燃料电池汽车混合动力系统设计研究

康健健 崔迎涛

(河南科技职业大学，河南 周口 466000)

0 前言

目前，世界各国正面临着严重的能源危机，环境污染也成为各国面临的巨大问题。交通行业在为人们出行带来便利的同时，也是产生温室气体及有害气体，因此针对车用能源的转型迫在眉睫。燃料电池汽车具有噪声低、有害气体排放少和污染小等优点，是有效解决交通行业污染问题的重要途径之一，有着良好的发展前景。但燃料电池仍存在功率小、响应慢等缺点，在使用时还需要采用动力电池等辅助能量源来进行支持。因此，燃料电池组件的参数设置、能量管理方法及控制器设计等方面都会对燃料电池汽车的使用性能造成巨大影响[1]。

1 动力系统结构型式

纯燃料电池汽车运行时需要的所有能源均由燃料电池动力系统提供，燃料电池作为纯燃料电池汽车的唯一动力来源，直接影响着车辆的性能。与单一燃料电池动力系统不同的是，由燃料电池和蓄电池组成的混合动力系统，可以有效规避因燃料电池性能不足带来的影响[2]。本文分析采用燃料电池和蓄电池共同为车辆提供能量来源的混合动力系统。

2 燃料电池汽车混合动力系统部件选型

2.1 燃料电池的类型选择

燃料电池的发电原理是将氧化剂中的化学能和氢能转化成电能。通过以氢为阳极、以氧为阴极的结构和外电路相连，燃料电池即可对外输出电能。通常，会根据电解质的类型来对燃料电池进行分类，本文所研究的车辆主动力源采用质子交换膜燃料电池。该类燃料电池通常会在60～80 ℃的温度下工作，以氢为阳极，以氧为阴极，燃料采用氢气，氧化剂采用氧气或空气，催化剂一般采用铂，电解质采用有机膜形式，该类有机膜是一种可传递质子的固体。

2.2 蓄电池的类型选择

当汽车所需要的驱动功率较大时，应为汽车配备辅助能量源，才能满足汽车在加速、启动等特殊状况下的能量需求。同样，在低速、减速等运行状况下，汽车还可以将剩余的能量进行储存，进而达到提升系统能量效率的效果。所以，蓄电池的类型会对车辆性能产生直接影响。

目前，人们最为熟知和认可的蓄电池是锂离子电池。与其他蓄电池相比，锂离子电池具有功率大、能量比高、电压高、体积小、容量大、质量小等众多优点[3]。但锂离子电池也存在着一些较为明显的缺陷，如锂离子电池的价格偏高、电池的内阻偏高等。其中，由于锂离子电池的内阻过高，在工作电流较大时，可能会导致锂离子电池的温度过高，从而引起电池爆炸。为了避免这种现象的发生，通常需要为锂离子电池配备额外的保护电路，这导致锂离子电池的整体结构更加复杂，且成本也会随之增加。基于以上分析，本文所研究的燃料电池汽车的辅助能源选择了技术较为成熟、能量密度较高，且功率较大的锂离子电池。

2.3 驱动电机的类型选择

用于燃料电池汽车的驱动电机应具备如下几个基本特性：可靠性、耐久性、适应性及静音性。此外，为了使车辆适应实际使用过程中所遇到的行驶环境，燃料电池的驱动电机还应具备在较大的范围内进行速度调节的功能。在车辆启动时，驱动电机还应具备较大的转矩。

永磁电机是一种被广泛接受和使用的电机。应用最广泛的永磁电机主要有4种[4]，分别是永磁直流电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机及永磁混合式电机，后3种也被笼统地称为“永磁无刷电机”。永磁无刷电机是对永磁电机的结构进行了改进，取消了传统直流电机的换向器和电刷，因此永磁无刷电机的性能和使用效果都优于传统直流电机。同时，永磁无刷电机使用了无绕组和励磁的结构，这种结构不仅使驱动电机的功率密度和效率得到了较大提升，同时也减小了驱动电机的质量和体积。但是永磁材料的价格高昂，永磁无刷电机制造工艺、过程相对繁琐和复杂，运行状况不稳定。当需要永磁无刷电机提供较大功率时，可能会出现功率不足的现象。

综合考虑了驱动电机的性能要求、成本技术等各类因素，本文拟采用永磁无刷直流电机作为驱动电机。

2.4 部件选型结果

考虑到质子交换膜燃料电池具有较低的工作温度、较高的能量转换效率、较长的使用寿命和较大的选择比功率等优势，本文选用质子交换膜燃料电池作为汽车的主动力源。同时，还选择了具有较高性价比的锂离子电池作为汽车的辅助动力源，并选择具有较好性能和较低综合成本的永磁无刷直流电机作为汽车的驱动电机。

3 燃料电池汽车混合动力系统部件参数匹配

对标某国产内燃机动力汽车，本文研究车辆的主动力源采用质子交换膜燃料电池，辅助动力源采用锂离子电池，以满足车辆在匀速运行状态下所需要的功率。同时，分析并设定车辆在起步、上坡、加速等状态下所需要的动态分量，以车辆在不同行驶状态下的动力性为目标，通过计算相关参数，为已经确定选型的零部件设定合理的燃料电池和锂离子电池的相关参数。

根据对标内燃机动力汽车的性能指标，设定了燃料电池汽车混合动力系统的性能指标，如表1所示。

表1 燃料电池汽车混合动力系统性能设计指标

3.1 驱动电机参数的确定

车辆的行驶需要通过驱动电机来实现。因此，在进行设计时，首先应根据车辆性能要求计算出驱动电机的相关参数。根据与车辆动力性相关的各项设计要求，对驱动电机的额定转速、电机的最高转速、驱动电机的额定电压、驱动电机的额定功率、驱动电机的最高功率共5个指标分别进行了计算。

3.1.1 额定功率与最高功率

通常，驱动电机最高功率Pmax与额定功率之间的关系如下：

式中，λ为驱动的电机过载系数；Pm为额定功率，单位kW。

从延长驱动电机使用寿命和满足车辆工作性能的角度出发，驱动电机的最高功率不得超过额定功率的2～3倍，且驱动电机不能长时间以最高功率运行(一般不超过30～60 s)，否则会导致驱动电机产生不可逆的损坏。通过系统性计算分析，确定驱动电机的最高功率为90 k W。

3.1.2 额定转速与峰值转速

车辆的行驶性能受驱动电机转速的影响较大，当驱动电机额定功率处于固定状态时，转速与转矩成反比。因此，要想使车辆在启动和运行时均处于稳定状态，必须对驱动电机的额定转速进行严格限制。本文所设计的汽车仅利用减速器来实现减速功能，不需要额外加装变速器。因此，在设计过程中，通过设计车辆的巡航速度来控制驱动电机的额定转速。在上述情况下，确定了驱动电机的最高转速为8 500 r/min，额定转速为4 500 r/min。

3.1.3 最大转矩与额定转矩

当车辆处于上坡状态时，驱动电机需要有一定的储备转矩，因此将驱动电机的最大转矩设定为200 N·m。考虑到相关研究，驱动电机的额定转矩由过载系数确定，且一般情况下的过载系数为1.5～2.4。基于上述设定，本文选择驱动电机的额定转矩为90 N·m。

3.2 燃料电池参数的确定

由于本文所设定的主动力源为燃料电池系统，因此汽车性能与燃料电池功率的选择息息相关。如果燃料电池系统输出功率过大，会造成能源浪费，并会相应增加成本；如果燃料电池系统输出功率过小，车辆在上坡、加速等特殊情形下的动力源不足，需要锂离子电池来提供额外动力，也会增加制造成本，此外还会对动力系统零部件的布置带来困难。车辆在行驶过程中，通过功率平衡原理[5]可知，车辆驱动电机的输出功率和燃料电池与锂离子电池共同向动力系统提供的功率相等。若根据车辆运行的最高速度来确定驱动电机的最高功率，会增大车辆的储备功率，使得车辆在上坡等特殊运行状态下的能力有所提升。本文设计的车辆在以最大速度运行时的主动力源由燃料电池提供。因为燃料电池在正常运转时会保留一定的余量，且自身的运行效率较高，经过计算分析，选择了最高功率为40 k W的燃料电池。

3.3 锂离子电池参数的确定

3.3.1 锂离子电池容量的选择

燃料电池汽车的辅助动力源是锂离子电池。在设计锂离子电池时，不仅要使其容量满足车辆在上坡等状态下对功率的要求，同时还要考虑到车辆的续航里程。这2项要求并不意味着锂离子电池的容量越大越好。锂离子电池容量大意味着汽车的动力性强，但由此会使锂离子电池质量增加，从而导致汽车自重增加，会对车辆的总体性能产生一定的负面影响。但如果锂离子电池的容量过小，会导致辅助能量不足，车辆的功率需求无法得到满足。

3.3.2 锂离子电池数量的选择

在运行过程中，车辆所需要的最高功率由燃料电池和锂离子电池一起提供。因此，在确定锂离子电池容量时，应满足锂离子电池的最高功率不大于驱动电机最高功率与燃料电池最高功率之差的要求。

通过上述计算分析，可以得到驱动电机的最高功率为90 k W，燃料电池的最高功率为40 k W，锂离子电池的最高功率为50 k W。此外，在锂离子电池的容量选择过程中，还应考虑到汽车的续航里程要求。根据相关设计要求，车辆以60 km/h的巡航车速运行时，所需要的锂离子电池容量为20 A·h。根据以上计算结果和汽车续航要求，选择了输出电压为12 V、容量为20 A·h、电池数量为30节的锂离子电池。

4 结语

本文在比较了各类燃料电池汽车的混合动力系统后，确定了车辆的混合动力系统设计方案。其中，主动力源选用燃料电池，辅助动力源选用锂离子电池，并对燃料电池和锂离子电池的相关参数和性能进行了比较分析。依据汽车的相关设计要求，明确了动力系统各个部件的相关参数和指标。