問朋朋，黃鋒，何艷虎

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院，浙江 湖州 313000）

氫電混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置研究

問朋朋，黃鋒，何艷虎

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院，浙江 湖州 313000）

隨著能源危機(jī)和環(huán)境惡化，汽車工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展受到極大的挑戰(zhàn)，發(fā)展新能源汽車成為未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向。氫電混合動(dòng)力車是一種新能源車，其動(dòng)力系統(tǒng)的性能對(duì)汽車的整體性能起著至關(guān)重要的作用，為了更好地實(shí)現(xiàn)其性能，對(duì)其結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行研究很有必要。通過與傳統(tǒng)汽車、油電混合動(dòng)力車以及純?nèi)剂想姵剀嚨膭?dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，研究了氫電混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)；并詳細(xì)研究了動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置及其特點(diǎn)和各自適合的工況條件。通過以上的研究，為后續(xù)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置的選擇提供了參考，并指出了其未來發(fā)展的方向。

氫電混合動(dòng)力車；動(dòng)力系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)布置

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-52-03

前言

油電混合動(dòng)力車是一種新能源車，其環(huán)保性能優(yōu)于傳統(tǒng)汽車，它提高了燃油利用率，減少了污染物的排放，但它仍然存在廢氣排放，仍然會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還不是真正意義上的環(huán)保車。而氫電混合動(dòng)力車則是一種環(huán)保車，它繼承了傳統(tǒng)汽車的許多優(yōu)良性能，如高速度、加速性能、長距離行駛以及安全舒適等，同時(shí)克服了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短、充電時(shí)間長的缺點(diǎn)，而且適應(yīng)了當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求，從而成為各國研發(fā)的熱點(diǎn)。正是由于氫電混合動(dòng)力車具有上述諸多優(yōu)勢(shì)，而且它與傳統(tǒng)汽車相比最大的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)力系統(tǒng)，因此對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)一步研究很有必要。

通過與傳統(tǒng)汽車、油電混合動(dòng)力車以及純?nèi)剂想姵剀嚨膭?dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，介紹了氫電混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)；并詳細(xì)介紹了動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置及其特點(diǎn)和各自適合的工況條件。

1、氫電混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，當(dāng)前普遍使用的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)存在種種弊病，燃油利用率低，在市區(qū)更低，更為嚴(yán)重的是排放的廢氣會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。隨著世界各國環(huán)保呼聲的日益高漲，各種各樣的電動(dòng)汽車脫穎而出，雖然人們普遍認(rèn)為未來是電動(dòng)汽車的天下，但是目前的電池技術(shù)問題阻礙了電動(dòng)汽車的應(yīng)用?；诖朔N情形，工程師們開發(fā)了一種混合動(dòng)力車（Hybrid Electric Vehicels，HEV），即油電混合動(dòng)力車。這種混合動(dòng)力車的混合動(dòng)力裝置是將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)盡量做小，讓一部分動(dòng)力由動(dòng)力電池-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)，這樣既發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長，動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)，又可以發(fā)揮電動(dòng)機(jī)無污染、低噪聲的好處，二者“并肩作戰(zhàn)”，取長補(bǔ)短，燃料利用率得到提高，廢氣排放得到改善。

與傳統(tǒng)汽車相比，油電混合動(dòng)力車已經(jīng)在環(huán)保和提高燃料利用率方面取得了一定成果，但是還不能從根本上解決環(huán)保和化石能源危機(jī)問題，燃料電池車則能從根本上解決這兩個(gè)問題。燃料電池汽車示范運(yùn)行證明[1,2]：燃料電池車發(fā)展的方向應(yīng)該是氫電混合動(dòng)力系統(tǒng)，為了便于與油電混合動(dòng)力車進(jìn)行對(duì)比區(qū)分，由此系統(tǒng)構(gòu)成的汽車我們稱之為氫電混合動(dòng)力車。這種氫電混合動(dòng)力系統(tǒng)主要是由燃料電池系統(tǒng)（主要是由燃料電池堆棧、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)和水熱管理系統(tǒng)組成）、蓄電系統(tǒng)（蓄電池/超級(jí)電容）、電動(dòng)機(jī)（交流電機(jī)/輪轂電機(jī)）、功率變換器（DC/DC變換器和DC/AC變換器）和控制器組成。

與傳統(tǒng)汽車、油電混合動(dòng)力車以及純?nèi)剂想姵剀嚨膭?dòng)力系統(tǒng)相比，氫電混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)是[3]：

（1）采用的是燃料電池系統(tǒng)和蓄電系統(tǒng)雙動(dòng)力源，兩者不但可以獨(dú)自驅(qū)動(dòng)車輛行駛，而且可以共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛；

（2）采用的是純電驅(qū)動(dòng)模式，動(dòng)力傳輸采用的是電線，取代了傳統(tǒng)的剛性機(jī)械傳動(dòng)，易于布置。

（3）再生制動(dòng)能力可以使得能量損失減至最小，并且可以回收減速或者停車的能量；

（4）蓄電系統(tǒng)的造價(jià)要比燃料電池系統(tǒng)低得多，從而降低了整車成本；

（5）燃料電池系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)，燃料利用率得到顯著提高；

（6）在啟動(dòng)加速時(shí)，能提供更大的瞬時(shí)輸出功率；

（7）排放大大減低，接近零污染。

此外，氫電混合動(dòng)力車還可以做成Plug-in的形式，在停車時(shí)可以對(duì)蓄電系統(tǒng)進(jìn)行充電，這樣既延長了行駛里程又減少了氫的用量及成本。

2、氫電混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置

氫電混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)按照能量合成的形式主要分為串聯(lián)式（SHEV，如圖1）、并聯(lián)式（PHEV，如圖2）和混聯(lián)式（PSHEV，如圖3）三種[4-14]：

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式是相對(duì)比較簡單的一種驅(qū)動(dòng)方式，它的形式與純電動(dòng)汽車比較類似，它主要是由燃料電池系統(tǒng)、蓄電系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器和控制器等部件以串聯(lián)的方式組成SHEV的動(dòng)力單元系統(tǒng)。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式中，燃料電池系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能通過功率轉(zhuǎn)化裝置給蓄電系統(tǒng)充電，它不直接參與驅(qū)動(dòng)，與純電動(dòng)汽車相同的是由蓄電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，而燃料電池什么時(shí)候用來充電且充電的電流大小都由整車控制器來控制。當(dāng)車輛處于如啟動(dòng)、加速、爬坡的工況時(shí)，燃料電池和蓄電系統(tǒng)共同向電動(dòng)機(jī)提供電能；當(dāng)車輛處于低速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由蓄電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由燃料電池向蓄電系統(tǒng)充電。這種串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)形式不管在什么工況下，最終都要由電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輪。串聯(lián)式適用于市內(nèi)常見的頻繁起步、加速和低速運(yùn)行的工況，可以使燃料電池在最佳工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。在蓄電系統(tǒng)電能較高時(shí)還可以關(guān)閉燃料電池，只利用蓄電系統(tǒng)進(jìn)行功率輸出，使燃料電池避免了怠速和低速運(yùn)行工況，提高了燃料電池的效率。但是串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性還有待提高。

串聯(lián)式的主要性能特點(diǎn)：

（1）燃料電池始終在高效工作區(qū)域內(nèi)工作，提高了燃料電池的效率以及氫燃料的利用率；

（2）整車系統(tǒng)能量損耗較大。由于串聯(lián)式的中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)比較多，導(dǎo)致能量流失較多。當(dāng)燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋㈦妱?dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、蓄電系統(tǒng)的充放電這些過程都有能量損失，最終燃料電池輸出的能量利用率比較低。

（3）結(jié)構(gòu)布置相對(duì)簡單靈活。單從總體結(jié)構(gòu)上看，其結(jié)構(gòu)方面更加趨近于純電動(dòng)汽車，整車的結(jié)構(gòu)布置自由度較大。

（4）耗費(fèi)成本較高。對(duì)于氫電混合動(dòng)力車，由于需要大功率電機(jī)，這就需要蓄電池/超級(jí)電容的容量也要相對(duì)增加，所需要的蓄電池/超級(jí)電容數(shù)量增加，導(dǎo)致重量和成本增高。

并聯(lián)式在結(jié)構(gòu)和布置上比串聯(lián)要復(fù)雜些，實(shí)現(xiàn)形式也趨多樣化：當(dāng)車輛運(yùn)行工況所需的功率超過了燃料電池系統(tǒng)的功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)從蓄電系統(tǒng)取得額外的驅(qū)動(dòng)功率來驅(qū)動(dòng)車輪；當(dāng)燃料電池系統(tǒng)的功率超過了車輛運(yùn)行工況所需的功率時(shí)，控制器控制燃料電池系統(tǒng)向蓄電系統(tǒng)充電，使電池的電能恢復(fù)到設(shè)定值，以保證混合驅(qū)動(dòng)模式下的續(xù)駛里程。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)有燃料電池系統(tǒng)和蓄電系統(tǒng)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)與蓄電系統(tǒng)并聯(lián)，蓄電系統(tǒng)與燃料電池系統(tǒng)可分開工作也可一起協(xié)凋工作共同驅(qū)動(dòng)車輪，而且燃料電池系統(tǒng)可以作為發(fā)

電機(jī)向蓄電系統(tǒng)充電。在車輛行駛時(shí)，以燃料電池系統(tǒng)為主要?jiǎng)恿υ矗辉谲囕v起步或加速時(shí)則使用蓄電系統(tǒng)作為輔助動(dòng)力源。當(dāng)燃料電池處于效率低的低負(fù)荷工況時(shí)，則由燃料電池向蓄電系統(tǒng)充電。其次，在車輛制動(dòng)或下坡減速行駛時(shí)，則通過制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)能量回收，向蓄電系統(tǒng)充電。而車輛停止時(shí)，使燃料電池停止運(yùn)轉(zhuǎn)，以限制能量消耗。并聯(lián)式氫電混合動(dòng)力車可以在比較復(fù)雜的工況下使用，應(yīng)用范圍比較廣，但是對(duì)燃料電池工作狀態(tài)的優(yōu)化和對(duì)能量系統(tǒng)的管理則提出了更高的要求。并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適合于車輛在中、高速穩(wěn)定行駛的工況，所以并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較適合在城市間道路和高速公路上行駛，工況穩(wěn)定，可以提高燃料電池系統(tǒng)的效率。

并聯(lián)式的主要性能特點(diǎn)：

（1）與串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)可以通過電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，其能量的利用率要高一些，這決定了并聯(lián)式的燃料經(jīng)濟(jì)性一般比串聯(lián)的要高；

（2）并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙驅(qū)動(dòng)，燃料電池系統(tǒng)和蓄電系統(tǒng)都可以單獨(dú)通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，也可以共同驅(qū)動(dòng)車輪；

（3）控制策略比較復(fù)雜。

混聯(lián)式的結(jié)構(gòu)形式和控制方式結(jié)合了串并聯(lián)的特點(diǎn)。它把混合動(dòng)力的優(yōu)化思想發(fā)揮的最全面，它對(duì)燃料電池系統(tǒng)、蓄電系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)三大動(dòng)力部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配，以保證復(fù)雜工況下系統(tǒng)工作的最優(yōu)化。在車輛低速工況行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作為主；當(dāng)車輛高速穩(wěn)定工況行駛時(shí)，則以并聯(lián)工作方式為主。這樣能更好的提高燃料經(jīng)濟(jì)性。工作時(shí)，利用動(dòng)力分配器分配燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)力：一方面直接驅(qū)動(dòng)車輪，另一方面自主地控制向蓄電系統(tǒng)充電。整車控制器根據(jù)電門的檔位，負(fù)責(zé)燃料電池系統(tǒng)用于充電和驅(qū)動(dòng)的比例分配，電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控蓄電系統(tǒng)電流，當(dāng)蓄電系統(tǒng)電量下降時(shí)，由燃料電池系統(tǒng)為蓄電系統(tǒng)充電。

混聯(lián)式的主要性能特點(diǎn)：

（1）性能較佳，適合多種復(fù)雜工況，燃料經(jīng)濟(jì)性好，可以自身充電，續(xù)駛里程高。

（2）成本高，控制系統(tǒng)技術(shù)含量高，控制元器件價(jià)格高，整車價(jià)格高。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整車布置困難，這給制造帶來考驗(yàn)。

3、結(jié)語

油電混合動(dòng)力車適應(yīng)了現(xiàn)階段能源和環(huán)境方面的需求，但從長遠(yuǎn)來看，化石能源的儲(chǔ)量有限，隨著世界汽車保有量的增長，將不能滿足汽車消費(fèi)的燃料需求。而氫電混合動(dòng)力車由于其具有很多優(yōu)勢(shì)，能夠從根本上解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，因此會(huì)成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的主流方向。

通過對(duì)氫電混合動(dòng)力車的三種主要的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置各方面進(jìn)行綜合分析和研究，以及現(xiàn)階段燃料電池車的示范運(yùn)行主要是在公共交通領(lǐng)域，與并聯(lián)式相比，串聯(lián)式的成本低以及控制策略比較簡單，因此串聯(lián)式的氫電混合動(dòng)力車更加適合目前的實(shí)際情況；當(dāng)然，隨著燃料電池車商業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，并聯(lián)式和混聯(lián)式將會(huì)成為未來發(fā)展的方向。

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Research of architectures for hydrogen electric hybrid vehicle powertrain

Wen Pengpeng, Huang Feng, He Yanhu
（Electrical and mechanical engineering branch of Huzhou Vocational and Technical College, Zhejiang Huzhou 313000）

With the energy crisis and environmental degradation, the further development of the auto industry suffers great challenges and developing new energy vehicles becomes the future development direction of the automobile industry. Hydrogen Electric Hybrid Vehicles are a kind of new energy vehicles. Its performances of powertrain are crucial to the overall performance of automobiles. It is necessary to study the architectures of powertrain in order to realize its performances preferably. The trait and composition of fuel cell Hydrogen Electric Hybrid Vehicles are researched compared with the powertrain of traditional automobiles, hybrid electric vehicles and pure fuel cell vehicles. Then the architectures of powertrain and the trait of architectures and their respective suitable conditions are researched. The above-mentioned researches provide

for the selection of architectures of powertrain, and the direction of future development is indicated.

Hydrogen Electric Hybrid Vehicles; powertrain; architectures

U461.2

A

1671-7988(2014)09-52-03

問朋朋，碩士研究生，就讀于湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌潢P(guān)鍵技術(shù)。

湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)規(guī)劃課題（2014JS05）。