燃料電池汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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)。
3.1 動(dòng)力電池輔助能源系統(tǒng)
目前鉛酸電池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(dòng)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
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(diǎn)。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(shí)能夠平穩(wěn)放電。FCHV-4,High-lander FCHV-adv和通用Chevrolet Equinox的動(dòng)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(huì)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(dòng)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。
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(diǎn)。本田FCXClarity,通用Chevrolet Sequel鋰和日產(chǎn)X-Trail FCV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(gè)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(diǎn),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)。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(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。對(duì)于電動(dòng)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(chǔ)媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具來對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,提高電池的使用效率和壽命。
其充電放電動(dòng)態(tài)過程可以用Thevenin模型來如下:
3.2 超級(jí)電容系統(tǒng)
超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)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(chǔ)存能力。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(jí)電容作為唯一輔助能源還存在諸多不足之處,如:電動(dòng)汽車長時(shí)間停機(jī)后再次啟動(dòng),由于超級(jí)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(shí)車載輔助系統(tǒng)的供電將無法保障。況且超級(jí)電容能量密度很低,若要達(dá)到一定的能量儲(chǔ)備能力其設(shè)備體積勢必加大。當(dāng)前超級(jí)電容都是與其他動(dòng)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。為了克服精確的描述超級(jí)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。超級(jí)電容當(dāng)前SOC主要基于超級(jí)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(dòng)汽車安裝上述兩種拓?fù)錁?gòu)型,與動(dòng)力電池和超級(jí)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(dòng)力電池,通用Chevrolet Equinox等就采用這種組合方式;2)燃料電池+超級(jí)電容,如本田的FCV-3和馬自達(dá)FC-EV等;3)燃料電池+動(dòng)力電池+超級(jí)電容,如本田FCHV-4。Tadaichi研究了不同狀況下,能量的流動(dòng)方式。通過對(duì)車用3種能源的比較,基于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率預(yù)測控制策略設(shè)計(jì)了多能源能量管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)3種能源的優(yōu)化管理和控制。
4 動(dòng)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(duì)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。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(duì)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(yàn)?zāi)Ｐ筒⒔Y(jié)合相應(yīng)的商業(yè)軟件,這種方法具有直觀快速的特點(diǎn),但該模型只能針對(duì)特定的燃料電池系統(tǒng),其建立需依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
4.2 整車動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)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(gè)汽車動(dòng)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(shí)際的使用來進(jìn)行的,一般分成兩種。
在實(shí)際使用路況未知的情況,俄亥俄州立大學(xué)的T. Gabriel Choi等基于FIAT Panda車型,針對(duì)燃料電池插電式電動(dòng)汽車的動(dòng)力要求,研究了兩者控制測量:離線全局優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)化
超級(jí)電容器相關(guān)文章:超級(jí)電容器原理
評(píng)論