倪紅軍，呂帥帥，陳青青，裴 一

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通226019)

氫電混合燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)研究進(jìn)展

倪紅軍，呂帥帥，陳青青，裴 一

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通226019)

零排放和高效率的燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)是人類(lèi)“可持續(xù)移動(dòng)”的最理想解決方案。介紹了一種氫燃料電池-鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)；討論了車(chē)用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能源效率的影響因素及提高動(dòng)力系統(tǒng)效率的途徑，總結(jié)了氫燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

氫氣；燃料電池；鋰離子電池；動(dòng)力系統(tǒng)

隨著全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的兩大突出問(wèn)題[1]。為尋求人類(lèi)社會(huì)與汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，燃料電池汽車(chē)是公認(rèn)的可同時(shí)解決能源和環(huán)境問(wèn)題的綠色環(huán)保車(chē)，也被認(rèn)為是電動(dòng)汽車(chē)的最終選擇，是今后汽車(chē)發(fā)展的主要方向之一[2-3]。然而，受儲(chǔ)氫系統(tǒng)技術(shù)、成本、壽命和可靠性等諸多因素的制約，使得純?nèi)剂想姵仄?chē)很難真正市場(chǎng)化運(yùn)行[4]。針對(duì)汽車(chē)的起動(dòng)需要輸出較大的功率、瞬態(tài)響應(yīng)特性、燃料電池系統(tǒng)的成本等目前純?nèi)剂想姵仄?chē)需要解決的一系列問(wèn)題，世界各國(guó)汽車(chē)制造商開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)到燃料電池與其它動(dòng)力源的混合動(dòng)力汽車(chē)[5]。通常采用蓄電池(如氫鎳、鉛酸及鋰離子電池等)或者超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源和燃料電池并聯(lián)，共同為汽車(chē)提供能量。這種混合燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，可使其輸出功率有效地降低，及提高了整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)態(tài)性。

1 燃料電池-鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

如圖1所示燃料電池—鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)包括電機(jī)控制系統(tǒng)，由燃料電池、燃料電池監(jiān)測(cè)控制裝置、燃料電池輔助設(shè)備組成的燃料電池子系統(tǒng)，由鋰離子電池組和鋰離子電池控制裝置系統(tǒng)組成了鋰電池子系統(tǒng)，由充電控制器、繼電器、可控硅、DC/DC變換器構(gòu)成的充電控制子系統(tǒng)，以及智能混合電源管理系統(tǒng)[6]。

圖1 燃料電池-鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

燃料電池—鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)充分結(jié)合了鋰離子電池和燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，從而提高動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性、延長(zhǎng)燃料電池和鋰離子電池的使用壽命，同時(shí)可滿(mǎn)足汽車(chē)能量回收等方面的要求[7-9]。

在該混合動(dòng)力系統(tǒng)中，燃料電池作為主要?jiǎng)恿υ?，鋰離子動(dòng)力電池組作為輔助動(dòng)力源。汽車(chē)運(yùn)行時(shí)主要采用燃料電池系統(tǒng)提供電力；鋰離子動(dòng)力電池主要起調(diào)峰、增容、回收能量的作用。當(dāng)汽車(chē)加速、上坡時(shí)，鋰離子電池作為輔助電源提供電力；當(dāng)汽車(chē)下坡、減速時(shí)，鋰離子電池組回收燃料電池的富余電能；該混合動(dòng)力系統(tǒng)還可通過(guò)兩種電池同時(shí)工作的方式，提高汽車(chē)的續(xù)航里程和能量容量，其中燃料電池堆的最大可輸出功率與鋰離子電池組的最大可輸出功率之比為1∶0.1～1∶0.7[4,6,9]。

2 氫燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)研究狀況

2.1 國(guó)內(nèi)氫燃料電池車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

上海汽車(chē)自主研發(fā)“上海牌”燃料電池汽車(chē)，采用高功率燃料電池和動(dòng)力鋰電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用35 MPa高壓儲(chǔ)氧瓶。由于采用穩(wěn)定安全的鋰電池，榮威350電動(dòng)汽車(chē)具備快充和正常充電功能[10]。

武漢理工大學(xué)與同濟(jì)大學(xué)分別研發(fā)出燃料電池與動(dòng)力蓄電池混合的“楚天一號(hào)”、“超越三號(hào)”、“超越二號(hào)”、“超越一號(hào)”等氫燃料電池車(chē)。

清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)“燃料電池城市客車(chē)”—國(guó)家“863”電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目，其中混合動(dòng)力控制系統(tǒng)是重點(diǎn)研究的核心技術(shù)。清華大學(xué)選用不同的技術(shù)方向(國(guó)產(chǎn)的動(dòng)力系統(tǒng)是小燃料電池加蓄電池而奔馳公司以燃料電池做驅(qū)動(dòng))，開(kāi)發(fā)出“清華ECU”的功率混合型和能量混合型動(dòng)力系統(tǒng)，并且各主要性能指標(biāo)、整車(chē)行駛故障率及制作成本故障率都優(yōu)于國(guó)際水平[10]。

由華南理工大學(xué)與廣州益維電動(dòng)汽車(chē)有限公司共同合作，研發(fā)出“燃料電池—鋰離子電池混合動(dòng)力輕型電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)”，其中燃料電池功率為5 kW，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間大于8 h，無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間大于3 000 h，啟動(dòng)時(shí)間小于1 s。

清能華通與蘇州金龍合作共同研發(fā)生產(chǎn)的氫燃料電池公交車(chē)釆用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力蓄電池混合動(dòng)力源，燃料儲(chǔ)氫瓶置于車(chē)后方，并且可通過(guò)CAN總線(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力蓄電池進(jìn)行優(yōu)化控制。

2.2 國(guó)外氫燃料電池車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

GJ.Offer.D.Howey等分析對(duì)比了氫燃料電池汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)三種新能源汽車(chē)的發(fā)展?jié)摿ΑＷ髡咄ㄟ^(guò)基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)的要求定性比較，以及動(dòng)力系統(tǒng)在超過(guò)160 900 km的生命周期成本占資本及燃料成本的定量比較中得出：氫燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)未來(lái)研究發(fā)展的方向?qū)⒈燃冸妱?dòng)汽車(chē)及燃料電池汽車(chē)具有更高的效率。

Jennifer Bauman通過(guò)在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立DC/DC轉(zhuǎn)換器的模型、燃料電池系統(tǒng)模型、動(dòng)力電池系統(tǒng)模型、超級(jí)電容模型，使燃料電池—?jiǎng)恿﹄姵亍?jí)電容、燃料電池—?jiǎng)恿﹄姵厝N動(dòng)力系統(tǒng)的功率、能量、效率及耐久性在最優(yōu)的情形下進(jìn)行參數(shù)研究。通過(guò)研究指出，燃料電池—?jiǎng)恿﹄姵鼗旌蟿?dòng)力汽車(chē)具有花費(fèi)低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，燃料電池—?jiǎng)恿﹄姵亍?jí)電容混合動(dòng)力汽車(chē)具有更好的燃料經(jīng)濟(jì)性，由于超級(jí)電容具有吸收峰值電流的作用，有效緩解了動(dòng)力電池的壓力，能夠延長(zhǎng)動(dòng)力電池的生命周期。

Deepak J.Frank,Keshav S.Varde[11]通過(guò)PSAT軟件對(duì)一個(gè)PEM燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，并且對(duì)燃料電池和動(dòng)力電池在不同混合度下的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。研究結(jié)果顯示，在高負(fù)載時(shí)，燃料電池的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)短暫的變化，雖然燃料電池的電壓在5 ms后趨于穩(wěn)定，但是電壓變化的特征將會(huì)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的燃料經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響。同時(shí)他們還得出當(dāng)燃料電池的功率在55～75 kW之間時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

3 車(chē)用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能源效率的影響因素

以國(guó)產(chǎn)某500 W氫/空燃料電池為核心構(gòu)建了燃料電池效率測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)[12-13]，根據(jù)燃料電池工作原理及測(cè)試平臺(tái)的性質(zhì)，建立了燃料電池效率與電池功率及反應(yīng)氣流量之間的關(guān)系式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出：當(dāng)反應(yīng)氣壓力較低時(shí)，電池的初始效率也很低。在最大效率點(diǎn)前端，燃料電池效率隨反應(yīng)氣壓力的增加而顯著增大；在最大效率點(diǎn)之后隨著電池輸出功率的增加，反應(yīng)氣體壓力對(duì)電池效率的影響逐漸減??；反應(yīng)氣壓力對(duì)電池的效率影響較顯著，電池效率在最大工作功率的30%以前隨功率的增加而快速增大，達(dá)到最大效率點(diǎn)以后隨著功率增加效率緩慢下降，在達(dá)到最大工作功率約70%～80%以后，下降梯度略有增大。研究還表明：電池溫度和反應(yīng)氣增濕溫度對(duì)燃料電池效率影響較小。

4 結(jié)語(yǔ)

燃料電池汽車(chē)發(fā)展歷程表明，氫電混合燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)是提高燃料電池效率和運(yùn)行壽命的重要途徑。如何降低動(dòng)力型蓄電池、儲(chǔ)氫裝置和燃料電池的制造成本，提高其比能量與比功率，對(duì)于燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化影響巨大。為提高燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率，對(duì)燃料電池的控制應(yīng)根據(jù)其效率變化特性進(jìn)行優(yōu)化，并盡量減少附加功率的消耗；同時(shí)應(yīng)根據(jù)功率需求確定燃料電池和動(dòng)力電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略。此外，對(duì)動(dòng)力電池應(yīng)以小電流充電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制應(yīng)盡量在高效率區(qū)工作；同時(shí)氣體增濕溫度和電池溫度要確定為一個(gè)合理的值，以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)。

[1] 黃明宇，馮小保，厲丹彤，等.基于先進(jìn)車(chē)輛模擬器的小功率氫電混合電動(dòng)車(chē)混合度的仿真研究[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，12(4)：29-33.

[2]馬紫峰.《電動(dòng)汽車(chē)用低成本、高密度蓄電(氫)體系基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究》項(xiàng)目任務(wù)書(shū)[M].北京：國(guó)家科技部，2007.

[3] 魏學(xué)哲.燃料電池轎車(chē)鋰離子動(dòng)力電池管理系統(tǒng)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2005.

[4]馬紫峰，章冬云.氫電混合燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)[J].電源技術(shù)，2008，32(6)：357-360.

[5] 肖華橋.燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2012.

[6] 華南理工大學(xué).一種燃料電池—鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)：中國(guó)，102555765 A[P].2012-07-11.

[7]王平，黃小楓.燃料電池汽車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化[J].上海汽車(chē)，2010(3)：7-11.

[8]辛乃龍.純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池組熱特性分析及仿真研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2012.

[9]虞銘，翁正新.燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)[J].科技信息，2011(10)：106-107.

[10] 孫緒旗.氫燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模仿真[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[11]呂帥帥，汪興興，倪紅軍，等.電動(dòng)汽車(chē)能量管理系統(tǒng)的功能及研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2014，38(2)：386-389.

[12] 張春龍，邵麗華，戴未然.光伏與市電聯(lián)合供電系統(tǒng)的能量管理控制[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，11(3)：5-10.

[13]王金龍，王登峰，陳書(shū)明.車(chē)用燃料電池效率測(cè)試及影響因素[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，35(6)：989-994.

Research progress of power system for hydrogen-electric hybrid fuel cell vehicles

NI Hong-jun,LV Shuai-shuai,CHEN Qing-qing,PEI Yi

Fuel cell hybrid vehicle (FCV)with zero emission and high efficiency is the ideal solution for sustainable mobility in the future.A new type of hydrogen fuel cells-lithium-ion battery hybrid power system was introduced;the energy efficiency factors as well as improvement methods of fuel cell hybrid system were discussed.The research progress of hydrogen fuel cell vehicles power system at home and abroad was summarized.

hydrogen;fuel cell;Li-ion battery;power system

TM 911

A

1002-087 X(2015)04-0855-02

2014-09-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAG02B10）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；江蘇高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工程項(xiàng)目（JHB2012-45）；南通市應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（BK2014052）；南通大學(xué)自然科學(xué)項(xiàng)目（14Z007）

倪紅軍（1965—），男，江蘇省人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)和燃料電池。