燃料電池汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、燃料電池汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)序言燃料電池汽車是電動(dòng)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(dòng)機(jī)供電,再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng),即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(jī)要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反響過程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物,所以燃料電池車輛是無污染汽車。隨著對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求,汽車動(dòng)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淆動(dòng)力,最后將完好由干凈的燃料電池車取代。近幾年來,燃料電池系統(tǒng)和燃料電池汽車技術(shù)已經(jīng)獲取了重要的進(jìn)展。世界出名汽車制造廠,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)了幾代燃料電池汽車,并宣布了各樣將

2、燃料電池汽車投向市場的戰(zhàn)略目標(biāo)。目前,燃料電池轎車的樣車正在進(jìn)行試驗(yàn),以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn)輸大客車在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項(xiàng)目。其中本田的FCXClarity最高時(shí)速達(dá)到了160km/h8;豐田燃料電池汽車FCHV-adv已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行了360,000km的路試,能夠在零下37度啟動(dòng),一次加氫能夠從大阪行駛到東京(560公里)。在我國科技部的支持下,燃料電池汽車技術(shù)獲取了快速發(fā)展。2007年,我國第四代燃料電池轎車研制成功,該車最高時(shí)速達(dá)150km/h,最大續(xù)駛里程319km。2008年,20燃料電池示范汽車又在北京奧運(yùn)進(jìn)行了示范運(yùn)行。2010年,包括上汽、奇瑞等國內(nèi)汽車公司共有196輛燃

3、料電池汽車在上海世博園區(qū)進(jìn)行示范運(yùn)行。在開發(fā)燃料電池汽車中如故存在著技術(shù)性挑戰(zhàn),如燃料電池組的一體化,提高商業(yè)化電動(dòng)汽車燃料辦理器和協(xié)助部汽車制造廠都在朝著集成零件和減少零件成本的方向努力,并已獲取了顯然的進(jìn)步。但與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)轎車對(duì)照,燃料電池電動(dòng)汽車采用“燃料電池+電動(dòng)機(jī)”來取代傳統(tǒng)車的“心臟”-發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)。燃料電池轎車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生較大的變化,主要表現(xiàn)在:電動(dòng)機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)成為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源;離合器與扭轉(zhuǎn)減振器被省略;多擋變速器過去被取代為減速器。所以,燃料電池汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)整體獲取簡化。但行家駛時(shí),燃料電池是主要的動(dòng)力根源,蓄電池為協(xié)助能量根源。汽車需要的功率主要由燃料電池供應(yīng)

4、。能夠說,車用燃料電池的選用,關(guān)于燃料電池汽車的性能至關(guān)重要。本文介紹了燃料電池汽車動(dòng)力傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展大體,圍繞燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等重點(diǎn)技術(shù)張開了詳確闡述。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)架設(shè)計(jì)燃料電池汽車的運(yùn)行其實(shí)不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)情況,頻頻的啟動(dòng)、加快和爬坡使得汽車動(dòng)向工況特別復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)向響應(yīng)比較慢,在啟動(dòng)、急加快或爬斜坡時(shí)燃料電池的輸出特性無法知足車輛的行駛要求。在實(shí)質(zhì)燃料電池汽車上,經(jīng)常需要使用燃料電池混淆電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)方法,即引入?yún)f(xié)助能源裝置(蓄電池、超級(jí)電容器或蓄電池十超級(jí)電容器)經(jīng)過電力電子裝置與燃料電池并網(wǎng),用來供應(yīng)峰值功率以補(bǔ)充車輛

5、在加快或爬坡時(shí)燃料電池輸出功率能力的不足。另一方面,在汽車怠速、低速或減速等工況下,燃料電池的功率大于驅(qū)動(dòng)功率時(shí),儲(chǔ)藏充裕的能量,或在回饋制動(dòng)時(shí),吸取儲(chǔ)藏制動(dòng)能量,進(jìn)而提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率。2.1直接燃料電池混淆動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)造直接燃料電池混淆動(dòng)力系統(tǒng)式構(gòu)造中采用的電力電子裝置只有電機(jī)控制器,燃料電池和協(xié)助動(dòng)力裝置都直接并接在電機(jī)控制器的入口。如豐田的FCHV-4,FIAT-Elettra和日產(chǎn)X-TrailFCV等都采用這類近似的構(gòu)造設(shè)計(jì)。協(xié)助動(dòng)力裝置擴(kuò)大了動(dòng)力系統(tǒng)總的能量容量,增添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,減少了燃料電池?fù)?dān)當(dāng)?shù)墓β守?fù)荷。很多插電混淆的燃料電池汽車也

6、經(jīng)常采用這樣的構(gòu)架,美國Ford公司EdgePlug-in燃料電池轎車和GM公司VoltPlug-in燃料電池車。這類插電式混淆動(dòng)力汽車將有效的減少氫燃料的耗資。其他,協(xié)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,并且增添了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。燃料電池和協(xié)助動(dòng)力裝置之間對(duì)負(fù)載功率的合理分派還能夠夠提高燃料電池的整體運(yùn)行效率。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,能夠在協(xié)助動(dòng)力裝置和動(dòng)力系統(tǒng)直流母線之間增添了一個(gè)雙向DC/DC變換器。使得對(duì)協(xié)助動(dòng)力裝置充放電的控制更為靈便、易于實(shí)現(xiàn)。由于雙向DC/DC變換器能夠較好地控制協(xié)助動(dòng)力裝置的電壓或電流,所以它仍是系統(tǒng)控制策略的履行零件。2.2并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)造另一種構(gòu)架是

7、并聯(lián)式的燃料電池混淆動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)造。這類建立過去在燃料電池和電機(jī)控制器之間安裝了一個(gè)DC/DC變換器,燃料電池的端電壓經(jīng)過DC/DC變換器的升壓或降壓來與系統(tǒng)直流母線的電壓等級(jí)進(jìn)行般配。這類系統(tǒng)與上述構(gòu)架不同樣之處還在于,這類動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有考慮能量的回饋回收,所以系統(tǒng)誠然簡單,但效率比較低下。只管系統(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,但DC/DC變換器必定將系統(tǒng)直流母線的電壓保持在最適合電機(jī)系統(tǒng)工作的電壓點(diǎn)(或范圍),關(guān)于溝通電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),過去還需要安裝一個(gè)DC/AC變換器。目前這類構(gòu)架系統(tǒng)只在一些小型或許實(shí)驗(yàn)的車上使用,如2002年通用汽車公司開發(fā)的Autonomy

8、和Hy-wire兩種車都是鑒于該中構(gòu)架的。2008年,同濟(jì)大學(xué)-蒂森克虜伯聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室采用這類架構(gòu)開發(fā)了小型燃料電池汽車,并研究了燃料電池電堆系統(tǒng)對(duì)整車性能的影響。燃料電池汽車多能源系統(tǒng)管理與優(yōu)化燃料電池不適合作為動(dòng)力系統(tǒng)的單調(diào)驅(qū)動(dòng)能源,必定采用協(xié)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,覆蓋功率顛簸,提頂峰值功率,吸取回饋能量,改良燃料電池輸出功率的瞬態(tài)特點(diǎn)。目前各大汽車開發(fā)商采用了協(xié)助動(dòng)力,來提高燃料電池汽車的性能(表1所示)。3.1動(dòng)力電池協(xié)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)裁汰。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

9、電池,擁有不易老化,無需預(yù)充電以及低溫放電特點(diǎn)較好等優(yōu)點(diǎn)。其能量密度可高出80Wh/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-landerFCHV-adv和通用ChevroletEquinox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,并且擁有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等方面的問題。在燃料電池混淆動(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160-240A的范圍,溫度應(yīng)保持在常溫相鄰,以保證系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。鋰離子電池?fù)碛畜w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FCXC

10、larity,通用ChevroletSequel鋰和日產(chǎn)X-TrailFCV等都采用鋰離子電池作為燃料電池汽車的協(xié)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,所以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,進(jìn)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)下儲(chǔ)藏,內(nèi)部相當(dāng)牢固,幾乎不發(fā)生任何化學(xué)反響。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬,所以在使用過程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。關(guān)于電動(dòng)汽車而言,鋰離子電池易于車載部署安裝,是較為理想的能量儲(chǔ)藏媒

11、介。經(jīng)常使用Simulink和Dymola等工具來對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行仿真剖析,提高電池的使用效率和壽命。其充電放電動(dòng)向過程能夠用Thevenin模型來以下:3.2超級(jí)電容系統(tǒng)超級(jí)電容器是一種新式儲(chǔ)能元件,它既像靜電電容同樣擁有很高的放電功率,又像電池同樣擁有很大的電荷儲(chǔ)備能力。由于其放電特點(diǎn)與靜電電容更為湊近,所以如故稱之為“電容”。若是僅采用超級(jí)電容作為唯一協(xié)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還沒有穩(wěn)準(zhǔn)時(shí)車載協(xié)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)到必然的能量儲(chǔ)備能力其設(shè)施體積必然加大。目前超級(jí)電容都是與其

12、他動(dòng)力電池一同購車協(xié)助電源系統(tǒng),在燃料電池汽車上使用的。為了戰(zhàn)勝精準(zhǔn)的描繪超級(jí)電容的特點(diǎn),能夠采用阻抗法進(jìn)行建模取代簡單RC回路模型。超級(jí)電容目前SOC主要鑒于超級(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)到比較好的收效。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ChevroletEquinox等就采用這類組合方式;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研究了不同樣情況下,能量的流動(dòng)方式。經(jīng)過對(duì)車用3種能

13、源的比較,鑒于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率展望控制策略設(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。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。這類模型可依照不同樣燃料電池的構(gòu)造參數(shù)建立相應(yīng)模型,剖析壓力、溫度、濕度、流量、催化劑、管道構(gòu)造等多方面因素對(duì)燃料電池工作的影響。但這類模型復(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⒙?lián)合相應(yīng)的商業(yè)軟件,這類方法擁有直觀快速的特點(diǎn),但該模型只能針對(duì)特定的燃料電池系統(tǒng),其建立需依賴實(shí)驗(yàn)數(shù)

14、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后目的是以燃料電池模型為基礎(chǔ),聯(lián)合子系統(tǒng)和動(dòng)力傳達(dá)系統(tǒng)的有關(guān)模型,仿真剖析燃料電池系統(tǒng)以致整個(gè)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的工作情況。這類系統(tǒng)優(yōu)化的方法主若是聯(lián)合實(shí)質(zhì)的使用來進(jìn)行的,一般分紅兩種。在實(shí)質(zhì)使用路況未知的情況,俄亥俄州立大學(xué)的T.GabrielChoi等鑒于FIATPanda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(cè)量:離線全局優(yōu)化和動(dòng)向優(yōu)化下控制測(cè)量的設(shè)置方法。關(guān)于家庭充電和燃料電池混淆應(yīng)用的能量優(yōu)化控制方法。Guezennec等研究了駕駛習(xí)慣對(duì)能量的使用情況,并對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和尺寸容量等做了優(yōu)化。關(guān)于實(shí)質(zhì)使用情況已知,專家研究了巡航加快等工況下的優(yōu)化方法,Francisco等研究了農(nóng)村路線、城市路線和兩者混淆下燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)方法,研究了不同協(xié)助能量系統(tǒng)下動(dòng)力系統(tǒng)的效率和能耗,為燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)供應(yīng)參照。KeshavS等運(yùn)用動(dòng)力系統(tǒng)仿真剖析工具(PSAT)剖析了燃料電池整車系統(tǒng)包括燃料電池電堆和其他零件的性能,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用單