1.3 氫燃料電池汽車的主要系統及關鍵零部件

1.燃料電池系統

燃料電池系統是燃料電池汽車的“心臟”，其性能的好壞直接決定了整車在市場上的競爭力。通常燃料電池系統由燃料電池堆和輔助系統組成，輔助系統包括氫氣子系統、空氣子系統、冷卻子系統等，典型燃料電池系統結構原理如圖1-6所示。

空氣子系統的作用是為燃料電池反應提供所需的氧氣，主要由空氣濾清器、空氣壓縮機、中冷器、加濕器等零部件組成，如圖1-7所示?？諝鉃V清器對空氣中的物理和化學雜質進行過濾，空氣壓縮機對環境空氣進行壓縮，壓縮后的空氣溫度可達到200℃以上，為防止進氣溫度過高而損傷燃料電池堆，需要中冷器對壓縮后的空氣進行冷卻。同時，質子交換膜的電導率與膜的水狀態密切相關，一般采用加濕器對進入電堆的空氣進行加濕處理。

氫氣子系統的作用是為燃料電池反應提供所需的氫氣，主要零部件包括高壓儲氫瓶、減壓閥、氫氣比例閥、氫氣循環泵/引射器、尾氣閥等，如圖1-8所示。氫氣循環泵是氫氣子系統的核心部件，它可以將陽極出口氫氣循環至燃料電池堆陽極入口再次參與反應，有效提高了氫氣利用率，并使得陽極側氫氣分配更加均勻，同時帶走從陰極滲透至陽極的液態水。氫氣噴射器也可作為氫氣循環動力器件之一，主要利用射流使不同壓力流體相互混合，來傳遞能量和質量。

如圖1-9所示，熱管理子系統的作用是維持燃料電池堆和輔助部件在正常運行溫度范圍內，主要分為主散熱回路和輔助散熱回路。主散熱回路對燃料電池堆進行冷卻，若燃料電池堆冷卻不充分，溫度升高超過理想運行溫度上限，將影響整個系統的性能。除了需要對燃料電池堆進行冷卻外，空壓機和DC/DC變換器等輔助零部件也需要冷卻，但與主散熱回路相比，輔助散熱回路所需流量較小，因此對水泵揚程和流量的要求較低。

質子交換膜燃料電池因具有工作溫度低、動態響應快、冷啟動速度快等優點，被廣泛應用于燃料電池汽車。為滿足整車的電壓和功率需求，通常將多個燃料電池單體以串聯方式層疊組合，構成燃料電池堆，燃料電池堆反應所需的氣體、溫度的調節均由上述子系統控制，同時，為確保燃料電池堆運行狀態的安全性和可靠性，需配置電壓巡檢裝置（Cell Voltage Monitor, CVM），監測各單體電池的工作狀態。

2.車載儲氫系統

車載儲氫系統是燃料電池汽車的重要組成部分，包括高壓儲氫瓶、安全閥、泄壓閥、減壓閥、溫度傳感器、壓力傳感器、管路、高壓接頭、電磁閥、碰撞傳感器等零部件，結構如圖1-10所示。車載儲氫系統可根據氫氣存儲形式分為高壓氣態儲氫系統、液態儲氫系統、固態儲氫系統等。其中，高壓氣態儲氫是將氫氣直接壓縮，以高密度氣態形式存儲，具有成本低、充放氫速度快等優點，是發展最成熟的儲氫技術，也是目前車載儲氫應用最廣泛的方法。

高壓儲氫氣瓶是壓縮氫廣泛使用的關鍵技術，隨著應用需求的不斷提高，輕質高壓是高壓儲氫氣瓶發展的不懈追求。目前，高壓儲氫瓶主要分為全金屬氣瓶（Ⅰ型）、金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶（Ⅱ型）、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅲ型）、非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅳ型）。其中，因為Ⅰ型瓶和Ⅱ型瓶重容比大，儲存密度較低，不適合用作氣瓶；Ⅲ和Ⅳ型瓶由于采用了輕質、高強度的纖維，不僅有效減輕了氣瓶的質量，還能夠承受更高的壓力，因而被廣泛用作儲氫氣瓶。國內車載儲氫瓶多為Ⅲ型氣瓶，Ⅳ型氣瓶目前仍處于研發和小批量試制階段，而國外車載儲氫瓶多為Ⅳ型氣瓶。國內外車載儲氫氣瓶（Ⅲ/Ⅳ型）由內至外包括內襯層、復合材料層、外殼保護層，如圖1-11所示。國內內襯材料多選用鋁合金，國外則多選用特種塑料；內層之外又稱為復合材料層，一般分為兩層，內層為碳纖維纏繞層，一般是由碳纖維和環氧樹脂構成；外層為玻璃纖維保護層，一般是由玻璃纖維和環氧樹脂構成。兩層均是由纏繞工藝制作而成，通過對環氧樹脂加熱固化，以保證氣瓶強度。

3.驅動系統

與混合動力汽車相比，燃料電池車使用單一電能源，驅動系統也被稱為電驅動系統，大大減少了汽車內部機械傳動系統，結構更簡化，也降低了機械部件摩擦導致的能量損耗及噪聲，節省了汽車內部空間、重量。電驅動系統一般由驅動電機、電機控制器、傳動裝置、電子駐車控制單元等組成。其中，驅動電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換，一種是在電機繞組內通以電流來產生磁場，另一種是由永磁體來產生磁場。電機控制器采用了通過對脈沖寬度進行調制的PWM控制技術，將電池直流電壓轉化為電機所需的幅值、頻率可調的三相對稱交流電壓。

目前，常見的驅動電機有直流有刷電機、交流異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機四類，國內燃料電池汽車配套電機以交流異步電機和永磁同步電機為主，圖1-12為永磁同步電機結構示意圖。由于永磁同步電機具有功率密度高、體積小、重量輕、效率高、功率因數高、恒功率調速范圍寬、振動噪聲小、轉動慣量小、動態性能好、可靠性高等優點，逐漸成為主流技術方案。

4.可充電儲能系統（Rechargable Energy Storage System, REESS）

由于燃料電池相對二次電池較軟的輸出特性，采用燃料電池與輔助電源構成的復合動力系統是現階段氫燃料電池汽車動力系統的主流趨勢。氫燃料電池汽車啟動過程中，燃料電池輸出尚未穩定，動力系統及整車各子系統中的控制、檢測等電路都由REESS供電，待燃料電池電壓正常輸出后，可切斷REESS的電能供應，并可以給REESS反向充電。

目前常見的可充電儲能元件有鎳氫電池、鋰離子電池和超級電容等，如圖1-13所示。當使用鋰離子電池作為REESS時，應配有電池管理系統（Battery Management System, BMS）對電池進行有效管理，以確保電池工作在合理的電壓、電流、溫度范圍內。BMS主要功能包括數據采集、數據顯示、荷電狀態（State of Charge, SOC）、健康狀態（State of Health, SOH）和功率狀態（State of Power, SOP）等核心狀態估計、熱管理、數據通信、安全管理、能量管理和故障診斷等，其中能量管理還包含了電池電量均衡功能及充電管理功能等。