燃料电池汽车电源及用电设备调研报告

1、引言能源与环境是各国政府密切关注的可持续发展战略问题。随着世界汽车保有量的急剧增长，传统的内燃机汽车对人类环境带来的危害越来越严重，环境保护呼声的高涨和石油储量日益短缺的压力，迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。未来的汽车应当向清洁、环保的方向发展，经过对各种新燃料、新能源和新动力的探索，燃料电池汽车(FuelCellVehicle)以其清洁、高效的特性逐渐成为公认的未来最有前途的新能源汽车。本文对燃料电池汽车的电源及用电设备进行了调研，以便更好地对燃料电池汽车的能量进行控制。2、燃料电池汽车电源调研目前用于燃料电池汽车上的电源是燃料电池，辅助能源通常包括超级电容和蓄电池组。蓄电池是能量存储装置，通过外界充电实现储能；燃料电池是能量生成装置，通过化学反应产生电能。蓄电池技术成熟，价格合理，而燃料电池则被认为是最有发展前途的电动汽车动力源。2.1蓄电池蓄电池的主要性能指标有：①比能量--单位电池质量所能存储的电量(W·h/kg)，是评价电动汽车整车质量和续驶里程的指标；②能量密度--单位电池体积所存储的电量(W·h/L)，它影响蓄电池的尺寸；③比功率--单位电池质量所能输出的功率(W/kg)，是评价电动汽车加速性、爬坡能力及最高车速的指标；④功率密度--单位电池体积所能输出的功率(W/L)；⑤循环寿命--蓄电池充、放电一次称为一个循环，循环寿命表示更换电池前所能完成的循环数。循环寿命短，将增加电动汽车的维护费用。电动汽车用的各种蓄电池的性能参数见表，美国先进电池联合会(USABC)制定的电动汽车用蓄电池远期性能指标也列于表中。其中USABC为美国先进电池联合会指定的电动汽车用蓄电池远期性能指标。蓄电池类型比能量(W·h/kg)能量密度(W·h/L)比功率(W/kg)循环寿命（循环数）预计成本(US$/kW·h)单体额定电压（V）铅酸30-4560-90200-300400-6001502.0NI-Cd40-6080-110150-350600-12003001.2NI-MH60-70130-170150-300600-1200200-3501.2Na-S100150200800250-450/Li-Ion90-130140-200250-450800-12002003.6USABC2003004001000100/2.2燃料电池燃料电池是燃料与氧化剂通过电极反应将其化学能直接转化为电能的装置。燃料电池不需要充电，只要外部不断地供给燃料和氧化剂，就能连续稳定地发电。电动汽车用燃料电池的燃料为氢和甲醇，氧化剂为空气。燃料电池具有比能量高、使用寿命长、维护工作量少以及能连续大功率供电等优点。根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、溶融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池五类。适于电动汽车用的有碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池用作电动汽车的电源有以下优点：①在所有燃料电池当中，质子定换膜燃料电池的比功率和功率密度都最高，在相同输出功率的情况下，体积最小；②工作温度低，起动时间短；③电池中惟一的液体为水，从而避免了腐蚀作用；④使用固体电解质，因而不会发生电解液蒸发、外溢等问题。质子交换膜燃料电池的缺点是内阻稍大，而且需使用贵金属铂作电极催化剂。直接用甲醇作燃料的燃料电池称为直接甲醇燃料电池。发展直接甲醇燃料电池的原因是甲醇来源丰富，生产成本低，而且易于储存、运输和销售，便于电动汽车使用。下表为一些燃料电池的相关性能参数。燃料电池类型比功率(W/kg)功率密度(W·h/L)工作温度（℃）预期寿命（10-3h）预计成本(US$/kW·h)燃料种类碱性燃料电池(AFC)30-1050.2-0.360-10010200H2质子交换膜燃料电池(PEMFC)340-15000.35-0.650-10040200H2磷酸性燃料电池(PAFC)100150180-210800250-450天然气、甲醇液化石油气固体氧化物燃料电池(SOFC)15-200.3750-1000H2、CO、HC2.3燃料电池电动汽车动力系统拓扑结构研究燃料电池与锂电池组主辅构成电电混合动力系统，共有三种连接方式。依据燃料电池的输出与直流母线是否直接连通，将这三种结构分为直接并联结构及间接并联结构。直接并联结构包括：燃料电池的输出端与锂电池组的输出端直接并联、锂电池组的输出经过大功率后再与燃料电池的输出端直接并联；间接并联结构包括：燃料电池的输出端连接大功率后再与锂电池组的输出端并联。2.3.1燃料电池直接并联结构定义燃料电池的输出端直接与电机控制器相连接的方式为燃料电池直接并联结构。图2-1为无DC-DC的直接并联混合动力系统结构，即燃料电池系统直接与辅助电池及驱动电机相连，通过相应高压开关器件进行控制。此方案完全摒弃变换器，而直接通过配置燃料电池系统与蓄电池的电压及输出功率规格，达到二者输出功率、输出电压电流的合理匹配，要求燃料电池和辅助电池输出电压等级相当。然而，考虑到在长期的运行过程中，蓄电池组的SOC、电池温度、气体压力电池使用寿命等的变化，必然导致燃料电池和辅助电池的输出特性产生显著的改变。整个动力系统将越来越不稳定。因此这一结构至今鲜有应用实例。图2-1不带DC-DC的燃料电池直接并联结构图2-2为带DC-DC的燃料电池直接并联结构，即燃料电池直接与电机部分相连接，蓄电池组通过变换器与燃料电池并联，由于蓄电池组对直流母线存在充放电过程，因此，该变换器对蓄电池组充放电双向可控。DC-DC变换器的存在，降低了系统对辅助电池输出电压等级的要求，使得辅助电池的电压等级不必与燃料电池输出电压等级相当，可以减轻辅助电池的重量和体积，依靠变换器的升压功能实现与燃料电池的并网。此外，这种结构下，对蓄电池的充放电处于可控状态，有利于合理使用辅助电池，避免其处于不良工作状态。图2-2带DC-DC的燃料电池直接并联结构2.3.2燃料电池间接并联结构图2-3给出了燃料电池间接并联结构示意图，即燃料电池系统不直接与驱动电机相连，而是通过变换器再与辅助电池并网。燃料电池的输出电压通过DC-DC变换器的变压来与直流母线的电压等级进行匹配，因此电机驱动电压与燃料电池功率输出能力之间不再有直接的藕合关系，而变换器可以调整直流母线的电压，使之维持在最适宜驱动电机工作的电压范围。图2-3燃料电池间接并联结构燃料电池辅助电池电机控制器燃料电池辅助电池电机控制器双向DC/DC变换器燃料电池辅助电池电机控制器单向DC/DC变换器3、燃料电池汽车用电设备调研3.1燃料电池汽车空调汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。随着汽车的日益普及以及人们对汽车的舒适性、安全性要求的提高，汽车空调系统已经成为现代汽车上必不可少的装置。汽车空调工作环境的特殊性如需要承受频繁的震动和冲击，空调的热负荷大和汽车结构空间有限等决定的汽车空调在结构、材料、安装、布置、设计、技术要求等方面与普通的室内空调有较大的差别。对于汽车空调系统，目前采用的技术路线主要包括R134a、热泵空调系统、CO2热泵空调系统、太阳能辅助热泵空调系统和电加热器混合调节空调系统。下面是调研的部分公司车载空调性能参数。产品型号LN-A5-B//品牌绿能昌泰美乐制冷功率(W)600-8001150800制冷量(W)2400/2500制冷剂型号R134a/R134a性能冷暖一体冷暖一体冷暖一体控制电压(V)12/242424控制方式全自动调节手动调节全自动调节电流(A)≤50≤50/工作电压(V)12-32024-32024-3203.2燃料电池汽车驱动电机较工业用电动机而言，燃料电池电动汽车上使用的驱动电机在最大功率、最高转矩、工作效率、调整性能等方面均要求更高。目前，燃料电池电动汽车上使用较多的是永磁无刷直流电动机、交流异步电动机、交流同步电动机及开关磁阻电动机等。直流电动机具有成本低，转速可调、调速性能优良，并且控制简单、可以频繁启动和反转，启动、制动和过载转矩大，技术成熟等优点，被广泛应用于电车、电气铁道牵引、挖掘机械等。直流电动机的最主要缺点是换向问题(需要电刷和换向器转向)，它运行时有火花和机械磨损，限制了电机的极限容量(高速性)，增加了维护的工作量，同时可靠性也受到了极大的影响。现在由于利用可控硅整流电源，增加了直流电动机的优点，使得其在当前的氢燃料电池汽车的领域占有一席之地。异步电动机技术是无换向器电动机中驱动技术最为成熟的，并且其结构简单、重量轻、体积小、制造容易、运行可靠、价格低廉、运行效率高、坚固耐用且适应性强，这些特点对于氢燃料电池汽车意义非凡。笼型电动机和绕线转子电动机是异步电动机的两种类型，绕线转子电动机成本高、耐久性差、需要大量维护，笼型异步电动机应用比绕线转子电动机广。随着现代控制理论及电子技术的发展，异步电动机将更多地运用到氢燃料电池汽车中。永磁无刷直流电动机通过采用高能量励磁机构-永磁体，使其具有高转速、高功率密度和高效率电动机的潜力，这些显著优点使其在混合动力汽车和氢燃料电池汽车中的应用令人瞩目，永磁无刷直流电动机是应用于电动汽车和混合动力汽车上最有希望的对象，其主要优点：高效率(励磁采用永磁体，无功率消耗)、体积小(采用高能量密度永磁体)、易控制、易冷却(转子中无环形电流)、低廉的维护、长寿命和可靠性以及低噪声等。但是它也有一些缺点：较高的成本、恒功率范围有限、安全性较差、出现磁体退磁的现象以及高速性能差等，这些缺点使其不能安全应用于电动车上。开关磁阻电机由功率逆变器、检测器(电压、电流和位置检测器等)、控制电路(如DSP控制器及其外围设备)和开关磁阻电动机组成，由于其具有宽转速范围内的高效率、坚固的结构、低成本以及控制简单，被认为是未来电动机最令人期望的选择。但是转矩脉动大和启动时电磁噪声是开关磁阻电机急需解决的两个难点，现在该类型电机应很少用于氢燃料电池汽车。电动机类型永磁无刷直流电机感应电动机开关磁阻电动机直流电动机功率密度高中较高低峰值效率/%95-9790-959085-89负荷效率/%85-9790-9278-8680-87转速范围(r/min)4000-1000012000-15000150004000-8000可靠性优秀好好一般结构坚固性一般好优秀大电机外形尺寸小中小差电动机质量轻中轻重电动机成本/(美元/kW)10-158-108-1010下表为一些纯电动车型及应用电机车型电机种类电机峰值功率(kW)电机最大转矩(N·m)驱动形式奥迪A3e-tron永磁同步电机85270前驱宝马MINIE交流感应电机150220前驱长安E30永磁无刷电机85280前驱比亚迪E6永磁同步电机（前后双电机）90450四轮驱动东风E30永磁直流电机2480前驱特斯拉Roadster交流感应电机185270后驱3.3其他用电设备及使用频度根据整车电器系统常用电器设备的不同工作特性，将其分为连续接通、短时间接通和长时间接通3种状况，下表为除空调和电机外的用电设备参数及使用频度，其中频度用权值表示，1.0最大，表示连续使用。电器件名称实际功率值/W权值计算功率值/W电子风扇2000.75150白昼灯420.833.6组合仪表250.820前照灯近光1100.888前照灯远光1100.222前刮水器500.210单碟CD带收音机400.520ESP系统3600.2693.6扬声器1100.555制动灯620.2616.12前后位置灯，牌照灯10+10+100.8324.9电喇叭480.14.8转向信号灯940.19.4后刮水器200.12倒车灯，后雾灯42+420.18.4室内灯100.11玻璃升降器1680.116.8安全气囊2.50.10.25门锁电动机86.40.18.64洗涤器720.17.2电动后视镜1.90.10.19门灯100.11电动助力转向装置1500.115前照灯高度调节电动机160.11.6倒车雷达100.11除霜140.40.114.04