燃料電池電動汽車的研究

王盛 王寶琦 李曉磊 汪作霖 楊宇軒

摘 要：隨著人類環(huán)保意識的不斷提升，汽車行業(yè)同樣與時俱進，不斷研發(fā)最新型的節(jié)能環(huán)保車，其中包括燃料電池電動汽車。燃料電池電動汽車實質上是電動汽車的一種，在車身、動力傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面，燃料電池電動汽車與普通電動汽車基本相同，主要區(qū)別在于動力電池的工作原理不同。本文從燃料電池電動汽車的結構原理方面進行了詳細的分析。

關鍵詞：汽車行業(yè)；燃料電池電動汽車；結構原理

采用燃料電池作電源的電動汽車稱為燃料電池電動汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）。FCEV一般以質子交換膜燃料電池（PEMFC）作為車載能量源。

1 燃料電池電動汽車的分類

⑴FCEV按主要燃料種類可分為：（1）以純氫氣為燃料的FCEV；（2）經過重整后產生的氫氣為燃料的FCEV。

⑵FCEV按“多電源”的配置不同，可分為：（1）純燃料電池驅動（PFC）的FCEV；（2）燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅動（FC+B）的FCEV；（3）燃料電池與超級電容聯(lián)合驅動（FC+C）的FCEV；（4）燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅動（FC+B+C）的FCEV。

2 燃料電池電動汽車的結構原理

純燃料電池電動汽車只有燃料電池一個動力源，汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔。燃料電池系統(tǒng)將氫氣與氧氣反應產生的電能通過總線傳給驅動電動機，驅動電動機將電能轉化為機械能再傳給傳動系，從而驅動汽車前進。

優(yōu)點：（1）結構簡單，便于實現(xiàn)系統(tǒng)控制和整體布置；（2）系統(tǒng)部件少，有利于整車的輕量化；（3）較少的部件使得整體的能量傳遞效率高，從而提高整車的燃料經濟性。

缺點：（1）燃料電池功率大、成本高；（2）對燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求；（3）不能進行制動能量回收。

為了有效地解決上述問題，必須使用輔助能量存儲系統(tǒng)作為燃料電池系統(tǒng)的輔助動力源，和燃料電池聯(lián)合工作，組成混合驅動系統(tǒng)共同驅動汽車。從本質上來講，這種結構的燃料電池電動汽車采用的是混合動力結構。它與傳統(tǒng)意義上的混合動力結構的差別僅在于發(fā)動機是燃料電池而不是內燃機。在燃料電池混合動力結構汽車中，燃料電池和輔助能量存儲裝置共同向電動機提供電能，通過變速機構來驅動汽車行駛。

優(yōu)點：（1）由于增加了比功率價格相對低廉得多的蓄電池組，系統(tǒng)對燃料電池的功率要求較純燃料電池結構形式有很大的降低，從而大大地降低了整車成本；（2）燃料電池可以在比較好的設定的工作條件下工作，工作時燃料電池的效率較高；（3）系統(tǒng)對燃料電池的動態(tài)響應性能要求較低；（4）汽車的冷啟動性能較好；（5）制動能量回饋的采用可以回收汽車制動時的部分動能，該措施可能會增加整車的能量效率。

缺點：（1）蓄電池的使用使得整車的質量增加，動力性和經濟型受到影響，這一點在能量復合型混合動力汽車上表現(xiàn)更為明顯；（2）蓄電池充放電過程會有能量損耗；（3）系統(tǒng)變得復雜，系統(tǒng)控制和整體布置難度增加。

目前燃料電池電動汽車絕大多數(shù)采用的是混合式燃料電池驅動系統(tǒng)，將燃料電池與輔助動力源相結合，燃料電池可以只滿足持續(xù)功率需求，借助輔助動力源提供加速、爬坡等所需的峰值功率，而且在制動時可以將回饋的能量存儲在輔助動力源中?；旌鲜饺剂想姵仳寗酉到y(tǒng)有并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種。

在FCEV所采用的燃料電池發(fā)動機中，為保證PEMFC組的正常工作，除以PEMFC組為核心外，還裝有氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、氣體加濕系統(tǒng)、反應生成物的處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電能轉換系統(tǒng)等。只有這些輔助系統(tǒng)匹配恰當和正常運轉，才能保證燃料電池發(fā)動機正常運轉。

（1）氫氣供應、管理和回收系統(tǒng)。氣態(tài)氫的儲存裝置通常用高壓儲氣瓶來裝載。液態(tài)氫氣雖然比能量高于氣態(tài)氫，由于液態(tài)氫氣是處于高壓狀態(tài)，不但需要用高壓儲氣瓶儲存，還要用低溫保溫裝置來保持低溫，低溫的保溫裝置是一套復雜的系統(tǒng)。

（2）氧氣供應和管理系統(tǒng)。氧氣的來源有從空氣中獲取氧氣或從氧氣罐中獲取氧氣，空氣需要用壓縮機來提高壓力，以增加燃料電池反應的速度。

（3）水循環(huán)系統(tǒng)。燃料電池發(fā)動機在反應過程中將產生水和熱量，在水循環(huán)系統(tǒng)中用冷凝器、氣水分離器和水泵等對反應生成的水和熱量進行處理，其中一部分水可以用于空氣的加濕。

（4）電力管理系統(tǒng)。燃料電池所產生的是直流電，需要經過DC/DC變換器進行調壓，在采用交流電動機的驅動系統(tǒng)中，還需要用逆變器將直流電轉換為三相交流電。