料电池装置， 电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此， FCV 的关键是燃料电池。

专为车辆使用而设计的燃料电池系统，须在重量、体积、功率密度、起动和瞬态响应等方面与现今基于内燃发动机的车辆相类似。同时其他方面的要求也很高，如快速起动、急加速、良好的燃料经济性、便于检修以及对燃料加注的安全处理的考虑。成本和预期寿命也很重要。

为了使基于燃料电池的驱动系统高效率、高性能，需要有良好的系统架构和控制策略。图16-7是一介典型的燃料电池汽车系统。燃料（汽油或柴油）在燃料处理器（又称为重整器）中加工处理，以获得所需的氢气作为燃料电池堆的输入。燃料电池所需的氧气通常来自外部空气。在燃料电池堆里，氢气和氧气结合产生直流电和热。燃料电池堆的输出电压由功率调节器调节，以得到逆变器所需的电压。逆变器将直流电变换为电压可变和频率可变的交流电，供给驱动电机。蓄电池或超级电容器通常被接在燃料电池系统上，以提供补充功率和起动系统。一个完整的燃料电池系统由以下部件的一部分组成：

图16-7 典型的燃料电池汽车驱动系统

1）重整器将燃料转化成富含氢气的气体。如果直接使用氢气，那么就需要一个压缩氢气储罐。

2）燃料电池动力部分。由燃料电池堆组成，在其中氢气和氧化剂混合产生直流电和热。

3）空气压缩机，它为燃料电池提供加压的氧气。

4）冷却系统，用来保持适当的工作温度。

5）水管理系统，控制系统中的湿度与水分（既要保持燃料电池膜饱和湿度，同时防止在阴极积水）o

6）功率调节器，以调节燃料电池堆的输出电压。

7）逆变器，将直流电变换为电压可变和频率可变的交流电供给驱动电机。

8）驱动电机和传动装置。

9）蓄电池和超级电容器，提供补充功率和起动系统。

图16-8是含有一组蓄电池和一个功率调节器的燃料电池驱动系统。蓄电池单元和燃料电池堆为驱动系统提供所需的动力。加果动力装置所需的电压比燃料电池的电压高，那么功率调节器必须把燃料电池堆的电压提高到大约300V的蓄电池电压。同时，功率调节器也可为动力蓄电池充电。

功率调节器功率的选择是基于燃料电池堆的最大功率容量。在燃料电池堆输出端需要接一个二极管，用来防止负电流进入燃料电池堆。如果让负电流流人，那么会导致电池反相和损坏燃料电池堆。功率调节器内部功率器件的开关作用所造成的燃料电池堆输出电流的纹波要比较低。功率调节器控制燃料电池堆给负载提供的输出功率。功率命令与所需求的功率成正比，除以蓄电池电压后得到参考电流。参考电流与实测电流相比较，差值经比例积分控制器，得图16-8

燃料电池转换器控制系统到控制功率调节器输出功率的占空比。通过控制燃料电池堆的输出电流来控制燃料电池的输出功率。直接控制燃料电池堆的输出电流是因为重整器的产氢量（在直接以氢气为燃料的系统中指堆的氢气输入量）可以较好地控制，在该控制方案中，在给定压力和温度下，燃料电池堆输出的电流恒定，输出电压也是恒定的，从而输出功率保持不变。因此功率调节器的输出功率也是不变的。

这种方案避免了输入到燃料电池堆的燃料大幅变化。此外，能保持恒流负载对燃料电池运行是非常理想的，功率调节器的恒功率输出对燃料电池混合动力汽车的运行是最佳的。燃料电池可以被设计用于负荷分担式工作或里程延长式工作。里程延长型燃料电池的功率较小，仅给电池充电。蓄电池则要能够提供全部功率。由于在欠负荷区燃料电池单元具有良好的效率特性，使得较小蓄电池与满功率燃料电池堆组合的系统更具吸引力。然而，如果成本是关注的主要问题，那么较小的燃料电池和较大的蓄电池组合则是较好的选择。在这种。隋况下，可以使用固体氧化物燃料电池取代质子交换膜燃料电池，燃料电池的起动时间和响应时间都不成为主要问题。

图16-9给出了一个当蓄电池组的电压低于逆变器宜流母线电压时的系统结构图c蓄电池组通过一个DC7DC变换器连接到逆变器的直流母线上。当车辆起动时，蓄电池组通过提高蓄电池组电压为驱动电机供电。在车辆急加速时，由燃料电池和蓄电池共同为驱动电机供电。当车辆达到稳定速度时，仅燃料电池就可提供驱动能量（它也为蓄电池充电）。在这种

图16—9 带有低压蓄电池和DC/DC变换器的燃料电池系统

情况下，DC/DC变换器工作在降压模式，在再生制动过程中，蓄电池充电，燃料电池不输出能量，丰田燃料电池汽车使用了类似的结构。