燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

1、燃料電池汽車的動(dòng)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(jī)汽車、蓄電池電動(dòng)汽車以及油-電混合動(dòng)力汽車）的主要標(biāo)志。使用燃料電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源是燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的標(biāo)志性特點(diǎn)。而通常情況下，燃料電池卻并非該系統(tǒng)唯一的動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能方、面欠佳，因此往往需要一些輔助的動(dòng)力源裝置來在功率輸出能力等方面對(duì)它加以補(bǔ)充和改善，從而構(gòu)成燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，這些輔助裝置包括蓄電池和超級(jí)電容。    燃料電池汽車的混合動(dòng)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(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的顯著差別，因此對(duì)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的各種

2、構(gòu)型進(jìn)行試驗(yàn)研究以得到合理的、實(shí)用的動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)    燃料電池可以單獨(dú)用在動(dòng)力系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)車輛，已經(jīng)有開發(fā)者針對(duì)這種燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)和研究工作，但多數(shù)結(jié)果顯示這種簡(jiǎn)單的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在一些缺陷：電池功率不足，起動(dòng)和加速時(shí)間太長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，總體運(yùn)行效率低等。這種單獨(dú)燃料電池直接驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)固有的問題，在圖1所示的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)中可以得到較好地解決。圖1  燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的一半結(jié)構(gòu)模式  &#

3、160; 在圖1的混合動(dòng)力系統(tǒng)中，有燃料電池和輔助動(dòng)力裝置（蓄電池或超級(jí)電容）兩個(gè)動(dòng)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(shí)所需的平均功率，而輔助動(dòng)力裝置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。這樣，一方面動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性增強(qiáng)，另一方面由于燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)的壓力減輕，運(yùn)行狀態(tài)比較穩(wěn)定，因而它的總體運(yùn)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(jī)控制器等， DC/DC 變換器和電機(jī)控制器之間不同的布置方式會(huì)導(dǎo)致燃料電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分

4、為兩類：燃料電池與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間直接相連的，稱為直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)；燃料電池與電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)。    1、直接燃料電池混和動(dòng)力系統(tǒng)    圖2中的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用的電力、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。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。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

5、蓄電池（或超級(jí)電容）之間對(duì)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。圖2    與圖2比較，圖3給出的動(dòng)力系統(tǒng)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。該變換器的使用放寬了動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)輔助動(dòng)力裝置電壓等級(jí)的要求。使得輔助動(dòng)力裝置的電壓不必再與母線電壓等級(jí)相吻合，因而便于輔助動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的小型化。另外，也使得對(duì)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。圖3    直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的問題主要

6、在于燃料電池系統(tǒng)和電機(jī)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(jī)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(shí)際的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果繪制的。 圖4 燃料電池系統(tǒng)和電機(jī)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(dòng)力系統(tǒng)中，燃料電池和電機(jī)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(jī)系統(tǒng)將不能充分發(fā)揮它的功率輸出能力，進(jìn)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(jī)可以發(fā)揮最大功率輸出能力的時(shí)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(dòng)力系統(tǒng)     圖5給出了一種典型的間接燃料電池混和動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。燃料電池和電機(jī)控制器之間使用了一個(gè) DC/DC 變換器，燃料電池的端電壓通過 DC/DC 變換器的升壓來與系統(tǒng)直、流母線的電壓等級(jí)進(jìn)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(jī)系統(tǒng)工作的電壓點(diǎn)（或范圍）。圖5    在圖5所示的動(dòng)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(gè)適于電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)，燃料電池電壓輸出功率需要限制，此時(shí)， DC/DC 變換器將輸出電壓跟隨輔助動(dòng)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(dòng)力裝置來補(bǔ)充。如果動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求繼續(xù)增加，燃料電池工作電壓將會(huì)繼續(xù)下降，下降至Vfc-min 時(shí)就不允許繼續(xù)下降了，否則可能對(duì)燃料電池特性造成嚴(yán)重破壞。此時(shí),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(dòng)力裝置來補(bǔ)充。    二、燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)    1、

9、能量和功率    動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)氫裝置；輔助動(dòng)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(yùn)行的工況來合理地確定。對(duì)于輔助動(dòng)力裝置，蓄電池相對(duì)超級(jí)電容能為系統(tǒng)提供更充足的能量補(bǔ)充，而從功率輔助效果的角度考慮，超級(jí)電容則是更為理想的選擇，因?yàn)樗哂写箅娏餮杆俪洹⒎烹姷膬?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(dòng)力裝置的功率范圍，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也必須有足夠的能力輸出動(dòng)力源裝置的最大總功率。

10、    2、效率    對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)總體運(yùn)行效率影響最大的部件是燃料電池。圖6顯示了一個(gè)60 kW燃料電池堆的效率-功率曲線。為了提高整個(gè)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(dòng)系統(tǒng)需求的動(dòng)力太小時(shí)，燃料電池可以通過在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)系統(tǒng)的同時(shí)向輔助動(dòng)力裝置充電的方式來避免低功率輸出的低效運(yùn)行；而當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求的動(dòng)力過高時(shí)，則使輔助動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)的直流母線電壓必須適應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性。電機(jī)的外特性一般會(huì)隨著直流母線電壓情況變化。基本上輸人電壓越高，電機(jī)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(jī)能提供汽車需要的扭矩。    4、DC/DC變換器    燃料電池混和動(dòng)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(dòng)力裝置到電力母線的能量流動(dòng)，其功率容量要與輔助動(dòng)力裝置相適合，同時(shí)必須有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。間接燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中的升