燃料电池轻型电动客车的设计与试验 - 文章

燃料电池轻型电动客车的设计与试验

作者：清华大学陈勇陈全世仇斌

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摘要：介绍了燃料电池轻型电动客车的布置，燃料电池发动机、动力电池充放电特性和控制策略。通过计算值与试验值的比较，表明该车采用的混合驱动方案是合理的。该设计方案的实现可以为进一步研究燃料电池车提供参考。
关键词：燃料电池电动汽车混合动力

随着汽车数量的不断增加，世界范围内的能源危机和环境污染问题已经引起各国的普遍重视。由于燃料电池利用氢气和氧气结合产生电和水，没有污染，使用燃料电池的电动汽车被公认为是21 世纪的重要发展方向，所以世界上许多国家都在积极研究燃料电池电动汽车[1]~[4]。

燃料电池是一个能量生成装置，在燃料用尽之前一直产生能量，而且燃料电池的反应物加料时间远远短于电化学电池的充电时间，所以，与纯电动汽车相比，使用燃料电池的电动汽车可以使续驶里程增加，而且大大缩短蓄电池的充电时间。本文介绍了所开发的燃料电池电动轻型客车的布置及其主要部件，整车性能计算与性能试验。

1 燃料电池轻型电动客车的布置

燃料电池轻型电动客车采用了燃料电池和辅助动力电池的混合驱动方案，如图1 所示，其动力系统主要包括燃料电池，主、辅DC/DC 变换器，控制器，感应电机，传动系，辅助动力电池组等。中央控制系统是由清华大学自主开发，主DC/DC 变换器的输出根据动力电池的SOC（State of Charge）、车辆的运行工况进行调节。在开发过程中，尽可能选用已经成熟的技术，集中精力解决燃料电池轻型客车的各系统间协调工作等主要问题。

图1 燃料电池轻型电动客车原理图

燃料电池车轻型电动客车底盘选用厦门（苏州）金龙公司的XMQ6600EN 底盘，整车技术参数见表1。

表1 燃料电池轻型电动客车整车参数

2 燃料电池发动机

自2001 年10 月在德国召开的国际电动车会议（EVS18）之后，国际电动车界基本统一了燃料电池发动机的概念。燃料电池(Fuel Cell)是一个把燃料的化学能直接转化为电能的电化学装置，由阳极、阴极、电解质和电极隔离板组成，燃料（富含氢的气体）输入阴极，氧化剂输入阳极，在电极上发生电化学的氧化还原反应，产生电，反应产物是水。单个燃料电池的电势不足1V，只有将多个燃料电池串联起来才能产生足够的电压，这些串联起来的电池称之为电池堆（ Stack）。电池堆中的燃料电池数量决定其输出的功率。

燃料电池系统（Fuel Cell System）则包括电池堆、进气系统、水和热管理系统等，其输出是电能。燃料电池发动机（Fuel Cell Engine）则包括燃料电池系统、DC/DC 变换器、电机及其控制器，输出的是机械能。

2.1 燃料电池系统

燃料电池是绿能公司制造的氢氧型质子交换膜燃料电池（PEMFC），燃料电池的额定功率为15kW，额定输出电压60V，最大输出电流300A，燃料电池系统示意图如图2 所示。

图2 燃料电池系统示意图

2.2 驱动电机、控制器及主DC/DC 变换器

驱动电机及控制器选用Solectria 公司的AC60 感应电机，在312V 时的机械特性如图3 所示。该电机直接通过齿形皮带减速，依次驱动传动轴、主减速器和车轮，取消了变速器，操纵简单。

图3 AC60 电机机械特性

主DC/DC 变换器由北京机电研究所设计，具有两个功用：一是把燃料电池输出的低电压升高至辅助动力电池组的端电压，因为辅助电池组端电压随动力电池的SOC 值和车辆工况变化而变化，所以需要进行调节；二是保护燃料电池系统可靠工作，并使燃料电池能够及时对车辆控制策略进行响应。实践表明，为保护燃料电池系统，既应限制燃料电池系统的最大输出电流，又要限制限制燃料电池的最小电压，具体的限值可以有燃料电池生产厂家提供，也可根据试验确定。

3 辅助动力电池的充放电特性

如果单独采用燃料电池做动力源，就要求燃料电池的功率满足车辆的所有行驶工况，导致燃料电池的功率很大，一方面会增加生产的难度，另一方面在大多数时间内车辆行驶在非极限工况，尽管此时燃料电池堆的效率较高，但因重量增加会导致整车重量增加而消耗更多的功率，而且与小功率的燃料电池系统相比，大功率的燃料电池系统氢气的消耗量会增加，此外，单独使用燃料电池时无法实现能量回收，综合考虑采用燃料电池和辅助动力电池的混合驱动方案，这种驱动方案也是目前广泛采用的[5]~[6]，辅助动力电池用于提供峰值功率和制动能量的回收。

目前，在电动汽车上使用的动力电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池[7]。这里应首先考虑动力电池的比功率，也要考虑电池的成本和工作可靠性等方面，最终辅助动力电池采用了香港金山公司的60AhNiHM 电池，辅助动力电池组由26 个电池模块串联工作，总电压312V，单个动力电池模块的充放电特性曲线如图4 所示。

（a）电池放电曲线（b）电池充电曲线
图4 60AhNi-MH 电池充放电特性

4 控制策略

电池的使用寿命直接关系到燃料电池轻型客车的可靠性和成本，动力电池的过充电和过放电都将缩短动力电池的使用寿命，因此控制的核心应确保动力电池的SOC 在规定的工作范围内，这里选择辅助动力电池工作在SOC＝0.2~0.8 之间，并尽量保持不变，以减少充放电次数。此外，电动车的动力性也应得到满足，以便满足行驶工况要求。综上所述，希望的控制策略是在辅助动力电池SOC 值基本不变的前提下，保证车辆动力性的要求，提高燃料电池的效率，即尽可能提高氢气的能量转化率。具体地，在车辆起步，加速爬坡等工况，需要燃料电池和辅助动力电池共同工作；在车辆以一定速度匀速行驶时，可完全由燃料电池提供动力，当辅助动力电池SOC 较高时则不充电，较低时则进行充电；当辅助动力电池SOC 超过设定值则单独工作，燃料电池可以不工作；当动力电池SOC 较低时，燃料电池为辅助动力电池组进行充电；制动时，驱动电机回收的电能为辅助动力电池组充电。

5 计算分析与性能试验

根据整车参数，进行了性能参数计算，图5 和图6 分别为驱动力－行驶阻力平衡图和加速时间曲线。在样车试制完成后，对该车进行了性能试验，计算结果与试验结果见表2。由于燃料电池实际的最大输出功率达不到预期值，导致最高车速的试验值与计算值有较大差距。

图5 驱动力－行驶资料平衡图图6 加速时间曲线

表2 计算值与试验值的比较

6 结论

燃料电池轻型电动客车采用燃料电池和辅助动力电池混合驱动的结构，可以降低对燃料电池性能的要求，提高燃料电池的运行效率，实现制动能量回收。计算和性能试验表明，该车设计原理是切实可行的，但燃料电池的性能是目前制约整车性能的一个重要因素，有待进一步提高。通过该混合驱动方案的实施，积累了一定的经验，可以为燃料电池汽车的研发提供一定的参考。

参考文献
1 Gaston MAGGETTO, Joeri VAN MIERL. ELECTRICVEHICLES, HYBRID ELECTRIC VEHICLES AND FUEL CELL ELECTRIC VEHICLES : STATE OF THE ART AND PERSPECTIVES. Ann. Chim. Sci. Mat, 2001, 26 (4).
2 R.M. Charnah. Fuel cell drives for road vehicles. Journal of Power Sources, 2000
3 PER EKDUNGE and MONIKA RABERG. THE FUEL CELL VEHICLE ANALYSIS OF ENERGY USE, EMISSIONS AND COST. Int. J. Hydrogen Energy, Vol.23, No.5, 1998
4 Liqing SUN, Fengchun SUN and Yong Chen. The Design and Trial Manufacture of Fuel Cell Car Prototype, The 19th International Electric Vehicle Symposium, 2002
5 Jörg Folchert, Dietrich Naunin, Sina Block. Dynamic Behaviour of a Fuel Cell with Ultra Capacitor Peak Power Assistance for a Light Vehicle. The 19th International Electric Vehicle Symposium, 2002
6 Lars Overgaard and Gerald Karch. A hybrid fuel-cell concept realized in a Midi-Bus Concept of energy source and drive train. The 18th International Electric Vehicle Symposium, 2001
7 陈清泉，孙逢春，祝嘉光. 现代电动汽车技术. 北京：北京理工大学出版社，2002(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/21/2005)


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