燃料電池汽車的驅(qū)動系統(tǒng)分析

燃料電池汽車也可以算作電動汽車，但你可以在五分鐘內(nèi)給電池灌滿燃料，而不是等上幾個小時來充滿電。燃料電池汽車也是電動汽車，只不過“電池”是氫氧混合燃料電池。和普通化學(xué)電池相比，燃料電池可以補充燃料，通常是補充氫氣。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。與通常的電動汽車比較， 其動力方面的不同在于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)計的燃料電池系統(tǒng)，須在重量、體積、功率密度、起動和瞬態(tài)響應(yīng)等方面與現(xiàn)今基于內(nèi)燃發(fā)動機的車輛相類似。同時其他方面的要求也很高，如快速起動、急加速、良好的燃料經(jīng)濟性、便于檢修以及對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)動電機。蓄電池或超級電容器通常被接在燃料電池系統(tǒng)上，以提供補充功率和起動系統(tǒng)。一個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，那么就需要一個壓縮氫氣儲罐。

2）燃料電池動力部分。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，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?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)動電機。

8）驅(qū)動電機和傳動裝置。

9）蓄電池和超級電容器，提供補充功率和起動系統(tǒng)。

圖16-8是含有一組蓄電池和一個功率調(diào)節(jié)器的燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)。蓄電池單元和燃料電池堆為驅(qū)動系統(tǒng)提供所需的動力。加果動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，功率調(diào)節(jié)器也可為動力蓄電池充電。

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二極管，用來防止負電流進入燃料電池堆。如果讓負電流流人，那么會導(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為重整器的產(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，能保持恒流負載對燃料電池運行是非常理想的，功率調(diào)節(jié)器的恒功率輸出對燃料電池混合動力汽車的運行是最佳的。燃料電池可以被設(shè)計用于負荷分擔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，燃料電池的起動時間和響應(yīng)時間都不成為主要問題。

圖16-9給出了一個當蓄電池組的電壓低于逆變器宜流母線電壓時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖c蓄電池組通過一個DC7DC變換器連接到逆變器的直流母線上。當車輛起動時，蓄電池組通過提高蓄電池組電壓為驅(qū)動電機供電。在車輛急加速時，由燃料電池和蓄電池共同為驅(qū)動電機供電。當車輛達到穩(wěn)定速度時，僅燃料電池就可提供驅(qū)動能量（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)。