研究燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

　　1　引言

　　燃料電池汽車(chē)是電動(dòng)汽車(chē)的一種。燃料電池發(fā)出的電,經(jīng)逆變器、控制器等裝置,給電動(dòng)機(jī)供電,再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng),就可使車(chē)輛在路上行駛,燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物,因此燃料電池車(chē)輛是無(wú)污染汽車(chē)[1-3]。隨著對(duì)汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求,汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)將從現(xiàn)在以汽油等化石燃料為主慢慢過(guò)渡到混合動(dòng)力,最終將完全由清潔的燃料電池車(chē)替代[4]。

　　近幾年來(lái),燃料電池系統(tǒng)和燃料電池汽車(chē)技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展[4-5]。世界著名汽車(chē)制造廠(chǎng),如豐田、本田、通用、戴姆勒-克萊斯勒、日產(chǎn)和福特汽車(chē)公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾代燃料電池汽車(chē)[5-12],并宣布了各種將燃料電池汽車(chē)投向市場(chǎng)的戰(zhàn)略

?

　　目標(biāo)。目前,燃料電池轎車(chē)的樣車(chē)正在進(jìn)行試驗(yàn),以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn)輸大客車(chē)在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項(xiàng)目。其中本田的FCX Clarity最高時(shí)速達(dá)到了160 km/h[8];豐田燃料電池汽車(chē)FCHV-adv已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行了360,000 km的路試,能夠在零下37度啟動(dòng),一次加氫能夠從大阪行駛到東京(560公里)[7]。在我國(guó)科技部的支持下,燃料電池汽車(chē)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2007年,我國(guó)第四代燃料電池轎車(chē)研制成功,該車(chē)最高時(shí)速達(dá)150 km/h,最大續(xù)駛里程319 km。2008年,20燃料電池示范汽車(chē)又在北京奧運(yùn)進(jìn)行了示范運(yùn)行。2010年,包括上汽、奇瑞等國(guó)內(nèi)汽車(chē)企業(yè)共有196輛燃料電池汽車(chē)在上海世博園區(qū)進(jìn)行示范運(yùn)行[13]。

　　在開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn),如燃料電池組的一體化,提高商業(yè)化電動(dòng)汽車(chē)燃料處理器和輔助部汽車(chē)制造廠(chǎng)都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力,并已取得了顯著的進(jìn)步。但與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)轎車(chē)相比,燃料電池電動(dòng)汽車(chē)采用“燃料電池+電動(dòng)機(jī)”來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)車(chē)的“心臟”-發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)。燃料電池轎車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生較大的變化,主要表現(xiàn)在:電動(dòng)機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)成為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源;離合器與扭轉(zhuǎn)減振器被省略;多擋變速器通常被替換為減速器[14,15]。因此,燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總體得到簡(jiǎn)化。但在行駛時(shí),燃料電池是主要的動(dòng)力來(lái)源,蓄電池為輔助能量來(lái)源。汽車(chē)需要的功率主要由燃料電池提供?？梢哉f(shuō),車(chē)用燃料電池的選取,對(duì)于燃料電池汽車(chē)的性能至關(guān)重要。

　　本文介紹了燃料電池汽車(chē)動(dòng)力傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況,圍繞燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了詳細(xì)論述。

　　2　動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)架設(shè)計(jì)

　　燃料電池汽車(chē)的運(yùn)行并不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)情況,頻繁的啟動(dòng)、加速和爬坡使得汽車(chē)動(dòng)態(tài)工況非常復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢,在啟動(dòng)、急加速或爬陡坡時(shí)燃料電池的輸出特性無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛的行駛要求。在實(shí)際燃料電池汽車(chē)上,常常需要使用燃料電池混合電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)方法,即引入輔助能源裝置(蓄電池、超級(jí)電容器或蓄電池十超級(jí)電容器)通過(guò)電力電子裝置與燃料電池并網(wǎng),用來(lái)提供峰值功率以補(bǔ)充車(chē)輛在加速或爬坡時(shí)燃料電池輸出功率能力的不足。另一方面,在汽車(chē)怠速、低速或減速等工況下,燃料電池的功率大于驅(qū)動(dòng)功率時(shí),存儲(chǔ)富余的能量,或在回饋制動(dòng)時(shí),吸收存儲(chǔ)制動(dòng)能量,從而提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率。

　　2.1　直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)式結(jié)構(gòu)中采用的電力電子裝置只有電機(jī)控制器,燃料電池和輔助動(dòng)力裝置都直接并接在電機(jī)控制器的入口。如豐田的FCHV-4[16], FIAT-Elettra[17]和日產(chǎn)X-TrailFCV[12]等都采用這種類(lèi)似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

?

　　輔助動(dòng)力裝置擴(kuò)充了動(dòng)力系統(tǒng)總的能量容量,增加了車(chē)輛一次加氫后的續(xù)駛里程;擴(kuò)大了系統(tǒng)的功率范圍,減輕了燃料電池承擔(dān)的功率負(fù)荷。許多插電混合的燃料電池汽車(chē)也經(jīng)常采用這樣的構(gòu)架,美國(guó)Ford公司Edge Plug-in燃料電池轎車(chē)和GM公司Volt Plug-in燃料電池車(chē)[18]。這種插電式混合動(dòng)力汽車(chē)將有效的減少氫燃料的消耗。另外,輔助動(dòng)力裝置的存在使得系統(tǒng)具備了回收制動(dòng)能量的能力,并且增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。燃料電池和輔助動(dòng)力裝置之間對(duì)負(fù)載功率的合理分配還可以提高燃料電池的總體運(yùn)行效率[4]。

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,可以在輔助動(dòng)力裝置和動(dòng)力系統(tǒng)直流母線(xiàn)之間添加了一個(gè)雙向DC/DC變換器。使得對(duì)輔助動(dòng)力裝置充放電的控制更加靈活、易于實(shí)現(xiàn)。由于雙向DC/DC變換器可以較好地控制輔助動(dòng)力裝置的電壓或電流,因此它還是系統(tǒng)控制策略的執(zhí)行部件。