研究燃料電池電動汽車動力傳動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1　動力電池輔助能源系統(tǒng)

目前鉛酸電池[20]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

Table 1　Typical fuel cell electric vehicles

鎳氫電池屬于堿性電池,具有不易老化,無需預(yù)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[6],High-lander FCHV-adv[7]和通用Chevrolet Equinox[9]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(yīng)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(yīng)保持在40%-60%之間,充放電電流應(yīng)處于160-240 A的范圍,溫度應(yīng)維持在常溫附近,以確保系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性[21,22]。

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[8],通用Chevrolet Sequel[10]鋰和日產(chǎn)X-Trail FCV[12]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(dāng)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(dāng)在非使用狀態(tài)下貯存,內(nèi)部相當(dāng)穩(wěn)定,幾乎不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)[4,5]。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(jìn)行仿真分析[23],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[23,24]:

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[23,25]。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(jī)后再次啟動,由于超級電容的自放電效應(yīng),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[5]。況且超級電容能量密度很低,若要達(dá)到一定的能量儲備能力其設(shè)備體積勢必加大。當(dāng)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[4,25,26]。為了克服精確的描述超級電容的特性,可以采用阻抗法進(jìn)行建模代替簡單RC回路模型[23]。超級電容當(dāng)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?fù)錁?gòu)型,與動力電池和超級電容進(jìn)行組合,才能達(dá)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[9,10,12];2)燃料電池+超級電容,如本田的FCV-3和馬自達(dá)FC-EV等[4];3)燃料電池+動力電池+超級電容,如本田FCHV-4[8]。Tadaichi[6]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(jī)輸出功率預(yù)測控制策略設(shè)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[26]。

4　動力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)

4.1　燃料電池系統(tǒng)仿真技術(shù)

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(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)等理論基礎(chǔ)上,建立比較復(fù)雜的一維或多維物理模型[27]。這種模型可根據(jù)不同燃料電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立相應(yīng)模型,分析壓力、溫度、濕度、流量、催化劑、管道結(jié)構(gòu)等多方面因素對燃料電池工作的影響。但這種模型復(fù)雜不直觀,且運(yùn)算速度慢。另一種則采用較簡單的數(shù)學(xué)經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒⒔Y(jié)合相應(yīng)的商業(yè)軟件[24,26],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(shù)

燃料電池車仿真的最終目的是以燃料電池模型為基礎(chǔ),結(jié)合子系統(tǒng)和動力傳送系統(tǒng)的相關(guān)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(jié)合實際的使用來進(jìn)行的,一般分成兩種[24,27]。

在實際使用路況未知的情況,俄亥俄州立大學(xué)的T. Gabriel Choi等[28]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)化下控制測量的設(shè)置方法。對于家庭充電和燃料電池混合應(yīng)用的能量優(yōu)化控制方法。Guezennec等[29,30]研究了駕駛習(xí)慣對能量的使用情況,并對動力系統(tǒng)和尺寸容量等做了優(yōu)化。

對于實際使用情況已知,謝長君等[26]研究了巡航加速等工況下的優(yōu)化方法,Francisco等[31]研究了鄉(xiāng)村路線、城市路線和兩者混合下燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)容量的設(shè)計方法,研究了不同輔助能量系統(tǒng)下動力系統(tǒng)的效率和能耗,為燃料電池動力系統(tǒng)設(shè)計提供參考。Keshav S等[32]運(yùn)用動力系統(tǒng)仿真分析工具(PSAT)分析了燃料電池整車系統(tǒng)包括燃料電池電堆和其他部件的性能,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用單個輔助能量時,鋰電池的效果最好(表二)。鋰電池和超級電容混用,則可以9%的效率。另外,針對燃料電池機(jī)械結(jié)構(gòu)及其動態(tài)相應(yīng)也需要進(jìn)一步考慮[14]。

5　總結(jié)

燃料電池電動車中的燃料電池電堆只能維持車輛運(yùn)行的平均功率要求,采用輔助能量系統(tǒng)提高了燃料電池汽車的效率。本文圍繞燃料電池汽車動力傳統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù),分別對燃料電池電動汽車動力傳動拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動力系統(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。本文的研究對燃料電池電動汽車動力傳統(tǒng)設(shè)計與制造具有重要的參考價值。