氫電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)研究進展

倪紅軍，呂帥帥，陳青青，裴 一

(南通大學機械工程學院，江蘇南通226019)

氫電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)研究進展

倪紅軍，呂帥帥，陳青青，裴 一

(南通大學機械工程學院，江蘇南通226019)

零排放和高效率的燃料電池混合動力汽車是人類“可持續(xù)移動”的最理想解決方案。介紹了一種氫燃料電池-鋰離子電池混合動力系統(tǒng)；討論了車用燃料電池動力系統(tǒng)能源效率的影響因素及提高動力系統(tǒng)效率的途徑，總結(jié)了氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)的國內(nèi)外研究進展。

氫氣；燃料電池；鋰離子電池；動力系統(tǒng)

隨著全球汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺問題已經(jīng)成為當今社會的兩大突出問題[1]。為尋求人類社會與汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，燃料電池汽車是公認的可同時解決能源和環(huán)境問題的綠色環(huán)保車，也被認為是電動汽車的最終選擇，是今后汽車發(fā)展的主要方向之一[2-3]。然而，受儲氫系統(tǒng)技術(shù)、成本、壽命和可靠性等諸多因素的制約，使得純?nèi)剂想姵仄嚭茈y真正市場化運行[4]。針對汽車的起動需要輸出較大的功率、瞬態(tài)響應特性、燃料電池系統(tǒng)的成本等目前純?nèi)剂想姵仄囆枰鉀Q的一系列問題，世界各國汽車制造商開始把注意力轉(zhuǎn)到燃料電池與其它動力源的混合動力汽車[5]。通常采用蓄電池(如氫鎳、鉛酸及鋰離子電池等)或者超級電容作為輔助動力源和燃料電池并聯(lián)，共同為汽車提供能量。這種混合燃料電池電動汽車，可使其輸出功率有效地降低，及提高了整車的經(jīng)濟性和動態(tài)性。

1 燃料電池-鋰離子電池混合動力系統(tǒng)

如圖1所示燃料電池—鋰離子電池混合動力系統(tǒng)包括電機控制系統(tǒng)，由燃料電池、燃料電池監(jiān)測控制裝置、燃料電池輔助設(shè)備組成的燃料電池子系統(tǒng)，由鋰離子電池組和鋰離子電池控制裝置系統(tǒng)組成了鋰電池子系統(tǒng)，由充電控制器、繼電器、可控硅、DC/DC變換器構(gòu)成的充電控制子系統(tǒng)，以及智能混合電源管理系統(tǒng)[6]。

圖1 燃料電池-鋰離子電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

燃料電池—鋰離子電池混合動力系統(tǒng)充分結(jié)合了鋰離子電池和燃料電池的優(yōu)點，從而提高動力系統(tǒng)的可靠性、延長燃料電池和鋰離子電池的使用壽命，同時可滿足汽車能量回收等方面的要求[7-9]。

在該混合動力系統(tǒng)中，燃料電池作為主要動力源，鋰離子動力電池組作為輔助動力源。汽車運行時主要采用燃料電池系統(tǒng)提供電力；鋰離子動力電池主要起調(diào)峰、增容、回收能量的作用。當汽車加速、上坡時，鋰離子電池作為輔助電源提供電力；當汽車下坡、減速時，鋰離子電池組回收燃料電池的富余電能；該混合動力系統(tǒng)還可通過兩種電池同時工作的方式，提高汽車的續(xù)航里程和能量容量，其中燃料電池堆的最大可輸出功率與鋰離子電池組的最大可輸出功率之比為1∶0.1～1∶0.7[4,6,9]。

2 氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)技術(shù)研究狀況

2.1 國內(nèi)氫燃料電池車動力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

上海汽車自主研發(fā)“上海牌”燃料電池汽車，采用高功率燃料電池和動力鋰電池聯(lián)合驅(qū)動，儲氫系統(tǒng)采用35 MPa高壓儲氧瓶。由于采用穩(wěn)定安全的鋰電池，榮威350電動汽車具備快充和正常充電功能[10]。

武漢理工大學與同濟大學分別研發(fā)出燃料電池與動力蓄電池混合的“楚天一號”、“超越三號”、“超越二號”、“超越一號”等氫燃料電池車。

清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室承擔“燃料電池城市客車”—國家“863”電動汽車項目，其中混合動力控制系統(tǒng)是重點研究的核心技術(shù)。清華大學選用不同的技術(shù)方向(國產(chǎn)的動力系統(tǒng)是小燃料電池加蓄電池而奔馳公司以燃料電池做驅(qū)動)，開發(fā)出“清華ECU”的功率混合型和能量混合型動力系統(tǒng)，并且各主要性能指標、整車行駛故障率及制作成本故障率都優(yōu)于國際水平[10]。

由華南理工大學與廣州益維電動汽車有限公司共同合作，研發(fā)出“燃料電池—鋰離子電池混合動力輕型電動汽車的研發(fā)”，其中燃料電池功率為5 kW，連續(xù)穩(wěn)定運行時間大于8 h，無故障運行時間大于3 000 h，啟動時間小于1 s。

清能華通與蘇州金龍合作共同研發(fā)生產(chǎn)的氫燃料電池公交車釆用燃料電池發(fā)動機和動力蓄電池混合動力源，燃料儲氫瓶置于車后方，并且可通過CAN總線對驅(qū)動電機、燃料電池系統(tǒng)、動力蓄電池進行優(yōu)化控制。

2.2 國外氫燃料電池車動力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

GJ.Offer.D.Howey等分析對比了氫燃料電池汽車、混合動力汽車、純電動汽車三種新能源汽車的發(fā)展?jié)摿?。作者通過基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)的要求定性比較，以及動力系統(tǒng)在超過160 900 km的生命周期成本占資本及燃料成本的定量比較中得出：氫燃料電池混合動力汽車未來研究發(fā)展的方向?qū)⒈燃冸妱悠嚰叭剂想姵仄嚲哂懈叩男省?/p>

Jennifer Bauman通過在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立DC/DC轉(zhuǎn)換器的模型、燃料電池系統(tǒng)模型、動力電池系統(tǒng)模型、超級電容模型，使燃料電池—動力電池—超級電容、燃料電池—動力電池三種動力系統(tǒng)的功率、能量、效率及耐久性在最優(yōu)的情形下進行參數(shù)研究。通過研究指出，燃料電池—動力電池混合動力汽車具有花費低，系統(tǒng)簡單的優(yōu)點，燃料電池—動力電池—超級電容混合動力汽車具有更好的燃料經(jīng)濟性，由于超級電容具有吸收峰值電流的作用，有效緩解了動力電池的壓力，能夠延長動力電池的生命周期。

Deepak J.Frank,Keshav S.Varde[11]通過PSAT軟件對一個PEM燃料電池混合動力系統(tǒng)進行建模仿真，并且對燃料電池和動力電池在不同混合度下的動力系統(tǒng)進行模擬仿真。研究結(jié)果顯示，在高負載時，燃料電池的輸出電壓會出現(xiàn)短暫的變化，雖然燃料電池的電壓在5 ms后趨于穩(wěn)定，但是電壓變化的特征將會對動力系統(tǒng)的燃料經(jīng)濟性產(chǎn)生影響。同時他們還得出當燃料電池的功率在55～75 kW之間時，動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性最優(yōu)。

3 車用燃料電池動力系統(tǒng)能源效率的影響因素

以國產(chǎn)某500 W氫/空燃料電池為核心構(gòu)建了燃料電池效率測試平臺系統(tǒng)[12-13]，根據(jù)燃料電池工作原理及測試平臺的性質(zhì)，建立了燃料電池效率與電池功率及反應氣流量之間的關(guān)系式，通過實驗研究得出：當反應氣壓力較低時，電池的初始效率也很低。在最大效率點前端，燃料電池效率隨反應氣壓力的增加而顯著增大；在最大效率點之后隨著電池輸出功率的增加，反應氣體壓力對電池效率的影響逐漸減??；反應氣壓力對電池的效率影響較顯著，電池效率在最大工作功率的30%以前隨功率的增加而快速增大，達到最大效率點以后隨著功率增加效率緩慢下降，在達到最大工作功率約70%～80%以后，下降梯度略有增大。研究還表明：電池溫度和反應氣增濕溫度對燃料電池效率影響較小。

4 結(jié)語

燃料電池汽車發(fā)展歷程表明，氫電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)是提高燃料電池效率和運行壽命的重要途徑。如何降低動力型蓄電池、儲氫裝置和燃料電池的制造成本，提高其比能量與比功率，對于燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化影響巨大。為提高燃料電池混合動力系統(tǒng)的能量效率，對燃料電池的控制應根據(jù)其效率變化特性進行優(yōu)化，并盡量減少附加功率的消耗；同時應根據(jù)功率需求確定燃料電池和動力電池混合動力系統(tǒng)的控制策略。此外，對動力電池應以小電流充電，驅(qū)動電機的控制應盡量在高效率區(qū)工作；同時氣體增濕溫度和電池溫度要確定為一個合理的值，以簡化控制系統(tǒng)。

[1] 黃明宇，馮小保，厲丹彤，等.基于先進車輛模擬器的小功率氫電混合電動車混合度的仿真研究[J].南通大學學報：自然科學版，2013，12(4)：29-33.

[2]馬紫峰.《電動汽車用低成本、高密度蓄電(氫)體系基礎(chǔ)科學問題研究》項目任務書[M].北京：國家科技部，2007.

[3] 魏學哲.燃料電池轎車鋰離子動力電池管理系統(tǒng)研究[D].上海：同濟大學，2005.

[4]馬紫峰，章冬云.氫電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)技術(shù)[J].電源技術(shù)，2008，32(6)：357-360.

[5] 肖華橋.燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)控制策略研究[D].上海：華東理工大學，2012.

[6] 華南理工大學.一種燃料電池—鋰離子電池混合動力系統(tǒng)：中國，102555765 A[P].2012-07-11.

[7]王平，黃小楓.燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化[J].上海汽車，2010(3)：7-11.

[8]辛乃龍.純電動汽車鋰離子動力電池組熱特性分析及仿真研究[D].吉林：吉林大學，2012.

[9]虞銘，翁正新.燃料電池汽車動力系統(tǒng)選型設(shè)計[J].科技信息，2011(10)：106-107.

[10] 孫緒旗.氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與建模仿真[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[11]呂帥帥，汪興興，倪紅軍，等.電動汽車能量管理系統(tǒng)的功能及研究進展[J].電源技術(shù)，2014，38(2)：386-389.

[12] 張春龍，邵麗華，戴未然.光伏與市電聯(lián)合供電系統(tǒng)的能量管理控制[J].南通大學學報：自然科學版，2012，11(3)：5-10.

[13]王金龍，王登峰，陳書明.車用燃料電池效率測試及影響因素[J].廣西大學學報，2010，35(6)：989-994.

Research progress of power system for hydrogen-electric hybrid fuel cell vehicles

NI Hong-jun,LV Shuai-shuai,CHEN Qing-qing,PEI Yi

Fuel cell hybrid vehicle (FCV)with zero emission and high efficiency is the ideal solution for sustainable mobility in the future.A new type of hydrogen fuel cells-lithium-ion battery hybrid power system was introduced;the energy efficiency factors as well as improvement methods of fuel cell hybrid system were discussed.The research progress of hydrogen fuel cell vehicles power system at home and abroad was summarized.

hydrogen;fuel cell;Li-ion battery;power system

TM 911

A

1002-087 X(2015)04-0855-02

2014-09-11

國家科技支撐計劃課題（2011BAG02B10）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目；江蘇高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進工程項目（JHB2012-45）；南通市應用研究計劃項目（BK2014052）；南通大學自然科學項目（14Z007）

倪紅軍（1965—），男，江蘇省人，教授，碩士生導師，主要研究方向為新能源汽車和燃料電池。