燃料电池混合动力系统

燃料电池汽车的动力系统是燃料电池汽车区别于其他类型车辆（内燃机汽车、蓄电池电动汽车以及油-电混合动力汽车）的主要标志。使用燃料电池系统作为动力源是燃料电池汽车动力系统的标志性特点。而通常情况下，燃料电池却并非该系统唯一的动力源，由于燃料电池在峰值功率输出能力以及功率输出的动态响应等性能方、面欠佳，因此往往需要一些辅助的动力源装置来在功率输出能力等方面对它加以补充和改善，从而构成燃料电池混合动力系统，这些辅助装置包括蓄电池和超级电容。燃料电池汽车的混合动力系统有多种结构型式，结构型式的不同往往带来整车动力性和经济性的显著差别，因此对燃料电池混合动力系统的各种构型进行试验研究以得到合理的、实用的动力系统结构型式是成功开发燃料电池汽车的关键一环。一、燃料电池汽车的动力系统结构燃料电池可以单独用在动力系统中驱动车辆，已经有开发者针对这种燃料电池单独驱动的动力系统进行了相关的试验和研究工作，但多数结果显示这种简单的动力系统结构存在一些缺陷：电池功率不足，起动和加速时间太长，动态响应差，总体运行效率低等。这种单独燃料电池直接驱动的动力系统固有的问题，在图1所示的燃料电池混合动力系统中可以得到较好地解决。图1燃料电池混合动力系统的一半结构模式在图1的混合动力系统中，有燃料电池和辅助动力装置（蓄电池或超级电容）两个动力源。通常情况下，燃料电池系统输出车辆常规速度行驶时所需的平均功率，而辅助动力装置用来提供峰值功率以补充车辆在加速或爬坡时燃料电池输出功率能力的不足。这样，一方面动力系统的动力性增强，另一方面由于燃料电池动态响应的压力减轻，运行状态比较稳定，因而它的总体运行效率得到明显的提高。图1中的电力、电子装置部分包括DC/DC变换器和电机控制器等，DC/DC变换器和电机控制器之间不同的布置方式会导致燃料电池和电机驱动系统之间连接形式的不同。根据这一连接形式的不同可将动力系统结构分为两类：燃料电池与电机驱动系统之间直接相连的，称为直接燃料电池混合动力系统；燃料电池与电机驱动系统之间通过DC/DC变换器间接相连的，称为间接燃料电池混合动力系统。1、直接燃料电池混和动力系统图2中的混合动力系统结构使用的电力、电子装置只有电机控制器，燃料电池和辅助动力装置都直接并接在电机控制器的入口。辅助动力装置扩充了动力系统总的能量容量，增加了车辆一次加氢后的续驶里程；扩大了系统的功率范围，减轻了燃料电池承担的功率负荷。另外，辅助动力装置的存在使得系统具备了回收制动能量的能力，并且增加了系统运行的可靠性。燃料电池和蓄电池（或超级电容）之间对负载功率的合理分配还可以提高燃料电池的总体运行效率。图2与图2比较，图3给出的动力系统在辅助动力装置和动力系统直流母线之间添加了一个双向DC/DC变换器。该变换器的使用放宽了动力系统对辅助动力装置电压等级的要求。使得辅助动力装置的电压不必再与母线电压等级相吻合，因而便于辅助动力装置设计的小型化。另外，也使得对辅助动力装置充放电的控制更加灵活、易于实现。由于双向DC/DC变换器可以较好地控制辅助动力装置的电压或电流，因此它还是系统控制策略的执行部件。图3直接燃料电池混合动力系统的问题主要在于燃料电池系统和电机系统之间的电压和功率匹配方面。图4中的曲线显示了燃料电池系统和电机系统在电压-功率特性方面的差异，这两条曲线是根据实际的台架试验结果绘制的。图4燃料电池系统和电机系统的电压-功率特性从图4可以看出，在直接燃料电池混和动力系统中，燃料电池和电机系统的电压匹配不可避免地存在矛盾：如果母线电压过低，电机系统将不能充分发挥它的功率输出能力，进而束缚了燃料电池最大功率输出能力的发挥；而母线电压比较高即电机可以发挥最大功率输出能力的时候，燃料电池则由于电压太高而输出功率较小。2、间接燃料电池混和动力系统图5给出了一种典型的间接燃料电池混和动力系统的结构。燃料电池和电机控制器之间使用了一个DC/DC变换器，燃料电池的端电压通过DC/DC变换器的升压来与系统直、流母线的电压等级进行匹配，因此系统直流母线的电压与燃料电池功率输出能力之间不再有耦合关系；而DC/DC变换器可将直流母线的电压维持在最适宜电机系统工作的电压点（或范围）。图5在图5所示的动力系统结构中，DC/DC变换器采取恒压控制方式。只要燃料电池电压不下降至Vfc-pro,母线电压将一直维持在一个适于电机驱动系统工作的电压水平。当燃料电池输出电压下降到Vfc-pro时，燃料电池电压输出功率需要限制，此时，DC/DC变换器将输出电压跟随辅助动力装置的端电压,这样使得燃料电池的输出功率缺额主要由辅助动力装置来补充。如果动力系统的功率需求继续增加，燃料电池工作电压将会继续下降，下降至Vfc-min时就不允许继续下降了，否则可能对燃料电池特性造成严重破坏。此时,DC/DC变换器将其输入电压（即燃料电池电压）箝位在Vfc-min,燃料电池输出功率不再增加，需求功率差额全部由辅助动力装置来补充。二、燃料电池混合动力系统的相关技术要点1、能量和功率动力系统中能量源的容量直接影响车辆一次加氢后的续驶里程。燃料电池的能量容量取决于车载储氢装置的体积大小，其更大的能量容量意味着要使用更笨重的储氢装置；辅助动力装置也是一样。因此，燃料电池系统的能量容量并不是越大越好，而应根据车辆运行的工况来合理地确定。对于辅助动力装置，蓄电池相对超级电容能为系统提供更充足的能量补充，而从功率辅助效果的角度考虑，超级电容则是更为理想的选择，因为它具有大电流迅速充、放电的优良性能。另外，DC/DC变换器功率范围必须能够完全覆盖燃料电池和辅助动力装置的功率范围，电机驱动系统也必须有足够的能力输出动力源装置的最大总功率。2、效率对整个动力系统总体运行效率影响最大的部件是燃料电池。图6显．示了一个60kW燃料电池堆的效率-功率曲线。为了提高整个系统的效率，能量分配策略必须使燃料电池尽可能工作在高效率区：当驱动系统需求的动力太小时，燃料电池可以通过在驱动电动系统的同时向辅助动力装置充电的方式来避免低功率输出的低效运行；而当驱动系统要求的动力过高时，则使辅助动力装置释放它的功率以帮助燃料电池避开高功率输出的低效区。图660千瓦电池燃料堆的效率3、母线电压动力系统的直流母线电压必须适应电机驱动系统的工作特性。电机的外特性一般会随着直流母线电压情况变化。基本上输人电压越高，电机的工作范围越大，因此电力母线的电压必须足够高以确保电机能提供汽车需要的扭矩。4、DC/DC变换器燃料电池混和动力系统中的DC/DC变换器包括双向DC/DC变换器和升压DC/DC变换器两种。双向DC/DC变换器用于控制从辅助动力装置到电力母线的能量流动，其功率容量要与辅助动力装置相适合，同时必须有快速的动态响应特性。间接燃料电池动力系统中的升压DC/DC变换器用于控制从燃料电池到电机驱动系统和辅助动力装置的功率流，因此它要具备足够的容量来转换燃料电池堆的最大功率。在这两类动力系统结构中，DC/DC变换器的一个最重要的功能就是分配燃料电池和辅助动力装置之间的功率流。DC/DC变换器在系统中的位置决定了燃料电池还是辅助动力装置为主要的控制对象，DC/DC变换器是系统中关键的控制单元。