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焉知汽车科技|燃料电池汽车动力总成方案分析


北京联盟_本文原题：燃料电池汽车动力总成方案分析
来源 |前瞻EV；汽车燃料电池之家
能源与环境是各国政府密切关注的可持续发展战略问题 。 全球变暖和能源危机迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题 。 燃料电池汽车以其清洁、高效的特性逐渐成为公认的未来最有前途的新能源汽车 。
纯燃料电池汽车存在以下弊端：燃料电池发动机存在输出特性较软 ， 成本过高 ， 起动困难以及瞬态响应性差等特点 ， 并且电堆不允许电流双向流动 ， 无法回收刹车时的能量嘲 。 辅助设备可以解决上述问题 ， 它能使燃料电池工作在较高的效率区域 ， 在刹车制动的过程中回收部分能量 ， 因此 ， 在以燃料电池为主要动力源的汽车动力系统设计中 ， 需要配置辅助设备 。 燃料电池动力系统配置的好坏直接影响到整车的性能和效率 。 因此必须对其加以研究 。
1 燃料电池车动力配置方案现状
目前燃料电池车主要有纯燃料电池、燃料电池加蓄电池、燃料电池加超级电容、燃料电池加蓄电池加超级电容、燃料电池加飞轮、插电式等六大类动力配置方案 。
1.1 单一燃料电池方案
图l是纯燃料电池动力方案图 ， 在这种方案中汽车所需的所有动力全部来自燃料电池电堆 。 其优点是系统结构简单 ， 整车装备质量轻 ， 控制实现相对容易 。
但是其缺点如下：(1)燃料电池的功率大 ， 成本昂贵；(2)需要很高的燃料电池系统动态性能和可靠性；(3)不能对制动能量回收；(4)冷启动时间长 。
此种方案几乎不在实际中应用 。
1.2 燃料电池加蓄电池方案
图2为燃料电池加电池组的混合驱动方案 ， 其中燃料电池系统为主要动力源 ， 电池组配合燃料电池系统进行混合驱动 ， 电能经过电机转化成机械能传给传动系统 。 加速时 ， 电池组和燃料电池电堆共同输出能量 ， 保证整车的加速性能 ， 由于电池组提供了部分能量 ， 减轻了电堆瞬时加速时的负担 ， 避免阴极“氧气饥饿”现象的发生 ， 延长电堆寿命 。 刹车制动时 ， 电池回收部分能量 。 此过程由电池管理系统控制 。
其优点是：燃料电池成本降低、对电堆动态特性及功率要求降低 ， 启动容易、可靠性高 。 缺点是：结构复杂 ， 急刹车时 ， 能量回收瞬时电流较高 ， 动力电池组可能会受到一定损伤 。 目前此种配置方案应用相对广泛 。
1.3 燃料电池加超级电容
除了动力电池组外 ， 还可以采用超级电容器作为辅助电源 。 图3为燃料电池和超级电容器配置方案图 。
超级电容具有较高的功率密度和较低的能量密度 ， 它允许较大的充放电电流 ， 并且充电速度比电池快 。 采用该超级电容的突出优点是寿命长和效率高 ， 改善了整车的瞬态特性 ， 使得电机负载对燃料电池系统的冲击有所减免 ， 提高了燃料电池工作稳定性 ， 延长了工作寿命 。 同时系统的结构得以简化 ， 降低了整车的质量 ， 使用成本也有所减少 。 而且其瞬时功率较辅助电池大 ， 汽车启动起来比燃料电池加电池模式更容易 。 但是超级电容的能量密度比较低 。 而由于电压与其荷电状态的关联性 ， 控制其充放电电流 ， 增加放电时间比较困难 ， 维护费用高 。 目前此方案尚在实验中[6] 。
焉知汽车科技|燃料电池汽车动力总成方案分析
本文插图

1.4 燃料电池加蓄电池加超级电容
这种模式是在燃料电池电堆加蓄电池的基础上再并联超级电容器 ， 它可以在启动加速时提供峰值电流 ， 在紧急制动时回收峰值电流 。 其结构如图4所示 。 这样可以使比能量和比功率的要求相互分离 ， 可以较少考虑对辅助电池的比功率要求 ， 着重优化辅助电池的比能量和循环寿命设计 ， 比功率的问题可以靠超级电容器解决 。 由于超级电容器具有负载电平效应 ， 充放电效率高 ， 来自蓄电池的大电流放电和再生制动的大电流充电被大幅度降低 ， 能有效防止蓄电池过放过充现象的发生 ， 显著增加了辅助电池的可用能量、持续工作时间以及使用寿命用 。


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