氫電混合動力小車的設計研究

呂兵 徐義磊 王進虎 遲英姿 王源紹

摘 要：氫能可以從多種物質中獲得，消除了人們對石油日漸枯竭的擔心。燃料電池可以充分利用氫能源，大大提高其經濟效益。基于這些優點，以氫能源動力為主的小車，在環境保護和能源危機的大背景下應運而生。主要介紹了使用燃料電池作為主要供電系統的小車的設計與研究。通過實驗數據繪圖分析評估，得出氫氣壓力與流量對供電系統的影響。

關鍵詞：氫能源；燃料電池；供電系統

隨著社會的發展、時代的進步，汽車已經走進了千家萬戶。與此同時，汽車的動力與能源問題也備受關注。不可再生資源日益減少，因此，必須使用新的能源來代替化石燃料[1]。此項目即部分使用氫能源驅動電動機作為動力系統的小車，其本身不排放污染大氣的有害氣體，有利于節約能源和減少污染氣體的排放。

1 氫電混合動力小車的特點與設計方案

1.1 氫電混合動力小車的特點分析

氫電混合動力小車的供電系統主要由氫氣瓶、減壓閥、燃料電池、鋰電池、電流控制模塊及其他輔助電子設備組成[2]，其實物如圖1所示。

1.2 氫電混合動力小車的設計方案

選擇長400 mm、寬250 mm的鋁板作為底板，選擇合適的電機，將100 W燃料電池與氫氣瓶、減壓閥、流量計等與車身底板整合，將氫氣瓶中的氫氣以一定壓力與流量通過氣動管通入燃料電池中。待燃料電池激活、正常工作后，進行氫氣的流量與壓力對電流的影響實驗，記錄并分析實驗數據，建立模型。設計方案如圖2所示。

在氫氣瓶中儲存氫氣，用氣動管將氫氣通入減壓閥，減壓閥可以控制從氫氣瓶中流出的氫氣的壓力，減壓后的氫氣通過流量計輸入燃料電池。流量計可以觀測輸入燃料電池的流量。通入氫氣一段時間后，燃料電池激活，開始正常工作。

燃料電池通入氫氣后不能馬上開始工作，否則會縮短燃料電池的使用壽命，所以，在電路中并聯了一個鋰電池，當燃料電池未激活時，由鋰電池為小車供電。既可以延長小車的續航時間，又可以保護燃料電池，因此，小車采用燃料電池和鋰電池混合供電[3]。

2 實驗研究與結果分析

為了驗證氫氣壓力與流量對氫電混合供電系統的影響，本研究設計了4組實驗。在燃料電池所允許通過的壓力范圍內，選擇了0.045、0.050、0.055、0.060 MPa的不同氫氣壓力來進行實驗。

2.1 不同氫氣壓力下油門百分比對電壓的影響

通過實驗可以看出不同氫氣壓力下油門百分比對電壓的影響。燃料電池在不同氫氣壓力下的工作電壓如圖3所示，當燃料電池放電功率提升時，電壓伴隨功率升高而降低，當燃料電池滿功率輸出時，電壓達到穩態。燃料電池輸出電壓受通入氫氣壓力影響，但通入氫氣壓力只會影響低功率工作狀態下的電壓，對燃料電池滿功率輸出并無影響。低功率工作狀態下氫氣壓力越高，電壓越高，但當氫氣壓力超過0.055 MPa時，低功率工作時電壓較低。

2.2 不同氫氣壓力下油門百分比對電流的影響

通過實驗可以看出不同氫氣壓力下油門百分比對電流的影響。燃料電池在不同氫氣壓力下的工作電流如圖4所示。燃料電池在油門百分比升高時，電流值上升。在上升階段，0.060 MPa氫氣壓力下的電流上升值最大，0.050 MPa氫氣壓力下的電流上升值次之，再次是0.055 MPa和0.045 MPa。在0.060 MPa氫氣壓力下，雖然前期上升較快，但不穩定，且燃料電池滿功率輸出時，電流沒有達到最大值。反觀0.050 MPa氫氣壓力下，電流的上升值最穩定，且燃料電池滿功率輸出時，電流達到最大值，在上升過程中也沒有較為明顯的突變過程。

2.3 不同氫氣壓力下油門百分比對功率的影響

通過實驗可以看出不同氫氣壓力下油門百分比對功率的影響。燃料電池在不同氫氣壓力下的工作功率如圖5所示。燃料電池在油門百分比升高時，功率值上升。在上升階段，0.060 MPa氫氣壓力下的功率上升值最大，0.050 MPa氫氣壓力下的功率上升值次之，再次是0.055 MPa和0.045 MPa。在0.060 MPa氫氣壓力下，功率雖然前期上升較快，但不穩定，且沒有達到燃料電池最大功率。反觀0.050 MPa氫氣壓力下，功率的上升值最穩定，且達到了燃料電池的最大功率，在上升過程中也沒有較為明顯的突變過程。由此可以推斷出燃料電池在氫氣壓力為0.050 MPa左右時，燃料電池可以輸出其最大功率。

2.4 燃料電池最大功率下電壓與流量之間的關系

由以上3組實驗數據圖可以得出，0.050 MPa氫氣壓力下的燃料電池的電流和功率較為穩定。因此，對0.050 MPa氫氣壓力下燃料電池的電壓和流量進行了分析。在分析流量對電壓的影響時，使用流量計測量通入氫氣的流量，并聯合燃料電池電壓進行分析（見圖6）。從圖6中明顯看出當燃料電池電壓突降時，通入氫氣的流量激增，當流量趨于正常時，電壓緩慢上升至降壓前的值后繼續降低。導致這一現象的主要原因是燃料電池的泄壓。燃料電池工作狀態下內部氫氣有一定壓強，當泄壓閥打開時內部壓強降低，導致通入的流量激增，當泄壓閥關閉時，燃料電池內部氫氣壓力緩慢提升到未泄壓之前，燃料電池繼續正常工作。由此發生了流量的突變過程，導致燃料電池電壓發生了突變。燃料電池在一定周期內泄壓閥會開啟一次，所以，燃料電池的流量突變是不可避免的。

2.5 燃料電池的工作特性

通過以上實驗數據的分析，可以得出燃料電池的工作特性曲線（見圖7）。低功率工作狀態下氫氣壓力越高，電壓越高，但當氫氣壓力超過0.055 MPa，低功率工作時電壓較低。氫氣壓力在0.050 MPa左右時，功率可達到最大。燃料電池的電流與功率呈遞增趨勢，電壓呈遞減趨勢，最后電壓和電流趨于相等。隨著燃料電池電流的升高，電壓不斷降低，功率不斷上升。當電流與電壓趨于相等時，燃料電池的功率達到最大。可見，只要維持氫氣的穩定輸入，燃料電池便能以最大功率穩定輸出。

3 結語

根據以上實驗數據評估以及可行性分析，得出以下結論：

（1）鋰電池在工作情況下，功率隨時間的延長逐漸下降，但下降幅度較小，可以比較穩定地維持負載運行。因鋰電池的容量固定且充電時間過長，限制了小車的續航。

（2）在氫氣流量穩定的情況下，燃料電池輸出穩定。因為燃料電池通過化學反應產生電能，不會有容量固定的問題，理論上只要氫氣供應充足，燃料電池可以一直產生電能。小車帶有氫氣瓶，雖容量有限，但是相比于鋰電池，往氫氣瓶充氣的速度非常快，效率很高，所以，燃料電池一定會在未來快速發展。

（3）氫電混合動力供電系統是鋰電池與燃料電池并聯混合供電的。其具有單一電池的優點，彌補了單一電池的不足，弱化了單一電池的缺點。可以有效解決單一電池的容量問題、充電問題，可以有效緩解小車續航能力不足問題。

[參考文獻]

[1] 秦志勇.新能源產業發展問題淺析[J].經濟研究導刊，2012（3）：220-221.

[2] 李國洪.混合動力汽車控制策略與動力電池系統的研究[D].天津：天津大學，2005.

[3] 謝星，周蘇，王廷宏，等.基于Cruise/Simulink的車用燃料電池/蓄電池混合動力的能量管理策略仿真[J].汽車工程，2010（5）：374-378.

Design and research of hydrogen-electric hybrid vehicle

Lyu Bing， Xu Yilei， Wang Jinhu， Chi Yingzi， Wang Yuanshao

（School of Automotive Engineering， Nanjing Tech University Pujiang Institute， Nanjing 211100， China）

Abstract：Hydrogen energy can be obtained from a variety of substances， eliminating fears that oil is drying up. Fuel cells can make full use of hydrogen energy and greatly improve their economic benefits. Based on these advantages， the vehicle， which is mainly powered by hydrogen energy， came into being under the background of environment alprotection and energy crisis. This paper mainly introduces the design and research of the vehicle using fuel cell as the main power supply system. The influence of hydrogen pressure and flow rate on the power supply system is obtained through plotting， analyzing and evaluating experimental data.

Key words：hydrogen energy； fuel cells； power supply system