鉅大LARGE | 點擊量：1412次 | 2019年04月02日
燃料電池汽車動力系統(tǒng)的設(shè)計
科技信息高校理科研究燃料電池汽車動力系統(tǒng)選型設(shè)計上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院虞銘翁正新燃料電池汽車動力系統(tǒng)選型參數(shù)設(shè)計能源與環(huán)境是各國政府密切關(guān)注的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題。隨著世界汽車保有量的急劇增長，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車對人類環(huán)境帶來的危害越來越嚴重，環(huán)境保護呼聲的高漲和石油儲量日益短缺的壓力，迫使人們重新考慮未來汽車的動力問題。未來的汽車應(yīng)當(dāng)向清潔、環(huán)保的方向發(fā)展，經(jīng)過對各種新燃料、新能源和新動力的探索，燃料電池汽車（FuelCellVehick以其清潔、高效的特性逐漸成為公認的未來最有前途的新能源汽車P.以燃料電池為動力源的汽車稱為燃料電池汽車，但是純?nèi)剂想姵仄嚧嬖谝韵卤锥耍撼杀具^高，不能回收再生制動能量，起動困難及瞬態(tài)響應(yīng)性差等。所以目前普遍采用蓄電池組與燃料電池系統(tǒng)并聯(lián)驅(qū)動，類似于內(nèi)燃機串聯(lián)混合動力汽車，是電-電混合動力，這種運行方式充分利用了燃料電池系統(tǒng)的高能量密度和蓄電池組的高功率密度2，車輛在不同的行駛工況下燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組構(gòu)成的混合動力系統(tǒng)在不同的模式下工作。所示為典型的能量混合型的燃料電池動力系統(tǒng)示意圖。這種車型不但具有純?nèi)剂想姵仄嚨膬?yōu)點，還能夠克服純?nèi)剂想姵仄嚹壳盁o法解決的缺陷。
本文從整車角度出發(fā)，介紹了燃料電池汽車動力系統(tǒng)各個部件的選型標(biāo)準(zhǔn)，分析了其性能參數(shù)對整車的影響，為整車動力系統(tǒng)集成設(shè)計堤供理論依據(jù)。
電機驅(qū)動系統(tǒng)選型及參數(shù)設(shè)計2.1電機驅(qū)動系統(tǒng)的分類及比較電機驅(qū)動系統(tǒng)是燃料電池汽車中將電能轉(zhuǎn)換成機械能的動力部件，目前常用的驅(qū)動形式有直流電機驅(qū)動系統(tǒng)、交流感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)、交流永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)和開關(guān)磁阻驅(qū)動系統(tǒng)34.直流電機驅(qū)動系統(tǒng)具有成本低、易于平滑調(diào)速、控制簡單、技術(shù)成熟等特點，在早期的無軌電車和電動叉車等電動車輛中使用比較廣泛。
但由于電機在運行過程中需要電刷和換向器轉(zhuǎn)向，其高速性能和可靠性受影響較大。隨著交流調(diào)速理論及電力電子器件的發(fā)展，目前其在燃料電池汽車上的應(yīng)用已逐步減少。
交流感應(yīng)電機又稱異步電機，與直流電機相比結(jié)構(gòu)簡單，采用鼠籠式或繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機堅固耐用、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、免維護、成本低，尤其適合惡劣的工作環(huán)境，比較適合燃料電池電動汽車，尤其是大功率的電動汽車。例如GM開發(fā)的燃料電池汽車Sequel就是采用了60kW的異步電機。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
交流永磁電機通?？煞譃榉讲ü╇姷臒o刷直流電機和正弦波供電的永磁同步電機。轉(zhuǎn)子采用永磁體，不需要勵磁。因此，功率因數(shù)大，電機具有較高的功率密度和效率。在中小功率系統(tǒng)中比較占優(yōu)優(yōu)勢，但是該系統(tǒng)成本較高，可靠性上也比感應(yīng)電機差，本田推出的燃料電池汽車FCX前輪驅(qū)動電機為80kW的永磁電機。
開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)最為簡單，適合高速運行，調(diào)速控制比較容易，但是電磁噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動仍然是開關(guān)磁阻電機面臨的兩大難題。目前燃料電池汽車上這種電機應(yīng)用較少。
燃料電池電動汽車的驅(qū)動電機系統(tǒng)具有以下要求：轉(zhuǎn)矩對油門和制動踏板的動態(tài)響應(yīng)快，波動?。?驅(qū)動電機具有較寬的調(diào)速范圍，電機能在四象限工作，狀態(tài)切換平滑。
4）功率密度高，可靠性好，易于維護。
電機工作區(qū)域主要包括基速以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)和基速以上的恒功率工作區(qū)兩個工作區(qū)間，前者主要保證電動汽車的載重能力，后者則保證電動汽車有充足的加速空間。電機的特性如所示。其中，峰值特性用于車輛加速、爬坡，而持續(xù)特性用于車輛巡航行駛。根據(jù)整車動力性能要求確定的電機性能參數(shù)包括：最高轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩、最大功率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、額定功率。
動力蓄電池選型及參數(shù)設(shè)計3.1動力蓄電池的分類及比較作為輔助動力源的動力蓄電池，在汽車起步的工況下堤供全部動力；當(dāng)汽車在加速或爬坡等工況時，為主動力源堤供補充；同時在汽車制動時，吸收制動回饋的能量。目前，在電動汽車上普遍使用的電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。
鉛酸電池由于安全耐用、價格低廉，曾是電動汽車動力電源的首選，但是由于電池的能量密度和功率密度小，造成電動汽車體積過大，不適用于燃料電池汽車。鎳氫電池的能量密度和功率密度都優(yōu)于鉛酸電池，許多公司都將其作為混合動力汽車和燃料電池汽車使用的首選電池。鋰離子電池的出現(xiàn)使得電池的性能和壽命都有了長足進步。鋰離子蓄電池在容量、功率等方面的優(yōu)點引起了世界各國極大的研究興趣。
曰本、美國、加拿大、法國、德國等都已經(jīng)在電動車用鋰離子蓄電池的開發(fā)方面取得了很大進展，如通用汽車公司為了在其新版的Hy-Wire上堤高效率，配備了法國SAFT公司生產(chǎn)的鋰離子電池。
動力蓄電池的要求燃料電池汽車燃料電池與蓄電池這種“電-電”混合形式下對蓄電池有以下要求：1整車有較大功率需求時，能夠大電流放電，待燃料電池響應(yīng)跟上后放電電流迅速降低；2進行制動回饋時，可以在短時間內(nèi)接受較大電流的充電，即要具有瞬間大電流充放電能力；電池的荷電狀態(tài)（SOC應(yīng)盡可能保持在50%85%的范圍內(nèi)；循環(huán)壽命長，能夠達到1000次以上的深度放電和40萬次以上的淺度放電循環(huán)。
動力蓄電池參數(shù)設(shè)計對于能量混合型的燃料電池電動汽車主要有以下參數(shù)需要確定：1蓄電池組的額定電壓和單體電池的個數(shù)。
蓄電池組的額定電壓取決于動力總線的電壓，配合單體電池允許的電壓工作范圍，就能計算出所需的電池節(jié)數(shù)。
2蓄電池的功率和能量需求。電池的功率需求包括最大放電功率需求和最大充電功率需求。對于燃料電池汽車，根據(jù)整車的動力性能要求，分析各個工況，如汽車起步、爬坡、超車、制動等的功率需求可以得到對動力源的功率需求。計算最大能量需求時要考慮SOC的波動范圍和電池。
3）蓄電池的容量。根據(jù)蓄電池允許的最大放電電流不超過20C為依據(jù)計算得到蓄電池的容量。
燃料電池發(fā)動機的選型及參數(shù)設(shè)計4.1燃料電池的分類及比較燃料電池按電解質(zhì)類型的不同，可分為六種主要的燃料電池：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC、堿性燃料電池（AFCS、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFCS、固態(tài)氧化物燃料電池（SOFCS和直接甲醇燃料電池（DMtFCS.其中，質(zhì)子交換膜燃料電池相對于其他類型的燃料電池具有低溫運行、快速啟動性、功率密度高、固態(tài)電解質(zhì)不（下轉(zhuǎn)第511頁高校理科研究科技信息金屬鋁中痕量鈦的測試研究海口經(jīng)濟學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院嚴規(guī)有聶巍在含有16%乙醇的鹽酸溶液中，鈦av與鉭試劑（bpha配合物在開路情況下吸附富集于玻璃碳電極表面，然后以250mv/s掃描速度從-0.3V掃至-0.8V（VS.SCE進行溶出，溶出峰電位為-0.57V，鈦濃度在0.062ng/ml范圍內(nèi)與峰高呈良好的線性關(guān)系。體系選擇性好，靈敏度高，操作簡單，用于金屬鋁中痕量鈦的測定，結(jié)果準(zhǔn)確。
表1高純金屬鋁中鈦的測定結(jié)果（n=5）樣品標(biāo)準(zhǔn)值U）鈦是高純鋁中的痕量元素，其含量一般在0.001%以下，對核反應(yīng)堆及特殊加工用鋁，需要知道鈦的準(zhǔn)確含量。要準(zhǔn)確測定含量如此低的成分，對測定方法的靈敏度、準(zhǔn)確度及選擇性要求很高。有人曾用銅鐵試劑和其他有機物與Ti（IV形成的配合物進行電化學(xué)分析法測定，但未見用鉭試劑（BPHA直接伏安法測定痕量Ti（IV）的報導(dǎo)。本文較詳細研究了BPHA與Ti（IV配合物的伏安特性，并建立了測定痕量鈦的新方法，方法靈敏度很高，檢出限達0.0076ng/mL，準(zhǔn)確度也很好，用于高純鋁中痕量鈦的測定，結(jié)果令人滿意。
1.1實驗儀器：PHS―3C酸度計；P―2型示波極譜儀，使用其三電極系統(tǒng)即以玻璃碳電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。
1.2主要試劑：鈦標(biāo)準(zhǔn)液一0.4mg/mL的H2SO4溶液，實驗時，根據(jù)需要用1mol/L的H2SO4逐級稀釋至所需的濃度；鉭試劑乙醇溶液一0.040mol/L；鹽酸溶液一6mol/L和1mol/L；硝酸汞溶液一0.01mol/L.1.3實驗方法：于25mL容量瓶中，加入適量的鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入1mol/L的HCL溶液3mL，加無水乙醇4mL，加0.040mol/L鉭試劑溶液0.5mL，用水定容，搖勻后全部倒入50mL燒杯中，加入硝酸汞溶液1滴，于示波極譜儀上開路富集4min后，以250mv/s的電位掃描速度由-0.3V掃至-0.8V，記錄-0.57V的導(dǎo)數(shù)峰高。
2.1測試介質(zhì)中各組分的作用及條件的選擇21鉭試劑的作用：據(jù)報道，銅鐵試劑分子中羥氨上的氧和亞硝基能與金屬離子鍵合，而且分子中苯環(huán)上的兀電子云易于汞電極上交疊，有吸附性，使金屬離子產(chǎn)生吸附波。在此啟發(fā)下，試驗BPHA與Ti（IV配合物的伏安性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生良好的導(dǎo)數(shù)極譜波，且隨BPHA溶液濃度增大，峰增高，當(dāng)其濃度超過2x10-4mol/L后，峰高變化小，波形穩(wěn)定，本文選用8x10-4mol/L.22酸度對峰高的影響：實驗表明，酸的種類對波的形狀均無影響。本文選用鹽酸調(diào)節(jié)酸度，當(dāng)鹽酸濃度在0.080.15mol/L之間時，峰高基本不變，試驗選用0.12mol/L.23乙醇的作用：由BPHA的性質(zhì)可知，其水溶液在強酸性條件下極易分解，而Ti（IV又需要在強酸性中測定，為此，在強酸性溶液中加入乙醇使BPHA穩(wěn)定性增加，且隨著乙醇用量增加，峰增高，當(dāng)介質(zhì)中含16%乙醇時，峰最高，再增加乙醇量，峰高變化不大。故選用乙醇含量為16%的測定介質(zhì)。
2.2溶解氧對峰高的影響分別做了溶液除去氧和不除氧的試驗，發(fā)現(xiàn)溶解氧對測定的靈敏度和重復(fù)性均無影響。這樣，不用除氧，簡化了操作手續(xù)，堤高了分析速度。
在選定的最佳實驗條件下進行測試，結(jié)果表明Ti（IV濃度在0.062ngmL范圍內(nèi)與峰高呈良好的線性關(guān)系，檢出限為0.0076ngmL.按實驗方法，對高純鋁及測定中可能存在的離子進行試驗，結(jié)果表離手續(xù)可直接測定高純鋁中痕量鈦。
作助溶劑，在電爐上緩慢加熱，待全部溶解后，冷卻，移入250mL容量瓶中，用水定容，搖勻，移取25.00mL，調(diào)節(jié)酸度并轉(zhuǎn)入100mL容量瓶中，用水定容，使酸度保持在0.18mol/L，取適量試液按實驗方法測定，用標(biāo)準(zhǔn)加入法計算結(jié)果，見表1.
