综合设计：车载用动力燃料电池系统设计

车载用动力燃料电池系统设计
背景：随着汽车工业的迅猛发展和汽车保有量的飞速增长，全球石油资源递减和环境污染等问题却日益突出。

世界各国政府开始投入大量的人力、物力、财力竞相研制和开发旨在以节能、环保为终极目标的混合动力汽车、纯电动汽车等新能源汽车。

电动汽车作为一种节能、无污染的理想“零排放”汽车，理所当然地受到了广泛的关注与重视，并在今后汽车工业的发展中占有越来越重要的地位。

燃料电池电动汽车（FCEV）由燃料电池提供动力源，主要是以氢燃料类型为主，其具有无污染、零排放、氢能资源丰富，制取方法很多，可获取性大等优势。

以质子交换膜燃料电池为主，其燃料转换效率相比传统内燃机高达60%～70%，代表了新能源汽车的发展方向，我国863计划当中，明确将燃料电池汽车发展放在了我国的电动汽车发展的首位。

一、FECV分类及构造
FCEV是以电力驱动为惟一的驱动模式，其电气化和自动化的程度大大高于内燃机汽车，早期用内燃机汽车底盘改装的FCEV，在汽车底盘上布置了氢气储存罐或甲醇改质系统，燃料电池发动机系统，电气控制系统和电机驱动系统等总成和装置，在进行总布置时受到一些局限。

新研发的FCEV采用了滑板式底盘，将FCEV的氢气储存罐和供应系统、燃料电池发动机系统、电能转换系统、电机驱动系统、转向系统和制动
系统等，统统装在一个滑板式的底盘中，在底盘上部可以布置不同用途的车身和个性化造型的车身。

采用多种现代技术，以计算机控制为核心和电子控制的"线传"系统(Control-by-wire)，CAN总线系统等，使新型燃料电池电动车辆进入一个全新的时代FCEV按主要燃料种类可分为:①以纯氢气为燃料的FCEV;②以甲醇改质后产生的氢气为燃料的FCEV。

FCEV按"多电源"的配置不同，可分为:①纯燃料电池FCEV;②燃料电池与蓄电池混合电源的FCEV;③燃料电池与蓄电池和超级电容器混合电源的FCEV。

后2种多电源的配置方式是FCEV的主要配置方式。

辅助电源用于提供起动电流和回收制动反馈的电能。

图 1 所示为典型的能量混合型的燃料电池动力系统示意图。

这种车型不但具有纯燃料电池汽车的优点，还能够克服纯燃料电池汽车目前无法解决的缺陷。

图 1 燃料电池汽车混合动力系统示意图
二、动力蓄电池选型及参数设计
1 动力蓄电池的分类及比较作为辅助动力源的动力蓄电池，在汽车起步的工况下提供全部动力；当汽车在加速或爬坡等工况时，为主动力源
提供补充；同时在汽车制动时，吸收制动回馈的能量。

目前，在电动汽车上普遍使用的电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。

铅酸电池由于安全耐用、价格低廉，曾是电动汽车动力电源的首选，但是由于电池的能量密度和功率密度小，造成电动汽车体积过大，不适用于燃料电池汽车。

镍氢电池的能量密度和功率密度都优于铅酸电池，许多公司都将其作为混合动力汽车和燃料电池汽车使用的首选电池。

锂离子电池的出现使得电池的性能和寿命都有了长足进步。

锂离子蓄电池在容量、功率等方面的优点引起了世界各国极大的研究兴趣。

日本、美国、加拿大、法国、德国等都已经在电动车用锂离子蓄电池的开发方面取得了很大进展，如通用汽车公司为了在其新版的 Hy- Wire 上提高效率,配备了法国 SAFT 公司生产的锂离子电池。

2 动力蓄电池的要求燃料电池汽车燃料电池与蓄电池这种“电 - 电”混合形式下对蓄电池有以下要求： 1）整车有较大功率需求时，能够大电流放电，待燃料电池响应跟上后放电电流迅速降低； 2）进行制动回馈时，可以在短时间内接受较大电流的充电，即要具有瞬间大电流充放电能力； 3）电池的荷电状态（SOC）应尽可能保持在 50%~85%的范围内； 4）循环寿命长，能够达到 1000 次以上的深度放电和 40 万次以上的浅度放电循环。

3 动力蓄电池参数设计对于能量混合型的燃料电池电动汽车主要有以下参数需要确定： 1）蓄电池组的额定电压和单体电池的个数。

蓄电池组的额定电压取决于动力总线的电压，配合单体电池允许的电压工作范围，就能计算出所需的电池节数。

2）蓄电池的功率和能量需求。

电池的功率需求包括最大放电功率需求和最大充电功率需求。

对于燃料电池汽车，根据整车的动力性能要求，分析各个工况，如汽车起步、爬坡、超车、制动等的功率需求可以得到对动力源的功率需求。

计算最大能量需求时要考虑 SOC 的波动范围和电池。

3）蓄电池的容量。

根据蓄电池允许的最大放电电流不超过 20C 为依据计算得到蓄电池的容量。

二、电机驱动系统选型及参数设计
1 电机驱动系统的分类及比较电机驱动系统是燃料电池汽车中将电能转换成机械能的动力部件，目前常用的驱动形式有直流电机驱动系统、交流感应电机驱动系统、交流永磁电机驱动系统和开关磁阻驱动系统。

直流电机驱动系统具有成本低、易于平滑调速、控制简单、技术成熟等特点，在早期的无轨电车和电动叉车等电动车辆中使用比较广泛。

但由于电机在运行过程中需要电刷和换向器转向，其高速性能和可靠性受影响较大。

随着交流调速理论及电力电子器件的发展，目前其在燃料电池汽车上的应用已逐步减少。

交流感应电机又称异步电机，与直流电机相比结构简单，采用鼠笼式或绕线式转子结构，电机坚固耐用、结构简
单、技术成熟、免维护、成本低，尤其适合恶劣的工作环境，比较适合燃料电池电动汽车，尤其是大功率的电动汽车。

例如 GM 开发的燃料电池汽车Sequel就是采用了 60 kW 的异步电机。

交流永磁电机通常可分为方波供电的无刷直流电机和正弦波供电的永磁同步电机。

转子采用永磁体,不需要励磁。

因此，功率因数大，电机具有较高的功率密度和效率。

在中小功率系统中比较占优优势，但是该系统成本较高，可靠性上也比感应电机差，本田推出的燃料电池汽车 FCX 前轮驱动电机为 80 kW 的永磁电机。

开关磁阻电机结构最为简单，适合高速运行，调速控制比较容易，但是电磁噪声和转矩脉动仍然是开关磁阻电机面临的两大难题。

目前，燃料电池汽车上这种电机应用较少。

2 电机驱动系统要求燃料电池电动汽车的驱动电机系统具有以下要求： 1）转矩对油门和制动踏板的动态响应快，波动小； 2）驱动电机具有较宽的调速范围，电机能在四象限工作，状态切换平滑； 3）在低速时要有较大的转矩和过载量，高速区有一定的功率输出； 4）功率密度高，可靠性好，易于维护。

3 电机驱动系统参数设计电机工作区域主要包括基速以下的恒转矩工作区和基速以上的恒功率工作区两个工作区间，前者主要保证电动汽车的载重能力，后者则保证电动汽车有充足的加速空间。

电机的特性如图 2 所示。

其中，峰值特性用于车辆加速、爬坡，而持续特性用于车
辆巡航行驶。

根据整车动力性能要求确定的电机性能参数包括：最高转速、最大转矩、最大功率、额定转速、额定转矩、额定功率。

图 2 电机转矩 - 转速特性曲线
三、燃料电池发动机的选型及参数设计
1 燃料电池的分类及比较燃料电池按电解质类型的不同，可分为六种主要的燃料电池：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFCs）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFCs）、固态氧化物燃料电池（SOFCs）和直接甲醇燃料电池（DM-FCs）。

其中，质子交换膜燃料电池相对于其他类型的燃料电池具有低温运行、快速启动性、功率密度高、固态电解质不变化、迁移或从燃料电池中气化、腐蚀性小等优点，被认为是理想的燃料电池类型。

2 燃料电池发动机要求燃料电池发动机作为燃料电池汽车的主动力源，有以下要求：1）在额定工作温度（60℃）下能够持续提供额定功率；在
常温运行时也能够提供额定功率和电压；2）有一定的过载能力，能够满足燃料电池汽车起步、加速或者爬坡等工况；3）有较好的启动性能和动态响应性能；4）有较好的效率特性。

3 燃料电池发动机参数设计燃料电池发动机的的主要参数包括：1）极化曲线。

即电压 - 电流输出特性，包括不同温度下的极化曲线特性。

2）氢气消耗。

不同功率下的氢气消耗量，通过氢气消耗特性和极化曲线特性可以计算得到燃料电池发动机的效率特性。

3）启动时间。

燃料电池发动机从停机启动到输出额定功率所需要的时间，燃料电池发动机的启动特性对动力蓄电池的要求有很大影响。

4）动态响应时间。

燃料电池发动机的动态响应特性决定了整车的加速能力。

四、总结
燃料电池对环境无污染。

它是通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式－－最典型的传统后备电源方案。

燃烧会释放象COx、NOx、SOx 气体和粉尘等污染物。

燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能的中间变换。

目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合
物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一燃料。

氢气的产生、储存、
保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。

但燃
料种类的单一性，可以建立标准化、统一的供给系统。

参考文献：
1李槟,陈全世.混合动力电动汽车中电池特性研究.汽车技术
2虞铭，翁正新燃料电池汽车动力系统选型设计
3垒书海，王超，宋娟，车用燃料电池发动机控制系统与协调控制研究[J]，华中师范大学学报。