（车辆工程专业论文）燃料电池微型电动车多能源管理系统研究.pdf

摘要 摘要 随着国民经济持续高速发展，轿车成为居民消费的主要商品之一，我国汽 车工业面临快速发展时期。与此同时，汽车业发展所带来的石油资源需求激增 和环保负面影响也同益引起人们的注意。新型电动汽车可以避免传统汽车所带 来的负面影响，并越来越成为未来汽车发展的方向。我国政府十分重视电动车 的发展，8 6 3 电动汽车项目被列为“十五”计划期间我国十二个重大科技专项 之一。 属于电动汽车关键技术的研究内容有：多能源总成控制系统、电机驱动器、 电池技术、能量管理及控制策略等乜1 。电动车的能源管理是电动汽车发展的重 要组成部分，也是近年来电动汽车技术发展和产业化进程中重要的研究方向。 我国在这方面的研究刚起步，即使美国等汽车工业发达国家的研制工作也 并不非常完善。就现有燃料电池微型电动车“春晖三号”而言，它的能源主要 由锂蓄电池组和燃料电池组成，其能源管理系统还很不完善，停留在对锂电池 和燃料电池的电压巡检上。 本文主要对“电一电混合型 微型电动车动力布置以及与动力布置配套的多 能源管理系统进行研究。研究的内容包括动力蓄电池管理器、中小型燃料电池 动力d c d c 变换器、燃料电池管理器，以及系统之间的协调工作。 燃料电池微型电动车多能源管理系统主要功能是监测和管理动力蓄电池组 和燃料电池的状态，综合控制电池组能量的输入与输出，优化电池性能，从而 提高电动车辆的动力性、经济性和安全性。合理有效的实现对动力电池组的管 理和控制是电动汽车保持良好动力性、获得最佳工作效率和延长续驶旱程的关 键。论文试图通过研究建立一套针对“电一电混合型 微型电动车的较为完善的 多能源管理系统。该系统可以防止动力蓄电池由于过充电或过放电对电池造成 的损伤，提高动力蓄电池寿命：防止因单只电池损坏未能及时发现造成的整组 电池寿命降低，降低电动汽车的运用成本；根据燃料电池特性设计开发燃料电 池发动机管理系统以及动力d c d c 变换器，保证燃料电池组始终工作在一个较 好的状态。 关键词：电动汽车，能源管理系统，燃料电池，分布式系统 a b s t r a c t a b s t r a c t c a r sw i l lb e c o m em a i nc o n s u m a b l e so fo u rc o u n t r yw i t ht h eh i g hs p e e d d e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y t h i sn o to n l y p r o v i d e so u ra u t o m o t i v e i n d u s t r yw i t hag o o do p p o r t u n i t yb u ta l s oc a u s e st h ea t t e n t i o nt ot h es h o r t a g eo f o i l s u p p l ya n dt h ep o l l u t i o nb r o u g h tb yt h ea u t o m o v t i v ei n d u s t r y f o rt h er e a s o nt h a t e l e c t r i cv e h i c l ec a l ls o l v et h ep r o b l e mo fo i ls u p p l ya n dp o l l u t i o n ，o u rg o v e r n m e n t p l a c e sg r e a te m p h e s i so nt h ed e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cv e h i c l e ”8 6 3 ”e l e c t r i cv e h i c l e p r o j e c ti s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o j e c t si n ”s h iw up l a n ”o fc h i n e s e g o v e r n m e n t t h e r ea l em a n y k e yt e c h n o l o g i e s i ne l e c t r i cv e h i c l es u c h a s p o w e r m a n a g e m e n ts y s t e m ，m o t o rd r i v e r sa n dc o n t r o lm e t h o d s o fp o w e rs y s t e ma n d d r i v e t r a i ns y s t e m p o w e rm a n a g e m e n ti sak e ys u b s y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e t h e r e s e a r c ho fp o w e rm a n a g e m e n th a sb e c o m eac r u c i a lp a r ti nt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i cv e h i c l e t h er e s e a r c ho ft h i sa s p e c ti no b rc o u n t r yh a sj u s tb e e ns t a r t e d b u tt h er e s e a r c h i nd e v e l o p e dc o u n t r i e si sf a rf r o mt h ec o n s u m m a t i o n s ow es t i l lh a v et h ec h a n c et o c a t c hu pw i t ht h e m t h ep o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mo f c h u nh u ii i i ”m a d eb y t o n g j iu n i v e r s i t yi s f a rf r o mg o o d t h es y s t e mo n l yi n c l u d e st h ef u n c t i o n so f c h e c k i n gv o l t a g ea n dt h eo u t p u tc u r r e n to f t h eb a t t e r i e sa n df u e lc e l l t h er e s e a r c ho fp o w e ra r r a n g e m e n ta n dt h ep o w e rm a n a g m e n ts y s t e mi nf u e l c e l le l e c t r i cv e h i c l ea r ei n v o l v e di n t h i st h e s i s t h er e s e a r c hi n c l u d e st h eb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e m ，t h ed c d cc o n v e r t o ro ff c ，t h ef cm a n a g e m e n ts y t e ma n d c o o p e r a t i o nb e t w e e nt h e s es y s t e m s t h em u l t i e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mi nm i n i t y p ef u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l e m a i n l yh a st h ef u n c t i o n so fc h e c k i n gt h es t a t u sa n dc o n t r o l l i n gt h ee n e r g yi n p u ta n d o u t p u to fb a t t e r ya n df u e lc e l l t h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c e ，t h ee f f i c i e n c ya n dt h e s e c u r i t yo fe vc a nb eg r e a t l yi m p r o v e db yt h es y s t e m ar e l a t i v e l y c o n s u m m a t e m u l t i e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hi ss u i t a b l et of u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e w i l l i i a b s t r a c t b es e tu pi nt h er e s e a r c h t h i ss y s t e mc a nl o wd o w nt h ep o s s i b l i t yt od a m a g et h e b a t t e r i e so rf u e lc e l la n de n h a n c et h e i rp e r f o r m a n c e ad c d cc o n v e r t o rf o rf ca s ak e yp a r to ft h em u l t i e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mw i l la l s ob ed e v e l o p e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，f u e lc e l l ，d i s t r i b u t e d s y s t e m i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第1 章前言 第1 章前言 1 1 电动汽车的发展历史和背景 电动汽车最早出现在1 8 7 3 年，英国人罗伯持戴维森制造了第一辆有实用 价值的电动汽车，电的来源是蓄电池，这辆电动车使用的蓄电池是铅一锌一次性 电池，这辆电动车比卡尔本茨的汽车还早1 0 多年。【3 】然而，由于当时的技 术水平和社会环境，电动汽车没有发展起来，但燃烧汽油的内燃机汽车发展得 很快。相比内燃机技术，蓄电池技术的提高并不是特别明显，这使得电动汽车 除在特殊情况外，没有被继续发展。 现今人类面对能源和环境的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的 呼声同益高涨。世界人口和汽车的增长趋势表明，从2 0 0 0 年开始以后的5 0 年， 世界人口将由6 0 亿增加到1 0 0 亿【4 】。这必将会给全球人类带来无法解决的能源 严重短缺和环境持续恶化问题。特别是在最近十几年里，燃油汽车造成的大气 污染已经明显地威胁到人类的生存环境。同时，2 0 0 3 全世界客货车总量为8 亿 辆左右，预计到2 0 3 0 年，客货车总量将翻一番。根据国际石油研究机构的统计 报道，2 0 0 4 年世界石油平均日产量约为8 2 0 0 万桶，若以此消耗量开采石油， 几十年后世界上的石油储备将会枯竭。所以无论从保护环境、节约能源的角度， 还是从寻找传统石油能源替代品的角度来看，研制和开发电动汽车已成为大势 所趋。据预测，到2 0 1 0 年电动车年销售量为1 7 0 万辆，占全球汽车总销售量的 2 6 t 5 1 。 西方发达国家的学术界、工业界正在加大对电动汽车的研究开发，加速电 动汽车的商业化步伐。我国对电动车的开发也投入了大量的人力和物力，电动 汽车的开发关系到能源、环保、交通和高科技的发展及各种新兴工业的兴起， 它将带动整个国家工业产业链的同步发展，为国家的经济发展做出贡献。 1 2 电动汽车的类型及其特点 现今的电动汽车主要分为如下三种：1 电池电动车( b e v ，b a t t e r ye le c t r i cv e h i c l e ) 第1 章前言 混合电动车( h e v ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 燃料电池电动车( f c v ，f u e lc e l lv e h i c l e ) 纯电动汽车只以车载蓄电池提供动力的电动车，真正地实现了“零排放”， 彻底解决了能源与污染的问题。通常用铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池以及锂 离子电池作为纯电动车的能量源。但目前可用的车载动力电池比能量低，充电 时间长，一次充电行程短，成本较高，其中电池成本约占电动车成本的4 0 9 6 ，因 此要广泛地推广应用有相当大的困难。尽管有许多公司推出了许多型号的电池 电动车，如通用公司的e v i ，福特公司的r a n g e s ，本田公司的e vp l u s 等，但其 生产销售状况并不尽如人意，大大低于生产厂家的预计和商品化的要求。 混合电动车的动力系统中同时包括电池组和内燃机，它兼有电池电动车和 内燃机汽车二者的优点。一般可将混合电动车分为串联型( s 型) 和并联型( p 型) 。 串联型混合电动车中，由内燃机驱动发电机，发电机给蓄电池充电，蓄电池再 给电动机提供电能，只有电动机能直接驱动汽车；并联型混合电动车的内燃机 和电动机都可以直接驱动汽车，其动力性能更像传统的内燃机汽车，它可以在 郊外长途行驶中用内燃机按“低排放 标准运行，在启动时或人口稠密地区用 电池组按零排放”标准运行。混合电动车的优点主要是内燃机一直在低排放、 高效率区工作，从而提高了内燃机效率并大大降低了污染物的排放：其耗油量 只有普通汽车的一半，同时c o ：排出量大约是普通汽车排出量的一半左右， c o ，h c ，n o ，等废气和微尘的排出量只有普通汽车的十分之一；混合电动车的行驶 距离是由油箱容积决定，因此续驶里程长，且仍然使用加油站( 不必另外配备充 电器等公共设备) ，其成本和销售价格比较低。但不足之处是这种车仍然会消耗 石油等资源；它也不能作到“零排放 ，因此不能彻底解决污染问题；并且它 同时包括两套动力装置，驱动系统复杂。混合电动车对电池的要求与电池电动 车的要求有所不同，混合电动车要求电池在充、放电时有较大功率以便和内燃 机功率匹配并为驱动车辆提供足够的动力，所以要求电池有高功率密度；另一 方面，由于在混合电动车中一般采用小容量电池，电池的体积、质量稍大也无 妨，因而能量密度要求则允许低一些。通常用于混合电动车的电池有n i _ m h 电池、 锂离子电池，由于有内燃机一直在对电池充电，其容量可以很小。目前世界上 各大汽车公司都在研制、生产混合电动车，如丰田公司推出了p r i u s ，福特公司 推出了p2 0 0 0l s r ，法国p s a - 标致一雪铁龙集团推出了p e u g e o t4 0 6v e r t 等等。 其中最引人注目的是丰田公司出产的p r i u s 串联型混合电动车，它是世界范围内 2 第1 章前言 首次批量生产的现代混合动力车，它的批量生产与上市被专家们看作电动车发 展道路上的一个历史性事件，该车自1 9 9 7 年底上市以来已经售出了近3 00 0 0 辆。 燃料电池电动汽车的动力源和普通的化学电源有很大的不同，它实际是一 个电化学反应器：燃料不断输入，电能不断输出，其副产物一般是无害的水或 再加上二氧化碳。它无运动的机械部件，工作时很安静；它没有原理上的热机 效率的理论限制，实际效率可达5 0 - 7 0 ，远高于内燃机，因此被公认为2 1 世纪 的理想的“发电厂 。燃料电池有许多种类，目前用于电动车最多的是质子交 换膜燃料电池( p e m f c ) 。质子交换膜燃料电池以氢为燃料，通过氢气和氧气在燃 料电池堆中反应产生供电机运行的电流然后驱动汽车行驶。燃料电池可以安静 地、无任何污染地、高效地、长期地工作。1 9 9 8 年3 月，美国财富杂志的评 论声称：“燃料电池将会把那些驱动世界轿车、卡车以及公共汽车的嘈杂而又 污染环境的活塞发动机淘汰，就像淘汰蒸汽机那样。 随着各大汽车制造厂家 的积极参与、投入的骤增以及技术的进步，几经沉浮的燃料电池汽车的开发已 经驶出实验室，开始其商业化进程，进入一个富有挑战与机遇发展阶段。2 0 0 3 通用汽车能源动力高新科技全球巡展上，基于“氢动1 号 基础上优化的“氢动 3 号”引起了业界人士的广泛关注。“氢动3 号”在外观和技术上所取得的突破 主要体现在两个方面：其一，氢动系统可作为一个整体模块进行预先组装，然 后安装在“氢动3 号 中，并与传统引擎使用同样的固定点，电牵引系统、燃料 电池组、空气压缩机及附件都被置入这一重3 0 0 公斤的模块中；其二，不再需要 一个蓄电池，而此前几代燃料电池车都需要依靠蓄能电池以满足峰值功率的特 定要求。这不仅使“氢动3 号 的总车重降低约1 0 0 公斤，接近了1 5 9 0 公斤的目 标值，而且使“氢动3 号 获得6 0 0 升的容积，这一容积与生产型欧宝赛飞利的 载货空间完全相同。由此一来，“氢动3 号 的外形与现有的车型几乎相同。另 外，“氢动3 号 o 至时速1 0 0 公里的加速时间约为1 6 秒，最高时速达到1 6 0 公里。 氢储存罐分为两种，一种罐内储存的是温度为一2 5 3 的液态氢，另一种罐内储 存的是承受最高压力可达7 0 0 巴的高压氢气。一次充气行驶里程分别可达4 0 0 公 里和2 7 0 公里。这一系列的突破意味着“氢动3 号 已可在现有的生产线上组装， 并且在性能指标上达到了传统内燃机驱动的汽车。日本本田汽车公司在2 0 0 5 年 宣称，该公司将扩大生产新型燃料电池电动汽车，并于2 0 0 5 年向旧金山市小批 出售燃料电池车“f c x 。2 0 0 4 年本田开发出可在零下2 0 启动的新型燃料电池 电动汽车所用的电池组己安装在“f c x ”型车上。该电池配有两组新型电池组。 第l 章前言 每组重4 8 k g ，与“f c x v 3 配备的7 3 k g 电池组相比，重量大幅减轻，同时输出 功率从3 5 k w 提高到了5 0 k w 。 1 3 电动车能源管理系统的发展及应用 1 3 1 国外研究现状和发展动态 早期美国通用汽车公司的e v 一1 电动轿车采用的能量管理系统能够保证整 车高压电系统的安全性。它的动力电池组管理模块的分流器模块检测动力电池 组的电流，控制动力电池组的充放电。动力电池组热管理系统和冷却通风系统 模块对动力电池组进行热管理，对动力电池组的电压和温度进行测量和控制。 自我检测和保护系统模块将动力电池组的运行状况随时反馈到中央处理器中。 美国加利福尼亚的a cp r o p u l s i o n 公司研制出一种高性能的电动汽车能量 管理系统，叫做b a t o p t ，这套系统上每个电池模块都有一个监测单元，他们统 一连到一个中央控制器，每个监测单元向中央控制器报告电池的电压、温度和 状态。这套系统与大多数能量管理系统不同的是，它提供了5 a m p s 的均衡充电 电流以保持电池问的平衡，并且能控制每个电池的温度，中央控制器综合了来 自所有电池监测单元的信息，它可以提供手动或者自动充电分配策略，能够控 制加热和冷却风扇系统。显示单元显示四行的状态信息，并且连有r s - 2 3 2 串口 以便数据录入，b a t o p t 系统也有一套充电控制系统，它允许与外部的充电器相 连接以设置电池的电流和电压极限值，充电初始化延迟值。配制前面板的值可 以允许用户以手动方式给单独的电池充电，或者修改自动充电模式的灵敏度。 也可以配制显示何种信息、温度参数和模块电压极限值。这套系统能够容纳3 2 块1 2 v 的电池模块，并且在行使或充电的情况下操作。 法国是电动汽车发展较快的国家。法国随车电池能量管理系统主要功能为： 电池寿命的记录、充电监测、行驶过程中电池的管理、辅助电池的维护、剩余 电量显示。它防止对电池的有害使用，收集电池信息从而确定如何恰当使用和 更换电池，最大限度地提高电池的能量使用效率。 在德国，西门子公司开发的电池管理系统，其充电控制可以使系统跟踪电 池充电特性曲线进行充电，提高充电效率，节约了电能。电池管理系统对电池 组的工作状况进行监控，检测电池组的电量消耗和剩余能量等，并将有关信息 4 第l 章前言 反馈到仪表板的仪表和信号装置上。通过d c d c 变换器保证电器系统的能源供 应和器件正常运行n 1 。 在同本，本田公司开发的车用电池能量管理系统包括：管理控制模块、车 载充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置、d c d c 变换器等。如果电 动汽车发生碰撞时，会立即切断电源，从而保证用电安全阳3 。丰田汽车公司的 r a v 4 一e v 电动轿车上也带了一套能量管理系统。这套系统可以对动力电池组的 电流、电压和剩余能量进行检测和控制，并控制和调整充电时和再生制动时反 馈电能的电压和电流，对动力电池组进行自检和报警，保证动力电池组正常运 行。 通用p r e c e p t 混合动力总成系统a i p m ( a u t o m o t i v ei n t e g r a t e dp o w e r m o d u l e ) 可控制电动机与发动机的输出能量分配，并具有能量管理、再生制动、 电池状态判断等功能。 现在最为成熟的燃料电池轿车“氢动三号 上也配备有完善的能源管理系 统。整个能源管理系统已经做到高度集成化，集成在整个燃料电池发动机内。 整个发动机可以实现模块化安装，在车架上有与固定传统发动机一致的安装固 定点，方便批量化生产。 1 3 2 国内研究状况和发展动态 国内电动车能源管理器的开发已经渐入正轨。发达国家在电动车能源管理 上取得了长足的进步，但是尚未过渡到产业化阶段，还有很多问题要解决，可 以说我国与世界水平的差距还不是很大，不像内燃机那么明显。呻儿1 0 1 近来国内一些高校和研究单位正在展开多能源动力总成控制器和能量管理 系统的基础性研究工作。 深圳兆泰工贸集团公司提出在其2 0 0 2 年推出的示范车上，将配备与国外联 合开发的汽车系统控制器与能量管理系统( v e h i c l es y s t e mc o n t r o l l e r e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 。 清华大学也有一套电池能量管理系统，它由六个子电路组成：信号输入电 路；v f 变换器( 电压频率变换电路) ；光电隔离电路；微处理器控制电路 ( m c u ) ；输入输出电路；r s 一2 3 2 串行口通讯电路。来自电池组电压、电流和 温度传感器的信号在逻辑开关的控制下进入v f 变换器；这些信号被变换为频 5 第1 章前言 率可变的数字脉冲信号送微处理器处理，微处理芯片就能够判断电池组中各块 电池的电压、电流、温度等信号的大小。除此以外，能量管理系统通过r s 一2 3 2 串口通讯电路，将数据输入p c 计算机以进行进一步分析和处理。 北京理工大学的电动公交客车上也研制了一套能量管理系统，可以检测各 个电池的状态，显示剩余电量等等。 同济大学开发的“超越三号 上也有较为完善的多能源管理系统。该能源 管理系统包括对燃料电池的管理，车载锂蓄电池的管理以及电机制动反馈能量 的管理。 1 4 本文所研究的主要内容 本论文的研究对象是“春晖微型燃料电池电动车”，目标是建立一套适合 “春晖三号”这种基于燃料电池和锂蓄电池“电一电混合式 电动车的动力匹配 方案和多能源管理系统。 本文的主要研究内容如下： 1 ) 针对“春晖微型燃料电池电动车 的特点，在研究和比较国内外现有的 电动车动力配置方案和能源管理系统的基础上，提出适合“电一电混合式”微型 电动车“春晖三号的动力配置方案以及针对该动力方案的多能源管理系统； 2 ) 对电池组端电压采集和电池组均衡这两项蓄电池管理系统的关键技术 进行研究； 3 ) 研究开发一套适合用于微型电动车“春晖三号的燃料电池能源管理系 统； 4 ) 对2 2 0 0 w 燃料电池的关键部件动力d c d c 变换器的设计研究； 以上各系统都有在“春晖三号”原型车上进行应用。 6 第2 章电动下整车动力系统布置及管理系统配置 第2 章电动车整车动力系统布置及管理系统配置 2 1 “电一电混合式 电动车动力系统的发展趋势 由于现在的动力蓄电池技术局限性，例如电池价格昂贵，功率密度达不到 商品化的要求等等，发展和开发单纯依靠动力蓄电池的纯电动车前景越发的黯 淡。尽管有许多公司推出了很多型号的电池电动车，如通用公司的e v i ，福特 公司的r a n g e s ，本f f l 公司的e vp l u s 等，但其生产销售状况并不尽如人意，大 大低于生产厂家的预计和商品化的要求。在储能电池技术没有取得突破性发展 的情况下，开发将储能电池作为电动车单一动力源的电池电动车变得越来越不 可取。 燃料电池是一种高效率的发电装置，可以安静地、无任何污染地、高效地、 长期地工作。燃料电池工作不需要任何机械部件配合，工作安静没有噪声。燃 料电池反应的残留物为水和二氧化碳，真正实现了零排放。而且由于制作燃料 电池的材料主要是碳板，所以回收处理方便，这点不同于动力蓄电池的使用。 蓄电池寿命到了以后需要专门的回收处理，很容易造成二次污染。燃料电池原 理上不受热机效率的理论限制，实际效率可达5 0 一7 0 ，远高于内燃机。可以 说，燃料电池是将来电动车最有前途的动力源。但是现今开发单纯依靠燃料电 池驱动的电动车也因为车用大功率燃料电池及其控制技术的不成熟存在相当的 难度。n 1 1 1 2 1 现今开发的电动车动力系统有两大类发展趋势： 第一类是采用大功率蓄电池加小功率燃料电池作为电动车的动力源。采用 这类动力系统的电动车一般作为短途使用的小型车辆，注满燃料和充电后续驶 里程少于1 0 0 公里，如场馆车等；第二类是采用大功率燃料电池加小功率的蓄 电池作为动力源的电动车，这类车的发展趋势甚至是完全省去蓄电池。这类电 动车主要作为中长途使用的中小型车辆，注满燃料后续驶里程要能够达到3 0 0 公里左右。 电动车采用第一类动力系统配置是基于以下的考虑：首先，以蓄电池为主 的“电一电混合式”电动车开发难度低，配上一个小功率的燃料电池可以大大降 7 第2 章电动下整下动力系统布置及管理系统配置 低蓄电池容量，减轻车身重量。其次，对短途车而言，在满足性能的前提下， 选用技术成熟的小功率燃料电池，成本低廉性价比高，容易实现产业化。最后， 这样的动力配置动力控制策略实现简单。 采用第二类动力系统配置的电动车有以下的优点：第一，使用小功率蓄电 池或不使用蓄电池可以大大减轻车身重量，提高车辆安全性；第二，不需要将 电能预先充入蓄电池，车辆的驱动电能直接来自于燃料电池产生的电能，能量 利用率高；第三，省去了蓄电池电动车较长的充电时间。 但是采用这类动力系统配置也有它的缺点：首先就是开发单纯以燃料电池 作为动力源或者为主动力源的电动车难度高；其次，大功率车用燃料电池技术 及其控制技术尚未完善，成本较高；最后，这样的动力系统配置动力控制策略 实现复杂。 应该说，第二类以燃料电池为主的动力系统是今后电动车最终的发展趋势 和我们努力的方向。但是在考虑到现有技术条件的情况下，第一类动力系统对 开发短途电动车而言是一个不错的解决方案。 2 2 “电一电混合式”电动车的动力系统布置及其特点 本文将介绍一种基于燃料电池和动力锂蓄电池的“电一电混合式 电动车。 在“春晖三号 电动车上我们使用一个燃料电池发动机和动力锂蓄电池作为电 动车的动力源。 “电一电混合式”电动车它所需的电池容量远小于纯电动车。这样不仅减小 了电动车的价格，降低了整车的总重量，还可以提高汽车的续驶罩程和动力性。 增加了蓄电池的燃料电池混合动力车还可以吸收来自电机的再生回馈电能，提 高了能量利用率。n 鲫n 4 1 “电一电混合式”电动车是混合动力电动汽车h e v 的一种。这种“电一电混 合式”电动车不仅具有普通燃油型h e v 的优点，而且有普通燃油型h e v 不可比 拟的零排放优势。因此可以把这种“电一电混合式 电动车作为向纯燃料电池电 动车的过渡品。这样做既可以达到降低开发难度，又可以在开发过程中积累使 用和控制燃料电池发动机的经验，为今后实现纯燃料电池车打下坚实的基础。 r 1 6 1 8 第2 章电动下整车动力系统布置及管理系统配置 2 2 1 第一代春晖三号上低压4 8 v 型的动力系统布置及其特点 第一代“电一电混合式”电动车春晖三号车型的动力配置方式如下图2 1 所 不。 图2 1 第一代春晖三号动力配置 第一代春晖三号电动车整车系统工作电压为4 8 v ，由一组8 0 安时的锂蓄电 池作为主动力源，一个6 5 0 w 额定功率的燃料电池作为辅助能量源。它的动力 系统配置就是在2 1 节中我们提到的第一类电动车动力配置：大功率蓄电池加 小功率的燃料电池作为电动车的动力源。锂蓄电池和燃料电池给整个车上系统 并联供电。这样就构成了一个由燃料电池和锂电池组成的“电一电混合式 动力 系统。燃料电池通过一个d c d c 给两组锂电池充电或给前后四个电机供电。第 一代春晖三号电动车是作为场馆用车来设计的，设计时速在2 0 - 3 0 公旱。所以 这样的动力配置对于一辆场馆用车已经足够。 这样的动力布置有以下几种工作方式： 汽车起动时，由锂蓄电池给燃料电池系统提供起动电源，完成一些必要 的准备工作。 一般轻载情况下，燃料电池o c d c 根据负载功率需求的大小，调节燃料 电池的功率输出，使二者的功率匹配，也即是让燃料电池单独供电；若蓄电池电 量不足，则增大燃料电池的输出功率，给蓄电池充电，此时燃料电池的输出功率 等于车上负载功率和蓄电池充电功率之和。 重载( 加速、爬坡等) 情况下，控制d c d c 增大燃料电池的功率输出， 9 第2 章电动车整车动力系统布置及管理系统配置 直至燃料电池允许的功率上限。如果这时还不足以满足负载功率需求，则让蓄电 池加入供电，补充燃料电池的峰值功率不足，也就是燃料电池和蓄电池同时向外 供电。此时蓄电池辅助供电系统起到了覆盖功率波动，提高峰值功率，改善瞬态 输出特性，进一步提高燃料电池汽车机动性的作用。 汽车再生制动过程中，由再生制动产生的电能给蓄电池充电，由蓄电池 吸收全部的再生回馈电能，既可以避免回馈电能对燃料电池的倒灌( 燃料电池不 允许能量反向流动) 又提高了能源的利用率。 当燃料电池出现故障或燃料消耗殆尽时，燃料电池d c d c 转换器切断燃 料电池供电系统与母线的电气连接，蓄电池在定时间内给电动车单独供电。 2 2 2 第二代春晖三号上高压12 0 v 型的动力系统布置及其特点 第二代春晖三号车型的动力配置方式如下图所示。 图2 2 第二代春晖三号动力配置 第二代春晖三号车型的动力配置方式仍旧为“电一电混合式 。因此兼具了 第一代的特点以及工作方式。但是由于第二代春晖三号电动车在动力性能和续 驶里程上较之原来的第一代有了很大的提高，原来4 8 v 系统已经无法满足。因 此第二代春晖三号电动车采用1 2 0 v 系统工作电压。同时在电源配置上采用“分 布式电源系统”，将原先的一组锂蓄电池改成两组。两组1 5 安时的锂电池和一 个2 2 0 0 w 的燃料电池给整个车上系统并联供电。这样就构成了一个由燃料电池 和锂电池组成的“电一电混合动力系统”。由于燃料电池功率的提升，燃料电池 1 0 第2 章电动下整车动力系统布置厦符理系统配置 能够提供绝大部分电动车运行所需要的能量。这样就可以大大降低锂电池组的 容量。而锂电池容量的降低直接提高了电动车的安全性能，减轻了车身重量， 改善了电动车的可靠性。燃料电池通过一个降压型d c d c 向前后两组锂电池以 及前后四个电机供电。前后两组锂电池组相互独立分别独立向前后轮毂电机 供电。采用“分_ 布式电源系统”的第二代春咩三号电动车与前一代相比这样的 动力配置系统有以f 优点： 锂蓄电池到驱动电机的动力连接线可以缩短，动力走线的缩短能提高电 动车的安全性； 锂蓄电池分为两组以后可以靠前后两组轮毂电机就近布置，这样就可以 大大缩短动力连接线，降低线损； 锂蓄电池彼此独立还能提高系统的可靠性。在任意一组电池出现故障的 情况下，另外一组电池仍然能够驱动两个电机使电动车正常行驶。 2 23 春晖三号电动车电机驱动方式及其特点 电 幽23 原春晖系列电机驱动方式 第2 章电动车整年动力系统布置及管理系统配置 图24 春晖三号电机驱动方式 春晖三号电动车的轮毂电机驱动方式也较之原柬的有了很大的改善。原来 春晖系列电动车四个轮毂电机分别由四个独立的电机驱动器控制驱动。但是在 春晖三号电动车上，我们将电机驱动器由原来的四个减少到了两个，即由一个 前电机驱动器驱动两个前轮，一个后电机驱动器驱动两个后轮。每个电机驱动 器内都有一个d s p 微处理器控制电机工作，并且作为一个车上c a n 节点。较 之原来的方法，新的电机驱动方法主要有三个显著的优点： 第一，减少了硬件开销，降低了成奉。采用两个电机驱动器的方式，一个 d s p 微处理器可以控制驱动两个电机工作。 第二，简化了通讯，提高了数据传送效率。新的电机驱动方式将车上电机 驱动器占用的c a n 节点从原来的4 个减少到了2 个。中央e c u 只需要通过与 两个电机驱动器进行c a n 通讯便可以控制整车运动。 第三，安全性得到增强。因为一个d s p 微处理器同时控制一端两个电机。 一旦同一端的两个电机出现运动的不协调，d s p 微处理器可以马上从转速信号 上感知，然后作出调整。 23 “电一电混合式”动力系统的多靛源管理系统以及其特点 2 31 多能源管理系统整体布置 tt 土 一 土 第2 章电动下蓿午动力系统布置及管理系统配置 】i而l 1 富圄觚捅富 卜叫掣一_ j i 。一i 图25 多能量管理系统整体布置图 第_ 二代春晖三号能源管理系统由四个核心部件组成。两个蓄电池管理器、 燃料电池管理器和燃料电池动力d c i ) c 转换器。 蓄电池管理器负责锂蓄电池的管理包括监控锂蓄电池的工作状态，对电 池进行充放电管理，电池均衡以及防止电池过载过充等。 燃料电池管理器负责燃料电池的管理，包括监控燃料电池的工作状态，控 制燃料电池工作温度，根据燃料电池输出电流调节燃料电池阀排气间隔和排气 时间，在燃料电池电压过低输出电流过大时保护燃料电池，断开外部负载。 燃料电池动力i 】c d c 转换器主要功能是维持燃料电池最佳工作电压，通过 调节燃料电池输出的占空比，将燃料电池工作电压保持在最佳t 作点，提高氢 气燃料使用效率。 “电一电混合动力式”电动车的多能源管理系统通常采取的工作方式有如f 两种：m 7 1 1 开关工作模式 开关工作模式的思路简单：在整个控制过程中，要保证蓄电池的s o c 值在 设定的范围内浮动。锂菁电池管理器检测蓄电池的s o c ，根据当前蓄电池组的 s o c 值来判断确定燃料电池系统的开关状态。当锂蓄电池s o c 过低时，锂蓄电 池管理器通过c a n 总线通知燃料电池管理器启动燃料电池。当锂蓄电池s o c 过 高时，锂蓄电池管理器通过c a n 总线通知燃料电池管理器关闭燃料电池。一旦 当燃料电池系统的状态处于开时，始终工作在一个恒定的功率水平。这种控制 箫略能够保证燃料电池系统和蓄电池组各自工作的高效率，但研究结果表明 这种撺制策略不适合“电一电混台动力式”电动车，其动力性差，氢气燃料的使 第2 章电动币整车动力系统布置及管理系统配置 用效率要低，燃料经济性比功率跟随模式低9 1 。而且，对于燃料电池系统而 言，由于直接以氢为燃料不存在排放问题，因此汽车行驶过程中关闭燃料电池 系统变得没有意义。相反燃料电池系统对温度、湿度、压力等工作坏境要求很 高。反复启动的话会使燃料电池反复经历启动过渡状态，这样就会大大降低燃 料电池使用寿命和氢气燃料使用效率，给燃料电池系统的控制及寿命也会带来 许多不利影响。这种工作模式适合第一代春晖三号的动力系统配置。因为小功 率燃料电池维持在恒定功率输出并不会显著影响电池的s o c ，燃料电池不会被 频繁启动或关闭。 2 功率跟随模式 功率跟随模式中，蓄电池组s o c 值的范围仍然不超过设定的限值，但它的 管理以电量消耗最小为目标。与开关模式最大的不同是燃料电池系统的输出功 率不是恒定值，而是跟随车辆行驶的功率要求在设定的功率范围内变化，优先 考虑整车的功率要求并维持蓄电池组的电量状态为某一目标值。这时候的多能 源管理系统就需要车上中央e c u 参与一起工作，或者说车上中央e c u 也成了多 能源管理系统的一部份。车上中央e c u 本身收集车速、油门和刹车信号。电机 驱动器将电机转速信号、电机功率通过数据总线传给车上中央e c u 。蓄电池管 理器检测将蓄电池当前s o c ，然后将信息传送给车上中央e c u 。车上中央e c u 根 据自身采集的信息和从车上其他部件传送来的信息，计算和预测电动车工作功 率，再确定燃料电池所需输出功率，然后将此数据发送给燃料电池管理器和燃 料电池动力d c d c 转换器。 功率跟随模式的控制策略不存在开关控制模式的缺点，可以显著提高燃料 电池寿命和氢气燃料使用效率，但它的控制算法相当复杂，要确定燃料电池系 统和蓄电池组的工作范围，并在汽车行驶工况不断变化的情况下完成燃料电池 系统与蓄电池组之间的功率分配。这种模式适合第二代春晖三号的动力系统配 置。 2 3 2 动力锂蓄电池的管理 由于燃料电池发动机仍存在输出特性较软、输出响应较慢等缺点。在以燃 料电池发动机为主动力的电动汽车动力系统设计上，人们为了降低设计难度大 多选用动力蓄电池组作为辅助动力源。作为辅助动力源的蓄电池能为燃料电池 1 4 第2 章电动下整午动力系统布置及管理系统配置 启动过程提供能源，为整车加速过程提供足够能源保证，接收制动能量回馈。u 引 首先动力蓄电池组的选择十分重要，在蓄电池的选用上，存在很多选择。 最为成熟的要数传统的铅酸蓄电池了，但是铅酸蓄电池能量密度不够高，而且 最致命的是铅酸蓄电池若不能有效地回收，就会带来严重的二次污染。这样就 与设计环保型的电动车背道而驰了。 目前混合动力的电动车主要采用镍氢蓄电池和锂离子电池。就电池性能而 言，锂离子电池具有比能量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和对环境 污染小等特点，在燃料电池混合动力汽车的研究中受到广泛关注和使用。同济 大学研制的“超越系列 燃料电池混合动力汽车即采用了锂离子电池作为辅助 动力源。当然锂离子电池也存在过充可能导致电池爆炸等其他一些缺点。为了 保证车辆的安全，这就需要一个蓄电池管理器对锂离子电池进行电压、充电状 态、温度、输出电流进行测量和估计，然后有效地进行功率平衡控制，保证安全 使用电池，使蓄电池工作在最佳状态下。n 引啪1 蓄电池管理器采用模块化设计方法，每组蓄电池组配一个电池管理管理器。 这样有利于扩展和安装。图2 6 是蓄电池管理器的大致功能示意图。关于电池 管理系统的关键技术研究将在第三章中具体论述。 囤匦图 臣蟹亟圃匝豆匦困 图2 6 蓄电池管理器结构图 第2 章电动车整车动力系统布置及管理系统配置 2 3 3 燃料电池的能量管理 图2 7 燃料电池的能量管理系统布局 1 2 0 v 蓄电池 第二代春晖三号上的燃料电池发动机由两个燃料电池电堆组成。 燃料电池管理系统采用分布式设计方案，也就是由两个主要部件组成：第 一个是燃料电池管理器；第二个是燃料电池d c d c 变换器。燃料电池管理器由 燃料电池主控制器、电压电流温度测量与短路模块、冷却风扇、进气阀以及排 气阀组成。燃料电池d c d c 变换器由d c d c 控制器和降压型d c d c 组成。 它们彼此都有独立处理器，通过4 8 5 总线进行小数据量的数据交换。这样 不仅简化了布置，减少了线束，便于模块化设计，更加提高了系统的可靠性。 因为如果万一燃料电池主控制器或燃料电池d c d c 主控制器有一个失效，也不 会导致整个燃料电池管理系统完全失效。 燃料电池主控制器负责监控电堆的电压、电流以及温度。根据燃料电池输 出功率情况，调节燃料电池排气间隔以及排气时间，根据燃料电池温度调节冷 却风扇转速，维持燃料电池工作在最佳工作温度。燃料电池控制器还能在燃料 电池出现故障时迅速切断外部负载后，保护燃料电池，关断氢气进气阀，防止 事故发生。 燃料电池主控制器在根据来自车上中央处理器的命令决定是否开启燃料电 1 6 第2 章电动车整车动力系统布置及管理系统配置 池。在启动燃料电池以后，燃料电池d c d c 主控制器启动降压型d c d c 转换器 控制燃料电池的能量输出。 2 3 4 能量管理系统供电布置 能量管理系统供电采用车上标准1 2 v 和2 4 v 供电，由于电动车上存在直流 无刷电机，线控转向系统，这些装置不可