燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

燃料電池汽車也可以算作電動(dòng)汽車，但你可以在五分鐘內(nèi)給電池灌滿燃料，而不是等上幾個(gè)小時(shí)來充滿電。燃料電池汽車也是電動(dòng)汽車，只不過“電池”是氫氧混合燃料電池。和普通化學(xué)電池相比，燃料電池可以補(bǔ)充燃料，通常是補(bǔ)充氫氣。一些燃料電池能使用甲烷和汽油作為燃料，但通常是限制在電廠和叉車等工業(yè)領(lǐng)域使用。

燃料電池汽車（ FCV） 是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動(dòng)力的汽車。車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的高含氫重整氣。與通常的電動(dòng)汽車比較， 其動(dòng)力方面的不同在于FCV 用的電力來自車載燃料電池裝置， 電動(dòng)汽車所用的電力來自由電網(wǎng)充電的蓄電池。因此， FCV 的關(guān)鍵是燃料電池。

專為車輛使用而設(shè)計(jì)的燃料電池系統(tǒng)，須在重量、體積、功率密度、起動(dòng)和瞬態(tài)響應(yīng)等方面與現(xiàn)今基于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛相類似。同時(shí)其他方面的要求也很高，如快速起動(dòng)、急加速、良好的燃料經(jīng)濟(jì)性、便于檢修以及對(duì)燃料加注的安全處理的考慮。成本和預(yù)期壽命也很重要。

為了使基于燃料電池的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效率、高性能，需要有良好的系統(tǒng)架構(gòu)和控制策略。圖16-7是一介典型的燃料電池汽車系統(tǒng)。燃料（汽油或柴油）在燃料處理器（又稱為重整器）中加工處理，以獲得所需的氫氣作為燃料電池堆的輸入。燃料電池所需的氧氣通常來自外部空氣。在燃料電池堆里，氫氣和氧氣結(jié)合產(chǎn)生直流電和熱。燃料電池堆的輸出電壓由功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，以得到逆變器所需的電壓。逆變器將直流電變換為電壓可變和頻率可變的交流電，供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。蓄電池或超級(jí)電容器通常被接在燃料電池系統(tǒng)上，以提供補(bǔ)充功率和起動(dòng)系統(tǒng)。一個(gè)完整的燃料電池系統(tǒng)由以下部件的一部分組成：

圖16-7 典型的燃料電池汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1）重整器將燃料轉(zhuǎn)化成富含氫氣的氣體。如果直接使用氫氣，那么就需要一個(gè)壓縮氫氣儲(chǔ)罐。

2）燃料電池動(dòng)力部分。由燃料電池堆組成，在其中氫氣和氧化劑混合產(chǎn)生直流電和熱。

3）空氣壓縮機(jī)，它為燃料電池提供加壓的氧氣。

4）冷卻系統(tǒng)，用來保持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟取?/p>

5）水管理系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中的濕度與水分（既要保持燃料電池膜飽和濕度，同時(shí)防止在陰極積水）o

6）功率調(diào)節(jié)器，以調(diào)節(jié)燃料電池堆的輸出電壓。

7）逆變器，將直流電變換為電壓可變和頻率可變的交流電供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

8）驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)裝置。

9）蓄電池和超級(jí)電容器，提供補(bǔ)充功率和起動(dòng)系統(tǒng)。

圖16-8是含有一組蓄電池和一個(gè)功率調(diào)節(jié)器的燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。蓄電池單元和燃料電池堆為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供所需的動(dòng)力。加果動(dòng)力裝置所需的電壓比燃料電池的電壓高，那么功率調(diào)節(jié)器必須把燃料電池堆的電壓提高到大約300V的蓄電池電壓。同時(shí)，功率調(diào)節(jié)器也可為動(dòng)力蓄電池充電。

功率調(diào)節(jié)器功率的選擇是基于燃料電池堆的最大功率容量。在燃料電池堆輸出端需要接一個(gè)二極管，用來防止負(fù)電流進(jìn)入燃料電池堆。如果讓負(fù)電流流人，那么會(huì)導(dǎo)致電池反相和損壞燃料電池堆。功率調(diào)節(jié)器內(nèi)部功率器件的開關(guān)作用所造成的燃料電池堆輸出電流的紋波要比較低。功率調(diào)節(jié)器控制燃料電池堆給負(fù)載提供的輸出功率。功率命令與所需求的功率成正比，除以蓄電池電壓后得到參考電流。參考電流與實(shí)測電流相比較，差值經(jīng)比例積分控制器，得圖16-8

燃料電池轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)到控制功率調(diào)節(jié)器輸出功率的占空比。通過控制燃料電池堆的輸出電流來控制燃料電池的輸出功率。直接控制燃料電池堆的輸出電流是因?yàn)橹卣鞯漠a(chǎn)氫量（在直接以氫氣為燃料的系統(tǒng)中指堆的氫氣輸入量）可以較好地控制，在該控制方案中，在給定壓力和溫度下，燃料電池堆輸出的電流恒定，輸出電壓也是恒定的，從而輸出功率保持不變。因此功率調(diào)節(jié)器的輸出功率也是不變的。

這種方案避免了輸入到燃料電池堆的燃料大幅變化。此外，能保持恒流負(fù)載對(duì)燃料電池運(yùn)行是非常理想的，功率調(diào)節(jié)器的恒功率輸出對(duì)燃料電池混合動(dòng)力汽車的運(yùn)行是最佳的。燃料電池可以被設(shè)計(jì)用于負(fù)荷分擔(dān)式工作或里程延長式工作。里程延長型燃料電池的功率較小，僅給電池充電。蓄電池則要能夠提供全部功率。由于在欠負(fù)荷區(qū)燃料電池單元具有良好的效率特性，使得較小蓄電池與滿功率燃料電池堆組合的系統(tǒng)更具吸引力。然而，如果成本是關(guān)注的主要問題，那么較小的燃料電池和較大的蓄電池組合則是較好的選擇。在這種。隋況下，可以使用固體氧化物燃料電池取代質(zhì)子交換膜燃料電池，燃料電池的起動(dòng)時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間都不成為主要問題。

圖16-9給出了一個(gè)當(dāng)蓄電池組的電壓低于逆變器宜流母線電壓時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖c蓄電池組通過一個(gè)DC7DC變換器連接到逆變器的直流母線上。當(dāng)車輛起動(dòng)時(shí)，蓄電池組通過提高蓄電池組電壓為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。在車輛急加速時(shí)，由燃料電池和蓄電池共同為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。當(dāng)車輛達(dá)到穩(wěn)定速度時(shí)，僅燃料電池就可提供驅(qū)動(dòng)能量（它也為蓄電池充電）。在這種

圖16—9 帶有低壓蓄電池和DC/DC變換器的燃料電池系統(tǒng)

情況下，DC/DC變換器工作在降壓模式，在再生制動(dòng)過程中，蓄電池充電，燃料電池不輸出能量，豐田燃料電池汽車使用了類似的結(jié)構(gòu)。