氢电混合动力车动力系统结构布置研究

问朋朋，黄锋，何艳虎

（湖州职业技术学院机电工程分院，浙江 湖州 313000）

氢电混合动力车动力系统结构布置研究

问朋朋，黄锋，何艳虎

（湖州职业技术学院机电工程分院，浙江 湖州 313000）

随着能源危机和环境恶化，汽车工业的进一步发展受到极大的挑战，发展新能源汽车成为未来汽车工业的发展方向。氢电混合动力车是一种新能源车，其动力系统的性能对汽车的整体性能起着至关重要的作用，为了更好地实现其性能，对其结构布置进行研究很有必要。通过与传统汽车、油电混合动力车以及纯燃料电池车的动力系统进行对比，研究了氢电混合动力车动力系统的组成与特点；并详细研究了动力系统的结构布置及其特点和各自适合的工况条件。通过以上的研究，为后续动力系统结构布置的选择提供了参考，并指出了其未来发展的方向。

氢电混合动力车；动力系统；结构布置

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-52-03

前言

油电混合动力车是一种新能源车，其环保性能优于传统汽车，它提高了燃油利用率，减少了污染物的排放，但它仍然存在废气排放，仍然会对环境造成污染，还不是真正意义上的环保车。而氢电混合动力车则是一种环保车，它继承了传统汽车的许多优良性能，如高速度、加速性能、长距离行驶以及安全舒适等，同时克服了纯电动汽车续驶里程短、充电时间长的缺点，而且适应了当今社会可持续发展的要求，从而成为各国研发的热点。正是由于氢电混合动力车具有上述诸多优势，而且它与传统汽车相比最大的优势在于动力系统，因此对其动力系统进一步研究很有必要。

通过与传统汽车、油电混合动力车以及纯燃料电池车的动力系统进行对比，介绍了氢电混合动力车动力系统的组成与特点；并详细介绍了动力系统的结构布置及其特点和各自适合的工况条件。

1、氢电混合动力车动力系统的组成与特点

传统汽车的动力系统主要是由发动机和传动系统组成，当前普遍使用的燃油发动机存在种种弊病，燃油利用率低，在市区更低，更为严重的是排放的废气会对环境造成污染。随着世界各国环保呼声的日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出，虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。基于此种情形，工程师们开发了一种混合动力车（Hybrid Electric Vehicels，HEV），即油电混合动力车。这种混合动力车的混合动力装置是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由动力电池-电动机系统承担，这样既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩作战”，取长补短，燃料利用率得到提高，废气排放得到改善。

与传统汽车相比，油电混合动力车已经在环保和提高燃料利用率方面取得了一定成果，但是还不能从根本上解决环保和化石能源危机问题，燃料电池车则能从根本上解决这两个问题。燃料电池汽车示范运行证明[1,2]：燃料电池车发展的方向应该是氢电混合动力系统，为了便于与油电混合动力车进行对比区分，由此系统构成的汽车我们称之为氢电混合动力车。这种氢电混合动力系统主要是由燃料电池系统（主要是由燃料电池堆栈、空气供给系统、氢气供给系统和水热管理系统组成）、蓄电系统（蓄电池/超级电容）、电动机（交流电机/轮毂电机）、功率变换器（DC/DC变换器和DC/AC变换器）和控制器组成。

与传统汽车、油电混合动力车以及纯燃料电池车的动力系统相比，氢电混合动力系统的特点是[3]：

（1）采用的是燃料电池系统和蓄电系统双动力源，两者不但可以独自驱动车辆行驶，而且可以共同驱动车辆行驶；

（2）采用的是纯电驱动模式，动力传输采用的是电线，取代了传统的刚性机械传动，易于布置。

（3）再生制动能力可以使得能量损失减至最小，并且可以回收减速或者停车的能量；

（4）蓄电系统的造价要比燃料电池系统低得多，从而降低了整车成本；

（5）燃料电池系统始终处于最佳工作状态，燃料利用率得到显著提高；

（6）在启动加速时，能提供更大的瞬时输出功率；

（7）排放大大减低，接近零污染。

此外，氢电混合动力车还可以做成Plug-in的形式，在停车时可以对蓄电系统进行充电，这样既延长了行驶里程又减少了氢的用量及成本。

2、氢电混合动力车动力系统的结构布置

氢电混合动力车动力系统按照能量合成的形式主要分为串联式（SHEV，如图1）、并联式（PHEV，如图2）和混联式（PSHEV，如图3）三种[4-14]：

串联式结构形式是相对比较简单的一种驱动方式，它的形式与纯电动汽车比较类似，它主要是由燃料电池系统、蓄电系统、电动机、功率转换器和控制器等部件以串联的方式组成SHEV的动力单元系统。串联式结构形式中，燃料电池系统始终处于最佳工作状态，燃料电池系统产生的电能通过功率转化装置给蓄电系统充电，它不直接参与驱动，与纯电动汽车相同的是由蓄电系统驱动电动机，电动机直接驱动车轮，而燃料电池什么时候用来充电且充电的电流大小都由整车控制器来控制。当车辆处于如启动、加速、爬坡的工况时，燃料电池和蓄电系统共同向电动机提供电能；当车辆处于低速、滑行、怠速的工况时，则由蓄电系统驱动电动机，由燃料电池向蓄电系统充电。这种串联式的结构形式不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱动车轮。串联式适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行的工况，可以使燃料电池在最佳工作区域内稳定运行。在蓄电系统电能较高时还可以关闭燃料电池，只利用蓄电系统进行功率输出，使燃料电池避免了怠速和低速运行工况，提高了燃料电池的效率。但是串联式结构的经济性还有待提高。

串联式的主要性能特点：

（1）燃料电池始终在高效工作区域内工作，提高了燃料电池的效率以及氢燃料的利用率；

（2）整车系统能量损耗较大。由于串联式的中间能量转换环节比较多，导致能量流失较多。当燃料电池将化学能转变为电能、电动机将电能转变为机械能、蓄电系统的充放电这些过程都有能量损失，最终燃料电池输出的能量利用率比较低。

（3）结构布置相对简单灵活。单从总体结构上看，其结构方面更加趋近于纯电动汽车，整车的结构布置自由度较大。

（4）耗费成本较高。对于氢电混合动力车，由于需要大功率电机，这就需要蓄电池/超级电容的容量也要相对增加，所需要的蓄电池/超级电容数量增加，导致重量和成本增高。

并联式在结构和布置上比串联要复杂些，实现形式也趋多样化：当车辆运行工况所需的功率超过了燃料电池系统的功率时，电动机从蓄电系统取得额外的驱动功率来驱动车轮；当燃料电池系统的功率超过了车辆运行工况所需的功率时，控制器控制燃料电池系统向蓄电系统充电，使电池的电能恢复到设定值，以保证混合驱动模式下的续驶里程。并联式结构有燃料电池系统和蓄电系统两套驱动系统。燃料电池系统与蓄电系统并联，蓄电系统与燃料电池系统可分开工作也可一起协凋工作共同驱动车轮，而且燃料电池系统可以作为发

电机向蓄电系统充电。在车辆行驶时，以燃料电池系统为主要动力源；在车辆起步或加速时则使用蓄电系统作为辅助动力源。当燃料电池处于效率低的低负荷工况时，则由燃料电池向蓄电系统充电。其次，在车辆制动或下坡减速行驶时，则通过制动能量回收系统进行制动能量回收，向蓄电系统充电。而车辆停止时，使燃料电池停止运转，以限制能量消耗。并联式氢电混合动力车可以在比较复杂的工况下使用，应用范围比较广，但是对燃料电池工作状态的优化和对能量系统的管理则提出了更高的要求。并联式驱动系统适合于车辆在中、高速稳定行驶的工况，所以并联式驱动系统比较适合在城市间道路和高速公路上行驶，工况稳定，可以提高燃料电池系统的效率。

并联式的主要性能特点：

（1）与串联式驱动系统相比，并联式驱动系统的燃料电池系统可以通过电动机直接驱动车轮，其能量的利用率要高一些，这决定了并联式的燃料经济性一般比串联的要高；

（2）并联式驱动系统实现了双驱动，燃料电池系统和蓄电系统都可以单独通过电动机驱动车轮，也可以共同驱动车轮；

（3）控制策略比较复杂。

混联式的结构形式和控制方式结合了串并联的特点。它把混合动力的优化思想发挥的最全面，它对燃料电池系统、蓄电系统、电动机三大动力部件进行更多的优化匹配，以保证复杂工况下系统工作的最优化。在车辆低速工况行驶时，驱动系统主要以串联方式工作为主；当车辆高速稳定工况行驶时，则以并联工作方式为主。这样能更好的提高燃料经济性。工作时，利用动力分配器分配燃料电池系统的动力：一方面直接驱动车轮，另一方面自主地控制向蓄电系统充电。整车控制器根据电门的档位，负责燃料电池系统用于充电和驱动的比例分配，电池管理系统负责监控蓄电系统电流，当蓄电系统电量下降时，由燃料电池系统为蓄电系统充电。

混联式的主要性能特点：

（1）性能较佳，适合多种复杂工况，燃料经济性好，可以自身充电，续驶里程高。

（2）成本高，控制系统技术含量高，控制元器件价格高，整车价格高。

（3）系统结构复杂，整车布置困难，这给制造带来考验。

3、结语

油电混合动力车适应了现阶段能源和环境方面的需求，但从长远来看，化石能源的储量有限，随着世界汽车保有量的增长，将不能满足汽车消费的燃料需求。而氢电混合动力车由于其具有很多优势，能够从根本上解决能源危机和环境污染问题，因此会成为汽车工业未来发展的主流方向。

通过对氢电混合动力车的三种主要的动力系统结构布置各方面进行综合分析和研究，以及现阶段燃料电池车的示范运行主要是在公共交通领域，与并联式相比，串联式的成本低以及控制策略比较简单，因此串联式的氢电混合动力车更加适合目前的实际情况；当然，随着燃料电池车商业化进程的发展，并联式和混联式将会成为未来发展的方向。

[1] 马紫峰, 章冬云.氢电混合燃料电池汽车动力系统技术[J]. 电源技术, 2008, 132(6): 357-360.

[2] G.J. Offer, D.Howey, M. Contestabile, etal. Comparative analysis of battery electric, hydrogen fuel cell and hybrid vehicles in a future sustainable road transport system[J]. Energy Policy, 2010, 38: 24-29.

[3] 赵英杰, 刘永文, 苏明, 等. 混合动力 FCEV控制策略的仿真研究[J]. 系统仿真学报, 2003, 15(5): 703-705.

[4] H.YUN, Y.ZHAO, J.WANG. MODELING AND SIMULATION OF FUEL CELL HYBRID VEHICLES[J]. International Journal of Automotive Technology, 2010, 11(2): 223−228.

[5] Emadi A, Rajashekara K, Williamson SS, etal. Topological overview of hybrid electric and fuel cell vehicular power system architectures and configurations[J]. IEEE Trans Vehicular Technology, 2005, 54(3): 763-770.

[6] Ali Emadi, Young Joo Lee, Kaushik Rajashekara. Power Electronics and Motor Drives in Electric, Hybrid Electric, and Plug-In Hybrid Electric Vehicles[J]. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 2008, 55(6): 2237-2245.

[7] C.C.Chan. The State of the Art of Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles[J]. PROCEEDINGS OF THE IEEE, 2007, 95(4): 704-718.

[8] 程自珠. 混合动力电动客车的研究[D]. 武汉理工大学, 2010, 5.

[9] 廖水容. 混合动力燃料电池客车发展趋势[J]. 淮阴工学院学报, 2009, 18(1): 27-30.

[10] 王昕彦, 梁桂航, 牟春燕. 基于ADVISOR的混合动力车辆动力源功率匹配仿真研究[J]. 计算机应用与软件, 2010, 27(11): 178-180.

[11] 陆祥丰, 陈智佳, 金玲, 等. 基于ADVISOR 的混合动力SUV[J]. 汽车工程师, 2009, (7): 27-29.

[12] 周苏, 张晔, 牛继高, 等. 基于Cruise/Simulink的FCHEV燃料电池和动力蓄电池功率匹配研究[J]. 青岛大学学报, 2010, 25(4): 20-27.

[13] 张洁萍, 张逸成, 姚勇涛, 等. 燃料电池电动汽车用DC/DC变换器方案[J]. 低压电器, 2002, (5): 51-53.

[14] 舒红, 秦大同, 胡建军. 混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势[J]. 重庆大学学报, 2001, 24(6): 28-31.

Research of architectures for hydrogen electric hybrid vehicle powertrain

Wen Pengpeng, Huang Feng, He Yanhu
（Electrical and mechanical engineering branch of Huzhou Vocational and Technical College, Zhejiang Huzhou 313000）

With the energy crisis and environmental degradation, the further development of the auto industry suffers great challenges and developing new energy vehicles becomes the future development direction of the automobile industry. Hydrogen Electric Hybrid Vehicles are a kind of new energy vehicles. Its performances of powertrain are crucial to the overall performance of automobiles. It is necessary to study the architectures of powertrain in order to realize its performances preferably. The trait and composition of fuel cell Hydrogen Electric Hybrid Vehicles are researched compared with the powertrain of traditional automobiles, hybrid electric vehicles and pure fuel cell vehicles. Then the architectures of powertrain and the trait of architectures and their respective suitable conditions are researched. The above-mentioned researches provide

for the selection of architectures of powertrain, and the direction of future development is indicated.

Hydrogen Electric Hybrid Vehicles; powertrain; architectures

U461.2

A

1671-7988(2014)09-52-03

问朋朋，硕士研究生，就读于湖州职业技术学院机电工程分院，研究方向为新能源汽车及其关键技术。

湖州职业技术学院校级规划课题（2014JS05）。