燃料电池汽车的动力传动系统设计

1、燃料电池汽车的动力传动系统设计序言燃料电池汽车是电动汽车的一种。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,即可使车辆在路上行驶,燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2-3倍。燃料电池的化学反响过程不会产生有害产物,所以燃料电池车辆是无污染汽车。随着对汽车燃油经济性和环保的要求,汽车动力系统将从现在以汽油等化石燃料为主慢慢过渡到混淆动力,最后将完好由干净的燃料电池车取代。近几年来,燃料电池系统和燃料电池汽车技术已经获取了重要的进展。世界出名汽车制造厂,如丰田、本田、通用、戴姆勒-克莱斯勒、日产和福特汽车公司已经开发了几代燃料电池汽车,并宣布了各样将

2、燃料电池汽车投向市场的战略目标。目前,燃料电池轿车的样车正在进行试验,以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。其中本田的FCXClarity最高时速达到了160km/h8;丰田燃料电池汽车FCHV-adv已经累计运行了360,000km的路试,能够在零下37度启动,一次加氢能够从大阪行驶到东京(560公里)。在我国科技部的支持下,燃料电池汽车技术获取了快速发展。2007年,我国第四代燃料电池轿车研制成功,该车最高时速达150km/h,最大续驶里程319km。2008年,20燃料电池示范汽车又在北京奥运进行了示范运行。2010年,包括上汽、奇瑞等国内汽车公司共有196辆燃

3、料电池汽车在上海世博园区进行示范运行。在开发燃料电池汽车中如故存在着技术性挑战,如燃料电池组的一体化,提高商业化电动汽车燃料办理器和协助部汽车制造厂都在朝着集成零件和减少零件成本的方向努力,并已获取了显然的进步。但与传统的内燃机轿车对照,燃料电池电动汽车采用“燃料电池+电动机”来取代传统车的“心脏”-发动机和燃油系统。燃料电池轿车的动力传动系统发生较大的变化,主要表现在:电动机取代内燃机成为驱动动力源;离合器与扭转减振器被省略;多挡变速器过去被取代为减速器。所以,燃料电池汽车的动力传动系统整体获取简化。但行家驶时,燃料电池是主要的动力根源,蓄电池为协助能量根源。汽车需要的功率主要由燃料电池供应

4、。能够说,车用燃料电池的选用,关于燃料电池汽车的性能至关重要。本文介绍了燃料电池汽车动力传统技术发展大体,围绕燃料电池电动汽车动力传动拓扑架构、多源系统管理和动力系统配置与仿真优化技术等重点技术张开了详确阐述。动力传动系统拓扑构架设计燃料电池汽车的运行其实不是一个稳态情况,频频的启动、加快和爬坡使得汽车动向工况特别复杂。燃料电池系统的动向响应比较慢,在启动、急加快或爬斜坡时燃料电池的输出特性无法知足车辆的行驶要求。在实质燃料电池汽车上,经常需要使用燃料电池混淆电动汽车设计方法,即引入协助能源装置(蓄电池、超级电容器或蓄电池十超级电容器)经过电力电子装置与燃料电池并网,用来供应峰值功率以补充车辆

5、在加快或爬坡时燃料电池输出功率能力的不足。另一方面,在汽车怠速、低速或减速等工况下,燃料电池的功率大于驱动功率时,储藏充裕的能量,或在回馈制动时,吸取储藏制动能量,进而提高整个动力系统的能量效率。2.1直接燃料电池混淆动力系统构造直接燃料电池混淆动力系统式构造中采用的电力电子装置只有电机控制器,燃料电池和协助动力装置都直接并接在电机控制器的入口。如丰田的FCHV-4,FIAT-Elettra和日产X-TrailFCV等都采用这类近似的构造设计。协助动力装置扩大了动力系统总的能量容量,增添了车辆一次加氢后的续驶里程;扩大了系统的功率范围,减少了燃料电池担当的功率负荷。很多插电混淆的燃料电池汽车也

6、经常采用这样的构架,美国Ford公司EdgePlug-in燃料电池轿车和GM公司VoltPlug-in燃料电池车。这类插电式混淆动力汽车将有效的减少氢燃料的耗资。其他,协助动力装置的存在使得系统具备了回收制动能量的能力,并且增添了系统运行的可靠性。燃料电池和协助动力装置之间对负载功率的合理分派还能够够提高燃料电池的整体运行效率。在系统设计中,能够在协助动力装置和动力系统直流母线之间增添了一个双向DC/DC变换器。使得对协助动力装置充放电的控制更为灵便、易于实现。由于双向DC/DC变换器能够较好地控制协助动力装置的电压或电流,所以它仍是系统控制策略的履行零件。2.2并联式动力系统构造另一种构架是

7、并联式的燃料电池混淆动力系统的构造。这类建立过去在燃料电池和电机控制器之间安装了一个DC/DC变换器,燃料电池的端电压经过DC/DC变换器的升压或降压来与系统直流母线的电压等级进行般配。这类系统与上述构架不同样之处还在于,这类动力系统的设计没有考虑能量的回馈回收,所以系统诚然简单,但效率比较低下。只管系统直流母线的电压与燃料电池功率输出能力之间不再有耦合关系,但DC/DC变换器必定将系统直流母线的电压保持在最适合电机系统工作的电压点(或范围),关于沟通电机驱动系统,过去还需要安装一个DC/AC变换器。目前这类构架系统只在一些小型或许实验的车上使用,如2002年通用汽车公司开发的Autonomy

8、和Hy-wire两种车都是鉴于该中构架的。2008年,同济大学-蒂森克虏伯联合实验室采用这类架构开发了小型燃料电池汽车,并研究了燃料电池电堆系统对整车性能的影响。燃料电池汽车多能源系统管理与优化燃料电池不适合作为动力系统的单调驱动能源,必定采用协助能源系统合理补充驱动电动汽车所需的能量,覆盖功率颠簸,提顶峰值功率,吸取回馈能量,改良燃料电池输出功率的瞬态特点。目前各大汽车开发商采用了协助动力,来提高燃料电池汽车的性能(表1所示)。3.1动力电池协助能源系统目前铅酸电池由于比能量及比功率均较低,已经裁汰。在汽车上常用的动力蓄电池主要有镍氢电池和锂离子电池等。表1典型的燃料电池汽车镍氢电池属于碱性

9、电池,拥有不易老化,无需预充电以及低温放电特点较好等优点。其能量密度可高出80Wh/kg,一次充电的行驶距离长,在大电流工作时能够平稳放电。FCHV-4,High-landerFCHV-adv和通用ChevroletEquinox的动力系统都是燃料电池和镍氢电池集成的。但,镍氢在高温环境下,电池电荷量会急剧下降,并且拥有记忆效应和充电发热等方面的问题。在燃料电池混淆动力系统中镍氢电池SOC应保持在40%-60%之间,充放电电流应处于160-240A的范围,温度应保持在常温相邻,以保证系统安全性和经济性。锂离子电池拥有体积小,能量密度高(120Wh/kg)、高安全性和无污染性等优点。本田FCXC

10、larity,通用ChevroletSequel锂和日产X-TrailFCV等都采用锂离子电池作为燃料电池汽车的协助能源系统。离子电池的能量密度是镍氢电池的1.5-3倍。其单体电池的平均电压为3.2V,相当于3个镍锌或镍氢电池串接起来的电压值,所以能够减少电池组合体的数量,降低单体电池电压差所造成的电池故障发生概率,进而提高了电池组的使用寿命。锂离子电池具备自放电低(仅为5%-10%)的优点,当在非使用状态下储藏,内部相当牢固,几乎不发生任何化学反响。由于锂离子电池不含有镉、汞和铅等重金属,所以在使用过程中不会对环境造成污染。关于电动汽车而言,锂离子电池易于车载部署安装,是较为理想的能量储藏媒

11、介。经常使用Simulink和Dymola等工具来对电池系统进行仿真剖析,提高电池的使用效率和寿命。其充电放电动向过程能够用Thevenin模型来以下:3.2超级电容系统超级电容器是一种新式储能元件,它既像静电电容同样拥有很高的放电功率,又像电池同样拥有很大的电荷储备能力。由于其放电特点与静电电容更为凑近,所以如故称之为“电容”。若是仅采用超级电容作为唯一协助能源还存在诸多不足之处,如:电动汽车长时间停机后再次启动,由于超级电容的自放电效应,在燃料电池的能量输出还没有稳准时车载协助系统的供电将无法保障。况且超级电容能量密度很低,若要达到必然的能量储备能力其设施体积必然加大。目前超级电容都是与其

12、他动力电池一同购车协助电源系统,在燃料电池汽车上使用的。为了战胜精准的描绘超级电容的特点,能够采用阻抗法进行建模取代简单RC回路模型。超级电容目前SOC主要鉴于超级电容的输出电压:3.3多源能量的组合与控制燃料电池电动汽车安装上述两种拓扑构型,与动力电池和超级电容进行组合,才能达到比较好的收效。目前,主要采用的三种能量组合方式有:1)燃料电池+动力电池,通用ChevroletEquinox等就采用这类组合方式;2)燃料电池+超级电容,如本田的FCV-3和马自达FC-EV等;3)燃料电池+动力电池+超级电容,如本田FCHV-4。Tadaichi研究了不同样情况下,能量的流动方式。经过对车用3种能

13、源的比较,鉴于燃料电池发动机输出功率展望控制策略设计了多能源能量管理系统,实现了对3种能源的优化管理和控制。动力系统配置与仿真优化技术4.1燃料电池系统仿真技术对燃料电池汽车中的燃料电池系统建模的方法又可分为两种,一种是在电化学、工程热力学、流体力学等理论基础上,建立比较复杂的一维或多维物理模型。这类模型可依照不同样燃料电池的构造参数建立相应模型,剖析压力、温度、湿度、流量、催化剂、管道构造等多方面因素对燃料电池工作的影响。但这类模型复杂不直观,且运算速度慢。另一种则采用较简单的数学经验模型并联合相应的商业软件,这类方法拥有直观快速的特点,但该模型只能针对特定的燃料电池系统,其建立需依赖实验数

14、据。4.2整车动力传动系统仿真优化技术燃料电池车仿真的最后目的是以燃料电池模型为基础,联合子系统和动力传达系统的有关模型,仿真剖析燃料电池系统以致整个汽车动力系统的工作情况。这类系统优化的方法主若是联合实质的使用来进行的,一般分红两种。在实质使用路况未知的情况,俄亥俄州立大学的T.GabrielChoi等鉴于FIATPanda车型,针对燃料电池插电式电动汽车的动力要求,研究了两者控制测量:离线全局优化和动向优化下控制测量的设置方法。关于家庭充电和燃料电池混淆应用的能量优化控制方法。Guezennec等研究了驾驶习惯对能量的使用情况,并对动力系统和尺寸容量等做了优化。关于实质使用情况已知,专家研究了巡航加快等工况下的优化方法,Francisco等研究了农村路线、城市路线和两者混淆下燃料电池电动汽车动力系统容量的设计方法,研究了不同协助能量系统下动力系统的效率和能耗,为燃料电池动力系统设计供应参照。KeshavS等运用动力系统仿真剖析工具(PSAT)剖析了燃料电池整车系统包括燃料电池电堆和其他零件的性能,发现当使用单