燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)設計研究

康健健 崔迎濤

(河南科技職業(yè)大學，河南 周口 466000)

0 前言

目前，世界各國正面臨著嚴重的能源危機，環(huán)境污染也成為各國面臨的巨大問題。交通行業(yè)在為人們出行帶來便利的同時，也是產生溫室氣體及有害氣體，因此針對車用能源的轉型迫在眉睫。燃料電池汽車具有噪聲低、有害氣體排放少和污染小等優(yōu)點，是有效解決交通行業(yè)污染問題的重要途徑之一，有著良好的發(fā)展前景。但燃料電池仍存在功率小、響應慢等缺點，在使用時還需要采用動力電池等輔助能量源來進行支持。因此，燃料電池組件的參數設置、能量管理方法及控制器設計等方面都會對燃料電池汽車的使用性能造成巨大影響[1]。

1 動力系統(tǒng)結構型式

純燃料電池汽車運行時需要的所有能源均由燃料電池動力系統(tǒng)提供，燃料電池作為純燃料電池汽車的唯一動力來源，直接影響著車輛的性能。與單一燃料電池動力系統(tǒng)不同的是，由燃料電池和蓄電池組成的混合動力系統(tǒng)，可以有效規(guī)避因燃料電池性能不足帶來的影響[2]。本文分析采用燃料電池和蓄電池共同為車輛提供能量來源的混合動力系統(tǒng)。

2 燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)部件選型

2.1 燃料電池的類型選擇

燃料電池的發(fā)電原理是將氧化劑中的化學能和氫能轉化成電能。通過以氫為陽極、以氧為陰極的結構和外電路相連，燃料電池即可對外輸出電能。通常，會根據電解質的類型來對燃料電池進行分類，本文所研究的車輛主動力源采用質子交換膜燃料電池。該類燃料電池通常會在60～80 ℃的溫度下工作，以氫為陽極，以氧為陰極，燃料采用氫氣，氧化劑采用氧氣或空氣，催化劑一般采用鉑，電解質采用有機膜形式，該類有機膜是一種可傳遞質子的固體。

2.2 蓄電池的類型選擇

當汽車所需要的驅動功率較大時，應為汽車配備輔助能量源，才能滿足汽車在加速、啟動等特殊狀況下的能量需求。同樣，在低速、減速等運行狀況下，汽車還可以將剩余的能量進行儲存，進而達到提升系統(tǒng)能量效率的效果。所以，蓄電池的類型會對車輛性能產生直接影響。

目前，人們最為熟知和認可的蓄電池是鋰離子電池。與其他蓄電池相比，鋰離子電池具有功率大、能量比高、電壓高、體積小、容量大、質量小等眾多優(yōu)點[3]。但鋰離子電池也存在著一些較為明顯的缺陷，如鋰離子電池的價格偏高、電池的內阻偏高等。其中，由于鋰離子電池的內阻過高，在工作電流較大時，可能會導致鋰離子電池的溫度過高，從而引起電池爆炸。為了避免這種現象的發(fā)生，通常需要為鋰離子電池配備額外的保護電路，這導致鋰離子電池的整體結構更加復雜，且成本也會隨之增加。基于以上分析，本文所研究的燃料電池汽車的輔助能源選擇了技術較為成熟、能量密度較高，且功率較大的鋰離子電池。

2.3 驅動電機的類型選擇

用于燃料電池汽車的驅動電機應具備如下幾個基本特性：可靠性、耐久性、適應性及靜音性。此外，為了使車輛適應實際使用過程中所遇到的行駛環(huán)境，燃料電池的驅動電機還應具備在較大的范圍內進行速度調節(jié)的功能。在車輛啟動時，驅動電機還應具備較大的轉矩。

永磁電機是一種被廣泛接受和使用的電機。應用最廣泛的永磁電機主要有4種[4]，分別是永磁直流電機、永磁同步電機、永磁無刷直流電機及永磁混合式電機，后3種也被籠統(tǒng)地稱為“永磁無刷電機”。永磁無刷電機是對永磁電機的結構進行了改進，取消了傳統(tǒng)直流電機的換向器和電刷，因此永磁無刷電機的性能和使用效果都優(yōu)于傳統(tǒng)直流電機。同時，永磁無刷電機使用了無繞組和勵磁的結構，這種結構不僅使驅動電機的功率密度和效率得到了較大提升，同時也減小了驅動電機的質量和體積。但是永磁材料的價格高昂，永磁無刷電機制造工藝、過程相對繁瑣和復雜，運行狀況不穩(wěn)定。當需要永磁無刷電機提供較大功率時，可能會出現功率不足的現象。

綜合考慮了驅動電機的性能要求、成本技術等各類因素，本文擬采用永磁無刷直流電機作為驅動電機。

2.4 部件選型結果

考慮到質子交換膜燃料電池具有較低的工作溫度、較高的能量轉換效率、較長的使用壽命和較大的選擇比功率等優(yōu)勢，本文選用質子交換膜燃料電池作為汽車的主動力源。同時，還選擇了具有較高性價比的鋰離子電池作為汽車的輔助動力源，并選擇具有較好性能和較低綜合成本的永磁無刷直流電機作為汽車的驅動電機。

3 燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)部件參數匹配

對標某國產內燃機動力汽車，本文研究車輛的主動力源采用質子交換膜燃料電池，輔助動力源采用鋰離子電池，以滿足車輛在勻速運行狀態(tài)下所需要的功率。同時，分析并設定車輛在起步、上坡、加速等狀態(tài)下所需要的動態(tài)分量，以車輛在不同行駛狀態(tài)下的動力性為目標，通過計算相關參數，為已經確定選型的零部件設定合理的燃料電池和鋰離子電池的相關參數。

根據對標內燃機動力汽車的性能指標，設定了燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)的性能指標，如表1所示。

表1 燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)性能設計指標

3.1 驅動電機參數的確定

車輛的行駛需要通過驅動電機來實現。因此，在進行設計時，首先應根據車輛性能要求計算出驅動電機的相關參數。根據與車輛動力性相關的各項設計要求，對驅動電機的額定轉速、電機的最高轉速、驅動電機的額定電壓、驅動電機的額定功率、驅動電機的最高功率共5個指標分別進行了計算。

3.1.1 額定功率與最高功率

通常，驅動電機最高功率Pmax與額定功率之間的關系如下：

式中，λ為驅動的電機過載系數；Pm為額定功率，單位kW。

從延長驅動電機使用壽命和滿足車輛工作性能的角度出發(fā)，驅動電機的最高功率不得超過額定功率的2～3倍，且驅動電機不能長時間以最高功率運行(一般不超過30～60 s)，否則會導致驅動電機產生不可逆的損壞。通過系統(tǒng)性計算分析，確定驅動電機的最高功率為90 k W。

3.1.2 額定轉速與峰值轉速

車輛的行駛性能受驅動電機轉速的影響較大，當驅動電機額定功率處于固定狀態(tài)時，轉速與轉矩成反比。因此，要想使車輛在啟動和運行時均處于穩(wěn)定狀態(tài)，必須對驅動電機的額定轉速進行嚴格限制。本文所設計的汽車僅利用減速器來實現減速功能，不需要額外加裝變速器。因此，在設計過程中，通過設計車輛的巡航速度來控制驅動電機的額定轉速。在上述情況下，確定了驅動電機的最高轉速為8 500 r/min，額定轉速為4 500 r/min。

3.1.3 最大轉矩與額定轉矩

當車輛處于上坡狀態(tài)時，驅動電機需要有一定的儲備轉矩，因此將驅動電機的最大轉矩設定為200 N·m。考慮到相關研究，驅動電機的額定轉矩由過載系數確定，且一般情況下的過載系數為1.5～2.4。基于上述設定，本文選擇驅動電機的額定轉矩為90 N·m。

3.2 燃料電池參數的確定

由于本文所設定的主動力源為燃料電池系統(tǒng)，因此汽車性能與燃料電池功率的選擇息息相關。如果燃料電池系統(tǒng)輸出功率過大，會造成能源浪費，并會相應增加成本；如果燃料電池系統(tǒng)輸出功率過小，車輛在上坡、加速等特殊情形下的動力源不足，需要鋰離子電池來提供額外動力，也會增加制造成本，此外還會對動力系統(tǒng)零部件的布置帶來困難。車輛在行駛過程中，通過功率平衡原理[5]可知，車輛驅動電機的輸出功率和燃料電池與鋰離子電池共同向動力系統(tǒng)提供的功率相等。若根據車輛運行的最高速度來確定驅動電機的最高功率，會增大車輛的儲備功率，使得車輛在上坡等特殊運行狀態(tài)下的能力有所提升。本文設計的車輛在以最大速度運行時的主動力源由燃料電池提供。因為燃料電池在正常運轉時會保留一定的余量，且自身的運行效率較高，經過計算分析，選擇了最高功率為40 k W的燃料電池。

3.3 鋰離子電池參數的確定

3.3.1 鋰離子電池容量的選擇

燃料電池汽車的輔助動力源是鋰離子電池。在設計鋰離子電池時，不僅要使其容量滿足車輛在上坡等狀態(tài)下對功率的要求，同時還要考慮到車輛的續(xù)航里程。這2項要求并不意味著鋰離子電池的容量越大越好。鋰離子電池容量大意味著汽車的動力性強，但由此會使鋰離子電池質量增加，從而導致汽車自重增加，會對車輛的總體性能產生一定的負面影響。但如果鋰離子電池的容量過小，會導致輔助能量不足，車輛的功率需求無法得到滿足。

3.3.2 鋰離子電池數量的選擇

在運行過程中，車輛所需要的最高功率由燃料電池和鋰離子電池一起提供。因此，在確定鋰離子電池容量時，應滿足鋰離子電池的最高功率不大于驅動電機最高功率與燃料電池最高功率之差的要求。

通過上述計算分析，可以得到驅動電機的最高功率為90 k W，燃料電池的最高功率為40 k W，鋰離子電池的最高功率為50 k W。此外，在鋰離子電池的容量選擇過程中，還應考慮到汽車的續(xù)航里程要求。根據相關設計要求，車輛以60 km/h的巡航車速運行時，所需要的鋰離子電池容量為20 A·h。根據以上計算結果和汽車續(xù)航要求，選擇了輸出電壓為12 V、容量為20 A·h、電池數量為30節(jié)的鋰離子電池。

4 結語

本文在比較了各類燃料電池汽車的混合動力系統(tǒng)后，確定了車輛的混合動力系統(tǒng)設計方案。其中，主動力源選用燃料電池，輔助動力源選用鋰離子電池，并對燃料電池和鋰離子電池的相關參數和性能進行了比較分析。依據汽車的相關設計要求，明確了動力系統(tǒng)各個部件的相關參數和指標。