燃料电池电动汽车动力传动系统技术研究

1　引言

燃料电池汽车是电动汽车的一种。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶,燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2-3倍。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物,因此燃料电池车辆是无污染汽车[1-3]。随着对汽车燃油经济性和环保的要求,汽车动力系统将从现在以汽油等化石燃料为主慢慢过渡到混合动力,最终将完全由清洁的燃料电池车替代[4]。

近几年来,燃料电池系统和燃料电池汽车技术已经取得了重大的进展[4-5]。世界著名汽车制造厂,如丰田、本田、通用、戴姆勒-克莱斯勒、日产和福特汽车公司已经开发了几代燃料电池汽车[5-12],并宣布了各种将燃料电池汽车投向市场的战略

目标。目前,燃料电池轿车的样车正在进行试验,以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。其中本田的FCX Clarity最高时速达到了160 km/h[8];丰田燃料电池汽车FCHV-adv已经累计运行了360,000 km的路试,能够在零下37度启动,一次加氢能够从大阪行驶到东京(560公里)[7]。在我国科技部的支持下,燃料电池汽车技术得到了迅速发展。2007年,我国第四代燃料电池轿车研制成功,该车最高时速达150 km/h,最大续驶里程319 km。2008年,20燃料电池示范汽车又在北京奥运进行了示范运行。2010年,包括上汽、奇瑞等国内汽车企业共有196辆燃料电池汽车在上海世博园区进行示范运行[13]。

在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战,如燃料电池组的一体化,提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力,并已取得了显著的进步。但与传统的内燃机轿车相比,燃料电池电动汽车采用“燃料电池+电动机”来代替传统车的“心脏”-发动机和燃油系统。燃料电池轿车的动力传动系统发生较大的变化,主要表现在:电动机替代内燃机成为驱动动力源;离合器与扭转减振器被省略;多挡变速器通常被替换为减速器[14,15]。因此,燃料电池汽车的动力传动系统总体得到简化。但在行驶时,燃料电池是主要的动力来源,蓄电池为辅助能量来源。汽车需要的功率主要由燃料电池提供。可以说,车用燃料电池的选取,对于燃料电池汽车的性能至关重要。

本文介绍了燃料电池汽车动力传统技术发展概况,围绕燃料电池电动汽车动力传动拓扑架构、多源系统管理和动力系统配置与仿真优化技术等关键技术开展了详细论述。

2　动力传动系统拓扑构架设计

燃料电池汽车的运行并不是一个稳态情况,频繁的启动、加速和爬坡使得汽车动态工况非常复杂。燃料电池系统的动态响应比较慢,在启动、急加速或爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行驶要求。在实际燃料电池汽车上,常常需要使用燃料电池混合电动汽车设计方法,即引入辅助能源装置(蓄电池、超级电容器或蓄电池十超级电容器)通过电力电子装置与燃料电池并网,用来提供峰值功率以补充车辆在加速或爬坡时燃料电池输出功率能力的不足。另一方面,在汽车怠速、低速或减速等工况下,燃料电池的功率大于驱动功率时,存储富余的能量,或在回馈制动时,吸收存储制动能量,从而提高整个动力系统的能量效率。

2.1　直接燃料电池混合动力系统结构

直接燃料电池混合动力系统式结构中采用的电力电子装置只有电机控制器,燃料电池和辅助动力装置都直接并接在电机控制器的入口。如丰田的FCHV-4[16], FIAT-Elettra[17]和日产X-TrailFCV[12]等都采用这种类似的结构设计。

辅助动力装置扩充了动力系统总的能量容量,增加了车辆一次加氢后的续驶里程;扩大了系统的功率范围,减轻了燃料电池承担的功率负荷。许多插电混合的燃料电池汽车也经常采用这样的构架,美国Ford公司Edge Plug-in燃料电池轿车和GM公司Volt Plug-in燃料电池车[18]。这种插电式混合动力汽车将有效的减少氢燃料的消耗。另外,辅助动力装置的存在使得系统具备了回收制动能量的能力,并且增加了系统运行的可靠性。燃料电池和辅助动力装置之间对负载功率的合理分配还可以提高燃料电池的总体运行效率[4]。

在系统设计中,可以在辅助动力装置和动力系统直流母线之间添加了一个双向DC/DC变换器。使得对辅助动力装置充放电的控制更加灵活、易于实现。由于双向DC/DC变换器可以较好地控制辅助动力装置的电压或电流,因此它还是系统控制策略的执行部件。

2.2　并联式动力系统结构

另一种构架是并联式的燃料电池混合动力系统的结构。这种构建通常在燃料电池和电机控制器之间安装了一个DC/DC变换器,燃料电池的端电压通过DC/DC变换器的升压或降压来与系统直流母线的电压等级进行匹配。这种系统与上述构架不同之处还在于,这种动力系统的设计没有考虑能量的回馈回收,因此系统虽然简单,但效率比较低下。
尽管系统直流母线的电压与燃料电池功率输出能力之间不再有耦合关系,但DC/DC变换器必须将系统直流母线的电压维持在最适宜电机系统工作的电压点(或范围),对于交流电机驱动系统,通常还需要安装一个DC/AC转换器。目前这类构架系统只在一些小型或者实验的车上使用,如2002年通用汽车公司开发的Autonomy和Hy-wire两种车都是基于该中构架的[10]。2008年,同济大学-蒂森克虏伯联合实验室采用这种架构开发了小型燃料电池汽车[19],并研究了燃料电池电堆系统对整车性能的影响。


3　燃料电池汽车多能源系统管理与优化

燃料电池不适合作为动力系统的单一驱动能源,必须选用辅助能源系统合理补充驱动电动汽车所需的能量,覆盖功率波动,提高峰值功率,吸收回馈能量,改善燃料电池输出功率的瞬态特性。目前各大汽车开发商采用了辅助动力,来提高燃料电池汽车的性能(表1所示)。

3.1　动力电池辅助能源系统

目前铅酸电池[20]由于比能量及比功率均较低,已经淘汰。在汽车上常用的动力蓄电池主要有镍氢电池和锂离子电池等。

表1　典型的燃料电池汽车
Table 1　Typical fuel cell electric vehicles

镍氢电池属于碱性电池,具有不易老化,无需预充电以及低温放电特性较好等优点。其能量密度可超过80 Wh/kg,一次充电的行驶距离长,在大电流工作时能够平稳放电。FCHV-4[6],High-lander FCHV-adv[7]和通用Chevrolet Equinox[9]的动力系统都是燃料电池和镍氢电池集成的。但,镍氢在高温环境下,电池电荷量会急剧下降,并且具有记忆效应和充电发热等方面的问题。在燃料电池混合动力系统中镍氢电池SOC应保持在40%-60%之间,充放电电流应处于160-240 A的范围,温度应维持在常温附近,以确保系统安全性和经济性[21,22]。

锂离子电池具有体积小,能量密度高(>120Wh/kg)、高安全性和无污染性等优点。本田FCXClarity[8],通用Chevrolet Sequel[10]锂和日产X-Trail FCV[12]等都采用锂离子电池作为燃料电池汽车的辅助能源系统。离子电池的能量密度是镍氢电池的1.5-3倍。其单体电池的平均电压为3.2V,相当于3个镍锌或镍氢电池串接起来的电压值,因而能够减少电池组合体的数量,降低单体电池电压差所造成的电池故障发生概率,从而提高了电池组的使用寿命。

锂离子电池具备自放电低(仅为5%-10%)的优点,当在非使用状态下贮存,内部相当稳定,几乎不发生任何化学反应[4,5]。由于锂离子电池不含有镉、汞和铅等重金属,因而在使用过程中不会对环境造成污染。对于电动汽车而言,锂离子电池易于车载布置安装,是较为理想的能量存储媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具来对电池系统进行仿真分析[23],提高电池的使用效率和寿命。

其充电放电动态过程可以用Thevenin模型来如下[23,24]:


3.2　超级电容系统

超级电容器是一种新型储能元件,它既像静电电容一样具有很高的放电功率,又像电池一样具有很大的电荷储存能力[23,25]。由于其放电特性与静电电容更为接近,所以仍然称之为“电容”。

如果仅采用超级电容作为唯一辅助能源还存在诸多不足之处,如:电动汽车长时间停机后再次启动,由于超级电容的自放电效应,在燃料电池的能量输出尚未稳定时车载辅助系统的供电将无法保障[5]。况且超级电容能量密度很低,若要达到一定的能量储备能力其设备体积势必加大。当前超级电容都是与其他动力电池一起购车辅助电源系统,在燃料电池汽车上使用的[4,25,26]。为了克服精确的描述超级电容的特性,可以采用阻抗法进行建模代替简单RC回路模型[23]。超级电容当前SOC主要基于超级电容的输出电压:


3.3　多源能量的组合与控制

燃料电池电动汽车安装上述两种拓扑构型,与动力电池和超级电容进行组合,才能达到比较好的效果。目前,主要采用的三种能量组合方式有:1)燃料电池+动力电池,通用Chevrolet Equinox等就采用这种组合方式[9,10,12];2)燃料电池+超级电容,如本田的FCV-3和马自达FC-EV等[4];3)燃料电池+动力电池+超级电容,如本田FCHV-4[8]。Tadaichi[6]研究了不同状况下,能量的流动方式。通过对车用3种能源的比较,基于燃料电池发动机输出功率预测控制策略设计了多能源能量管理系统,实现了对3种能源的优化管理和控制[26]。

4　动力系统配置与仿真优化技术

4.1　燃料电池系统仿真技术

对燃料电池汽车中的燃料电池系统建模的方法又可分为两种,一种是在电化学、工程热力学、流体力学等理论基础上,建立比较复杂的一维或多维物理模型[27]。这种模型可根据不同燃料电池的结构参数建立相应模型,分析压力、温度、湿度、流量、催化剂、管道结构等多方面因素对燃料电池工作的影响。但这种模型复杂不直观,且运算速度慢。另一种则采用较简单的数学经验模型并结合相应的商业软件[24,26],这种方法具有直观快速的特点,但该模型只能针对特定的燃料电池系统,其建立需依靠实验数据。

4.2　整车动力传动系统仿真优化技术

燃料电池车仿真的最终目的是以燃料电池模型为基础,结合子系统和动力传送系统的相关模型,仿真分析燃料电池系统乃至整个汽车动力系统的工作情况。这种系统优化的方法主要是结合实际的使用来进行的,一般分成两种[24,27]。

在实际使用路况未知的情况,俄亥俄州立大学的T. Gabriel Choi等[28]基于FIAT Panda车型,针对燃料电池插电式电动汽车的动力要求,研究了两者控制测量:离线全局优化和动态优化下控制测量的设置方法。对于家庭充电和燃料电池混合应用的能量优化控制方法。Guezennec等[29,30]研究了驾驶习惯对能量的使用情况,并对动力系统和尺寸容量等做了优化。

对于实际使用情况已知,谢长君等[26]研究了巡航加速等工况下的优化方法,Francisco等[31]研究了乡村路线、城市路线和两者混合下燃料电池电动汽车动力系统容量的设计方法,研究了不同辅助能量系统下动力系统的效率和能耗,为燃料电池动力系统设计提供参考。Keshav S等[32]运用动力系统仿真分析工具(PSAT)分析了燃料电池整车系统包括燃料电池电堆和其他部件的性能,发现当使用单个辅助能量时,锂电池的效果最好(表二)。锂电池和超级电容混用,则可以9%的效率。另外,针对燃料电池机械结构及其动态相应也需要进一步考虑[14]。

5　总结

燃料电池电动车中的燃料电池电堆只能维持车辆运行的平均功率要求,采用辅助能量系统提高了燃料电池汽车的效率。本文围绕燃料电池汽车动力传统技术关键技术,分别对燃料电池电动汽车动力传动拓扑架构、多源系统管理和动力系统配置与仿真优化技术等关键技术开展了详细论述。本文的研究对燃料电池电动汽车动力传统设计与制造具有重要的参考价值。