一種用于增程式低速電動汽車的鋁-空氣金屬燃料電池系統設計

吳維斐，彭憶強，2，3*，何 勇，蘆文峰

(1. 西華大學汽車與交通學院，四川 成都610039； 2.四川汽車關鍵零部件協同創新中心，四川 成都 610039;3.汽車測控與安全四川省重點實驗室，四川 成都 610039)

新能源汽車被視為是解決現代能源短缺和汽車排放污染的一種有效途徑，得到各國政府及研究機構的重視。目前，我國把新能源汽車的范疇定義為以下3種類型：純電動、插電式混合動力(含增程式)以及燃料電池電動汽車[1]。

在目前技術條件下，新能源汽車的性能在很大程度上取決動力電池系統的性能。因此，各種動力電池在新能源汽車上的應用研究成為一個研究的熱點問題。大功率鋁-空氣金屬燃料電池，具有化學反應所需的原料易得、生成物對環境無污染且可多次循環利用、功率密度高、可持續大電流工作、電池組便于儲存的優點[2]。因此，鋁-空氣燃料電池也成為了一種可用于新能源汽車的動力電池[3]。

本文集成了鋁-空氣燃料電池的相關技術，將鋁-空氣燃料電池作為補充動力電源，用于一款電-電增程式低速電動汽車的研制，為自行設計增程式電動汽車的動力電池系統積累了工作經驗。

1 電-電增程式電動汽車試驗平臺及電池系統參數

本文所采用的電-電增程式低速電動汽車試驗平臺如圖1所示。

圖1 電-電增程式電動汽車總布置

由圖1可知，車輛的驅動方式定為后置后驅，即：將驅動電機安裝在后橋之上，且通過主減速、差速器、半軸將動力傳遞給車輪[4]。

在車輛的電氣系統設計方面，鋁-空氣金屬燃料電池組與鉛酸蓄電池組(后期將改為鋰電池)形成串聯式的電池系統。其基本工作原理如下：鋁-空氣金屬燃料電池系統的主要功能為鉛酸蓄電池組充電，補充電能。鉛酸動力蓄電池既是汽車的動力來源，又是車上其他用電設備的電力來源。同時，為了保護電池而設置了鉛酸動力蓄電池允許車輛行駛的最低SOC值。

所采用的電-電增程式低速電動汽車的整車基本參數如表1所示，所設定的相關目標參數如表2所示。

電池組的數目可由續航里程計算得到：

(1)

式中：nL為所求電池組數目；L1為車輛非增程模式下的續駛里程，km；W為車輛每公里耗能，kw；Cs為單體容電池量，Ah；Us為單體電池電壓，V。

表1 整車平臺的基本參數

將表1、表2相關設計參數帶入式(1)，并根據現有條件，取L1=42 km，W=0.100 kWh,Cs=70 Ah，Us=12 V，計算得nL=5。

確定鉛酸蓄電池的基本技術參數如表3所示。

表3 鉛酸動力電池基本技術參數

根據本次設計車輛的基本性能參數和目標性能參數，以及現有的市場條件，選擇的鋁-空氣金屬燃料電池的基本技術參數如表4所示。

表4 鋁-空氣金屬燃料電池基本技術參數

下面主要討論鋁-空氣金屬燃料電池子系統的集成設計過程。

2 鋁-空氣金屬燃料電池集成系統設計

在電動車試驗平臺中，鋁-空氣金屬燃料電池子系統作為關鍵零部件子系統，由金屬燃料電池單體組、多個配套液箱和輔助系統3個部分組成[5]。

在金屬燃料電池組中，電池單體采用串聯方式進行連接。

2.1 燃料電池單體結構改進

電池單體的結構設計以現有的一款電池單體結構為基礎，其示意圖如圖2所示。從圖2可知，該電池呈垂直排列的通道口過多，導致電池單體的垂直高度過高，從而使電池單體體積較大[6]。通道口過多也會導致其配套液箱過多，增加發電系統的體積。

為滿足在電-電增程式電動汽車試驗平臺的實際應用要求，減小發電系統的體積，需要優化現有的電池單體結構。

圖2 原鋁-空氣金屬燃料電池單體結構示意圖

優化后的鋁-空氣金屬燃料電池單體結構如圖3所示。

圖3 鋁-空氣金屬燃料電池單體結構優化示意圖

從圖3可知，新的電池單體結構具有以下特點：取消原進液口，將原出渣口改為進液口；對負極鋁合金材料的清洗改為風干，將原清洗口改為送風口，這樣就只需采用一個電解液箱，不用設清洗液箱；留下原結構中的溢流口。

比較圖2與圖3可知，新的電池單體結構可減少原電池單體的通道口，從而減少配液箱、管道等配件的數量，最終減少了電池單體的總體積和汽車的總質量。

其工作原理如下：當發電開始時，利用電磁閥關閉送風口，分液器將電解液通過進液口送入到燃料電池單體內部；當電池單體內部電解液的高度高于溢流口的位置就會發生溢流，在此過程中，由供液泵將電解質液輸入到電池單體內部。停止發電時，將會打開送風口和進液口的電磁閥門，同時供液泵停止工作。電池單體中的電解液會從進液口通過供液泵回流到電解液集成箱。干燥風機的風會通過送風口進入到單體內部對負極鋁合金材料進行干燥，而反應過程中產生的廢氣均會從排氣口排出。

2.2 集成電解液存儲箱的設計

如前所述，在鋁-空氣金屬燃料電池停止發電后，所有電池單體中的電解液會從進液口通過供液泵回流到電解液存儲箱，將電解液存儲于此箱中，以備發電時重新使用[7]。所設計的電解液存儲箱分艙示意圖如圖4所示。

1.多功能安裝艙的下底板；2.多孔隔板；3—7.循環冷卻過濾艙隔板；8.進排液底艙口。

圖4 電解液存儲箱分艙俯視示意圖

電解液在電解液存儲箱與電池單體間循環如圖5所示。

圖5 電解液在電池單體和電解液存儲箱中的流向圖

當電解液由電池單體流入到電解液存儲箱時，先進入圖5中左邊的多功能安裝艙，后流入到右邊的循環冷卻過濾倉，這4個過濾倉都填充了雜質過濾網棉，以便對反應產生的雜質進行過濾沉淀[8]。這樣的設計使得在電解液箱總體積最小的情況下，延長電解液的循環路徑，以便于冷卻。

在多功能安裝艙中有以下部件：進排液閥門及接口、供液泵、反應單體組回液接口，以及干燥風機等。所采用的鋁-空氣燃料電池單體結構與集成電解液存儲箱的配套使用，保證了鋁-空氣金屬燃料電池系統的正常運行。

3 鋁-空氣金屬燃料電池系統及整車相關性能試驗

為驗證所研制的鋁-空氣金屬燃料電池系統及整車的性能，根據具體的試驗條件，進行了相關的驗證試驗。

3.1 鋁-空氣金屬燃料電池的發電性能試驗

在未安裝集成電解液箱前，利用水代替電解液進行電解液模擬循環試驗。鋁-空氣金屬燃料電池組電解液循環和基本功能試驗的布置如圖6所示。

圖6 鋁-空氣金屬燃料電池組電解液循環及基本功能試驗

在試驗中，檢驗了內部電解液循環及溢流情況。試驗結果表明達到了設計要求，可以滿足實際應用需要。在進行鋁-空氣金屬燃料電池發電性能檢測時，用電池組空載電壓的大小來代表發電效果。先后測量結構優化前后的鋁-空氣電池電池組的電壓。進過多次試驗，未進行結構優化的鋁-空氣金屬燃料電池單體組空載電壓平均值在DC14.6V,而經過結構優化的電池單體組空載電壓平均值在DC16.11 V左右，同比增長10.34%，對鋁-空氣金屬燃料電池單體進行結構優化后性能明顯提升。

3.2 電解液溫度試驗

先對原鋁-空氣金屬燃料電池及其原多個電解液箱溫度(T1)進行測試，同時對優化后的電池和電解液箱溫度(T2)進行測試。在測定電解液溫度時，測試時間跨度為95 min，每5 min測一次數據，記錄結果如圖7所示。

由圖7可知，優化前后電解液的溫度變化趨勢基本一致，都隨時間變化而逐漸增加。在0～40 min曲線坡度陡峭，溫度增加速度較猛；70 min后溫度值變化趨于穩定，溫度值上升很小趨于穩定。雖然優化后的電解液溫度比優化前高出6.25%(2.8℃)，但前后溫度上升值小且由上節的發電性能看，其溫度上升值可以接受。

圖7 電解液溫度隨時間變化曲線

3.3 增程式模式供電控制系統試驗

對汽車在增程式動力模式下進行續航里程變化試驗[9]。本次試驗將整車供電控制系統實物與搭載基于循環冷卻及過濾功能的集成電解液箱的結構優化后的鋁-空氣金屬燃料電池單體組進行試驗，并利用整車供電控制系統中鋁-空氣金屬燃料電池發電啟停控制系統進行發電控制。本次試驗充電器功率為900 W，理論上可在5.6 h內將鋁-空氣金屬燃料電池所攜帶的5 kWh的電量全部供給鉛酸動力蓄電池組[10]。

先對鋁-空氣金屬燃料電池系統與鉛酸動力蓄電池組在增程式下續航里程變化進行試驗。為保證試驗結果的合理性，我們將整個試驗持續2 h，并均分4次記錄儀表上的動力電池組的SOC值。其記錄結果如圖8所示。

圖8 增程模式下車輛SOC隨充電時間變化曲線

由圖8可知，增程式模式下鉛酸動力電池的SOC值，隨鋁-空氣燃料電池系統發電時間的增加而不斷增加。開始時，SOC的初始值為50%，充電1 h時SOC值為67%；2 h后達到87%。由此可計算的鋁-空氣燃料電池系統與充電器的總體效率為

(2)

式中：SOC1為充電1 h后SOC的值(0.67)；SOC2為充電2 h后SOC的值(0.87)；SOC為SOC的初始化值(0.5)；C1為鉛酸動力電池組所攜帶的總電量(4.2 kW)；η1為理論上充電器每小時充鉛酸動力蓄電池組的電量(0.9 kW)。

將本文的相關數據帶入計算得

η=86.33%

由此可估算得出鋁-空氣金屬燃料電池系統可為車輛提供的電量為

C=C3×η

(3)

式中：C3為鋁-空氣金屬燃料電池所攜帶的總電量。

代入相關數據得鋁-空氣金屬燃料電池系統將為車輛補充電量:

C=5×86.333%=4.317 kWh。

將為車輛續駛里程增加

(4)

可知車輛總續駛里程為

L=42+43.17=85.17 km，

達到車輛在增程式模式的續駛里程設計目標。

3.4 電動汽車整車性能試驗

車輛加速試驗選在人流較小的平直道路上進行，試驗過程中車輛由一人駕駛。在打開車輛電門開關后，打開手機GPS測速軟件，踩下電油門踏板同時按下秒表，不斷觀察手機GPS測速軟件車速數值變化，每隔一段時間記錄一次車速數值讀數和對應秒表數。

在多次實車試驗的基礎上，根據記錄的多組試驗數據，得到整車相關性能隨時間變化曲線，如圖9、10所示。

由圖9可知，試驗過程中車速一直變大，當車速在0～20 km/h區間時，曲線最為陡峭，加速最快，加速時間僅為9.7 s，滿足表2所設計的汽車加速目標性能要求。當車速大于20 km/h后，車速增勢減緩。車速達到30.54 km/h后，速度達到最大，也符合表2所設計的最高車速目標性能要求。

由圖10可知，車輛SOC值與行駛距離值成反比。當車輛運行10 km后，其SOC值便下降了20%。通過比例計算，可估算出車輛最遠運行距離為50 km，可滿足表2車輛設計在純電動模式下以車速20 km/h行駛42 km的目標性能要求。

圖9 車速隨時間變化曲線

圖10 SOC隨行駛距離變化曲線

4 結論

本文采用集成設計的方法，通過對鋁-空氣金屬燃料電池單體結構進行優化和采用冷卻循環及過濾功能的集成電解液存儲箱，實現了鋁-空氣金屬燃料電池在電動汽車上進行實際應用的關鍵功能。在此基礎上，研制出了基于鋁-空氣金屬燃料電池系統的電-電增程式低速電動汽車試驗平臺。

經初步試驗驗證，所研制的采用鋁-空氣金屬燃料電池系統的電-電增程式低速電動汽車，達到了設計目標要求，為下一步的工程化應用積累了經驗。