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(jìn)，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(zhì)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(jié)構(gòu)原理方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

關(guān)鍵詞：汽車行業(yè)；燃料電池電動汽車；結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jīng)過重整后產(chǎn)生的氫氣為燃料的FCEV。

⑵FCEV按“多電源”的配置不同，可分為：（1）純?nèi)剂想姵仳?qū)動（PFC）的FCEV；（2）燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動（FC+B）的FCEV；（3）燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)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(qū)動（FC+B+C）的FCEV。

2 燃料電池電動汽車的結(jié)構(gòu)原理

純?nèi)剂想姵仉妱悠囍挥腥剂想姵匾粋€動力源，汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)。燃料電池系統(tǒng)將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的電能通過總線傳給驅(qū)動電動機(jī)，驅(qū)動電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再傳給傳動系，從而驅(qū)動汽車前進(jìn)。

優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)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(jìn)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(qū)動系統(tǒng)共同驅(qū)動汽車。從本質(zhì)上來講，這種結(jié)構(gòu)的燃料電池電動汽車采用的是混合動力結(jié)構(gòu)。它與傳統(tǒng)意義上的混合動力結(jié)構(gòu)的差別僅在于發(fā)動機(jī)是燃料電池而不是內(nèi)燃機(jī)。在燃料電池混合動力結(jié)構(gòu)汽車中，燃料電池和輔助能量存儲裝置共同向電動機(jī)提供電能，通過變速機(jī)構(gòu)來驅(qū)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?nèi)剂想姵亟Y(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)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(zhì)量增加，動力性和經(jīng)濟(jì)型受到影響，這一點在能量復(fù)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(fù)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(qū)動系統(tǒng)，將燃料電池與輔助動力源相結(jié)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。混合式燃料電池驅(qū)動系統(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(jī)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(yīng)生成物的處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。只有這些輔助系統(tǒng)匹配恰當(dāng)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，才能保證燃料電池發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（1）氫氣供應(yīng)、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(fù)雜的系統(tǒng)。

（2）氧氣供應(yīng)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(jī)來提高壓力，以增加燃料電池反應(yīng)的速度。

（3）水循環(huán)系統(tǒng)。燃料電池發(fā)動機(jī)在反應(yīng)過程中將產(chǎn)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(yīng)生成的水和熱量進(jìn)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(chǎn)生的是直流電，需要經(jīng)過DC/DC變換器進(jìn)行調(diào)壓，在采用交流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)中，還需要用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。