1 燃料電池動力系統構型燃料電池動力系統中的二次儲能電池可以有多種類型,包括鋰離子電池?鎳氫電池和超級電容器等?因此,燃料電池動力系統存在多種構型方案,目前常用的燃料電池動力系統構型方案見表2?

表2 常用的燃料電池動力系統構型方案
1.1 單一燃料電池構型
單一燃料電池構型只包含燃料電池一個能量源,單一燃料電池動力系統基本結構如圖1所示,包括燃料電池系統?整車控制器?DC/DC?逆變器和電機等部件?汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔?燃料電池系統將氫氣與氧氣反應產生的電能傳給驅動電機,驅動電機將電能轉化為機械能再傳給傳動系統,從而驅動汽車前進?

圖1 單一燃料電池動力系統基本結構
燃料電池輸出電壓一般比電動汽車動力總線電壓要低,特性比較軟,即隨著輸出電流的增加,電壓下降幅度比較大,為實現燃料電池輸出電壓與動力總線電壓匹配,就需要一個DC/DC(直流/直流)變換器?同時,DC/DC變換器可以對燃料電池最大輸出電流和功率進行控制,起到保護燃料電池系統的目的?
1.2 燃料電池+動力蓄電池構型
該種構型有多種分類標準,根據是香插電可分為插電型和不插電型:根據配備的燃料電池和動力蓄電池的功率等級的差異,可分為能量混合型和功率混合型:根據燃料電池是否與直流母線直接連接,可分為直接型和間接型?
1.2.1 不插電型和插電型
不插電型燃料電池+動力蓄電池構型動力系統拓撲結構如圖5-2所示?該動力系統中,燃料電池系統為主要動力源,動力蓄電池配合燃料電池系統進行混合驅動,電能經過電機轉化成機械能傳給傳動系統?加速時,電池組和燃料電池堆共同輸出能量,保證整車的加速性能,由于電池組提供了部分能量,減輕了電池堆瞬時加速時的負擔,避免陰極“氧氣饑餓”現象的發生,可延長電池堆壽命?制動時,電池組回收部分能量,此過程由電池管理系統控制?

圖2 不插電型燃料電池+動力蓄電池構型動力系統拓撲結構
 其優點包括:燃料電池成本降低,對電池堆動態特性及功率要求降低,啟動容易,可靠性高?缺點包括:結構復雜,緊急制動時的能量回收瞬時電流較高,動力蓄電池可能會受到一定損傷?目前這種配置方案應用相對廣泛?
插電型燃料電池+動力蓄電池構型與傳統的插電式混合動力汽車類似,該方案有兩種驅動模式,第一種以動力蓄電池為主要動力來源,動力蓄電池外接充電器可以為動力蓄電池充電;第二種是純燃料電池驅動?燃料電池+動力蓄電池動力系統(插電)配置方案如圖5-3所示?
此方案一方面能夠發揮電動汽車低速性能好的特點,解決擁堵造成的車輛起步停車和排放問題;另方面,適當匹配動力系統結構參數,能夠很好地解決燃料電池轎車性能?應用和成本之間的矛盾?
1.2.2 能量混合型和功率混合型
根據配備的燃料電池和動力蓄電池功率等級的差異,燃料電池+動力蓄電池構型可分為能量混合型和功率混合型兩大類?燃料電池轎車不同動力驅動系統構型的分析和比較見表3?能量混合型燃料電池+動力蓄電池混合驅動汽車燃料電池功率較小?在車輛行駛過程中,整車部分功率由燃料電池提供,不足部分由動力蓄電池提供?功率混合型燃料電池轎車在車輛行駛過程中,主動力源為燃料電池,動力蓄電池為輔助動力源,動力蓄電池只是在燃料電池啟動?汽車爬坡和加速時提供功率,在汽車制動時能回收制動能量?

圖3 燃料電池+動力蓄電池動力系統(插電)配置方案

表3 燃料電池轎車不同動力驅動系統構型分析和比較
 (1)能量混合型的FCEV的特點1)燃料電池所提供的功率占整車總需求功率的比例較小?2)燃料電池只能提供一部分車輛行駛需求功率,不足部分還需其他動力源(如動力蓄電池或超級電容)提供?3)燃料電池可在系統效率較高的額定功率區域內長時間工作?4)需配備較大容量的動力蓄電池,故整車重量增加,動力性變差,整車布置空間緊張?5)每次運行結束后,除要加注氫燃料外,還需用地面電源為動力蓄電池充電?(2)功率混合型的FCEV的特點1)燃料電池所提供的功率占整車總需求功率的比例較大?2)燃料電池為主動力源,動力蓄電池或超級電容為輔助動力源?3)車輛行駛需求功率主要由燃料電池提供,動力蓄電池只是在燃料電池啟動?車輛爬坡和加速時提供功率,在車輛制動時回收再生制動能量?4)可減小動力蓄電池容量,有利于減輕車重,提高車輛動力性?5)需配備較大功率的燃料電池,故整車成本較高?燃料電池工作狀況隨車輛工況波動較大?
1.2.3 直接型和間接型
根據DC/DC變換器位置的不同,可將動力系統結構分為兩大類:直接燃料電池動力系統和間接燃料電池動力系統?直接型燃料電池動力系統的一種基本結構如圖4所示,它的結構布置特點是燃料電池系統與直流母線直接相連,輔助動力源也直接并入動力母線?在此動力系統拓撲結構中,輔助動力源的存在可以回收制動能量,提高了整車的經濟性,降低了燃料電池的功率需求,減少了成本,同時增加輔助動力源也增加了整車儲存的能量,增加了續駛里程?

圖4 直接型燃料電池動力系統的一種基本結構
 直接型燃料電池動力系統的另一種基本結構如圖5所示,輔助動力源通過變換器后接入直流母線?增加DC/DC變換器可以降低直流母線對輔助動力源電壓的要求,使輔助動力源電壓不必再與直流母線電壓保持一致?

圖5 直接型燃料電池動力系統的另一種基本結構
 對直接燃料電池混合動力系統而言,燃料電池系統和電機系統的電壓匹配存在矛盾:當母線電壓過低時,電機系統的功率輸出能力差,進而影響了燃料電池最大功率輸出能力的發揮;而母線電壓比較高時,電機的最大功率輸出能力很好,燃料電池則由于電壓太高而輸出功率較小?

一種典型的間接燃料電池動力系統結構如圖6所示?燃料電池系統通過單向DC/DC變換器并入直流母線,燃料電池的端電壓就可以通過DC/DC變換器的升壓或者降壓與系統直流母線的電壓進行匹配,從而使燃料電池系統功率輸出與直流母線的電壓之間不在合關系,同時DC/DC變換器也可將直流母線電壓維持在電機系統的最佳工作范圍,提高系統效率?

圖6 典型的間接燃料電池動力系統結構
 1.3 燃料電池+超級電容構型
燃料電池+超級電容混合驅動構型與燃料電池+動力蓄電池混合驅動構型類似?燃料電池與超級電容聯合方案如圖7所示?其構型特點是把輔助動力蓄電池換成了超級電容?在該動力系統結構中,有燃料電池和超級電容兩個動力源?汽車的功率負荷由燃料電池和超級電容共同承擔,即燃料電池和超級電容-起為驅動電機提供能量,驅動電機將電能轉化成機械能傳給傳動系統,從而驅動汽車前進?考慮到超級電容的能量密度,該構型的燃料電池電動汽車大多為功率混合型燃料電池汽車,主動力源為燃料電池,超級電容為輔助動力源,超級電容只是在燃料電池啟動?汽車爬坡和加速時提供功率,在汽車制動時能回收制動能量?

圖 7 燃料電池與超級電容聯合方案
 按照電極材料的不同,可以把超級電容分為三類:碳電極雙層超級電容?金屬氧化物超級電容和有機聚合物超級電容?金屬氧化物超級電容的優點是比功率很高,但是價格昂貴,主要用于軍事領域;碳材料是商品化超級電容的主要材料,有成本低?單位質量表面積大?技術成熟等優點?
1.4 燃料電池+動力蓄電池+超級電容構型燃料電池?動力蓄電池與超級電容聯合方案如圖8所示?它是在燃料電池與輔助動力蓄電池混合驅動的FCEV的電壓總線上再并聯組超級電容,用于提供加速或吸收緊急制動的尖峰電流?

圖8 燃料電池?動力蓄電池與超級電容聯合方案
 三能量源構型特點:燃料電池作為車輛的主能量源,通過主DC/DC與道變器相連,超級電容與雙向DC/DC串聯,再與動力蓄電池并聯組成復合電源,作為車輛的副能量源?燃料電池與復合電源并聯共同為車輛提供能量?在這種構型中,可以為燃料電池和復合電源分別設計控制策略,保證燃料電池能充分發揮其續駛里程長的特點,同時保證燃料電池工作在高效區,其動態響應慢的缺陷能夠通過復合電源進行調節?從復合電源子系統來看,經過超級電容的“削峰填谷”作用,動力蓄電池不會出現大電流的充放電情況,可以提高動力蓄電池壽命?
在這種動力系統結構中,燃料電池?動力蓄電池和超級電容一起為驅動電機提供能量,驅動電機將電能轉化成機械能傳給傳動系統,從而驅動汽車前進?在汽車制動時,驅動電機變成發電機,動力蓄電池和超級電容將儲存回饋的能量?燃料電池+動力蓄電池+超級電容混合動力系統與“燃料電池+動力蓄電池”或“燃料電池+超級電容”混合動力系統相比較,具有明顯優勢,尤其是在部件效率?動態特性?制動能量回饋等方面更有優勢?構型特點如下:1)在采用燃料電池?動力蓄電池和超級電容聯合供能時,燃料電池的能量輸出更為平緩,隨時間變化波動較小?
2)能量需求變化的低頻部分由動力蓄電池承擔,能量需求變化的高頻部分由超級電容承擔?各動力源的分工更加明細,使得它們的優勢也得到了更好的發揮?
3)可以更加充分地回收制動能量?4)燃料電池+動力蓄電池+超級電容混合動力控制策略開發難度較大,尤其是在驅動時,由于能量流動自由度多,為了能夠充分發揮多能量源系統的輸出優勢并保證整車動力性與經濟性,對整車能量管理策略要求較高?
2 燃料電池動力系統關鍵部件介紹
本節將針對燃料電池動力系統中的關鍵部件(包括燃料電池?蓄電池?電機和DC/DC等)進行詳細介紹?
2.1 燃料電池
隨著人們對環保和能源問題的關注度日益提升,燃料電池技術得到快速的發展?燃料電池主要可分為以下5種:質子交換膜燃料電池(PEMFC)?堿性燃料電池(AFC)?磷酸型燃料電池(PAFC)?固體氧化物燃料電池(SOFC)以及熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)?
2.1.1 質子交換膜燃料電池
質子交換膜燃料電池(PEMFC)的結構組成如圖9所示?PEMFC由膜電極(MEA)和帶氣體流動通道的雙極板組成?其核心部件膜電極是采用一片聚合物電解質膜和位于其兩側的兩片電極熱壓而成,中間的固體電解質膜起到了離子傳遞以及分割燃料和氧化劑的雙重作用,而兩側的電極是燃料和氧化劑進行電化學反應的場所?

圖9 質子交換膜燃料電池(PEMFC)的結構組成
 PEMFC通常以全氟磺酸型質子交換膜為電解質,Pt/C或PtRu/C為電催化劑,氫或凈化重整氣為燃料,空氣或純氧為氧化劑,帶有氣體流動通道的石墨或表面改性金屬板為雙極板?PEMFC工作時,燃料氣和氧化劑氣體通過雙極板上的導氣通道分別到達電池的陽極和陰極,反應氣體通過電極上的擴散層到達電極 催化層的反應活性中心,氫氣在陽極的催化劑作用下解離為氫離子(質子)和帶負電的電子,氫離子以水合質子H+(nH2O,n約為3~5)的形式在質子交換膜中從一個磺酸基遷移到另一個磺酸基,最后到達陰極?質子的這種遷移導致陽極出現帶負電的電子積累,從而變成一個帶負電的端子(負極)?與此同時,陰極的氧分子在催化劑作用下與電子反應變成氧離子,使得陰極變成了帶正電的端子(正極),在陽極的負電終端和陰極的正電終端之間產生了一個電壓?如果此時通過外部電路將兩端相連,電子就會通過回路從陽極流向陰極,從而產生電流;同時氫氧反應生成水?
PEMFC以其操作溫度低?比能高?啟動快等優勢被視為電動汽車最具潛力的能量來源之一?經過多年的基礎研究與應用開發,質子交換膜燃料電池用作汽車動力的研究已取得實質性進展,微型質子交換膜燃料電池便攜電源和小型質子交換膜燃料電池移動電源已達到產品化程度,中?大功率質子交換膜燃料電池發電系統的研究也取得了一定成果?在我國有中國科學院大連化學物理研究所?清華大學?同濟大學?武漢理工大學?上海空間電源研究所?上海神力等機構在開展PEMFC的研究,并取得了長足進展,跟跑國外先進水平?
2.1.2 堿性燃料電池
堿性燃料電池(AFC)是以堿性溶液為電解質,將存在于燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置,是最早獲得應用的燃料電池?其電解質必須是堿性溶液,因此得名堿性燃料電池?氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液以其成本低?易溶解?腐蝕性低等優點,成為首選的電解液?催化劑主要用貴金屬鉑?鈀?金?銀和過渡金屬鎳?鈷?錳等?1973年AFC成功地應用于阿波羅登月飛船的主電源,使人們看到了燃料電池的誘人前景?AFC具有啟動快?效率高?價格低廉的優點,有一定的發展潛力?這種電池常用35%~45%的KOH為電解液,滲透于多孔而惰性的基質隔膜材料中,工作溫度低于100°C?該種電池的優點是氧在堿液中的電化學反應速度比在酸性液中大,因此有較大的電流密度和輸出功率,但氧化劑應為純氧,電池中貴金屬催化劑用量較大.而利用率不高?目前,此類燃料電池技術的發展已非常成熟,并已經在航天飛行及潛艇中成功應用?國內已研制出200W氨-空氣堿性燃料電池系統,制成了1kW?10kW20kW的堿性燃料電池,20世紀90年代后期在跟蹤開發中取得了非常有價值的成果?發展堿性燃料電池的核心技術是避免二氧化碳對堿性電解液成分的破壞,不論是空氣中百萬分之幾的二氧化碳成分,還是烴類的重整氣使用時所含有的三氧化碳,都要進行去除處理,這無疑增加了系統的總體造價?此外,電池進行電化學反應生成的水需及時排出,以維持水平衡?因此,簡化排水系統和控制系統也是堿性燃料電池發展中的核心技術?