無DC/DC 轉換器的氫燃料電池混合動力汽車

常見的氫燃料電池類型為質子交換膜氫燃料電池，但是該類型的燃料電池在汽車工作狀態(tài)出現(xiàn)劇烈變化時會產(chǎn)生質子交換膜性能衰退，降低氫燃料電池汽車的耐久性。因此，常結合電能存儲裝置（鋰電池或鉛酸電池）與氫燃料電池形成混合動力結構，提高氫燃料電池汽車的耐久性。電能存儲裝置電壓與氫燃料電池電壓之間存在差異，為了同時驅動電機運行，需要采用直流/直流（DC/DC）轉換器對氫燃料電池電壓進行轉換調節(jié)。使用DC/DC轉換器不僅使氫燃料電池汽車的成本增加，而且在電壓的轉換過程中會造成約20%的電能損耗。因而，需要尋求能夠消除使用DC/DC轉換器的方法，用于氫燃料電池混合動力汽車的開發(fā)過程中。

消除DC/DC轉換器的主要目的是確定出不同條件下氫燃料電池與電能存儲裝置的最佳組合形式。利用試驗進行分析時，將額定功率3kW的質子交換膜氫燃料電池與不同形式的電能存儲裝置并聯(lián)連接。氫燃料電池不僅為電機提供功率，而且在需要時還能對電能存儲裝置進行充電，同時電能存儲裝置輔助氫燃料電池的啟動。共選擇3種鉛酸電池形式進行了試驗，分別為4×12V的閥控式鉛酸電池組、16×3.4V的鋰離子電池組以及16×3.4V的閥控式鉛酸電池組。對于每一種組合形式，試驗時首先通過充電或放電操作，將電能存儲裝置的荷電狀態(tài)分別調整到20%、50%、80%和100%；然后啟動氫燃料電池，當其完全啟動后，電能存儲裝置停止向其供能；之后逐漸增加電機負荷，速度為每15s增加50W，并利用設定的能量管理系統(tǒng)對氫燃料電池系統(tǒng)和電能存儲裝置之間的功率分布進行調節(jié)。最后記錄電機、氫燃料電池和電能存儲裝置的電壓、電流和溫度，并進行對比分析。試驗結果顯示：①由于單個商業(yè)化閥控式鉛酸電池的電壓是12V，因此其與3.4V的鋰離子電池單元相比，調節(jié)的靈活性較低，且性能也較低；②采用后兩種組合形式能夠實現(xiàn)對電能存儲裝置的調節(jié)，消除DC/DC轉換器的使用，且16×3.4V鋰離子電池組形式下的穩(wěn)定性和耐久性均最優(yōu)。

刊名：International Journal of Low-Carbon Technologies（英）

刊期：2016年第11期

作者：Kevin Kendall

編譯：李臣