燃料電池混合動力系統(tǒng)

1、燃料電池汽車的動力系統(tǒng)是燃料電池汽車區(qū)別于其他類型車輛（內(nèi)燃機汽車、蓄電池電動汽車以及油-電混合動力汽車）的主要標(biāo)志。使用燃料電池系統(tǒng)作為動力源是燃料電池汽車動力系統(tǒng)的標(biāo)志性特點。而通常情況下，燃料電池卻并非該系統(tǒng)唯一的動力源，由于燃料電池在峰值功率輸出能力以及功率輸出的動態(tài)響應(yīng)等性能方、面欠佳，因此往往需要一些輔助的動力源裝置來在功率輸出能力等方面對它加以補充和改善，從而構(gòu)成燃料電池混合動力系統(tǒng)，這些輔助裝置包括蓄電池和超級電容。    燃料電池汽車的混合動力系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)型式的不同往往帶來整車動力性和經(jīng)濟性的顯著差別，因此對燃料電池混合動力系統(tǒng)的各種

2、構(gòu)型進行試驗研究以得到合理的、實用的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式是成功開發(fā)燃料電池汽車的關(guān)鍵一環(huán)。    一、燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)    燃料電池可以單獨用在動力系統(tǒng)中驅(qū)動車輛，已經(jīng)有開發(fā)者針對這種燃料電池單獨驅(qū)動的動力系統(tǒng)進行了相關(guān)的試驗和研究工作，但多數(shù)結(jié)果顯示這種簡單的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在一些缺陷：電池功率不足，起動和加速時間太長，動態(tài)響應(yīng)差，總體運行效率低等。這種單獨燃料電池直接驅(qū)動的動力系統(tǒng)固有的問題，在圖1所示的燃料電池混合動力系統(tǒng)中可以得到較好地解決。圖1  燃料電池混合動力系統(tǒng)的一半結(jié)構(gòu)模式  &#

3、160; 在圖1的混合動力系統(tǒng)中，有燃料電池和輔助動力裝置（蓄電池或超級電容）兩個動力源。通常情況下，燃料電池系統(tǒng)輸出車輛常規(guī)速度行駛時所需的平均功率，而輔助動力裝置用來提供峰值功率以補充車輛在加速或爬坡時燃料電池輸出功率能力的不足。這樣，一方面動力系統(tǒng)的動力性增強，另一方面由于燃料電池動態(tài)響應(yīng)的壓力減輕，運行狀態(tài)比較穩(wěn)定，因而它的總體運行效率得到明顯的提高。    圖1中的電力、電子裝置部分包括DC/DC變換器和電機控制器等， DC/DC 變換器和電機控制器之間不同的布置方式會導(dǎo)致燃料電池和電機驅(qū)動系統(tǒng)之間連接形式的不同。根據(jù)這一連接形式的不同可將動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分

4、為兩類：燃料電池與電機驅(qū)動系統(tǒng)之間直接相連的，稱為直接燃料電池混合動力系統(tǒng)；燃料電池與電機驅(qū)動系統(tǒng)之間通過DC/DC變換器間接相連的，稱為間接燃料電池混合動力系統(tǒng)。    1、直接燃料電池混和動力系統(tǒng)    圖2中的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用的電力、電子裝置只有電機控制器，燃料電池和輔助動力裝置都直接并接在電機控制器的入口。輔助動力裝置擴充了動力系統(tǒng)總的能量容量，增加了車輛一次加氫后的續(xù)駛里程；擴大了系統(tǒng)的功率范圍，減輕了燃料電池承擔(dān)的功率負荷。另外，輔助動力裝置的存在使得系統(tǒng)具備了回收制動能量的能力，并且增加了系統(tǒng)運行的可靠性。燃料電池和

5、蓄電池（或超級電容）之間對負載功率的合理分配還可以提高燃料電池的總體運行效率。圖2    與圖2比較，圖3給出的動力系統(tǒng)在輔助動力裝置和動力系統(tǒng)直流母線之間添加了一個雙向 DC/DC 變換器。該變換器的使用放寬了動力系統(tǒng)對輔助動力裝置電壓等級的要求。使得輔助動力裝置的電壓不必再與母線電壓等級相吻合，因而便于輔助動力裝置設(shè)計的小型化。另外，也使得對輔助動力裝置充放電的控制更加靈活、易于實現(xiàn)。由于雙向 DC/DC 變換器可以較好地控制輔助動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。圖3    直接燃料電池混合動力系統(tǒng)的問題主要

6、在于燃料電池系統(tǒng)和電機系統(tǒng)之間的電壓和功率匹配方面。圖4中的曲線顯示了燃料電池系統(tǒng)和電機系統(tǒng)在電壓-功率特性方面的差異，這兩條曲線是根據(jù)實際的臺架試驗結(jié)果繪制的。 圖4 燃料電池系統(tǒng)和電機系統(tǒng)的電壓-功率特性    從圖4可以看出，在直接燃料電池混和動力系統(tǒng)中，燃料電池和電機系統(tǒng)的電壓匹配不可避免地存在矛盾：如果母線電壓過低，電機系統(tǒng)將不能充分發(fā)揮它的功率輸出能力，進而束縛了燃料電池最大功率輸出能力的發(fā)揮；而母線電壓比較高即電機可以發(fā)揮最大功率輸出能力的時候，燃料電池則由于電壓太高而輸出功率較小。    2、 間接

7、燃料電池混和動力系統(tǒng)     圖5給出了一種典型的間接燃料電池混和動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。燃料電池和電機控制器之間使用了一個 DC/DC 變換器，燃料電池的端電壓通過 DC/DC 變換器的升壓來與系統(tǒng)直、流母線的電壓等級進行匹配，因此系統(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；而 DC/DC 變換器可將直流母線的電壓維持在最適宜電機系統(tǒng)工作的電壓點（或范圍）。圖5    在圖5所示的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，DC/DC 變換器采取恒壓控制方式。只要燃料電池電壓不下降至 Vfc-pro ,母線電壓將一直維持在一個適于電機驅(qū)動系統(tǒng)工作的電壓

8、水平。當(dāng)燃料電池輸出電壓下降到Vfc-pro時，燃料電池電壓輸出功率需要限制，此時， DC/DC 變換器將輸出電壓跟隨輔助動力裝置的端電壓,這樣使得燃料電池的輸出功率缺額主要由輔助動力裝置來補充。如果動力系統(tǒng)的功率需求繼續(xù)增加，燃料電池工作電壓將會繼續(xù)下降，下降至Vfc-min 時就不允許繼續(xù)下降了，否則可能對燃料電池特性造成嚴重破壞。此時,DC/DC 變換器將其輸入電壓（即燃料電池電壓）箝位在Vfc-min , 燃料電池輸出功率不再增加，需求功率差額全部由輔助動力裝置來補充。    二、燃料電池混合動力系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)要點    1、

9、能量和功率    動力系統(tǒng)中能量源的容量直接影響車輛一次加氫后的續(xù)駛里程。燃料電池的能量容量取決于車載儲氫裝置的體積大小，其更大的能量容量意味著要使用更笨重的儲氫裝置；輔助動力裝置也是一樣。因此，燃料電池系統(tǒng)的能量容量并不是越大越好，而應(yīng)根據(jù)車輛運行的工況來合理地確定。對于輔助動力裝置，蓄電池相對超級電容能為系統(tǒng)提供更充足的能量補充，而從功率輔助效果的角度考慮，超級電容則是更為理想的選擇，因為它具有大電流迅速充、放電的優(yōu)良性能。另外，DC/DC變換器功率范圍必須能夠完全覆蓋燃料電池和輔助動力裝置的功率范圍，電機驅(qū)動系統(tǒng)也必須有足夠的能力輸出動力源裝置的最大總功率。

10、    2、效率    對整個動力系統(tǒng)總體運行效率影響最大的部件是燃料電池。圖6顯示了一個60 kW燃料電池堆的效率-功率曲線。為了提高整個系統(tǒng)的效率，能量分配策略必須使燃料電池盡可能工作在高效率區(qū)：當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)需求的動力太小時，燃料電池可以通過在驅(qū)動電動系統(tǒng)的同時向輔助動力裝置充電的方式來避免低功率輸出的低效運行；而當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)要求的動力過高時，則使輔助動力裝置釋放它的功率以幫助燃料電池避開高功率輸出的低效區(qū)。 圖6  60千瓦電池燃料堆的效率    3、母線電壓    動力系統(tǒng)的直流母線電壓必須適應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)的工作特性。電機的外特性一般會隨著直流母線電壓情況變化?；旧陷斎穗妷涸礁?，電機的工作范圍越大，因此電力母線的電壓必須足夠高以確保電機能提供汽車需要的扭矩。    4、DC/DC變換器    燃料電池混和動力系統(tǒng)中的DC/DC變換器包括雙向DC/DC變換器和升壓DC/DC變換器兩種。雙向DC/DC變換器用于控制從輔助動力裝置到電力母線的能量流動，其功率容量要與輔助動力裝置相適合，同時必須有快速的動態(tài)響應(yīng)特性。間接燃料電池動力系統(tǒng)中的升