氢电混合燃料电池汽车动力系统研究进展

倪红军，吕帅帅，陈青青，裴 一

(南通大学机械工程学院，江苏南通226019)

氢电混合燃料电池汽车动力系统研究进展

倪红军，吕帅帅，陈青青，裴 一

(南通大学机械工程学院，江苏南通226019)

零排放和高效率的燃料电池混合动力汽车是人类“可持续移动”的最理想解决方案。介绍了一种氢燃料电池-锂离子电池混合动力系统；讨论了车用燃料电池动力系统能源效率的影响因素及提高动力系统效率的途径，总结了氢燃料电池汽车动力系统的国内外研究进展。

氢气；燃料电池；锂离子电池；动力系统

随着全球汽车产业的迅猛发展，环境污染和能源短缺问题已经成为当今社会的两大突出问题[1]。为寻求人类社会与汽车产业的可持续发展，燃料电池汽车是公认的可同时解决能源和环境问题的绿色环保车，也被认为是电动汽车的最终选择，是今后汽车发展的主要方向之一[2-3]。然而，受储氢系统技术、成本、寿命和可靠性等诸多因素的制约，使得纯燃料电池汽车很难真正市场化运行[4]。针对汽车的起动需要输出较大的功率、瞬态响应特性、燃料电池系统的成本等目前纯燃料电池汽车需要解决的一系列问题，世界各国汽车制造商开始把注意力转到燃料电池与其它动力源的混合动力汽车[5]。通常采用蓄电池(如氢镍、铅酸及锂离子电池等)或者超级电容作为辅助动力源和燃料电池并联，共同为汽车提供能量。这种混合燃料电池电动汽车，可使其输出功率有效地降低，及提高了整车的经济性和动态性。

1 燃料电池-锂离子电池混合动力系统

如图1所示燃料电池—锂离子电池混合动力系统包括电机控制系统，由燃料电池、燃料电池监测控制装置、燃料电池辅助设备组成的燃料电池子系统，由锂离子电池组和锂离子电池控制装置系统组成了锂电池子系统，由充电控制器、继电器、可控硅、DC/DC变换器构成的充电控制子系统，以及智能混合电源管理系统[6]。

图1 燃料电池-锂离子电池混合动力系统结构图

燃料电池—锂离子电池混合动力系统充分结合了锂离子电池和燃料电池的优点，从而提高动力系统的可靠性、延长燃料电池和锂离子电池的使用寿命，同时可满足汽车能量回收等方面的要求[7-9]。

在该混合动力系统中，燃料电池作为主要动力源，锂离子动力电池组作为辅助动力源。汽车运行时主要采用燃料电池系统提供电力；锂离子动力电池主要起调峰、增容、回收能量的作用。当汽车加速、上坡时，锂离子电池作为辅助电源提供电力；当汽车下坡、减速时，锂离子电池组回收燃料电池的富余电能；该混合动力系统还可通过两种电池同时工作的方式，提高汽车的续航里程和能量容量，其中燃料电池堆的最大可输出功率与锂离子电池组的最大可输出功率之比为1∶0.1～1∶0.7[4,6,9]。

2 氢燃料电池汽车动力系统技术研究状况

2.1 国内氢燃料电池车动力系统的研究现状

上海汽车自主研发“上海牌”燃料电池汽车，采用高功率燃料电池和动力锂电池联合驱动，储氢系统采用35 MPa高压储氧瓶。由于采用稳定安全的锂电池，荣威350电动汽车具备快充和正常充电功能[10]。

武汉理工大学与同济大学分别研发出燃料电池与动力蓄电池混合的“楚天一号”、“超越三号”、“超越二号”、“超越一号”等氢燃料电池车。

清华大学汽车安全与节能国家重点实验室承担“燃料电池城市客车”—国家“863”电动汽车项目，其中混合动力控制系统是重点研究的核心技术。清华大学选用不同的技术方向(国产的动力系统是小燃料电池加蓄电池而奔驰公司以燃料电池做驱动)，开发出“清华ECU”的功率混合型和能量混合型动力系统，并且各主要性能指标、整车行驶故障率及制作成本故障率都优于国际水平[10]。

由华南理工大学与广州益维电动汽车有限公司共同合作，研发出“燃料电池—锂离子电池混合动力轻型电动汽车的研发”，其中燃料电池功率为5 kW，连续稳定运行时间大于8 h，无故障运行时间大于3 000 h，启动时间小于1 s。

清能华通与苏州金龙合作共同研发生产的氢燃料电池公交车釆用燃料电池发动机和动力蓄电池混合动力源，燃料储氢瓶置于车后方，并且可通过CAN总线对驱动电机、燃料电池系统、动力蓄电池进行优化控制。

2.2 国外氢燃料电池车动力系统的研究现状

GJ.Offer.D.Howey等分析对比了氢燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车三种新能源汽车的发展潜力。作者通过基础设施和技术的要求定性比较，以及动力系统在超过160 900 km的生命周期成本占资本及燃料成本的定量比较中得出：氢燃料电池混合动力汽车未来研究发展的方向将比纯电动汽车及燃料电池汽车具有更高的效率。

Jennifer Bauman通过在MATLAB/Simulink环境下建立DC/DC转换器的模型、燃料电池系统模型、动力电池系统模型、超级电容模型，使燃料电池—动力电池—超级电容、燃料电池—动力电池三种动力系统的功率、能量、效率及耐久性在最优的情形下进行参数研究。通过研究指出，燃料电池—动力电池混合动力汽车具有花费低，系统简单的优点，燃料电池—动力电池—超级电容混合动力汽车具有更好的燃料经济性，由于超级电容具有吸收峰值电流的作用，有效缓解了动力电池的压力，能够延长动力电池的生命周期。

Deepak J.Frank,Keshav S.Varde[11]通过PSAT软件对一个PEM燃料电池混合动力系统进行建模仿真，并且对燃料电池和动力电池在不同混合度下的动力系统进行模拟仿真。研究结果显示，在高负载时，燃料电池的输出电压会出现短暂的变化，虽然燃料电池的电压在5 ms后趋于稳定，但是电压变化的特征将会对动力系统的燃料经济性产生影响。同时他们还得出当燃料电池的功率在55～75 kW之间时，动力系统的经济性最优。

3 车用燃料电池动力系统能源效率的影响因素

以国产某500 W氢/空燃料电池为核心构建了燃料电池效率测试平台系统[12-13]，根据燃料电池工作原理及测试平台的性质，建立了燃料电池效率与电池功率及反应气流量之间的关系式，通过实验研究得出：当反应气压力较低时，电池的初始效率也很低。在最大效率点前端，燃料电池效率随反应气压力的增加而显著增大；在最大效率点之后随着电池输出功率的增加，反应气体压力对电池效率的影响逐渐减小；反应气压力对电池的效率影响较显著，电池效率在最大工作功率的30%以前随功率的增加而快速增大，达到最大效率点以后随着功率增加效率缓慢下降，在达到最大工作功率约70%～80%以后，下降梯度略有增大。研究还表明：电池温度和反应气增湿温度对燃料电池效率影响较小。

4 结语

燃料电池汽车发展历程表明，氢电混合燃料电池汽车动力系统是提高燃料电池效率和运行寿命的重要途径。如何降低动力型蓄电池、储氢装置和燃料电池的制造成本，提高其比能量与比功率，对于燃料电池汽车产业化影响巨大。为提高燃料电池混合动力系统的能量效率，对燃料电池的控制应根据其效率变化特性进行优化，并尽量减少附加功率的消耗；同时应根据功率需求确定燃料电池和动力电池混合动力系统的控制策略。此外，对动力电池应以小电流充电，驱动电机的控制应尽量在高效率区工作；同时气体增湿温度和电池温度要确定为一个合理的值，以简化控制系统。

[1] 黄明宇，冯小保，厉丹彤，等.基于先进车辆模拟器的小功率氢电混合电动车混合度的仿真研究[J].南通大学学报：自然科学版，2013，12(4)：29-33.

[2]马紫峰.《电动汽车用低成本、高密度蓄电(氢)体系基础科学问题研究》项目任务书[M].北京：国家科技部，2007.

[3] 魏学哲.燃料电池轿车锂离子动力电池管理系统研究[D].上海：同济大学，2005.

[4]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，2008，32(6)：357-360.

[5] 肖华桥.燃料电池电动汽车动力系统控制策略研究[D].上海：华东理工大学，2012.

[6] 华南理工大学.一种燃料电池—锂离子电池混合动力系统：中国，102555765 A[P].2012-07-11.

[7]王平，黄小枫.燃料电池汽车混合动力系统参数匹配与优化[J].上海汽车，2010(3)：7-11.

[8]辛乃龙.纯电动汽车锂离子动力电池组热特性分析及仿真研究[D].吉林：吉林大学，2012.

[9]虞铭，翁正新.燃料电池汽车动力系统选型设计[J].科技信息，2011(10)：106-107.

[10] 孙绪旗.氢燃料电池汽车动力系统设计与建模仿真[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[11]吕帅帅，汪兴兴，倪红军，等.电动汽车能量管理系统的功能及研究进展[J].电源技术，2014，38(2)：386-389.

[12] 张春龙，邵丽华，戴未然.光伏与市电联合供电系统的能量管理控制[J].南通大学学报：自然科学版，2012，11(3)：5-10.

[13]王金龙，王登峰，陈书明.车用燃料电池效率测试及影响因素[J].广西大学学报，2010，35(6)：989-994.

Research progress of power system for hydrogen-electric hybrid fuel cell vehicles

NI Hong-jun,LV Shuai-shuai,CHEN Qing-qing,PEI Yi

Fuel cell hybrid vehicle (FCV)with zero emission and high efficiency is the ideal solution for sustainable mobility in the future.A new type of hydrogen fuel cells-lithium-ion battery hybrid power system was introduced;the energy efficiency factors as well as improvement methods of fuel cell hybrid system were discussed.The research progress of hydrogen fuel cell vehicles power system at home and abroad was summarized.

hydrogen;fuel cell;Li-ion battery;power system

TM 911

A

1002-087 X(2015)04-0855-02

2014-09-11

国家科技支撑计划课题（2011BAG02B10）；江苏高校优势学科建设工程资助项目；江苏高校科研成果产业化推进工程项目（JHB2012-45）；南通市应用研究计划项目（BK2014052）；南通大学自然科学项目（14Z007）

倪红军（1965—），男，江苏省人，教授，硕士生导师，主要研究方向为新能源汽车和燃料电池。