康健健 崔迎濤

(河南科技職業(yè)大學(xué)，河南 周口 466000)

0 前言

目前，世界各國(guó)正面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)，環(huán)境污染也成為各國(guó)面臨的巨大問(wèn)題。交通行業(yè)在為人們出行帶來(lái)便利的同時(shí)，也是產(chǎn)生溫室氣體及有害氣體，因此針對(duì)車用能源的轉(zhuǎn)型迫在眉睫。燃料電池汽車具有噪聲低、有害氣體排放少和污染小等優(yōu)點(diǎn)，是有效解決交通行業(yè)污染問(wèn)題的重要途徑之一，有著良好的發(fā)展前景。但燃料電池仍存在功率小、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，在使用時(shí)還需要采用動(dòng)力電池等輔助能量源來(lái)進(jìn)行支持。因此，燃料電池組件的參數(shù)設(shè)置、能量管理方法及控制器設(shè)計(jì)等方面都會(huì)對(duì)燃料電池汽車的使用性能造成巨大影響[1]。

1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式

純?nèi)剂想姵仄囘\(yùn)行時(shí)需要的所有能源均由燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)提供，燃料電池作為純?nèi)剂想姵仄嚨奈ㄒ粍?dòng)力來(lái)源，直接影響著車輛的性能。與單一燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)不同的是，由燃料電池和蓄電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，可以有效規(guī)避因燃料電池性能不足帶來(lái)的影響[2]。本文分析采用燃料電池和蓄電池共同為車輛提供能量來(lái)源的混合動(dòng)力系統(tǒng)。

2 燃料電池汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)部件選型

2.1 燃料電池的類型選擇

燃料電池的發(fā)電原理是將氧化劑中的化學(xué)能和氫能轉(zhuǎn)化成電能。通過(guò)以氫為陽(yáng)極、以氧為陰極的結(jié)構(gòu)和外電路相連，燃料電池即可對(duì)外輸出電能。通常，會(huì)根據(jù)電解質(zhì)的類型來(lái)對(duì)燃料電池進(jìn)行分類，本文所研究的車輛主動(dòng)力源采用質(zhì)子交換膜燃料電池。該類燃料電池通常會(huì)在60～80 ℃的溫度下工作，以氫為陽(yáng)極，以氧為陰極，燃料采用氫氣，氧化劑采用氧氣或空氣，催化劑一般采用鉑，電解質(zhì)采用有機(jī)膜形式，該類有機(jī)膜是一種可傳遞質(zhì)子的固體。

2.2 蓄電池的類型選擇

當(dāng)汽車所需要的驅(qū)動(dòng)功率較大時(shí)，應(yīng)為汽車配備輔助能量源，才能滿足汽車在加速、啟動(dòng)等特殊狀況下的能量需求。同樣，在低速、減速等運(yùn)行狀況下，汽車還可以將剩余的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，進(jìn)而達(dá)到提升系統(tǒng)能量效率的效果。所以，蓄電池的類型會(huì)對(duì)車輛性能產(chǎn)生直接影響。

目前，人們最為熟知和認(rèn)可的蓄電池是鋰離子電池。與其他蓄電池相比，鋰離子電池具有功率大、能量比高、電壓高、體積小、容量大、質(zhì)量小等眾多優(yōu)點(diǎn)[3]。但鋰離子電池也存在著一些較為明顯的缺陷，如鋰離子電池的價(jià)格偏高、電池的內(nèi)阻偏高等。其中，由于鋰離子電池的內(nèi)阻過(guò)高，在工作電流較大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池的溫度過(guò)高，從而引起電池爆炸。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，通常需要為鋰離子電池配備額外的保護(hù)電路，這導(dǎo)致鋰離子電池的整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，且成本也會(huì)隨之增加?；谝陨戏治?，本文所研究的燃料電池汽車的輔助能源選擇了技術(shù)較為成熟、能量密度較高，且功率較大的鋰離子電池。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型選擇

用于燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具備如下幾個(gè)基本特性：可靠性、耐久性、適應(yīng)性及靜音性。此外，為了使車輛適應(yīng)實(shí)際使用過(guò)程中所遇到的行駛環(huán)境，燃料電池的驅(qū)動(dòng)電機(jī)還應(yīng)具備在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的功能。在車輛啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)還應(yīng)具備較大的轉(zhuǎn)矩。

永磁電機(jī)是一種被廣泛接受和使用的電機(jī)。應(yīng)用最廣泛的永磁電機(jī)主要有4種[4]，分別是永磁直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、永磁無(wú)刷直流電機(jī)及永磁混合式電機(jī)，后3種也被籠統(tǒng)地稱為“永磁無(wú)刷電機(jī)”。永磁無(wú)刷電機(jī)是對(duì)永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，取消了傳統(tǒng)直流電機(jī)的換向器和電刷，因此永磁無(wú)刷電機(jī)的性能和使用效果都優(yōu)于傳統(tǒng)直流電機(jī)。同時(shí)，永磁無(wú)刷電機(jī)使用了無(wú)繞組和勵(lì)磁的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度和效率得到了較大提升，同時(shí)也減小了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的質(zhì)量和體積。但是永磁材料的價(jià)格高昂，永磁無(wú)刷電機(jī)制造工藝、過(guò)程相對(duì)繁瑣和復(fù)雜，運(yùn)行狀況不穩(wěn)定。當(dāng)需要永磁無(wú)刷電機(jī)提供較大功率時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)功率不足的現(xiàn)象。

綜合考慮了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求、成本技術(shù)等各類因素，本文擬采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.4 部件選型結(jié)果

考慮到質(zhì)子交換膜燃料電池具有較低的工作溫度、較高的能量轉(zhuǎn)換效率、較長(zhǎng)的使用壽命和較大的選擇比功率等優(yōu)勢(shì)，本文選用質(zhì)子交換膜燃料電池作為汽車的主動(dòng)力源。同時(shí)，還選擇了具有較高性價(jià)比的鋰離子電池作為汽車的輔助動(dòng)力源，并選擇具有較好性能和較低綜合成本的永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3 燃料電池汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)匹配

對(duì)標(biāo)某國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車，本文研究車輛的主動(dòng)力源采用質(zhì)子交換膜燃料電池，輔助動(dòng)力源采用鋰離子電池，以滿足車輛在勻速運(yùn)行狀態(tài)下所需要的功率。同時(shí)，分析并設(shè)定車輛在起步、上坡、加速等狀態(tài)下所需要的動(dòng)態(tài)分量，以車輛在不同行駛狀態(tài)下的動(dòng)力性為目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算相關(guān)參數(shù)，為已經(jīng)確定選型的零部件設(shè)定合理的燃料電池和鋰離子電池的相關(guān)參數(shù)。

根據(jù)對(duì)標(biāo)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車的性能指標(biāo)，設(shè)定了燃料電池汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 燃料電池汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的確定

車輛的行駛需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)車輛性能要求計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)與車輛動(dòng)力性相關(guān)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高功率共5個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行了計(jì)算。

3.1.1 額定功率與最高功率

通常，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高功率Pmax與額定功率之間的關(guān)系如下：

式中，λ為驅(qū)動(dòng)的電機(jī)過(guò)載系數(shù)；Pm為額定功率，單位kW。

從延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用壽命和滿足車輛工作性能的角度出發(fā)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高功率不得超過(guò)額定功率的2～3倍，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間以最高功率運(yùn)行(一般不超過(guò)30～60 s)，否則會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生不可逆的損壞。通過(guò)系統(tǒng)性計(jì)算分析，確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高功率為90 k W。

3.1.2 額定轉(zhuǎn)速與峰值轉(zhuǎn)速

車輛的行駛性能受驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響較大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率處于固定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比。因此，要想使車輛在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)均處于穩(wěn)定狀態(tài)，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行嚴(yán)格限制。本文所設(shè)計(jì)的汽車僅利用減速器來(lái)實(shí)現(xiàn)減速功能，不需要額外加裝變速器。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)車輛的巡航速度來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。在上述情況下，確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為8 500 r/min，額定轉(zhuǎn)速為4 500 r/min。

3.1.3 最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩

當(dāng)車輛處于上坡?tīng)顟B(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要有一定的儲(chǔ)備轉(zhuǎn)矩，因此將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩設(shè)定為200 N·m?？紤]到相關(guān)研究，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩由過(guò)載系數(shù)確定，且一般情況下的過(guò)載系數(shù)為1.5～2.4?；谏鲜鲈O(shè)定，本文選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為90 N·m。

3.2 燃料電池參數(shù)的確定

由于本文所設(shè)定的主動(dòng)力源為燃料電池系統(tǒng)，因此汽車性能與燃料電池功率的選擇息息相關(guān)。如果燃料電池系統(tǒng)輸出功率過(guò)大，會(huì)造成能源浪費(fèi)，并會(huì)相應(yīng)增加成本；如果燃料電池系統(tǒng)輸出功率過(guò)小，車輛在上坡、加速等特殊情形下的動(dòng)力源不足，需要鋰離子電池來(lái)提供額外動(dòng)力，也會(huì)增加制造成本，此外還會(huì)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)零部件的布置帶來(lái)困難。車輛在行駛過(guò)程中，通過(guò)功率平衡原理[5]可知，車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率和燃料電池與鋰離子電池共同向動(dòng)力系統(tǒng)提供的功率相等。若根據(jù)車輛運(yùn)行的最高速度來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高功率，會(huì)增大車輛的儲(chǔ)備功率，使得車輛在上坡等特殊運(yùn)行狀態(tài)下的能力有所提升。本文設(shè)計(jì)的車輛在以最大速度運(yùn)行時(shí)的主動(dòng)力源由燃料電池提供。因?yàn)槿剂想姵卦谡＿\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)保留一定的余量，且自身的運(yùn)行效率較高，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，選擇了最高功率為40 k W的燃料電池。

3.3 鋰離子電池參數(shù)的確定

3.3.1 鋰離子電池容量的選擇

燃料電池汽車的輔助動(dòng)力源是鋰離子電池。在設(shè)計(jì)鋰離子電池時(shí)，不僅要使其容量滿足車輛在上坡等狀態(tài)下對(duì)功率的要求，同時(shí)還要考慮到車輛的續(xù)航里程。這2項(xiàng)要求并不意味著鋰離子電池的容量越大越好。鋰離子電池容量大意味著汽車的動(dòng)力性強(qiáng)，但由此會(huì)使鋰離子電池質(zhì)量增加，從而導(dǎo)致汽車自重增加，會(huì)對(duì)車輛的總體性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。但如果鋰離子電池的容量過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致輔助能量不足，車輛的功率需求無(wú)法得到滿足。

3.3.2 鋰離子電池?cái)?shù)量的選擇

在運(yùn)行過(guò)程中，車輛所需要的最高功率由燃料電池和鋰離子電池一起提供。因此，在確定鋰離子電池容量時(shí)，應(yīng)滿足鋰離子電池的最高功率不大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高功率與燃料電池最高功率之差的要求。

通過(guò)上述計(jì)算分析，可以得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高功率為90 k W，燃料電池的最高功率為40 k W，鋰離子電池的最高功率為50 k W。此外，在鋰離子電池的容量選擇過(guò)程中，還應(yīng)考慮到汽車的續(xù)航里程要求。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，車輛以60 km/h的巡航車速運(yùn)行時(shí)，所需要的鋰離子電池容量為20 A·h。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和汽車?yán)m(xù)航要求，選擇了輸出電壓為12 V、容量為20 A·h、電池?cái)?shù)量為30節(jié)的鋰離子電池。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在比較了各類燃料電池汽車的混合動(dòng)力系統(tǒng)后，確定了車輛的混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。其中，主動(dòng)力源選用燃料電池，輔助動(dòng)力源選用鋰離子電池，并對(duì)燃料電池和鋰離子電池的相關(guān)參數(shù)和性能進(jìn)行了比較分析。依據(jù)汽車的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，明確了動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)部件的相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)。