1.2 氫燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)和原理

燃料電池車由四個基本模塊組成：動力系統(tǒng)、底盤、汽車電子系統(tǒng)和車身。動力系統(tǒng)通過燃料電池系統(tǒng)和驅(qū)動電機為汽車提供動力。這種能量來源于氫，氫儲存在車輛的高壓儲氫罐中。燃料電池堆將氫包含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并由電池作為輔助，共同驅(qū)動電機。這與純電動車的原理沒有太大不同，但是燃料電池車的電池容量要小得多。因為純電動車的電池用于儲存驅(qū)動汽車所需的全部能量，而燃料電池車只需使用電池來輔助穩(wěn)定燃料電池的輸出功率：在功率需求較低時吸收額外的電力，在功率需求大時釋放電力。除了動力系統(tǒng)外，車輛的其他部件基本上是相同的。車輛底盤包括傳動、轉(zhuǎn)向、制動和行駛系統(tǒng)。汽車電子系統(tǒng)主要由底盤控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、車輛電子產(chǎn)品，以及傳感器等構(gòu)成。最后，車身包括車身主體、座椅和內(nèi)飾。

燃料電池汽車結(jié)構(gòu)差異主要取決于其動力系統(tǒng)。燃料電池動力系統(tǒng)中的二次儲能裝置可以有多種類型，包括鋰離子電池、鎳氫電池和超級電容等，因此，燃料電池動力系統(tǒng)存在多種構(gòu)型方案。目前常用的燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型包括單一燃料電池、燃料電池+動力電池、燃料電池+超級電容和燃料電池+動力電池+超級電容。

一、單一燃料電池構(gòu)型

單一燃料電池構(gòu)型只包含燃料電池一個動力源，單一燃料電池動力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，包括燃料電池、整車控制器、DC/DC變換器和電機等部件。汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)。燃料電池系統(tǒng)將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的電能傳給驅(qū)動電機，驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能再傳給傳動系統(tǒng)，從而驅(qū)動汽車前進。

二、燃料電池+動力電池構(gòu)型

該種構(gòu)型有多種分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)是否插電可分為插電型和不插電型；根據(jù)配備的燃料電池和動力電池的功率等級的差異，可分為能量混合型和功率混合型；根據(jù)燃料電池是否與直流母線直接連接，可分為直接型和間接型。圖1-3所示為燃料電池+動力電池動力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，包括燃料電池、動力電池、整車控制器、DC/DC變換器和驅(qū)動電機等部件。

1.不插電型和插電型

不插電型燃料電池+動力電池構(gòu)型動力系統(tǒng)中，燃料電池系統(tǒng)為主要動力源，動力電池配合燃料電池系統(tǒng)進行混合驅(qū)動，電能經(jīng)過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)化成機械能傳給傳動系統(tǒng)。加速時，電池組和燃料電池堆共同輸出能量，保證整車的加速性能，由于電池組提供了部分能量，減輕了電池堆瞬時加速時的負(fù)擔(dān)，避免陰極“氧氣饑餓”現(xiàn)象的發(fā)生，可延長電池堆壽命。制動時，電池組回收部分能量，此過程由電池管理系統(tǒng)控制。此構(gòu)型的優(yōu)點是：①燃料電池成本降低；②對電池堆動態(tài)特性及功率要求降低；③啟動容易；④可靠性高。缺點是：①結(jié)構(gòu)復(fù)雜；②緊急制動時的能量回收瞬時電流較高；③動力電池可能會受到一定損傷。

插電型燃料電池+動力電池構(gòu)型與傳統(tǒng)的插電式混合動力汽車類似，該方案有兩種驅(qū)動模式，第一種以動力電池為主要動力來源，動力電池外接充電器可以為動力電池充電；第二種是純?nèi)剂想姵仳?qū)動。此方案一方面能夠發(fā)揮電動汽車低速性能好的特點，解決擁堵造成的車輛起步停車和排放問題；另一方面，適當(dāng)匹配動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠很好地解決氫燃料電池汽車性能、應(yīng)用和成本之間的矛盾。

2.能量混合型和功率混合型

根據(jù)配備的燃料電池和動力電池功率等級的差異，燃料電池+動力電池構(gòu)型可分為能量混合型和功率混合型兩大類。能量混合型燃料電池+動力電池混合驅(qū)動汽車燃料電池功率較小，在車輛行駛過程中，整車部分功率由燃料電池提供，不足部分由動力電池提供。功率混合型燃料電池汽車在車輛行駛過程中，主動力源為燃料電池，動力電池為輔助動力源，動力電池只是在燃料電池啟動、汽車爬坡和加速時提供功率，在汽車制動時能回收制動能量。

（1）能量混合型FCEV的特點

1）燃料電池所提供的功率占整車總需求功率的比例較小。

2）燃料電池只能提供一部分車輛行駛需求功率，不足部分還需其他動力源（如動力電池或超級電容）提供。

3）燃料電池可在系統(tǒng)效率較高的額定功率區(qū)域內(nèi)長時間工作。

4）需要配備較大容量的動力電池，故整車重量增加，動力性變差，整車布置空間緊張。

5）每次運行結(jié)束后，除要加注氫燃料外，還需用地面電源為動力電池充電。

（2）功率混合型FCEV的特點

1）燃料電池所提供的功率占整車總需求功率的比例較大。

2）燃料電池為主動力源，動力電池或超級電容為輔助動力源。

3）車輛行駛需求功率主要由燃料電池提供，動力電池只是在燃料電池啟動、車輛爬坡和加速時提供功率，在車輛制動時回收再生制動能量。

4）可減小動力電池容量，有利于減輕車重，提高車輛動力性。

5）需配備較大功率的燃料電池，故整車成本較高。燃料電池工作狀況隨車輛工況波動較大。

3.直接型和間接型

根據(jù)DC/DC變換器位置的不同，可將動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩大類：直接型燃料電池動力系統(tǒng)和間接型燃料電池動力系統(tǒng)。

直接型燃料電池動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置特點是燃料電池系統(tǒng)與直流母線直接相連，輔助動力源也直接并入動力母線。在此動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輔助動力源的存在可以回收制動能量，提高了整車的經(jīng)濟性，降低了燃料電池的功率需求，減少了成本，同時增加輔助動力源也增加了整車儲存的能量，增加了續(xù)駛里程。但對直接型燃料電池混合動力系統(tǒng)而言，燃料電池系統(tǒng)和驅(qū)動電機系統(tǒng)的電壓匹配存在矛盾：當(dāng)母線電壓過低時，驅(qū)動電機系統(tǒng)的功率輸出能力差，進而影響了燃料電池最大功率輸出能力的發(fā)揮；而母線電壓比較高時，驅(qū)動電機的最大功率輸出能力很好，燃料電池則由于電壓太高而輸出功率較小。

間接型燃料電池動力系統(tǒng)中燃料電池系統(tǒng)通過單向DC/DC變換器并入直流母線，燃料電池的端電壓就可以通過DC/DC變換器的升壓或者降壓，與系統(tǒng)直流母線的電壓進行匹配，從而使燃料電池系統(tǒng)功率輸出與直流母線的電壓之間不存在關(guān)系，同時DC/DC變換器也可將直流母線電壓維持在驅(qū)動電機系統(tǒng)的最佳工作范圍，提高系統(tǒng)效率。

三、燃料電池+超級電容構(gòu)型

燃料電池+超級電容混合驅(qū)動構(gòu)型與燃料電池+動力電池混合驅(qū)動構(gòu)型類似。燃料電池與超級電容聯(lián)合方案如圖1-4所示。它的構(gòu)型特點是把輔助動力電池?fù)Q成了超級電容。在該動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，有燃料電池和超級電容兩個動力源。汽車的功率負(fù)荷由燃料電池和超級電容共同承擔(dān)，即燃料電池和超級電容一起為驅(qū)動電機提供能量，驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)化成機械能傳給傳動系統(tǒng)，從而驅(qū)動汽車前進。考慮到超級電容的能量密度，該構(gòu)型的氫燃料電池汽車大多為功率混合型燃料電池汽車，主動力源為燃料電池，超級電容為輔助動力源，超級電容只是在燃料電池啟動、汽車爬坡和加速時提供功率，在汽車制動時能回收制動能量。

按照電極材料的不同，可以把超級電容分為三類：碳電極雙層超級電容、金屬氧化物超級電容和有機聚合物超級電容。金屬氧化物超級電容的優(yōu)點是比功率很高，但是價格昂貴，主要用于軍事領(lǐng)域；碳材料是商品化超級電容的主要材料，有成本低、單位質(zhì)量表面積大、技術(shù)成熟等優(yōu)點。

四、燃料電池+動力電池+超級電容構(gòu)型

燃料電池、動力電池與超級電容聯(lián)合方案如圖1-5所示。它是在燃料電池與輔助動力電池混合驅(qū)動的FCEV的電壓總線上再并聯(lián)超級電容，用于提供加速或吸收緊急制動的尖峰電流。

三動力源構(gòu)型特點：燃料電池作為車輛的主能量源，通過主DC/DC變換器與逆變器相連，超級電容與雙向DC/DC串聯(lián)，再與動力電池并聯(lián)組成復(fù)合電源，作為車輛的副能量源。燃料電池與復(fù)合電源并聯(lián)共同為車輛提供能量。在這種構(gòu)型中，可以為燃料電池和復(fù)合電源分別設(shè)計控制策略，保證燃料電池能充分發(fā)揮其續(xù)駛里程長的特點，同時保證燃料電池工作在高效區(qū)，其動態(tài)響應(yīng)慢的缺陷能夠通過復(fù)合電源進行調(diào)節(jié)。從復(fù)合電源子系統(tǒng)來看，經(jīng)過超級電容的“削峰填谷”作用，動力電池不會出現(xiàn)大電流的充放電情況，可以提高動力電池壽命。

在這種動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池、動力電池和超級電容一起為驅(qū)動電機提供能量，驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)化成機械能傳給傳動系統(tǒng)，從而驅(qū)動汽車前進。在汽車制動時，驅(qū)動電機變成發(fā)電機，動力電池和超級電容將儲存回饋的能量。燃料電池+動力電池+超級電容混合動力系統(tǒng)與“燃料電池+動力電池”或“燃料電池+超級電容”混合動力系統(tǒng)相比較，具有明顯優(yōu)勢，尤其是在部件效率、動態(tài)特性、制動能量回饋等方面更有優(yōu)勢。此構(gòu)型特點如下：

1）在采用燃料電池、動力電池和超級電容聯(lián)合供能時，燃料電池的能量輸出更為平緩，隨時間變化波動較小。

2）能量需求變化的低頻部分由動力電池承擔(dān)，能量需求變化的高頻部分由超級電容承擔(dān)。各動力源的分工更加明細(xì)，使得它們的優(yōu)勢也得到了更好的發(fā)揮。

3）可以更加充分地回收制動能量。

4）燃料電池+動力電池+超級電容混合動力控制策略開發(fā)難度較大，尤其是在驅(qū)動時，由于能量流動自由度多，為了能夠充分發(fā)揮多能量源系統(tǒng)的輸出優(yōu)勢，并保證整車動力性與經(jīng)濟性，對整車能量管理策略要求較高。