燃料電池電動汽車動力傳動系統(tǒng)技術(shù)研究

干 頻

(上海汽車集團股份有限公司,上海201804)

1 引言

燃料電池汽車是電動汽車的一種。燃料電池發(fā)出的電,經(jīng)逆變器、控制器等裝置,給電動機供電,再經(jīng)傳動系統(tǒng)、驅(qū)動橋等帶動車輪轉(zhuǎn)動,就可使車輛在路上行駛,燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物,因此燃料電池車輛是無污染汽車[1-3]。隨著對汽車燃油經(jīng)濟性和環(huán)保的要求,汽車動力系統(tǒng)將從現(xiàn)在以汽油等化石燃料為主慢慢過渡到混合動力,最終將完全由清潔的燃料電池車替代[4]。

圖1 多樣化的燃料和動力系統(tǒng)[4]Fig.1 Diversification of powertrains and fuels[4]

近幾年來,燃料電池系統(tǒng)和燃料電池汽車技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進展[4-5]。世界著名汽車制造廠,如豐田、本田、通用、戴姆勒-克萊斯勒、日產(chǎn)和福特汽車公司已經(jīng)開發(fā)了幾代燃料電池汽車[5-12],并宣布了各種將燃料電池汽車投向市場的戰(zhàn)略目標。目前,燃料電池轎車的樣車正在進行試驗,以燃料電池為動力的運輸大客車在北美的幾個城市中正在進行示范項目。其中本田的FCX Clarity最高時速達到了 160 km/h[8];豐田燃料電池汽車FCHV-adv已經(jīng)累計運行了360,000 km的路試,能夠在零下37度啟動,一次加氫能夠從大阪行駛到東京(560公里)[7]。在我國科技部的支持下,燃料電池汽車技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2007年,我國第四代燃料電池轎車研制成功,該車最高時速達150 km/h,最大續(xù)駛里程319 km。2008年,20燃料電池示范汽車又在北京奧運進行了示范運行。2010年,包括上汽、奇瑞等國內(nèi)汽車企業(yè)共有196輛燃料電池汽車在上海世博園區(qū)進行示范運行[13]。

在開發(fā)燃料電池汽車中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn),如燃料電池組的一體化,提高商業(yè)化電動汽車燃料處理器和輔助部汽車制造廠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步。但與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機轎車相比,燃料電池電動汽車采用“燃料電池+電動機”來代替?zhèn)鹘y(tǒng)車的“心臟”-發(fā)動機和燃油系統(tǒng)。燃料電池轎車的動力傳動系統(tǒng)發(fā)生較大的變化,主要表現(xiàn)在：電動機替代內(nèi)燃機成為驅(qū)動動力源;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,燃料電池汽車的動力傳動系統(tǒng)總體得到簡化。但在行駛時,燃料電池是主要的動力來源,蓄電池為輔助能量來源。汽車需要的功率主要由燃料電池提供?？梢哉f,車用燃料電池的選取,對于燃料電池汽車的性能至關(guān)重要。

本文介紹了燃料電池汽車動力傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況,圍繞燃料電池電動汽車動力傳動拓撲架構(gòu)、多源系統(tǒng)管理和動力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開展了詳細論述。

2 動力傳動系統(tǒng)拓撲構(gòu)架設(shè)計

燃料電池汽車的運行并不是一個穩(wěn)態(tài)情況,頻繁的啟動、加速和爬坡使得汽車動態(tài)工況非常復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)比較慢,在啟動、急加速或爬陡坡時燃料電池的輸出特性無法滿足車輛的行駛要求。在實際燃料電池汽車上,常常需要使用燃料電池混合電動汽車設(shè)計方法,即引入輔助能源裝置(蓄電池、超級電容器或蓄電池十超級電容器)通過電力電子裝置與燃料電池并網(wǎng),用來提供峰值功率以補充車輛在加速或爬坡時燃料電池輸出功率能力的不足。另一方面,在汽車怠速、低速或減速等工況下,燃料電池的功率大于驅(qū)動功率時,存儲富余的能量,或在回饋制動時,吸收存儲制動能量,從而提高整個動力系統(tǒng)的能量效率。

2.1 直接燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

圖2 FIAT-Elettra動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[17]Fig.2 Powertrain system of FIAT-Elettra[17]

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

在系統(tǒng)設(shè)計中,可以在輔助動力裝置和動力系統(tǒng)直流母線之間添加了一個雙向DC/DC變換器。使得對輔助動力裝置充放電的控制更加靈活、易于實現(xiàn)。由于雙向DC/DC變換器可以較好地控制輔助動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。

2.2 并聯(lián)式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另一種構(gòu)架是并聯(lián)式的燃料電池混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這種構(gòu)建通常在燃料電池和電機控制器之間安裝了一個DC/DC變換器,燃料電池的端電壓通過DC/DC變換器的升壓或降壓來與系統(tǒng)直流母線的電壓等級進行匹配。這種系統(tǒng)與上述構(gòu)架不同之處還在于,這種動力系統(tǒng)的設(shè)計沒有考慮能量的回饋回收,因此系統(tǒng)雖然簡單,但效率比較低下。

盡管系統(tǒng)直流母線的電壓與燃料電池功率輸出能力之間不再有耦合關(guān)系,但DC/DC變換器必須將系統(tǒng)直流母線的電壓維持在最適宜電機系統(tǒng)工作的電壓點(或范圍),對于交流電機驅(qū)動系統(tǒng),通常還需要安裝一個DC/AC轉(zhuǎn)換器。目前這類構(gòu)架系統(tǒng)只在一些小型或者實驗的車上使用,如2002年通用汽車公司開發(fā)的Autonomy和Hy-wire兩種車都是基于該中構(gòu)架的[10]。2008年,同濟大學(xué)-蒂森克虜伯聯(lián)合實驗室采用這種架構(gòu)開發(fā)了小型燃料電池汽車[19],并研究了燃料電池電堆系統(tǒng)對整車性能的影響。

圖3 NVPG的動力傳動系統(tǒng)構(gòu)架[19]Fig.3 Powertrain system of NVPG[19]

3 燃料電池汽車多能源系統(tǒng)管理與優(yōu)化

燃料電池不適合作為動力系統(tǒng)的單一驅(qū)動能源,必須選用輔助能源系統(tǒng)合理補充驅(qū)動電動汽車所需的能量,覆蓋功率波動,提高峰值功率,吸收回饋能量,改善燃料電池輸出功率的瞬態(tài)特性。目前各大汽車開發(fā)商采用了輔助動力,來提高燃料電池汽車的性能(表1所示)。

3.1 動力電池輔助能源系統(tǒng)

目前鉛酸電池[20]由于比能量及比功率均較低,已經(jīng)淘汰。在汽車上常用的動力蓄電池主要有鎳氫電池和鋰離子電池等。

表1 典型的燃料電池汽車Table 1 Typical fuel cell electric vehicles

鎳氫電池屬于堿性電池,具有不易老化,無需預(yù)充電以及低溫放電特性較好等優(yōu)點。其能量密度可超過80 Wh/kg,一次充電的行駛距離長,在大電流工作時能夠平穩(wěn)放電。FCHV-4[6],Highlander FCHV-adv[7]和通用 Chevrolet Equinox[9]的動力系統(tǒng)都是燃料電池和鎳氫電池集成的。但,鎳氫在高溫環(huán)境下,電池電荷量會急劇下降,并且具有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等方面的問題。在燃料電池混合動力系統(tǒng)中鎳氫電池SOC應(yīng)保持在40%-60%之間,充放電電流應(yīng)處于160-240 A的范圍,溫度應(yīng)維持在常溫附近,以確保系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟性[21,22]。

鋰離子電池具有體積小,能量密度高(＞120 Wh/kg)、高安全性和無污染性等優(yōu)點。本田FCX Clarity[8],通用Chevrolet Sequel[10]鋰和日產(chǎn)XTrail FCV[12]等都采用鋰離子電池作為燃料電池汽車的輔助能源系統(tǒng)。離子電池的能量密度是鎳氫電池的1.5-3倍。其單體電池的平均電壓為3.2 V,相當于3個鎳鋅或鎳氫電池串接起來的電壓值,因而能夠減少電池組合體的數(shù)量,降低單體電池電壓差所造成的電池故障發(fā)生概率,從而提高了電池組的使用壽命。

鋰離子電池具備自放電低(僅為5%-10%)的優(yōu)點,當在非使用狀態(tài)下貯存,內(nèi)部相當穩(wěn)定,幾乎不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)[4,5]。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬,因而在使用過程中不會對環(huán)境造成污染。對于電動汽車而言,鋰離子電池易于車載布置安裝,是較為理想的能量存儲媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具來對電池系統(tǒng)進行仿真分析[23],提高電池的使用效率和壽命。

其充電放電動態(tài)過程可以用Thevenin模型來如下[23,24]：

其中,Rc和Rd分別表示充放電過程的電阻,C為電池極化電容,Uo和Ub分別為理想電壓和負載電壓,I為電流,Up等效動態(tài)電壓。

3.2 超級電容系統(tǒng)

超級電容器是一種新型儲能元件,它既像靜電電容一樣具有很高的放電功率,又像電池一樣具有很大的電荷儲存能力[23,25]。由于其放電特性與靜電電容更為接近,所以仍然稱之為“電容”。

如果僅采用超級電容作為唯一輔助能源還存在諸多不足之處,如：電動汽車長時間停機后再次啟動,由于超級電容的自放電效應(yīng),在燃料電池的能量輸出尚未穩(wěn)定時車載輔助系統(tǒng)的供電將無法保障[5]。況且超級電容能量密度很低,若要達到一定的能量儲備能力其設(shè)備體積勢必加大。當前超級電容都是與其他動力電池一起購車輔助電源系統(tǒng),在燃料電池汽車上使用的[4,25,26]。為了克服精確的描述超級電容的特性,可以采用阻抗法進行建模代替簡單RC回路模型[23]。超級電容當前SOC主要基于超級電容的輸出電壓：

其中,V0,Vmin,Vmax分別為超級電容的當前電壓,最小、最大電壓。

3.3 多源能量的組合與控制

燃料電池電動汽車安裝上述兩種拓撲構(gòu)型,與動力電池和超級電容進行組合,才能達到比較好的效果。目前,主要采用的三種能量組合方式有：1)燃料電池+動力電池,通用Chevrolet Equinox等就采用這種組合方式[9,10,12];2)燃料電池+超級電容,如本田的FCV-3和馬自達FC-EV等[4];3)燃料電池+動力電池+超級電容,如本田FCHV-4[8]。Tadaichi[6]研究了不同狀況下,能量的流動方式。通過對車用3種能源的比較,基于燃料電池發(fā)動機輸出功率預(yù)測控制策略設(shè)計了多能源能量管理系統(tǒng),實現(xiàn)了對3種能源的優(yōu)化管理和控制[26]。

4 動力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)

4.1 燃料電池系統(tǒng)仿真技術(shù)

對燃料電池汽車中的燃料電池系統(tǒng)建模的方法又可分為兩種,一種是在電化學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)等理論基礎(chǔ)上,建立比較復(fù)雜的一維或多維物理模型[27]。這種模型可根據(jù)不同燃料電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立相應(yīng)模型,分析壓力、溫度、濕度、流量、催化劑、管道結(jié)構(gòu)等多方面因素對燃料電池工作的影響。但這種模型復(fù)雜不直觀,且運算速度慢。另一種則采用較簡單的數(shù)學(xué)經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒⒔Y(jié)合相應(yīng)的商業(yè)軟件[24,26],這種方法具有直觀快速的特點,但該模型只能針對特定的燃料電池系統(tǒng),其建立需依靠實驗數(shù)據(jù)。

4.2 整車動力傳動系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)

燃料電池車仿真的最終目的是以燃料電池模型為基礎(chǔ),結(jié)合子系統(tǒng)和動力傳送系統(tǒng)的相關(guān)模型,仿真分析燃料電池系統(tǒng)乃至整個汽車動力系統(tǒng)的工作情況。這種系統(tǒng)優(yōu)化的方法主要是結(jié)合實際的使用來進行的,一般分成兩種[24,27]。

在實際使用路況未知的情況,俄亥俄州立大學(xué)的T.Gabriel Choi等[28]基于FIAT Panda車型,針對燃料電池插電式電動汽車的動力要求,研究了兩者控制測量：離線全局優(yōu)化和動態(tài)優(yōu)化下控制測量的設(shè)置方法。對于家庭充電和燃料電池混合應(yīng)用的能量優(yōu)化控制方法。Guezennec等[29,30]研究了駕駛習(xí)慣對能量的使用情況,并對動力系統(tǒng)和尺寸容量等做了優(yōu)化。

對于實際使用情況已知,謝長君等[26]研究了巡航加速等工況下的優(yōu)化方法,Francisco等[31]研究了鄉(xiāng)村路線、城市路線和兩者混合下燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)容量的設(shè)計方法,研究了不同輔助能量系統(tǒng)下動力系統(tǒng)的效率和能耗,為燃料電池動力系統(tǒng)設(shè)計提供參考。Keshav S等[32]運用動力系統(tǒng)仿真分析工具(PSAT)分析了燃料電池整車系統(tǒng)包括燃料電池電堆和其他部件的性能,發(fā)現(xiàn)當使用單個輔助能量時,鋰電池的效果最好(表二)。鋰電池和超級電容混用,則可以9%的效率。另外,針對燃料電池機械結(jié)構(gòu)及其動態(tài)相應(yīng)也需要進一步考慮[14]。

表2 燃料電池汽車輔助能源效率[31]Table 2 Efficiency of auxiliary energy for fuel cell electric vehicles[31]

5 總結(jié)

燃料電池電動車中的燃料電池電堆只能維持車輛運行的平均功率要求,采用輔助能量系統(tǒng)提高了燃料電池汽車的效率。本文圍繞燃料電池汽車動力傳統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù),分別對燃料電池電動汽車動力傳動拓撲架構(gòu)、多源系統(tǒng)管理和動力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開展了詳細論述。本文的研究對燃料電池電動汽車動力傳統(tǒng)設(shè)計與制造具有重要的參考價值。

[1]宋文生,李 磊,王宇新.燃料電池汽車研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展前景,天津汽車,2003(1)：5-8.

[2]崔淑娟.燃料電池汽車的關(guān)鍵技術(shù),汽車工程師,2009(9)：15-17.

[3]李曉丹.新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景,中國能源,2009(31)：43-46.

[4]Rittmar von Helmolt,Ulrich Eberle,Fuel cell vehicles：Status 2007,Journal of Power Sources,2007(165)：833-843.

[5]C.C.Chan,The State of the Art of Electric,Hybrid,and Fuel Cell Vehicles,Proceedings of the IEEE,2007(94)：704-718.

[6]Tadaichi Matsumoto,Nobuo Watanabe,Hiroshi Sugiura et al,Development of Fuel-Cell Hybrid Vehicle,SAE,2002-01-0096.

[7]Tetsuya Bono,Mikio Kizaki,Hideaki Mizuno,Yasuhiro Nonobe,Development of New TOYOTA FCHV-adv Fuel Cell System,SAE,2009-01-1003.

[8]Minoru Matsunaga,Tatsuya Fukushima and Kuniaki Ojima,Advances in the Power train System of Honda FCX Clarity Fuel Cell Vehicle,SAE,2009-01-1012.

[9]T.J.Mali,J.Marshall,M.B.Stevens,Fuel Cell Hybrid Powertrain Design Approach for a 2005 Chevrolet Equinox,SAE,2006-01-0744.

[10]Christopher Borroni-Bird,Mohsen Shabana,Chevrolet Sequel：Reinventing the Automobile,SAE,2008-01-0421.

[11]G.Friedlmeier,J.Friedrich and F.Panik,Test Experiences with the DaimlerChrysler Fuel Cell ElectricVehicle NECAR 4,FUEL CELLS,2001,1,No.2,92-96.

[12]Takashi Aoyama,Akihiro Iiyama,Kazuhiko Shinohara,Status of FCV Development at Nissan and Future Issues,SAE,2008-01-0423.

[13]http：//www.cs.com.cn/ssgs/04/201007/t20100705_2497028.htm.

[14]張立軍,司楊,余卓平,燃料電池轎車動力傳動系統(tǒng)非線性動態(tài)特性仿真分析,機械工程學(xué)報,2009,Vol.45,No.2,62-68.

[15]贠海濤,鐘再敏,孫澤昌,燃料電池轎車動力系統(tǒng)建模與仿真研究,上海汽車,2006,(3)：4-6.

[16]韓玉敏,豐田FCHV-4型燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)特性分析,上海汽車,2007.1,7-10.

[17]Toro,P.Delzanno,Fuel Cell Stack and Fuel Cell Powertrain for Automotive Application,SAE,2004-01-1005.

[18]http：//www.greencar.com/articles/

[19]Guangji Ji,Tiancai Ma and Su Zhou,A 5KW PEM Fuel Cell Power System for Mini Car Application,SAE,2008-01-1797.

[20]Stephan Buller,Marc Thele,Eckhard Karden,Rik W.De Doncker,Impedance-based non-linear dynamic battery modeling for automotive applications,2003(113)：422-430.

[21]秦明俊,朱 鵬,于立軍.鎳氫電池溫度場及其結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析,機械工程學(xué)報,2009(45)：277-281.

[22]徐梁飛,李建秋,楊福源,歐陽明高.燃料電池混合動力系統(tǒng)鎳氫電池特性,清華大學(xué)學(xué)報,2008(48)：864-867.

[23]Erik Surewaard,Michael Tiller,Dirk Linzen,A Comparison of Different Methods for Battery and Supercapacitor M odeling,SAE,2003-01-2290.

[24]J.Bernard,S.Delprat,T.M.Guerra,F.N.B uchi,Fuel efficient power management strategy for fuel cell hybrid powertrains,Control Engineering Practice 18(2010)408-417.

[25]曹秉剛,曹建波,李軍偉,續(xù) 慧.超級電容在電動車中的應(yīng)用研究,西安交通大學(xué)學(xué)報,2008(42)：1317-1322.

[26]謝長君,全書海,杜傳進.燃料電池電動汽車能量管理系統(tǒng)研究,汽車工程,2007(29)：758-760.

[27]Cheng Bao,Minggao Ouyang,Baolian Yi,Modeling and optimization of the air system in polymer exchange membrane fuel cell systems,Journal of Power Sources 156(2006)232–243.

[28]T.Gabriel Choi,Vincenzo Marano,Yann Guezennec,et.al,Design and Control of Commuter Plug-In FC Hybrid Vehicle,SAE,2007-24-0079.

[29]Guezennec,Y.G.,Choi,T.G.,Rizzoni,G.,Marusiak,J.,et al.,A U.S.Perspectiveof Plug-in Hybrids and an Example of Sizing Study Prototype Development and Validation of Hybridized FC-NEV with Bi-directional Grid Inter-Connect for sustainable Local Transportation,SAE-ATI 2006,Perugia,Italy,Sep.2006.

[30]Guezennec,Y.,Choi,T.G.,Marusiak,J.,et al.,Sizing Study and Validation of a Hybridized Fuel Cell NEV with Bi-directional Grid Inter-connect for Sustainable Local Transportation,Proc.of IMECE2006(2006-15338),Chicago,IL,Nov.2006.

[31]Francisco Cebriá n,Emilio Larrodé and Jesú s Gallego,Optimum Design of Hybrid Powertrain Systemsfor Non Emission Vehicles,SAE,2008-01-0875.

[32]Keshav S.Varde and Pavan Potluri,PEM Fuel Cell Stack Characterization and its Integrationin Simulating a Fuel Cell Powertrain,ASE,2008-01-1796.