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車用燃料電池動力系統(tǒng)綜述

2019-09-14 11:29:55·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
1 車用燃料電池動力系統(tǒng)配置1.1.1 燃料電池燃料電池是一種利用燃料化學(xué)能產(chǎn)生電能的電化學(xué)裝置，以燃料和空氣作為輸入，并通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。圖1是質(zhì)子交換
1 車用燃料電池動力系統(tǒng)配置
 
1.1.1 燃料電池
燃料電池是一種利用燃料化學(xué)能產(chǎn)生電能的電化學(xué)裝置，以燃料和空氣作為輸入，并通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。圖1是質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理圖。在燃料電池中，氫的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而提高了效率。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有較低的工作溫度、相對較高的功率密度、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作方便等特點(diǎn)，PEMFC最適合用作燃料電池汽車的能源來源。
純?nèi)剂想姵貏恿ο到y(tǒng)無法滿足車輛某些特定的行駛要求，燃料電池和蓄電池或超級電容組成混合動力系統(tǒng)后，可以提供較高電流快速啟動車輛，而后燃料電池開始工作。
 
1.1 能量來源
目前燃料電池電動車使用較多的輔助動力源有蓄電池和超級電容，不僅可以給車輛提供動力，還可以回收制動能量，還能給車輛的電子設(shè)備提供電力，從而降低燃料電池的壓力，而且能夠提高車輛的效率。
圖1 燃料電池工作原理
 
1.1.2 蓄電池
蓄電池是一種以化學(xué)能的形式儲存電能的儲能裝置，蓄電池的容量用安時(Ah)測量，儲存在電池中的能量以瓦時(Wh)計算，可用的荷電狀態(tài)(SOC)用百分比表示，蓄電池應(yīng)該工作在一個固定的SOC范圍內(nèi)，以延長電池生命周期。圖2是鋰離子電池工作原理示意圖。
圖2 鋰離子電池工作原理
 
1.1.3 超級電容
超級電容器有非常高的比功率，但與化學(xué)蓄電池相比，其比能量低得多。盡管如此，因采用超級電容為輔助動力源有若干優(yōu)點(diǎn)，所以蓄電池和超級電容器的混合能量儲存系統(tǒng)是一種很有前景的應(yīng)用。圖3是一種雙電層電容器的基本結(jié)構(gòu)。
圖3 一種雙電層電容器的基本結(jié)構(gòu)
 
三種動力源特性比較如表1所示。它們各有優(yōu)點(diǎn)，可以相互結(jié)合在一起使用，取長補(bǔ)短。
 
表1 燃料電池、蓄電池、超級電容特性比較
1.2 電力電子變換器與電機(jī)
燃料電池提供的電力并不是很穩(wěn)定，電力電子交換器用來調(diào)節(jié)輸出電壓，比如，DC/DC變換器將燃料電池直流電壓作為輸入，然后將它轉(zhuǎn)換為固定、穩(wěn)定、特定的直流電壓輸出。電動機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為動能的動力裝置。電力電子轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換開關(guān)的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的直流電動機(jī)，目前用于電動汽車動力系統(tǒng)的電動機(jī)有感應(yīng)電動機(jī)、永磁無刷電動機(jī)以及開關(guān)磁阻電動機(jī)。圖4是三種電動機(jī)的橫截面視圖[7]。
表2是三種驅(qū)動電機(jī)的性能比較。永磁電動機(jī)在國內(nèi)的電動車上應(yīng)用最多，是這三種電動機(jī)中占比最大的，這是因為中國稀土資源豐富，永磁電動機(jī)可以大量地生產(chǎn)并得以運(yùn)用。
圖4 三種電動機(jī)的橫截面視圖
表2 三種電動機(jī)性能比較
2 動力系統(tǒng)分類及能量管理系統(tǒng)研究
目前的燃料電池動力系統(tǒng)一般都包含多個動力源，構(gòu)成混合動力系統(tǒng)，包括燃料電池-蓄電池混合動力系統(tǒng)，燃料電池-超級電容混合動力系統(tǒng)和燃料電池-蓄電池-超級電容混合動力系統(tǒng)。
2.1 燃料電池-蓄電池混合動力系統(tǒng)
由Alloui等和Kelouwani等描述的一種燃料電池混合動力結(jié)構(gòu)的總框圖如圖5所示。
圖5 燃料電池-蓄電池混合動力結(jié)構(gòu)
 
Shuang等對串聯(lián)再生制動能量管理策略進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，制定的最優(yōu)策略減少了79%的能耗。Li等基于模糊邏輯控制方法進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，模擬了美國城市道路循環(huán)(UDDS)、公路燃油經(jīng)濟(jì)性測試(HWFET)以及新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)三種駕駛循環(huán)，結(jié)果表明，HWFET的效率最高，混合度最低；UDDS的混合度最高，但是效率卻是最低。
 
Ouddah等在混合動力系統(tǒng)中將兩個能量管理系統(tǒng)進(jìn)行比較，結(jié)果表明，采用最優(yōu)控制策略滿足負(fù)載功率，降低了氫氣消耗。Xie等對燃料電池混合動力車的能量管理系統(tǒng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法進(jìn)行了研究，模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對比結(jié)果表明，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，氫耗下降了7.23%。
 
Kelouwani等提出一種燃料電池插電式混合動力汽車(PHEV)的能量管理策略，結(jié)果表明，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)控制并減少5%的氫氣消耗。Ettihir等也對能量管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以期實(shí)現(xiàn)最大效率和最大功率輸出，結(jié)果表明設(shè)計的控制方法能夠跟蹤最優(yōu)控制點(diǎn)。
 
表3是對燃料電池-蓄電池混合動力系統(tǒng)研究的對比，很明顯，燃料電池-蓄電池混合動力系統(tǒng)改善了燃料電池電動汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。
 
表3 燃料電池-蓄電池混合動力系統(tǒng)研究總結(jié)
2.2 燃料電池-超級電容混合動力系統(tǒng)
 
Thounthong等展示了一種使用微分平滑控制能量管理系統(tǒng)，并證明該系統(tǒng)不需要燃料電池的快速響應(yīng)，可以減少燃料電池的壓力，延長燃料電池壽命。圖6為燃料電池-超級電容混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
 
Tani等對燃料電池-超級電容混合電動車的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，燃料電池有一定的輸出，而超級電容能夠提供較大的瞬時功率。Uzunoglu等應(yīng)用了一種基于小波的功率匹配算法，結(jié)果表明，當(dāng)輸出功率較高時，輸出電壓較低。之后，Kisacikoglu等又對燃料電池-超級電容混合動力系統(tǒng)使用模糊邏輯控制進(jìn)行了負(fù)載分配的研究。Ates等應(yīng)用小波-自適應(yīng)線性神經(jīng)元控制混合動力系統(tǒng)。Zheng等還進(jìn)行了一項基于自適應(yīng)最優(yōu)控制算法的研究，結(jié)果表明，與僅使用燃料電池相比，超級電容器使氫的消耗量降低了18.3%。表4是對這些研究狀況的對比。
圖6 燃料電池-超級電容混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
表4 燃料電池-超級電容混合動力系統(tǒng)研究總結(jié)
2.3 燃料電池-蓄電池-超級電容混合動力系統(tǒng)
 
Hannan等提出了一種輕型電動汽車的能量管理系統(tǒng)，它集成了燃料電池、蓄電池和超級電容，能量管理系統(tǒng)利用PI控制，與只使用蓄電池的系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)表現(xiàn)出了更高的效率。Gao等介紹了一種燃料電池混合動力車，結(jié)果表明，燃料電池混合動力汽車具有良好的效率。Martinez等利用模糊邏輯控制功率匹配，當(dāng)蓄電池的SOC大于參考值時，燃料電池和超級電容會減少能量供應(yīng)。Yu等提出了一種功率分配策略，基于功率需求、蓄電池和超級電容的SOC來分配能量。Paladini等在混合動力系統(tǒng)中嵌入了質(zhì)子交換膜燃料電池，鎳金屬氫化物電池和Maxwell超級電容，在四種行駛工況上進(jìn)行了測試，根據(jù)結(jié)果，在新歐洲行駛工況上是最經(jīng)濟(jì)的，只有6.75 g/km的氫燃料消耗。Motapon等也做了相關(guān)研究，對五種不同的控制策略進(jìn)行比較，關(guān)注各策略的氫耗。表5是對這些研究的對比情況。
表5 燃料電池-蓄電池-超級電容動力系統(tǒng)研究總結(jié)
3 總結(jié)與建議
結(jié)構(gòu)和優(yōu)化目標(biāo)不同，混合動力系統(tǒng)所使用的控制策略也不相同。優(yōu)化目標(biāo)包括動力系統(tǒng)的效率，燃料的消耗，整車的成本，能量損耗等?？刂葡到y(tǒng)所采用的方法有經(jīng)典控制方法，自適應(yīng)控制，模型預(yù)測控制，模糊邏輯控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。對能量管理系統(tǒng)控制策略的建議主要有：盡量采用最優(yōu)化控制策略或等效消耗最小化策略，因為其動力分配最合理，且氫氣消耗最低；在不影響負(fù)載功率分配的情況下減少氫的消耗，燃料電池車也要考慮經(jīng)濟(jì)性問題；硬件在環(huán)測試或?qū)崟r工況測試只在模擬情況下不能充分說明控制策略的實(shí)用性。
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