研究燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1　引言

燃料電池汽車是電動(dòng)汽車的一種。燃料電池發(fā)出的電,經(jīng)逆變器、控制器等裝置,給電動(dòng)機(jī)供電,再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng),就可使車輛在路上行駛,燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物,因此燃料電池車輛是無污染汽車[1-3]。隨著對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求,汽車動(dòng)力系統(tǒng)將從現(xiàn)在以汽油等化石燃料為主慢慢過渡到混合動(dòng)力,最終將完全由清潔的燃料電池車替代[4]。

近幾年來,燃料電池系統(tǒng)和燃料電池汽車技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展[4-5]。世界著名汽車制造廠,如豐田、本田、通用、戴姆勒-克萊斯勒、日產(chǎn)和福特汽車公司已經(jīng)開發(fā)了幾代燃料電池汽車[5-12],并宣布了各種將燃料電池汽車投向市場的戰(zhàn)略

目標(biāo)。目前,燃料電池轎車的樣車正在進(jìn)行試驗(yàn),以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn)輸大客車在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項(xiàng)目。其中本田的FCX Clarity最高時(shí)速達(dá)到了160 km/h[8];豐田燃料電池汽車FCHV-adv已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行了360,000 km的路試,能夠在零下37度啟動(dòng),一次加氫能夠從大阪行駛到東京(560公里)[7]。在我國科技部的支持下,燃料電池汽車技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2007年,我國第四代燃料電池轎車研制成功,該車最高時(shí)速達(dá)150 km/h,最大續(xù)駛里程319 km。2008年,20燃料電池示范汽車又在北京奧運(yùn)進(jìn)行了示范運(yùn)行。2010年,包括上汽、奇瑞等國內(nèi)汽車企業(yè)共有196輛燃料電池汽車在上海世博園區(qū)進(jìn)行示范運(yùn)行[13]。

在開發(fā)燃料電池汽車中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn),如燃料電池組的一體化,提高商業(yè)化電動(dòng)汽車燃料處理器和輔助部汽車制造廠都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力,并已取得了顯著的進(jìn)步。但與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)轎車相比,燃料電池電動(dòng)汽車采用“燃料電池+電動(dòng)機(jī)”來代替?zhèn)鹘y(tǒng)車的“心臟”-發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)。燃料電池轎車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生較大的變化,主要表現(xiàn)在:電動(dòng)機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)成為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源;離合器與扭轉(zhuǎn)減振器被省略;多擋變速器通常被替換為減速器[14,15]。因此,燃料電池汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總體得到簡化。但在行駛時(shí),燃料電池是主要的動(dòng)力來源,蓄電池為輔助能量來源。汽車需要的功率主要由燃料電池提供?？梢哉f,車用燃料電池的選取,對于燃料電池汽車的性能至關(guān)重要。

本文介紹了燃料電池汽車動(dòng)力傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況,圍繞燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動(dòng)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(xì)論述。

2　動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)架設(shè)計(jì)

燃料電池汽車的運(yùn)行并不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)情況,頻繁的啟動(dòng)、加速和爬坡使得汽車動(dòng)態(tài)工況非常復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢,在啟動(dòng)、急加速或爬陡坡時(shí)燃料電池的輸出特性無法滿足車輛的行駛要求。在實(shí)際燃料電池汽車上,常常需要使用燃料電池混合電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)方法,即引入輔助能源裝置(蓄電池、超級電容器或蓄電池十超級電容器)通過電力電子裝置與燃料電池并網(wǎng),用來提供峰值功率以補(bǔ)充車輛在加速或爬坡時(shí)燃料電池輸出功率能力的不足。另一方面,在汽車怠速、低速或減速等工況下,燃料電池的功率大于驅(qū)動(dòng)功率時(shí),存儲(chǔ)富余的能量,或在回饋制動(dòng)時(shí),吸收存儲(chǔ)制動(dòng)能量,從而提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率。

2.1　直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)式結(jié)構(gòu)中采用的電力電子裝置只有電機(jī)控制器,燃料電池和輔助動(dòng)力裝置都直接并接在電機(jī)控制器的入口。如豐田的FCHV-4[16], FIAT-Elettra[17]和日產(chǎn)X-TrailFCV[12]等都采用這種類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

輔助動(dòng)力裝置擴(kuò)充了動(dòng)力系統(tǒng)總的能量容量,增加了車輛一次加氫后的續(xù)駛里程;擴(kuò)大了系統(tǒng)的功率范圍,減輕了燃料電池承擔(dān)的功率負(fù)荷。許多插電混合的燃料電池汽車也經(jīng)常采用這樣的構(gòu)架,美國Ford公司Edge Plug-in燃料電池轎車和GM公司Volt Plug-in燃料電池車[18]。這種插電式混合動(dòng)力汽車將有效的減少氫燃料的消耗。另外,輔助動(dòng)力裝置的存在使得系統(tǒng)具備了回收制動(dòng)能量的能力,并且增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。燃料電池和輔助動(dòng)力裝置之間對負(fù)載功率的合理分配還可以提高燃料電池的總體運(yùn)行效率[4]。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,可以在輔助動(dòng)力裝置和動(dòng)力系統(tǒng)直流母線之間添加了一個(gè)雙向DC/DC變換器。使得對輔助動(dòng)力裝置充放電的控制更加靈活、易于實(shí)現(xiàn)。由于雙向DC/DC變換器可以較好地控制輔助動(dòng)力裝置的電壓或電流,因此它還是系統(tǒng)控制策略的執(zhí)行部件。

2.2　并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另一種構(gòu)架是并聯(lián)式的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這種構(gòu)建通常在燃料電池和電機(jī)控制器之間安裝了一個(gè)DC/DC變換器,燃料電池的端電壓通過DC/DC變換器的升壓或降壓來與系統(tǒng)直流母線的電壓等級進(jìn)行匹配。這種系統(tǒng)與上述構(gòu)架不同之處還在于,這種動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有考慮能量的回饋回收,因此系統(tǒng)雖然簡單,但效率比較低下。

盡管系統(tǒng)直流母線的電壓與燃料電池功率輸出能力之間不再有耦合關(guān)系,但DC/DC變換器必須將系統(tǒng)直流母線的電壓維持在最適宜電機(jī)系統(tǒng)工作的電壓點(diǎn)(或范圍),對于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),通常還需要安裝一個(gè)DC/AC轉(zhuǎn)換器。目前這類構(gòu)架系統(tǒng)只在一些小型或者實(shí)驗(yàn)的車上使用,如2002年通用汽車公司開發(fā)的Autonomy和Hy-wire兩種車都是基于該中構(gòu)架的[10]。2008年,同濟(jì)大學(xué)-蒂森克虜伯聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室采用這種架構(gòu)開發(fā)了小型燃料電池汽車[19],并研究了燃料電池電堆系統(tǒng)對整車性能的影響。

3　燃料電池汽車多能源系統(tǒng)管理與優(yōu)化

燃料電池不適合作為動(dòng)力系統(tǒng)的單一驅(qū)動(dòng)能源,必須選用輔助能源系統(tǒng)合理補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車所需的能量,覆蓋功率波動(dòng),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(dòng)力,來提高燃料電池汽車的性能(表1所示)。