在系统设计中,可以在辅助动力装置和动力系统直流母线之间添加了一个双向DC/DC变换器。使得对辅助动力装置充放电的控制更加灵活、易于实现。由于双向DC/DC变换器可以较好地控制辅助动力装置的电压或电流,因此它还是系统控制策略的执行部件。

2.2　并联式动力系统结构

另一种构架是并联式的燃料电池混合动力系统的结构。这种构建通常在燃料电池和电机控制器之间安装了一个DC/DC变换器,燃料电池的端电压通过DC/DC变换器的升压或降压来与系统直流母线的电压等级进行匹配。这种系统与上述构架不同之处还在于,这种动力系统的设计没有考虑能量的回馈回收,因此系统虽然简单,但效率比较低下。

尽管系统直流母线的电压与燃料电池功率输出能力之间不再有耦合关系,但DC/DC变换器必须将系统直流母线的电压维持在最适宜电机系统工作的电压点(或范围),对于交流电机驱动系统,通常还需要安装一个DC/AC转换器。目前这类构架系统只在一些小型或者实验的车上使用,如2002年通用汽车公司开发的Autonomy和Hy-wire两种车都是基于该中构架的[10]。2008年,同济大学-蒂森克虏伯联合实验室采用这种架构开发了小型燃料电池汽车[19],并研究了燃料电池电堆系统对整车性能的影响。

3　燃料电池汽车多能源系统管理与优化

燃料电池不适合作为动力系统的单一驱动能源,必须选用辅助能源系统合理补充驱动电动汽车所需的能量,覆盖功率波动,提高峰值功率,吸收回馈能量,改善燃料电池输出功率的瞬态特性。目前各大汽车开发商采用了辅助动力,来提高燃料电池汽车的性能(表1所示)。

3.1　动力电池辅助能源系统

目前铅酸电池[20]由于比能量及比功率均较低,已经淘汰。在汽车上常用的动力蓄电池主要有镍氢电池和锂离子电池等。

表1　典型的燃料电池汽车

Table 1　Typical fuel cell electric vehicles

镍氢电池属于碱性电池,具有不易老化,无需预充电以及低温放电特性较好等优点。其能量密度可超过80 Wh/kg,一次充电的行驶距离长,在大电流工作时能够平稳放电。FCHV-4[6],High-lander FCHV-adv[7]和通用Chevrolet Equinox[9]的动力系统都是燃料电池和镍氢电池集成的。但,镍氢在高温环境下,电池电荷量会急剧下降,并且具有记忆效应和充电发热等方面的问题。在燃料电池混合动力系统中镍氢电池SOC应保持在40%-60%之间,充放电电流应处于160-240 A的范围,温度应维持在常温附近,以确保系统安全性和经济性[21,22]。

锂离子电池具有体积小,能量密度高(>120Wh/kg)、高安全性和无污染性等优点。本田FCXClarity[8],通用Chevrolet Sequel[10]锂和日产X-Trail FCV[12]等都采用锂离子电池作为燃料电池汽车的辅助能源系统。离子电池的能量密度是镍氢电池的1.5-3倍。其单体电池的平均电压为3.2V,相当于3个镍锌或镍氢电池串接起来的电压值,因而能够减少电池组合体的数量,降低单体电池电压差所造成的电池故障发生概率,从而提高了电池组的使用寿命。

锂离子电池具备自放电低(仅为5%-10%)的优点,当在非使用状态下贮存,内部相当稳定,几乎不发生任何化学反应[4,5]。由于锂离子电池不含有镉、汞和铅等重金属,因而在使用过程中不会对环境造成污染。对于电动汽车而言,锂离子电池易于车载布置安装,是较为理想的能量存储媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具来对电池系统进行仿真分析[23],提高电池的使用效率和寿命。

其充电放电动态过程可以用Thevenin模型来如下[23,24]:

3.2　超级电容系统

超级电容器是一种新型储能元件,它既像静电电容一样具有很高的放电功率,又像电池一样具有很大的电荷储存能力[23,25]。由于其放电特性与静电电容更为接近,所以仍然称之为“电容”。