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文檔簡介
1、1、 引言能源與環(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(jī)汽車對人類環(huán)境帶來的危害越來越嚴(yán)重,環(huán)境保護(hù)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(Fuel Cell Vehicle)以其清潔、高效的特性逐漸成為公認(rèn)的未來最有前途的新能源汽車。本文對燃料電池汽車的電源及用電設(shè)備進(jìn)行了調(diào)研,以便更好地對燃料電池汽車的能量進(jìn)行控制。2、燃料電池汽車電源調(diào)研目前用于燃料電池汽車上的電源是燃料電池,輔助能源通常包括超級電容和蓄電池組。蓄電池是
2、能量存儲裝置,通過外界充電實現(xiàn)儲能;燃料電池是能量生成裝置,通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。蓄電池技術(shù)成熟,價格合理,而燃料電池則被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的電動汽車動力源。2.1 蓄電池蓄電池的主要性能指標(biāo)有:比能量-單位電池質(zhì)量所能存儲的電量(Wh/kg),是評價電動汽車整車質(zhì)量和續(xù)駛里程的指標(biāo);能量密度-單位電池體積所存儲的電量(Wh/L),它影響蓄電池的尺寸;比功率-單位電池質(zhì)量所能輸出的功率(W/kg),是評價電動汽車加速性、爬坡能力及最高車速的指標(biāo);功率密度-單位電池體積所能輸出的功率(W/L);循環(huán)壽命-蓄電池充、放電一次稱為一個循環(huán),循環(huán)壽命表示更換電池前所能完成的循環(huán)數(shù)。循環(huán)壽命短,將增加電
3、動汽車的維護(hù)費(fèi)用。電動汽車用的各種蓄電池的性能參數(shù)見表,美國先進(jìn)電池聯(lián)合會(USABC)制定的電動汽車用蓄電池遠(yuǎn)期性能指標(biāo)也列于表中。其中USABC為美國先進(jìn)電池聯(lián)合會指定的電動汽車用蓄電池遠(yuǎn)期性能指標(biāo)。蓄電池類型比能量(Wh/kg)能量密度(Wh/L)比功率(W/kg)循環(huán)壽命(循環(huán)數(shù))預(yù)計成本(US$/kWh)單體額定電壓(V)鉛酸30-4560-90200-300400-6001502.0NI-Cd40-6080-110150-350600-12003001.2NI-MH60-70130-170150-300600-1200200-3501.2Na-S100150200800250-45
4、0/Li-Ion90-130140-200250-450800-12002003.6USABC2003004001000100/2.2 燃料電池燃料電池是燃料與氧化劑通過電極反應(yīng)將其化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池不需要充電,只要外部不斷地供給燃料和氧化劑,就能連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電。電動汽車用燃料電池的燃料為氫和甲醇,氧化劑為空氣。燃料電池具有比能量高、使用壽命長、維護(hù)工作量少以及能連續(xù)大功率供電等優(yōu)點。根據(jù)電解質(zhì)的不同,燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、溶融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池五類。適于電動汽車用的有堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池
5、用作電動汽車的電源有以下優(yōu)點:在所有燃料電池當(dāng)中,質(zhì)子定換膜燃料電池的比功率和功率密度都最高,在相同輸出功率的情況下,體積最小;工作溫度低,起動時間短;電池中惟一的液體為水,從而避免了腐蝕作用;使用固體電解質(zhì),因而不會發(fā)生電解液蒸發(fā)、外溢等問題。質(zhì)子交換膜燃料電池的缺點是內(nèi)阻稍大,而且需使用貴金屬鉑作電極催化劑。直接用甲醇作燃料的燃料電池稱為直接甲醇燃料電池。發(fā)展直接甲醇燃料電池的原因是甲醇來源豐富,生產(chǎn)成本低,而且易于儲存、運(yùn)輸和銷售,便于電動汽車使用。下表為一些燃料電池的相關(guān)性能參數(shù)。燃料電池類型比功率(W/kg)功率密度(Wh/L)工作溫度()預(yù)期壽命(103h)預(yù)計成本(US$/kWh
6、)燃料種類堿性燃料電池(AFC)30-1050.2-0.360-10010200H2質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)340-15000.35-0.650-10040200H2磷酸性燃料電池(PAFC)100150180-210800250-450天然氣、甲醇液化石油氣固體氧化物燃料電池(SOFC)15-200.3750-1000H2、CO、HC2.3 燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究燃料電池與鋰電池組主輔構(gòu)成電電混合動力系統(tǒng),共有三種連接方式。依據(jù)燃料電池的輸出與直流母線是否直接連通,將這三種結(jié)構(gòu)分為直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)及間接并聯(lián)結(jié)構(gòu)。直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)包括:燃料電池的輸出端與鋰電池組的輸出端直接并聯(lián)、
7、鋰電池組的輸出經(jīng)過大功率后再與燃料電池的輸出端直接并聯(lián);間接并聯(lián)結(jié)構(gòu)包括:燃料電池的輸出端連接大功率后再與鋰電池組的輸出端并聯(lián)。2.3.1 燃料電池直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)定義燃料電池的輸出端直接與電機(jī)控制器相連接的方式為燃料電池直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)。圖2-1為無DC-DC的直接并聯(lián)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),即燃料電池系統(tǒng)直接與輔助電池及驅(qū)動電機(jī)相連,通過相應(yīng)高壓開關(guān)器件進(jìn)行控制。此方案完全摒棄變換器,而直接通過配置燃料電池系統(tǒng)與蓄電池的電壓及輸出功率規(guī)格,達(dá)到二者輸出功率、輸出電壓電流的合理匹配,要求燃料電池和輔助電池輸出電壓等級相當(dāng)。然而,考慮到在長期的運(yùn)行過程中,蓄電池組的SOC、電池溫度、氣體壓力電池使用壽命等的
8、變化,必然導(dǎo)致燃料電池和輔助電池的輸出特性產(chǎn)生顯著的改變。整個動力系統(tǒng)將越來越不穩(wěn)定。因此這一結(jié)構(gòu)至今鮮有應(yīng)用實例。燃料電池輔助電池電機(jī)控制器圖2-1 不帶DC-DC的燃料電池直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2-2為帶DC-DC的燃料電池直接并聯(lián)結(jié)構(gòu),即燃料電池直接與電機(jī)部分相連接,蓄電池組通過變換器與燃料電池并聯(lián),由于蓄電池組對直流母線存在充放電過程,因此,該變換器對蓄電池組充放電雙向可控。DC-DC變換器的存在,降低了系統(tǒng)對輔助電池輸出電壓等級的要求,使得輔助電池的電壓等級不必與燃料電池輸出電壓等級相當(dāng),可以減輕輔助電池的重量和體積,依靠變換器的升壓功能實現(xiàn)與燃料電池的并網(wǎng)。此外,這種結(jié)構(gòu)下,對蓄電池的充放
9、電處于可控狀態(tài),有利于合理使用輔助電池,避免其處于不良工作狀態(tài)。燃料電池輔助電池電機(jī)控制器雙向DC/DC變換器圖2-2 帶DC-DC的燃料電池直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)2.3.2 燃料電池間接并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2-3給出了燃料電池間接并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖,即燃料電池系統(tǒng)不直接與驅(qū)動電機(jī)相連,而是通過變換器再與輔助電池并網(wǎng)。燃料電池的輸出電壓通過DC-DC變換器的變壓來與直流母線的電壓等級進(jìn)行匹配,因此電機(jī)驅(qū)動電壓與燃料電池功率輸出能力之間不再有直接的藕合關(guān)系,而變換器可以調(diào)整直流母線的電壓,使之維持在最適宜驅(qū)動電機(jī)工作的電壓范圍。燃料電池輔助電池電機(jī)控制器單向DC/DC變換器圖2-3 燃料電池間接并聯(lián)結(jié)構(gòu)3、燃料電池汽車
10、用電設(shè)備調(diào)研3.1 燃料電池汽車空調(diào)汽車空調(diào)系統(tǒng)是實現(xiàn)對車廂內(nèi)空氣進(jìn)行制冷、加熱、換氣和空氣凈化的裝置。隨著汽車的日益普及以及人們對汽車的舒適性、安全性要求的提高,汽車空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車上必不可少的裝置。汽車空調(diào)工作環(huán)境的特殊性如需要承受頻繁的震動和沖擊,空調(diào)的熱負(fù)荷大和汽車結(jié)構(gòu)空間有限等決定的汽車空調(diào)在結(jié)構(gòu)、材料、安裝、布置、設(shè)計、技術(shù)要求等方面與普通的室內(nèi)空調(diào)有較大的差別。對于汽車空調(diào)系統(tǒng),目前采用的技術(shù)路線主要包括R134a、熱泵空調(diào)系統(tǒng)、CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)、太陽能輔助熱泵空調(diào)系統(tǒng)和電加熱器混合調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)。下面是調(diào)研的部分公司車載空調(diào)性能參數(shù)。產(chǎn)品型號LN-A5-B/品牌綠能昌泰
11、美樂制冷功率(W)600-8001150800制冷量(W)2400/2500制冷劑型號R134a/R134a性能冷暖一體冷暖一體冷暖一體控制電壓(V)12/242424控制方式全自動調(diào)節(jié)手動調(diào)節(jié)全自動調(diào)節(jié)電流(A)5050/工作電壓(V)12-32024-32024-3203.2 燃料電池汽車驅(qū)動電機(jī)較工業(yè)用電動機(jī)而言,燃料電池電動汽車上使用的驅(qū)動電機(jī)在最大功率、最高轉(zhuǎn)矩、工作效率、調(diào)整性能等方面均要求更高。目前,燃料電池電動汽車上使用較多的是永磁無刷直流電動機(jī)、交流異步電動機(jī)、交流同步電動機(jī)及開關(guān)磁阻電動機(jī)等。直流電動機(jī)具有成本低,轉(zhuǎn)速可調(diào)、調(diào)速性能優(yōu)良,并且控制簡單、可以頻繁啟動和反轉(zhuǎn),啟
12、動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大,技術(shù)成熟等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于電車、電氣鐵道牽引、挖掘機(jī)械等。直流電動機(jī)的最主要缺點是換向問題(需要電刷和換向器轉(zhuǎn)向),它運(yùn)行時有火花和機(jī)械磨損,限制了電機(jī)的極限容量(高速性),增加了維護(hù)的工作量,同時可靠性也受到了極大的影響?,F(xiàn)在由于利用可控硅整流電源,增加了直流電動機(jī)的優(yōu)點,使得其在當(dāng)前的氫燃料電池汽車的領(lǐng)域占有一席之地。 異步電動機(jī)技術(shù)是無換向器電動機(jī)中驅(qū)動技術(shù)最為成熟的,并且其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、制造容易、運(yùn)行可靠、價格低廉、運(yùn)行效率高、堅固耐用且適應(yīng)性強(qiáng),這些特點對于氫燃料電池汽車意義非凡?;\型電動機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)是異步電動機(jī)的兩種類型,繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)成本
13、高、耐久性差、需要大量維護(hù),籠型異步電動機(jī)應(yīng)用比繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)廣。隨著現(xiàn)代控制理論及電子技術(shù)的發(fā)展,異步電動機(jī)將更多地運(yùn)用到氫燃料電池汽車中。 永磁無刷直流電動機(jī)通過采用高能量勵磁機(jī)構(gòu)-永磁體,使其具有高轉(zhuǎn)速、高功率密度和高效率電動機(jī)的潛力,這些顯著優(yōu)點使其在混合動力汽車和氫燃料電池汽車中的應(yīng)用令人矚目,永磁無刷直流電動機(jī)是應(yīng)用于電動汽車和混合動力汽車上最有希望的對象, 其主要優(yōu)點:高效率(勵磁采用永磁體,無功率消耗)、體積小(采用高能量密度永磁體)、易控制、易冷卻(轉(zhuǎn)子中無環(huán)形電流)、低廉的維護(hù)、長壽命和可靠性以及低噪聲等。但是它也有一些缺點:較高的成本、恒功率范圍有限、安全性較差、出現(xiàn)磁體
14、退磁的現(xiàn)象以及高速性能差等,這些缺點使其不能安全應(yīng)用于電動車上。 開關(guān)磁阻電機(jī)由功率逆變器、檢測器(電壓、電流和位置檢測器等)、控制電路(如DSP控制器及其外圍設(shè)備)和開關(guān)磁阻電動機(jī)組成,由于其具有寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的高效率、堅固的結(jié)構(gòu)、低成本以及控制簡單,被認(rèn)為是未來電動機(jī)最令人期望的選擇。但是轉(zhuǎn)矩脈動大和啟動時電磁噪聲是開關(guān)磁阻電機(jī)急需解決的兩個難點,現(xiàn)在該類型電機(jī)應(yīng)很少用于氫燃料電池汽車。電動機(jī)類型永磁無刷直流電機(jī)感應(yīng)電動機(jī)開關(guān)磁阻電動機(jī)直流電動機(jī)功率密度高中較高低峰值效率/%95-9790-95150004000-8000可靠性優(yōu)秀好好一般結(jié)構(gòu)堅固性一般好優(yōu)秀大電機(jī)外形尺寸小中小差電動機(jī)質(zhì)量
15、輕中輕重電動機(jī)成本/(美元/kW)10-15 8-108-1010下表為一些純電動車型及應(yīng)用電機(jī)車型電機(jī)種類電機(jī)峰值功率(kW)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(Nm)驅(qū)動形式奧迪A3 e-tron永磁同步電機(jī)85270前驅(qū)寶馬MINI E交流感應(yīng)電機(jī)150220前驅(qū)長安E30永磁無刷電機(jī)85280前驅(qū)比亞迪E6永磁同步電機(jī)(前后雙電機(jī))90450四輪驅(qū)動?xùn)|風(fēng)E30永磁直流電機(jī)2480前驅(qū)特斯拉Roadster交流感應(yīng)電機(jī) 185270后驅(qū)3.3 其他用電設(shè)備及使用頻度根據(jù)整車電器系統(tǒng)常用電器設(shè)備的不同工作特性,將其分為連續(xù)接通、短時間接通和長時間接通3種狀況,下表為除空調(diào)和電機(jī)外的用電設(shè)備參數(shù)及使用頻度,其中頻度用權(quán)值表示,1.0最大,表示連續(xù)使用。電器件名稱實際功率值/W權(quán)值計算功率值/W電子風(fēng)扇2000.75150白晝燈420.833.6組合儀表250.820前照燈近光1100.888前照燈遠(yuǎn)光1100.222前刮水器500.210單碟CD帶收音機(jī)400.520ESP系統(tǒng)3600.2693.6揚(yáng)聲器11
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