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燃料电池动力系统构型与关键部件
2021-09-12 00:14:30· 来源：CEA氢氢子衿
1 燃料电池动力系统构型燃料电池动力系统中的二次储能电池可以有多种类型,包括锂离子电池､镍氢电池和超级电容器等｡因此,燃料电池动力系统存在多种构型方案,目
1 燃料电池动力系统构型
燃料电池动力系统中的二次储能电池可以有多种类型,包括锂离子电池､镍氢电池和超级电容器等｡因此,燃料电池动力系统存在多种构型方案,目前常用的燃料电池动力系统构型方案见表2｡
表2 常用的燃料电池动力系统构型方案
1.1 单一燃料电池构型
单一燃料电池构型只包含燃料电池一个能量源,单一燃料电池动力系统基本结构如图1所示,包括燃料电池系统､整车控制器､DC/DC､逆变器和电机等部件｡汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担｡燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能传给驱动电机,驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系统,从而驱动汽车前进｡
图1 单一燃料电池动力系统基本结构
燃料电池输出电压一般比电动汽车动力总线电压要低,特性比较软,即随着输出电流的增加,电压下降幅度比较大,为实现燃料电池输出电压与动力总线电压匹配,就需要一个DC/DC(直流/直流)变换器｡同时,DC/DC变换器可以对燃料电池最大输出电流和功率进行控制,起到保护燃料电池系统的目的｡
1.2 燃料电池+动力蓄电池构型
该种构型有多种分类标准,根据是香插电可分为插电型和不插电型:根据配备的燃料电池和动力蓄电池的功率等级的差异,可分为能量混合型和功率混合型:根据燃料电池是否与直流母线直接连接,可分为直接型和间接型｡
1.2.1 不插电型和插电型
不插电型燃料电池+动力蓄电池构型动力系统拓扑结构如图5-2所示｡该动力系统中,燃料电池系统为主要动力源,动力蓄电池配合燃料电池系统进行混合驱动,电能经过电机转化成机械能传给传动系统｡加速时,电池组和燃料电池堆共同输出能量,保证整车的加速性能,由于电池组提供了部分能量,减轻了电池堆瞬时加速时的负担,避免阴极“氧气饥饿”现象的发生,可延长电池堆寿命｡制动时,电池组回收部分能量,此过程由电池管理系统控制｡
图2 不插电型燃料电池+动力蓄电池构型动力系统拓扑结构
其优点包括:燃料电池成本降低,对电池堆动态特性及功率要求降低,启动容易,可靠性高｡缺点包括:结构复杂,紧急制动时的能量回收瞬时电流较高,动力蓄电池可能会受到一定损伤｡目前这种配置方案应用相对广泛｡
插电型燃料电池+动力蓄电池构型与传统的插电式混合动力汽车类似,该方案有两种驱动模式,第一种以动力蓄电池为主要动力来源,动力蓄电池外接充电器可以为动力蓄电池充电;第二种是纯燃料电池驱动｡燃料电池+动力蓄电池动力系统(插电)配置方案如图5-3所示｡
此方案一方面能够发挥电动汽车低速性能好的特点,解决拥堵造成的车辆起步停车和排放问题;另方面,适当匹配动力系统结构参数,能够很好地解决燃料电池轿车性能､应用和成本之间的矛盾｡
1.2.2 能量混合型和功率混合型
根据配备的燃料电池和动力蓄电池功率等级的差异,燃料电池+动力蓄电池构型可分为能量混合型和功率混合型两大类｡燃料电池轿车不同动力驱动系统构型的分析和比较见表3｡能量混合型燃料电池+动力蓄电池混合驱动汽车燃料电池功率较小｡在车辆行驶过程中,整车部分功率由燃料电池提供,不足部分由动力蓄电池提供｡功率混合型燃料电池轿车在车辆行驶过程中,主动力源为燃料电池,动力蓄电池为辅助动力源,动力蓄电池只是在燃料电池启动､汽车爬坡和加速时提供功率,在汽车制动时能回收制动能量｡
图3 燃料电池+动力蓄电池动力系统(插电)配置方案
表3 燃料电池轿车不同动力驱动系统构型分析和比较
(1)能量混合型的FCEV的特点
1)燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例较小｡
2)燃料电池只能提供一部分车辆行驶需求功率,不足部分还需其他动力源(如动力蓄电池或超级电容)提供｡
3)燃料电池可在系统效率较高的额定功率区域内长时间工作｡
4)需配备较大容量的动力蓄电池,故整车重量增加,动力性变差,整车布置空间紧张｡
5)每次运行结束后,除要加注氢燃料外,还需用地面电源为动力蓄电池充电｡
(2)功率混合型的FCEV的特点
1)燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例较大｡
2)燃料电池为主动力源,动力蓄电池或超级电容为辅助动力源｡
3)车辆行驶需求功率主要由燃料电池提供,动力蓄电池只是在燃料电池启动､车辆爬坡和加速时提供功率,在车辆制动时回收再生制动能量｡
4)可减小动力蓄电池容量,有利于减轻车重,提高车辆动力性｡
5)需配备较大功率的燃料电池,故整车成本较高｡燃料电池工作状况随车辆工况波动较大｡
1.2.3 直接型和间接型
根据DC/DC变换器位置的不同,可将动力系统结构分为两大类:直接燃料电池动力系统和间接燃料电池动力系统｡
直接型燃料电池动力系统的一种基本结构如图4所示,它的结构布置特点是燃料电池系统与直流母线直接相连,辅助动力源也直接并入动力母线｡在此动力系统拓扑结构中,辅助动力源的存在可以回收制动能量,提高了整车的经济性,降低了燃料电池的功率需求,减少了成本,同时增加辅助动力源也增加了整车储存的能量,增加了续驶里程｡
图4 直接型燃料电池动力系统的一种基本结构
直接型燃料电池动力系统的另一种基本结构如图5所示,辅助动力源通过变换器后接入直流母线｡增加DC/DC变换器可以降低直流母线对辅助动力源电压的要求,使辅助动力源电压不必再与直流母线电压保持一致｡
图5 直接型燃料电池动力系统的另一种基本结构
对直接燃料电池混合动力系统而言,燃料电池系统和电机系统的电压匹配存在矛盾:当母线电压过低时,电机系统的功率输出能力差,进而影响了燃料电池最大功率输出能力的发挥;而母线电压比较高时,电机的最大功率输出能力很好,燃料电池则由于电压太高而输出功率较小｡
一种典型的间接燃料电池动力系统结构如图6所示｡燃料电池系统通过单向DC/DC变换器并入直流母线,燃料电池的端电压就可以通过DC/DC变换器的升压或者降压与系统直流母线的电压进行匹配,从而使燃料电池系统功率输出与直流母线的电压之间不在合关系,同时DC/DC变换器也可将直流母线电压维持在电机系统的最佳工作范围,提高系统效率｡
图6 典型的间接燃料电池动力系统结构
1.3 燃料电池+超级电容构型
燃料电池+超级电容混合驱动构型与燃料电池+动力蓄电池混合驱动构型类似｡燃料电池与超级电容联合方案如图7所示｡其构型特点是把辅助动力蓄电池换成了超级电容｡在该动力系统结构中,有燃料电池和超级电容两个动力源｡汽车的功率负荷由燃料电池和超级电容共同承担,即燃料电池和超级电容-起为驱动电机提供能量,驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统,从而驱动汽车前进｡考虑到超级电容的能量密度,该构型的燃料电池电动汽车大多为功率混合型燃料电池汽车,主动力源为燃料电池,超级电容为辅助动力源,超级电容只是在燃料电池启动､汽车爬坡和加速时提供功率,在汽车制动时能回收制动能量｡
图 7 燃料电池与超级电容联合方案
按照电极材料的不同,可以把超级电容分为三类:碳电极双层超级电容､金属氧化物超级电容和有机聚合物超级电容｡金属氧化物超级电容的优点是比功率很高,但是价格昂贵,主要用于军事领域;碳材料是商品化超级电容的主要材料,有成本低､单位质量表面积大､技术成熟等优点｡
1.4 燃料电池+动力蓄电池+超级电容构型
燃料电池､动力蓄电池与超级电容联合方案如图8所示｡它是在燃料电池与辅助动力蓄电池混合驱动的FCEV的电压总线上再并联组超级电容,用于提供加速或吸收紧急制动的尖峰电流｡
图8 燃料电池､动力蓄电池与超级电容联合方案
三能量源构型特点:燃料电池作为车辆的主能量源,通过主DC/DC与道变器相连,超级电容与双向DC/DC串联,再与动力蓄电池并联组成复合电源,作为车辆的副能量源｡燃料电池与复合电源并联共同为车辆提供能量｡在这种构型中,可以为燃料电池和复合电源分别设计控制策略,保证燃料电池能充分发挥其续驶里程长的特点,同时保证燃料电池工作在高效区,其动态响应慢的缺陷能够通过复合电源进行调节｡从复合电源子系统来看,经过超级电容的“削峰填谷”作用,动力蓄电池不会出现大电流的充放电情况,可以提高动力蓄电池寿命｡
在这种动力系统结构中,燃料电池､动力蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量,驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统,从而驱动汽车前进｡在汽车制动时,驱动电机变成发电机,动力蓄电池和超级电容将储存回馈的能量｡
燃料电池+动力蓄电池+超级电容混合动力系统与“燃料电池+动力蓄电池”或“燃料电池+超级电容”混合动力系统相比较,具有明显优势,尤其是在部件效率､动态特性､制动能量回馈等方面更有优势｡构型特点如下:
1)在采用燃料电池､动力蓄电池和超级电容联合供能时,燃料电池的能量输出更为平缓,随时间变化波动较小｡
2)能量需求变化的低频部分由动力蓄电池承担,能量需求变化的高频部分由超级电容承担｡各动力源的分工更加明细,使得它们的优势也得到了更好的发挥｡
3)可以更加充分地回收制动能量｡
4)燃料电池+动力蓄电池+超级电容混合动力控制策略开发难度较大,尤其是在驱动时,由于能量流动自由度多,为了能够充分发挥多能量源系统的输出优势并保证整车动力性与经济性,对整车能量管理策略要求较高｡
2 燃料电池动力系统关键部件介绍
本节将针对燃料电池动力系统中的关键部件(包括燃料电池､蓄电池､电机和DC/DC等)进行详细介绍｡
2.1 燃料电池
随着人们对环保和能源问题的关注度日益提升,燃料电池技术得到快速的发展｡燃料电池主要可分为以下5种:质子交换膜燃料电池(PEMFC)､碱性燃料电池(AFC)､磷酸型燃料电池(PAFC)､固体氧化物燃料电池(SOFC)以及熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)｡
2.1.1 质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的结构组成如图9所示｡PEMFC由膜电极(MEA)和带气体流动通道的双极板组成｡其核心部件膜电极是采用一片聚合物电解质膜和位于其两侧的两片电极热压而成,中间的固体电解质膜起到了离子传递以及分割燃料和氧化剂的双重作用,而两侧的电极是燃料和氧化剂进行电化学反应的场所｡
图9 质子交换膜燃料电池(PEMFC)的结构组成
PEMFC通常以全氟磺酸型质子交换膜为电解质,Pt/C或PtRu/C为电催化剂,氢或净化重整气为燃料,空气或纯氧为氧化剂,带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板｡PEMFC工作时,燃料气和氧化剂气体通过双极板上的导气通道分别到达电池的阳极和阴极,反应气体通过电极上的扩散层到达电极催化层的反应活性中心,氢气在阳极的催化剂作用下解离为氢离子(质子)和带负电的电子,氢离子以水合质子H+(nH2O,n约为3~5)的形式在质子交换膜中从一个磺酸基迁移到另一个磺酸基,最后到达阴极｡质子的这种迁移导致阳极出现带负电的电子积累,从而变成一个带负电的端子(负极)｡与此同时,阴极的氧分子在催化剂作用下与电子反应变成氧离子,使得阴极变成了带正电的端子(正极),在阳极的负电终端和阴极的正电终端之间产生了一个电压｡如果此时通过外部电路将两端相连,电子就会通过回路从阳极流向阴极,从而产生电流;同时氢氧反应生成水｡
PEMFC以其操作温度低､比能高､启动快等优势被视为电动汽车最具潜力的能量来源之一｡经过多年的基础研究与应用开发,质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展,微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度,中､大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果｡在我国有中国科学院大连化学物理研究所､清华大学､同济大学､武汉理工大学､上海空间电源研究所､上海神力等机构在开展PEMFC的研究,并取得了长足进展,跟跑国外先进水平｡
2.1.2 碱性燃料电池
碱性燃料电池(AFC)是以碱性溶液为电解质,将存在于燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置,是最早获得应用的燃料电池｡其电解质必须是碱性溶液,因此得名碱性燃料电池｡氢氧化钠和氢氧化钾溶液以其成本低､易溶解､腐蚀性低等优点,成为首选的电解液｡催化剂主要用贵金属铂､钯､金､银和过渡金属镍､钴､锰等｡1973年AFC成功地应用于阿波罗登月飞船的主电源,使人们看到了燃料电池的诱人前景｡AFC具有启动快､效率高､价格低廉的优点,有一定的发展潜力｡
这种电池常用35%~45%的KOH为电解液,渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中,工作温度低于100°C｡该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度比在酸性液中大,因此有较大的电流密度和输出功率,但氧化剂应为纯氧,电池中贵金属催化剂用量较大.而利用率不高｡目前,此类燃料电池技术的发展已非常成熟,并已经在航天飞行及潜艇中成功应用｡国内已研制出200W氨-空气碱性燃料电池系统,制成了1kW､10kW20kW的碱性燃料电池,20世纪90年代后期在跟踪开发中取得了非常有价值的成果｡发展碱性燃料电池的核心技术是避免二氧化碳对碱性电解液成分的破坏,不论是空气中百万分之几的二氧化碳成分,还是烃类的重整气使用时所含有的三氧化碳,都要进行去除处理,这无疑增加了系统的总体造价｡此外,电池进行电化学反应生成的水需及时排出,以维持水平衡｡因此,简化排水系统和控制系统也是碱性燃料电池发展中的核心技术｡
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