1.4.2 電化學電源的復合

在燃料電池發動機啟動發電前，需要外部輔助電源驅動空氣壓縮機提供一定壓力和流量的空氣，當燃料電池發動機可以正常發電時才可以自己提供這部分電能，導致車輛啟動較慢；而車輛加速時，電機可以提供毫秒級別的轉矩響應，而燃料電池的響應速度受制于空氣的供應，不能滿足電機的動態性，導致車輛動態響應較慢。

燃料電池輸出伏安特性較軟意味著其輸出電流增加時，輸出電壓降落很大，如果電堆的輸出直接接到驅動電機逆變器的輸入，則電機逆變器的輸入電壓波動很大，過大的電壓波動將導致逆變器需要更高耐壓的器件，且可能導致電驅動系統效率較低。

另外，由電機學原理可知，驅動電機可以被方便地控制從驅動狀態轉變為再生發電制動狀態運行，所以電動汽車都具有汽車減速或制動時的動能回收功能，即汽車制動減速時可以借助驅動電機處于再生發電狀態產生制動力。與此同時，汽車所具有的動能被驅動電機轉換成電能回饋到電源，而燃料電池的輸出電流不能反向，因此需要配置具有電能儲蓄能力的動力蓄電池或者超級電容，這樣可以通過制動時汽車動能的回收，提高能量利用率，增加續駛里程，改善汽車的燃料經濟性。

綜上所述，需要燃料電池和儲能系統搭配使用，按照儲能系統的不同配置，衍生出不同方案的燃料電池汽車動力系統結構形式，包括儲能采用鎳氫蓄電池、鋰離子電池、超級電容等方案。而目前最成熟、最常用的是采用鋰離子動力蓄電池作為儲能電源。

從系統結構上，目前比較常用的動力系統方案是采用燃料電池通過DC/DC變換器升壓后給儲能電池充電，且DC/DC變換器用電流閉環方式控制，動力蓄電池作為電機控制器的直流輸入。選擇該方案主要考慮到以下幾點。

1）動力總線電壓僅由動力蓄電池確定，而動力蓄電池的端電壓與其荷電狀態（State of Charge，SOC）密切相關，所以只要控制SOC保持基本恒定就可以保證動力總線的電壓處于可接受的范圍之內。

2）由于DC/DC變換器采用恒流源方式控制，則動力總成系統除動力蓄電池外都是可控的，而動力蓄電池可以通過控制DC/DC變換器和電機間接控制，也就是說流經動力蓄電池的電流是可預見的。

3）由于電機采用轉矩閉環控制方式，所以電機也可以看作是一個可控電流源，在保證動力蓄電池SOC基本不變的情況下，電機對功率的需求就是對DC/DC變換器輸出電流的需求。

參照混合動力系統中內燃機動力系統和電機動力系統的混合，燃料電池汽車動力系統中，電源是燃料電池發電系統和儲能電池的復合，按照儲能電池容量的大小及扮演角色的不同，可以分為功率型復合和能量型復合。

在能量型復合中，鋰離子電池容量較大，可以提供相當里程的純電動運行，鋰離子電池既可以外接充電，也可以由燃料電池發電來充電，即在能量型復合的模式下，燃料電池發電系統蛻變成為一個增程器，參照燃油汽車的增程動力系統，控制策略比較簡單。

在功率型復合中，鋰離子電池的容量較小，但功率特性較好，可以快速充電和放電，一般僅需要較短距離的低速純電動運行里程，也不需要外接充電，但需要承擔車輛在加速、減速等變載過程中的動態功率，對功率平衡、能量平衡、電壓平衡的控制要求也比較高。在這種情況下，燃料電池發電系統和鋰離子電池電源系統構成一個動態性能上緊耦合的復合電源，該復合電源控制也需要一個域控制器頂層協調，為驅動電機負載提供一個優化的電源系統。