燃料电池汽车动力系统选型参数设计

科技信息高校理科研究燃料电池汽车动力系统选型设计上海交通大学电子信息与电气工程学院虞铭翁正新燃料电池汽车动力系统选型参数设计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（FuelCellVehick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P.以燃料电池为动力源的汽车称为燃料电池汽车，但是纯燃料电池汽车存在以下弊端：成本过高，不能回收再生制动能量，起动困难及瞬态响应性差等。所以目前普遍采用蓄电池组与燃料电池系统并联驱动，类似于内燃机串联混合动力汽车，是电-电混合动力，这种运行方式充分利用了燃料电池系统的高能量密度和蓄电池组的高功率密度2，车辆在不同的行驶工况下燃料电池系统和蓄电池组构成的混合动力系统在不同的模式下工作。所示为典型的能量混合型的燃料电池动力系统示意图。这种车型不但具有纯燃料电池汽车的优点，还能够克服纯燃料电池汽车目前无法解决的缺陷。

本文从整车角度出发，介绍了燃料电池汽车动力系统各个部件的选型标准，分析了其性能参数对整车的影响，为整车动力系统集成设计堤供理论依据。

电机驱动系统选型及参数设计2.1电机驱动系统的分类及比较电机驱动系统是燃料电池汽车中将电能转换成机械能的动力部件，目前常用的驱动形式有直流电机驱动系统、交流感应电机驱动系统、交流永磁电机驱动系统和开关磁阻驱动系统34.直流电机驱动系统具有成本低、易于平滑调速、控制简单、技术成熟等特点，在早期的无轨电车和电动叉车等电动车辆中使用比较广泛。

但由于电机在运行过程中需要电刷和换向器转向，其高速性能和可靠性受影响较大。随着交流调速理论及电力电子器件的发展，目前其在燃料电池汽车上的应用已逐步减少。

交流感应电机又称异步电机，与直流电机相比结构简单，采用鼠笼式或绕线式转子结构，电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、成本低，尤其适合恶劣的工作环境，比较适合燃料电池电动汽车，尤其是大功率的电动汽车。例如GM开发的燃料电池汽车Sequel就是采用了60kW的异步电机。

交流永磁电机通常可分为方波供电的无刷直流电机和正弦波供电的永磁同步电机。转子采用永磁体，不需要励磁。因此，功率因数大，电机具有较高的功率密度和效率。在中小功率系统中比较占优优势，但是该系统成本较高，可靠性上也比感应电机差，本田推出的燃料电池汽车FCX前轮驱动电机为80kW的永磁电机。

开关磁阻电机结构最为简单，适合高速运行，调速控制比较容易，但是电磁噪声和转矩脉动仍然是开关磁阻电机面临的两大难题。目前燃料电池汽车上这种电机应用较少。

燃料电池电动汽车的驱动电机系统具有以下要求：转矩对油门和制动踏板的动态响应快，波动小；2驱动电机具有较宽的调速范围，电机能在四象限工作，状态切换平滑。

4）功率密度高，可靠性好，易于维护。

电机工作区域主要包括基速以下的恒转矩工作区和基速以上的恒功率工作区两个工作区间，前者主要保证电动汽车的载重能力，后者则保证电动汽车有充足的加速空间。电机的特性如所示。其中，峰值特性用于车辆加速、爬坡，而持续特性用于车辆巡航行驶。根据整车动力性能要求确定的电机性能参数包括：最高转速、最大转矩、最大功率、额定转速、额定转矩、额定功率。

动力蓄电池选型及参数设计3.1动力蓄电池的分类及比较作为辅助动力源的动力蓄电池，在汽车起步的工况下堤供全部动力；当汽车在加速或爬坡等工况时，为主动力源堤供补充；同时在汽车制动时，吸收制动回馈的能量。目前，在电动汽车上普遍使用的电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。

铅酸电池由于安全耐用、价格低廉，曾是电动汽车动力电源的首选，但是由于电池的能量密度和功率密度小，造成电动汽车体积过大，不适用于燃料电池汽车。镍氢电池的能量密度和功率密度都优于铅酸电池，许多公司都将其作为混合动力汽车和燃料电池汽车使用的首选电池。锂离子电池的出现使得电池的性能和寿命都有了长足进步。锂离子蓄电池在容量、功率等方面的优点引起了世界各国极大的研究兴趣。

曰本、美国、加拿大、法国、德国等都已经在电动车用锂离子蓄电池的开发方面取得了很大进展，如通用汽车公司为了在其新版的Hy-Wire上堤高效率，配备了法国SAFT公司生产的锂离子电池。

动力蓄电池的要求燃料电池汽车燃料电池与蓄电池这种“电-电”混合形式下对蓄电池有以下要求：1整车有较大功率需求时，能够大电流放电，待燃料电池响应跟上后放电电流迅速降低；2进行制动回馈时，可以在短时间内接受较大电流的充电，即要具有瞬间大电流充放电能力；电池的荷电状态（SOC应尽可能保持在50%85%的范围内；循环寿命长，能够达到1000次以上的深度放电和40万次以上的浅度放电循环。

动力蓄电池参数设计对于能量混合型的燃料电池电动汽车主要有以下参数需要确定：1蓄电池组的额定电压和单体电池的个数。

蓄电池组的额定电压取决于动力总线的电压，配合单体电池允许的电压工作范围，就能计算出所需的电池节数。

2蓄电池的功率和能量需求。电池的功率需求包括最大放电功率需求和最大充电功率需求。对于燃料电池汽车，根据整车的动力性能要求，分析各个工况，如汽车起步、爬坡、超车、制动等的功率需求可以得到对动力源的功率需求。计算最大能量需求时要考虑SOC的波动范围和电池。

3）蓄电池的容量。根据蓄电池允许的最大放电电流不超过20C为依据计算得到蓄电池的容量。

燃料电池发动机的选型及参数设计4.1燃料电池的分类及比较燃料电池按电解质类型的不同，可分为六种主要的燃料电池：质子交换膜燃料电池（PEMFC、碱性燃料电池（AFCS、熔融碳酸盐燃料电池（MCFCS、固态氧化物燃料电池（SOFCS和直接甲醇燃料电池（DMtFCS.其中，质子交换膜燃料电池相对于其他类型的燃料电池具有低温运行、快速启动性、功率密度高、固态电解质不（下转第511页高校理科研究科技信息金属铝中痕量钛的测试研究海口经济学院工程技术学院严规有聂巍在含有16%乙醇的盐酸溶液中，钛av与钽试剂（bpha配合物在开路情况下吸附富集于玻璃碳电极表面，然后以250mv/s扫描速度从-0.3V扫至-0.8V（VS.SCE进行溶出，溶出峰电位为-0.57V，钛浓度在0.062ng/ml范围内与峰高呈良好的线性关系。体系选择性好，灵敏度高，操作简单，用于金属铝中痕量钛的测定，结果准确。

表1高纯金属铝中钛的测定结果（n=5）样品标准值U）钛是高纯铝中的痕量元素，其含量一般在0.001%以下，对核反应堆及特殊加工用铝，需要知道钛的准确含量。要准确测定含量如此低的成分，对测定方法的灵敏度、准确度及选择性要求很高。有人曾用铜铁试剂和其他有机物与Ti（IV形成的配合物进行电化学分析法测定，但未见用钽试剂（BPHA直接伏安法测定痕量Ti（IV）的报导。本文较详细研究了BPHA与Ti（IV配合物的伏安特性，并建立了测定痕量钛的新方法，方法灵敏度很高，检出限达0.0076ng/mL，准确度也很好，用于高纯铝中痕量钛的测定，结果令人满意。

1.1实验仪器：PHS―3C酸度计；P―2型示波极谱仪，使用其三电极系统即以玻璃碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极。

1.2主要试剂：钛标准液一0.4mg/mL的H2SO4溶液，实验时，根据需要用1mol/L的H2SO4逐级稀释至所需的浓度；钽试剂乙醇溶液一0.040mol/L；盐酸溶液一6mol/L和1mol/L；硝酸汞溶液一0.01mol/L.1.3实验方法：于25mL容量瓶中，加入适量的钛标准溶液，加入1mol/L的HCL溶液3mL，加无水乙醇4mL，加0.040mol/L钽试剂溶液0.5mL，用水定容，摇匀后全部倒入50mL烧杯中，加入硝酸汞溶液1滴，于示波极谱仪上开路富集4min后，以250mv/s的电位扫描速度由-0.3V扫至-0.8V，记录-0.57V的导数峰高。

2.1测试介质中各组分的作用及条件的选择21钽试剂的作用：据报道，铜铁试剂分子中羟氨上的氧和亚硝基能与金属离子键合，而且分子中苯环上的兀电子云易于汞电极上交叠，有吸附性，使金属离子产生吸附波。在此启发下，试验BPHA与Ti（IV配合物的伏安性能，结果发现产生良好的导数极谱波，且随BPHA溶液浓度增大，峰增高，当其浓度超过2x10-4mol/L后，峰高变化小，波形稳定，本文选用8x10-4mol/L.22酸度对峰高的影响：实验表明，酸的种类对波的形状均无影响。本文选用盐酸调节酸度，当盐酸浓度在0.080.15mol/L之间时，峰高基本不变，试验选用0.12mol/L.23乙醇的作用：由BPHA的性质可知，其水溶液在强酸性条件下极易分解，而Ti（IV又需要在强酸性中测定，为此，在强酸性溶液中加入乙醇使BPHA稳定性增加，且随着乙醇用量增加，峰增高，当介质中含16%乙醇时，峰最高，再增加乙醇量，峰高变化不大。故选用乙醇含量为16%的测定介质。

2.2溶解氧对峰高的影响分别做了溶液除去氧和不除氧的试验，发现溶解氧对测定的灵敏度和重复性均无影响。这样，不用除氧，简化了操作手续，堤高了分析速度。

在选定的最佳实验条件下进行测试，结果表明Ti（IV浓度在0.062ngmL范围内与峰高呈良好的线性关系，检出限为0.0076ngmL.按实验方法，对高纯铝及测定中可能存在的离子进行试验，结果表离手续可直接测定高纯铝中痕量钛。

作助溶剂，在电炉上缓慢加热，待全部溶解后，冷却，移入250mL容量瓶中，用水定容，摇匀，移取25.00mL，调节酸度并转入100mL容量瓶中，用水定容，使酸度保持在0.18mol/L，取适量试液按实验方法测定，用标准加入法计算结果，