混合動(dòng)力燃料電池汽車發(fā)展綜述

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1、混合動(dòng)力燃料電池車輛發(fā)展綜述張密科（北京中國公路車輛機(jī)械有限公司）摘要：混合動(dòng)力燃料電池汽車被普遍認(rèn)為是今后汽車發(fā)展的主要方向之一。本文介紹了燃料電池的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理及特點(diǎn)。闡述了混合動(dòng)力燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點(diǎn)及國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀。分析了燃料電池車輛的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：PEMFC；FCV；動(dòng)力蓄電池；CAN總線；X-by-Wire；1前言當(dāng)前，隨著世界石油資源的日益緊缺和地球環(huán)境的日益惡化，節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展是社會(huì)對科技的迫切要求。燃料電池汽車（FCV）以其突出的環(huán)保、節(jié)能、資源充足等優(yōu)點(diǎn)成為世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家大力研究的熱點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC

2、）以氫氣為燃料，氧氣或者空氣為氧化劑，產(chǎn)物僅僅是純凈水，噪音小，并且燃料不依賴于日益緊缺的石油資源。PEMFC是綠色環(huán)保的動(dòng)力源，其主要優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)化效率高，功率密度高，啟動(dòng)時(shí)間短，可靠性高，具有良好的抗震性能，非常適合作為汽車動(dòng)力源。燃料電池與蓄電池結(jié)合組成混合動(dòng)力可以有效提高汽車的整體性能和燃料效率，混合動(dòng)力燃料電池汽車被普遍認(rèn)為是可以同時(shí)解決能源與排放問題的綠色環(huán)保汽車，代表今后汽車能源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。2燃料電池簡介燃料電池不同于常規(guī)意義上的電池，它是一種電化學(xué)反應(yīng)裝置，把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它的基本結(jié)構(gòu)就是：電解質(zhì)層，陰極和陽極，電極為多孔材料，電

3、解質(zhì)層位于電極之間，如圖1所示。典型的燃料電池模型的工作原理是：在陽極(負(fù)極)連續(xù)吹入氣態(tài)燃料，如氫氣，而在陰極(正極)連續(xù)吹入氧化劑，這樣就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。以氫氧反應(yīng)為例，燃料電池的電化學(xué)反映原理如下式所示：圖1燃料電池原理示意圖燃料電池的種類很多，應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的主要是PEMFC。因?yàn)镻EMFC能夠在室溫條件下快速啟動(dòng)，并可按負(fù)載要求快速改變輸出功率。燃料電池作為能量轉(zhuǎn)化裝置，具有效率高、噪音小、可靠性高，環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)。3燃料電池電動(dòng)汽車介紹燃料電池電動(dòng)汽車就是指以燃料電池系統(tǒng)為主要供能裝置的電動(dòng)汽車（可簡稱為燃料電池汽車）。其原理可簡述為：由燃料電池

4、系統(tǒng)產(chǎn)生電能供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。一般由于燃料電池功率方面限制，常使用動(dòng)力蓄電池組作為輔助動(dòng)力源，以提高燃料電池汽車加速、爬坡等性能，這種汽車也稱為混合動(dòng)力燃料電池汽車。燃料電池電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件是燃料電池系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)以PEMFC電池組為核心。絕大多數(shù)PEMFC電池組是將單體電池按壓濾機(jī)方式組裝的，而且大多采用內(nèi)共用管道形式，單體電池通過串連結(jié)構(gòu)形成大功率的燃料電池組。PEMFC電池組及其輔助控制系統(tǒng)構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)及原理示意圖如圖2所示：圖2質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理示意圖從圖2可以看出燃料電池系統(tǒng)由以下五部分組成：（1）燃料電池組；（2）燃料供應(yīng)系統(tǒng)

5、——?dú)錃赓A存裝置，壓力調(diào)節(jié)器，管路，氫氣循環(huán)泵；（3）氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)——空氣壓縮機(jī)（以空氣為氧化劑來源），空氣加濕器，管路；（4）冷卻系統(tǒng)——冷卻器/熱交換器，冷卻水箱，冷卻風(fēng)扇，冷卻水循環(huán)管路，冷卻水循環(huán)泵；（5）燃料電池堆控制系統(tǒng)——控制空氣流量，氫氣流量，燃料電池組溫度，數(shù)據(jù)采集，故障管理及與整車管理器通訊等；燃料電池組工作時(shí)，需由電池外部的燃料及氧化劑貯存裝置向其提供反應(yīng)所需物質(zhì)，同時(shí)排出反應(yīng)終產(chǎn)物（一般為水）。從這個(gè)工作方式上看，它與常規(guī)電池不同，反而類似常規(guī)的汽、柴油內(nèi)燃機(jī)。所以，汽車上使用的燃料電池系統(tǒng)又稱作燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)（FuelCellEngine縮寫FCE）?；旌蟿?dòng)力

6、燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般由如下幾部分組成：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力蓄電池組、直流/交流逆變器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)橋。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：圖3燃料電池電動(dòng)轎車的動(dòng)力系統(tǒng)就燃料電池汽車的整車結(jié)構(gòu)而言，主要在動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有著本質(zhì)差別，而其它部分與傳統(tǒng)汽車基本相同。在下坡、制動(dòng)時(shí)可以將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能充入輔助動(dòng)力蓄電池組儲(chǔ)存起來備用，這樣起到了節(jié)省燃料的作用。4X-by-Wire技術(shù)及應(yīng)用燃料電池汽車的動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)可以全部采用電控系統(tǒng)，避免笨重的機(jī)械傳動(dòng)裝置，從而減輕了汽車重量，增加操縱靈活性。利用控制器局域網(wǎng)（CAN）總線技術(shù)可以很方便的實(shí)現(xiàn)下一代汽車設(shè)計(jì)理念——

7、X-by-Wire。X-by-Wire是從飛機(jī)電線控制系統(tǒng)Fly-by-Wire引進(jìn)的,此控制方式引入到汽車駕駛上，就成為Drive-by-Wire，引入到制動(dòng)上就有Brake-by-Wire，，引入到控制上就有Steering-by-Wire，因此統(tǒng)稱為X-by-Wire。采用X-by-Wire可以降低部件的復(fù)雜性，減少液壓與機(jī)械控制裝置，可以減少杠桿、軸承等金屬連接件，減輕重量，降低油耗和制造成本，相應(yīng)也提高了可靠性和安全性。還