燃料電池電動汽車動力傳動系統(tǒng)技術(shù)研究

1、燃料電池電動汽動力傳動系統(tǒng)技術(shù)研究1引言燃料電池汽車是電動汽車的一種。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經(jīng)傳動系統(tǒng)、驅(qū)動橋等帶動車輪轉(zhuǎn)動，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)燃機要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會產(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)濟性和環(huán)保的要求，汽車動力系統(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

2、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J燃油經(jīng)濟性排放環(huán)保Fuel cctinom i c cxhausl乳；薰科！ i L；二1environ menu protectionfiici cellI . ，域繳 l 1傳統(tǒng)汽油等匕_ 化石燃料-一內(nèi)燃機Internal combustion engine短期中期長期Shod peiixiMid pciixlLnng peiodffl 1多樣化的燃料和動力系統(tǒng)叫Fi. I DiiF斗if山h H pn%-廣門湘蚌、*n) 電能 Electric energy 鼠 二 。機械能 Mechanical energy圖3 PI,的助

3、山助系筵構(gòu)初19|：值.3 Pow er train system i IhAil Iff V1 -1ll：l II-diliilJJ咫黨眄腐1. rayaUF riJhinMH LIifl*邛N li Lri 1 Lb ilr -lui IfVHy4 Ml出，空嗔口W儲H-iJ hIiAmmKU* 5M肉也感1 il| rrS31 MHfi ilrf Fi|l Hfe ifi j，一/El鄲盤UM i $ llian iM iL- |*Tkl坦總喊總ii Ilt 1 Ls JL . ciikLJiWBAr A* 1 il humhiii hil luri.3mi| 120Wh/kg)、高安全

4、性和無污染性等優(yōu)點。本田 FCXClarity8,通用 Chevrolet Sequel10鋰和日產(chǎn) X-Trail FCV12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饃氫電池的1.5-3倍。其單體電池的平均電壓為3.2V,相當(dāng)于3個饃鋅或饃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

5、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:其中，兄和R,分別表示充放電過程的電阻，C 為電池極化電容,為和lh分別為理想電壓和負載 電壓C為電流.3等效動態(tài)電壓.1.2 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

6、足之處，如：電動汽車長時間停機后再次啟動，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 ：SOC =分=):,：曲(2)t. iiiia， ni in其中.y”分別為超級電容的當(dāng)前 電壓,最小，最大電壓。1.3 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

7、撲構(gòu)型，與動力電池和超級電容進行組合，才能達到比較好的效果。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FC-EV等4;3)燃料電池+動力電池+超級電容，如本田FCHV-48。Tadaichi6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

8、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

9、方 法主要是結(jié)合實際的使用來進行的，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。表2撥料電池先生騙助能源效率合1luble 2 EfHiii iiti 屈 通axiliar, tilery fr fuel cell rkclric，h卜tlw 131情助儲脆

10、基統(tǒng)Un iluiyrirltuajjTr i ri希Mi 2卜效率q張k 1 itrnt FtFjirrsJi Ilbig%nniriinro1 rq/ 1:00 k m黑鼻祖治 ilul hv dr呻 hul hn20214圖電池l.il lull in1227.03 J粉as電池hul r IxtLtri%2D4；屆級電容-upri t |r 1 IHL 1 ApLL5523.43.6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，針對燃料電池機械結(jié)構(gòu)及其動態(tài) 相應(yīng)也需要進一步考慮1