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(tǒng)設(shè)計

吳維斐，彭憶強，2，3*，何 勇，蘆文峰

(1. 西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都610039； 2.四川汽車關(guān)鍵零部件協(xié)同創(chuàng)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(xiàn)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(gòu)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(shù)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(tǒng)的性能。因此，各種動力電池在新能源汽車上的應(yīng)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(xué)反應(yīng)所需的原料易得、生成物對環(huán)境無污染且可多次循環(huán)利用、功率密度高、可持續(xù)大電流工作、電池組便于儲存的優(yōu)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(guān)技術(shù)，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(shè)計增程式電動汽車的動力電池系統(tǒng)積累了工作經(jīng)驗。

1 電-電增程式電動汽車試驗平臺及電池系統(tǒng)參數(shù)

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(qū)動方式定為后置后驅(qū)，即：將驅(qū)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(tǒng)設(shè)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(lián)式的電池系統(tǒng)。其基本工作原理如下：鋁-空氣金屬燃料電池系統(tǒng)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(shè)備的電力來源。同時，為了保護電池而設(shè)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(shù)如表1所示，所設(shè)定的相關(guān)目標參數(shù)如表2所示。

電池組的數(shù)目可由續(xù)航里程計算得到：

(1)

式中：nL為所求電池組數(shù)目；L1為車輛非增程模式下的續(xù)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(shù)

將表1、表2相關(guān)設(shè)計參數(shù)帶入式(1)，并根據(jù)現(xiàn)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(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 鉛酸動力電池基本技術(shù)參數(shù)

根據(jù)本次設(shè)計車輛的基本性能參數(shù)和目標性能參數(shù)，以及現(xiàn)有的市場條件，選擇的鋁-空氣金屬燃料電池的基本技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 鋁-空氣金屬燃料電池基本技術(shù)參數(shù)

下面主要討論鋁-空氣金屬燃料電池子系統(tǒng)的集成設(shè)計過程。

2 鋁-空氣金屬燃料電池集成系統(tǒng)設(shè)計

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

在金屬燃料電池組中，電池單體采用串聯(lián)方式進行連接。

2.1 燃料電池單體結(jié)構(gòu)改進

電池單體的結(jié)構(gòu)設(shè)計以現(xiàn)有的一款電池單體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，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(dǎo)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(dǎo)致其配套液箱過多，增加發(fā)電系統(tǒng)的體積。

為滿足在電-電增程式電動汽車試驗平臺的實際應(yīng)用要求，減小發(fā)電系統(tǒng)的體積，需要優(yōu)化現(xiàn)有的電池單體結(jié)構(gòu)。

圖2 原鋁-空氣金屬燃料電池單體結(jié)構(gòu)示意圖

優(yōu)化后的鋁-空氣金屬燃料電池單體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋁-空氣金屬燃料電池單體結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

從圖3可知，新的電池單體結(jié)構(gòu)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(fēng)干，將原清洗口改為送風(fēng)口，這樣就只需采用一個電解液箱，不用設(shè)清洗液箱；留下原結(jié)構(gòu)中的溢流口。

比較圖2與圖3可知，新的電池單體結(jié)構(gòu)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(shù)量，最終減少了電池單體的總體積和汽車的總質(zhì)量。

其工作原理如下：當(dāng)發(fā)電開始時，利用電磁閥關(guān)閉送風(fēng)口，分液器將電解液通過進液口送入到燃料電池單體內(nèi)部；當(dāng)電池單體內(nèi)部電解液的高度高于溢流口的位置就會發(fā)生溢流，在此過程中，由供液泵將電解質(zhì)液輸入到電池單體內(nèi)部。停止發(fā)電時，將會打開送風(fēng)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(fēng)機的風(fēng)會通過送風(fēng)口進入到單體內(nèi)部對負極鋁合金材料進行干燥，而反應(yīng)過程中產(chǎn)生的廢氣均會從排氣口排出。

2.2 集成電解液存儲箱的設(shè)計

如前所述，在鋁-空氣金屬燃料電池停止發(fā)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(fā)電時重新使用[7]。所設(shè)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(huán)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(huán)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(dāng)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(huán)冷卻過濾倉，這4個過濾倉都填充了雜質(zhì)過濾網(wǎng)棉，以便對反應(yīng)產(chǎn)生的雜質(zhì)進行過濾沉淀[8]。這樣的設(shè)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(huán)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(yīng)單體組回液接口，以及干燥風(fēng)機等。所采用的鋁-空氣燃料電池單體結(jié)構(gòu)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(tǒng)的正常運行。

3 鋁-空氣金屬燃料電池系統(tǒng)及整車相關(guān)性能試驗

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

3.1 鋁-空氣金屬燃料電池的發(fā)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(huán)試驗。鋁-空氣金屬燃料電池組電解液循環(huán)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(huán)及基本功能試驗

在試驗中，檢驗了內(nèi)部電解液循環(huán)及溢流情況。試驗結(jié)果表明達到了設(shè)計要求，可以滿足實際應(yīng)用需要。在進行鋁-空氣金屬燃料電池發(fā)電性能檢測時，用電池組空載電壓的大小來代表發(fā)電效果。先后測量結(jié)構(gòu)優(yōu)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(jié)構(gòu)優(yōu)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(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)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(jié)構(gòu)優(yōu)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(yōu)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(shù)據(jù)，記錄結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，優(yōu)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(wěn)定，溫度值上升很小趨于穩(wěn)定。雖然優(yōu)化后的電解液溫度比優(yōu)化前高出6.25%(2.8℃)，但前后溫度上升值小且由上節(jié)的發(fā)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(tǒng)試驗

對汽車在增程式動力模式下進行續(xù)航里程變化試驗[9]。本次試驗將整車供電控制系統(tǒng)實物與搭載基于循環(huán)冷卻及過濾功能的集成電解液箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)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(tǒng)中鋁-空氣金屬燃料電池發(fā)電啟?？刂葡到y(tǒng)進行發(fā)電控制。本次試驗充電器功率為900 W，理論上可在5.6 h內(nèi)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(tǒng)與鉛酸動力蓄電池組在增程式下續(xù)航里程變化進行試驗。為保證試驗結(jié)果的合理性，我們將整個試驗持續(xù)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(jié)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(tǒng)發(fā)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(tǒng)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(guān)數(shù)據(jù)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(tǒng)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(guān)數(shù)據(jù)得鋁-空氣金屬燃料電池系統(tǒng)將為車輛補充電量:

C=5×86.333%=4.317 kWh。

將為車輛續(xù)駛里程增加

(4)

可知車輛總續(xù)駛里程為

L=42+43.17=85.17 km，

達到車輛在增程式模式的續(xù)駛里程設(shè)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(guān)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(shù)值變化，每隔一段時間記錄一次車速數(shù)值讀數(shù)和對應(yīng)秒表數(shù)。

在多次實車試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)記錄的多組試驗數(shù)據(jù)，得到整車相關(guān)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(dāng)車速在0～20 km/h區(qū)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(shè)計的汽車加速目標性能要求。當(dāng)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(shè)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(dāng)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(shè)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(jié)論

本文采用集成設(shè)計的方法，通過對鋁-空氣金屬燃料電池單體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和采用冷卻循環(huán)及過濾功能的集成電解液存儲箱，實現(xiàn)了鋁-空氣金屬燃料電池在電動汽車上進行實際應(yīng)用的關(guān)鍵功能。在此基礎(chǔ)上，研制出了基于鋁-空氣金屬燃料電池系統(tǒng)的電-電增程式低速電動汽車試驗平臺。

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