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车用燃料电池动力系统综述

2019-09-14 11:29:55·  来源：EDC电驱未来  
　
1 车用燃料电池动力系统配置1.1.1 燃料电池燃料电池是一种利用燃料化学能产生电能的电化学装置，以燃料和空气作为输入，并通过化学反应产生电能。图1是质子交换
1 车用燃料电池动力系统配置
 
1.1.1 燃料电池
燃料电池是一种利用燃料化学能产生电能的电化学装置，以燃料和空气作为输入，并通过化学反应产生电能。图1是质子交换膜燃料电池工作原理图。在燃料电池中，氢的化学能直接转化为电能，进而提高了效率。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有较低的工作温度、相对较高的功率密度、结构简单、体积小、操作方便等特点，PEMFC最适合用作燃料电池汽车的能源来源。
纯燃料电池动力系统无法满足车辆某些特定的行驶要求，燃料电池和蓄电池或超级电容组成混合动力系统后，可以提供较高电流快速启动车辆，而后燃料电池开始工作。
 
1.1 能量来源
目前燃料电池电动车使用较多的辅助动力源有蓄电池和超级电容，不仅可以给车辆提供动力，还可以回收制动能量，还能给车辆的电子设备提供电力，从而降低燃料电池的压力，而且能够提高车辆的效率。
图1 燃料电池工作原理
 
1.1.2 蓄电池
蓄电池是一种以化学能的形式储存电能的储能装置，蓄电池的容量用安时(Ah)测量，储存在电池中的能量以瓦时(Wh)计算，可用的荷电状态(SOC)用百分比表示，蓄电池应该工作在一个固定的SOC范围内，以延长电池生命周期。图2是锂离子电池工作原理示意图。
图2 锂离子电池工作原理
 
1.1.3 超级电容
超级电容器有非常高的比功率，但与化学蓄电池相比，其比能量低得多。尽管如此，因采用超级电容为辅助动力源有若干优点，所以蓄电池和超级电容器的混合能量储存系统是一种很有前景的应用。图3是一种双电层电容器的基本结构。
图3 一种双电层电容器的基本结构
 
三种动力源特性比较如表1所示。它们各有优点，可以相互结合在一起使用，取长补短。
 
表1 燃料电池、蓄电池、超级电容特性比较
1.2 电力电子变换器与电机
燃料电池提供的电力并不是很稳定，电力电子交换器用来调节输出电压，比如，DC/DC变换器将燃料电池直流电压作为输入，然后将它转换为固定、稳定、特定的直流电压输出。电动机是一种将电能转化为动能的动力装置。电力电子转换器和转换开关的技术进步已经取代了传统的直流电动机，目前用于电动汽车动力系统的电动机有感应电动机、永磁无刷电动机以及开关磁阻电动机。图4是三种电动机的横截面视图[7]。
表2是三种驱动电机的性能比较。永磁电动机在国内的电动车上应用最多，是这三种电动机中占比最大的，这是因为中国稀土资源丰富，永磁电动机可以大量地生产并得以运用。
图4 三种电动机的横截面视图
表2 三种电动机性能比较
2 动力系统分类及能量管理系统研究
目前的燃料电池动力系统一般都包含多个动力源，构成混合动力系统，包括燃料电池-蓄电池混合动力系统，燃料电池-超级电容混合动力系统和燃料电池-蓄电池-超级电容混合动力系统。
2.1 燃料电池-蓄电池混合动力系统
由Alloui等和Kelouwani等描述的一种燃料电池混合动力结构的总框图如图5所示。
图5 燃料电池-蓄电池混合动力结构
 
Shuang等对串联再生制动能量管理策略进行了研究。结果表明，制定的最优策略减少了79%的能耗。Li等基于模糊逻辑控制方法进行了系统优化，模拟了美国城市道路循环(UDDS)、公路燃油经济性测试(HWFET)以及新欧洲驾驶循环(NEDC)三种驾驶循环，结果表明，HWFET的效率最高，混合度最低；UDDS的混合度最高，但是效率却是最低。
 
Ouddah等在混合动力系统中将两个能量管理系统进行比较，结果表明，采用最优控制策略满足负载功率，降低了氢气消耗。Xie等对燃料电池混合动力车的能量管理系统用神经网络优化算法进行了研究，模糊逻辑与神经网络对比结果表明，使用神经网络控制策略，氢耗下降了7.23%。
 
Kelouwani等提出一种燃料电池插电式混合动力汽车(PHEV)的能量管理策略，结果表明，能够实现最优控制并减少5%的氢气消耗。Ettihir等也对能量管理系统进行了研究，以期实现最大效率和最大功率输出，结果表明设计的控制方法能够跟踪最优控制点。
 
表3是对燃料电池-蓄电池混合动力系统研究的对比，很明显，燃料电池-蓄电池混合动力系统改善了燃料电池电动汽车的动力性和经济性。
 
表3 燃料电池-蓄电池混合动力系统研究总结
2.2 燃料电池-超级电容混合动力系统
 
Thounthong等展示了一种使用微分平滑控制能量管理系统，并证明该系统不需要燃料电池的快速响应，可以减少燃料电池的压力，延长燃料电池寿命。图6为燃料电池-超级电容混合动力系统结构。
 
Tani等对燃料电池-超级电容混合电动车的能量管理系统进行了研究，结果表明，燃料电池有一定的输出，而超级电容能够提供较大的瞬时功率。Uzunoglu等应用了一种基于小波的功率匹配算法，结果表明，当输出功率较高时，输出电压较低。之后，Kisacikoglu等又对燃料电池-超级电容混合动力系统使用模糊逻辑控制进行了负载分配的研究。Ates等应用小波-自适应线性神经元控制混合动力系统。Zheng等还进行了一项基于自适应最优控制算法的研究，结果表明，与仅使用燃料电池相比，超级电容器使氢的消耗量降低了18.3%。表4是对这些研究状况的对比。
图6 燃料电池-超级电容混合动力系统结构
 
表4 燃料电池-超级电容混合动力系统研究总结
2.3 燃料电池-蓄电池-超级电容混合动力系统
 
Hannan等提出了一种轻型电动汽车的能量管理系统，它集成了燃料电池、蓄电池和超级电容，能量管理系统利用PI控制，与只使用蓄电池的系统相比，此系统表现出了更高的效率。Gao等介绍了一种燃料电池混合动力车，结果表明，燃料电池混合动力汽车具有良好的效率。Martinez等利用模糊逻辑控制功率匹配，当蓄电池的SOC大于参考值时，燃料电池和超级电容会减少能量供应。Yu等提出了一种功率分配策略，基于功率需求、蓄电池和超级电容的SOC来分配能量。Paladini等在混合动力系统中嵌入了质子交换膜燃料电池，镍金属氢化物电池和Maxwell超级电容，在四种行驶工况上进行了测试，根据结果，在新欧洲行驶工况上是最经济的，只有6.75 g/km的氢燃料消耗。Motapon等也做了相关研究，对五种不同的控制策略进行比较，关注各策略的氢耗。表5是对这些研究的对比情况。
表5 燃料电池-蓄电池-超级电容动力系统研究总结
3 总结与建议
结构和优化目标不同，混合动力系统所使用的控制策略也不相同。优化目标包括动力系统的效率，燃料的消耗，整车的成本，能量损耗等。控制系统所采用的方法有经典控制方法，自适应控制，模型预测控制，模糊逻辑控制，神经网络控制。对能量管理系统控制策略的建议主要有：尽量采用最优化控制策略或等效消耗最小化策略，因为其动力分配最合理，且氢气消耗最低；在不影响负载功率分配的情况下减少氢的消耗，燃料电池车也要考虑经济性问题；硬件在环测试或实时工况测试只在模拟情况下不能充分说明控制策略的实用性。
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