中心議題：

• 燃料電池電動汽車動力傳動係統技術

解決方案：

• 動力傳動係統拓撲構架設計
• 燃料電池汽車多能源係統管理與優化
• 動力係統配置與仿真優化技術

1　引言

燃料電池汽車是電動汽車的一種。燃料電池發出的電，經逆變器、控製器等裝置，給電動機供電
，再經傳動係統
、驅動橋等帶動車輪轉動，就可使車輛在路上行駛，燃料電池的能量轉換效率比內燃機要高2-3bei。ranliaodianchidehuaxuefanyingguochengbuhuichanshengyouhaichanwu，yinciranliaodianchicheliangshiwuwuranqiche。suizheduiqicheranyoujingjixinghehuanbaodeyaoqiu
，qichedonglixitongjiangcongxianzaiyiqiyoudenghuashiranliaoweizhumanmanguodudaohunhedongli，zuizhongjiangwanquanyouqingjiederanliaodianchichetidai。

近幾年來，燃料電池係統和燃料電池汽車技術已經取得了重大的進展。世界著名汽車製造廠，如豐田、本田、通用、戴姆勒-克萊斯勒、日ri產chan和he福fu特te汽qi車che公gong司si已yi經jing開kai發fa了le幾ji代dai燃ran料liao電dian池chi汽qi車che，並bing宣xuan布bu了le各ge種zhong將jiang燃ran料liao電dian池chi汽qi車che投tou向xiang市shi場chang的de戰zhan略lve目mu標biao。目mu前qian，燃ran料liao電dian池chi轎jiao車che的de樣yang車che正zheng在zai進jin行xing試shi驗yan，以yi燃ran料liao電dian池chi為wei動dong力li的de運yun輸shu大da客ke車che在zai北bei美mei的de幾ji個ge城cheng市shi中zhong正zheng在zai進jin行xing示shi範fan項xiang目mu。其qi中zhong本ben田tian的deFCX Clarity最高時速達到了160 km/h[8]；豐田燃料電池汽車FCHV-adv已經累計運行了360
，000 km的路試，能夠在零下37度啟動，一次加氫能夠從大阪行駛到東京(560公裏)。在我國科技部的支持下，燃料電池汽車技術得到了迅速發展。2007年，我國第四代燃料電池轎車研製成功，該車最高時速達150 km/h
，最大續駛裏程319 km。2008年
，20燃料電池示範汽車又在北京奧運進行了示範運行。2010年
，包括上汽
、奇瑞等國內汽車企業共有196輛燃料電池汽車在上海世博園區進行示範運行。

zaikaifaranliaodianchiqichezhongrengrancunzaizhejishuxingtiaozhan，ruranliaodianchizudeyitihua
，tigaoshangyehuadiandongqicheranliaochuliqihefuzhubuqichezhizaochangdouzaichaozhejichengbujianhejianshaobujianchengbendefangxiangnuli，bingyiqudelexianzhudejinbu。danyuchuantongdeneiranjijiaochexiangbi，ranliaodianchidiandongqichecaiyong“燃料電池+電動機”來代替傳統車的“心髒”-發動機和燃油係統。燃料電池轎車的動力傳動係統發生較大的變化
，主要表現在:電動機替代內燃機成為驅動動力源；離合器與扭轉減振器被省略
；duodangbiansuqitongchangbeitihuanweijiansuqi。yinci，ranliaodianchiqichededonglichuandongxitongzongtidedaojianhua。danzaixingshishi
，ranliaodianchishizhuyaodedonglilaiyuan，xudianchiweifuzhunenglianglaiyuan。qichexuyaodegonglvzhuyaoyouranliaodianchitigong。keyishuo
，cheyongranliaodianchidexuanqu，duiyuranliaodianchiqichedexingnengzhiguanzhongyao。

本文介紹了燃料電池汽車動力傳統技術發展概況，圍繞燃料電池電動汽車動力傳動拓撲架構、多源係統管理和動力係統配置與仿真優化技術等關鍵技術開展了詳細論述。
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2　動力傳動係統拓撲構架設計

燃料電池汽車的運行並不是一個穩態情況，頻繁的啟動、加速和爬坡使得汽車動態工況非常複雜。燃料電池係統的動態響應比較慢，在啟動

、jijiasuhuopadouposhiranliaodianchideshuchutexingwufamanzucheliangdexingshiyaoqiu。zaishijiranliaodianchiqicheshang，changchangxuyaoshiyongranliaodianchihunhediandongqicheshejifangfa，jiyinrufuzhunengyuanzhuangzhi(蓄電池、超級電容器或蓄電池十超級電容器)通tong過guo電dian力li電dian子zi裝zhuang置zhi與yu燃ran料liao電dian池chi並bing網wang，用yong來lai提ti供gong峰feng值zhi功gong率lv以yi補bu充chong車che輛liang在zai加jia速su或huo爬pa坡po時shi燃ran料liao電dian池chi輸shu出chu功gong率lv能neng力li的de不bu足zu。另ling一yi方fang麵mian，在zai汽qi車che怠dai速su、低(di)速(su)或(huo)減(jian)速(su)等(deng)工(gong)況(kuang)下(xia)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)功(gong)率(lv)大(da)於(yu)驅(qu)動(dong)功(gong)率(lv)時(shi)，存(cun)儲(chu)富(fu)餘(yu)的(de)能(neng)量(liang)，或(huo)在(zai)回(hui)饋(kui)製(zhi)動(dong)時(shi)，吸(xi)收(shou)存(cun)儲(chu)製(zhi)動(dong)能(neng)量(liang)
，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)整(zheng)個(ge)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)的(de)能(neng)量(liang)效(xiao)率(lv)。

2.1　直接燃料電池混合動力係統結構
直(zhi)接(jie)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)混(hun)合(he)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)式(shi)結(jie)構(gou)中(zhong)采(cai)用(yong)的(de)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)裝(zhuang)置(zhi)隻(zhi)有(you)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)器(qi)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)和(he)輔(fu)助(zhu)動(dong)力(li)裝(zhuang)置(zhi)都(dou)直(zhi)接(jie)並(bing)接(jie)在(zai)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)入(ru)口(kou)。如(ru)豐(feng)田(tian)的(de)FCHV-4， FIAT-Elettra和日產X-TrailFCV等都采用這種類似的結構設計。

輔助動力裝置擴充了動力係統總的能量容量，增加了車輛一次加氫後的續駛裏程
；擴大了係統的功率範圍，減輕了燃料電池承擔的功率負荷。許多插電混合的燃料電池汽車也經常采用這樣的構架
，美國Ford公司Edge Plug-in燃料電池轎車和GM公司Volt Plug-in燃ran料liao電dian池chi車che。這zhe種zhong插cha電dian式shi混hun合he動dong力li汽qi車che將jiang有you效xiao的de減jian少shao氫qing燃ran料liao的de消xiao耗hao。另ling外wai
，輔fu助zhu動dong力li裝zhuang置zhi的de存cun在zai使shi得de係xi統tong具ju備bei了le回hui收shou製zhi動dong能neng量liang的de能neng力li，並bing且qie增zeng加jia了le係xi統tong運yun行xing的de可ke靠kao性xing。燃ran料liao電dian池chi和he輔fu助zhu動dong力li裝zhuang置zhi之zhi間jian對dui負fu載zai功gong率lv的de合he理li分fen配pei還hai可ke以yi提ti高gao燃ran料liao電dian池chi的de總zong體ti運yun行xing效xiao率lv。

在係統設計中
，可以在輔助動力裝置和動力係統直流母線之間添加了一個雙向DC/DC變換器。使得對輔助動力裝置充放電的控製更加靈活、易於實現。由於雙向DC/DC變換器可以較好地控製輔助動力裝置的電壓或電流，因此它還是係統控製策略的執行部件。

2.2　並聯式動力係統結構
另一種構架是並聯式的燃料電池混合動力係統的結構。這種構建通常在燃料電池和電機控製器之間安裝了一個DC/DC變換器
，燃料電池的端電壓通過DC/DC變bian換huan器qi的de升sheng壓ya或huo降jiang壓ya來lai與yu係xi統tong直zhi流liu母mu線xian的de電dian壓ya等deng級ji進jin行xing匹pi配pei。這zhe種zhong係xi統tong與yu上shang述shu構gou架jia不bu同tong之zhi處chu還hai在zai於yu
，這zhe種zhong動dong力li係xi統tong的de設she計ji沒mei有you考kao慮lv能neng量liang的de回hui饋kui回hui收shou

，因yin此ci係xi統tong雖sui然ran簡jian單dan，但dan效xiao率lv比bi較jiao低di下xia。

盡管係統直流母線的電壓與燃料電池功率輸出能力之間不再有耦合關係，但DC/DC變換器必須將係統直流母線的電壓維持在最適宜電機係統工作的電壓點(或範圍)，對於交流電機驅動係統，通常還需要安裝一個DC/AC轉換器。目前這類構架係統隻在一些小型或者實驗的車上使用
，如2002年通用汽車公司開發的Autonomy和Hy-wire兩種車都是基於該中構架的。2008年
，同濟大學-蒂森克虜伯聯合實驗室采用這種架構開發了小型燃料電池汽車
，並研究了燃料電池電堆係統對整車性能的影響。
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3　燃料電池汽車多能源係統管理與優化

ranliaodianchibushihezuoweidonglixitongdedanyiqudongnengyuan，bixuxuanyongfuzhunengyuanxitonghelibuchongqudongdiandongqichesuoxudenengliang
，fugaigonglvbodong
，tigaofengzhigonglv
，xishouhuikuinengliang，gaishanranliaodianchishuchugonglvdeshuntaitexing。muqiangedaqichekaifashangcaiyonglefuzhudongli
，laitigaoranliaodianchiqichedexingneng(表1所示)。


3.1　動力電池輔助能源係統
目前鉛酸電池由於比能量及比功率均較低，已經淘汰。在汽車上常用的動力蓄電池主要有鎳氫電池和鋰離子電池等。

鎳氫電池屬於堿性電池，具有不易老化，無需預充電以及低溫放電特性較好等優點。其能量密度可超過80 Wh/kg，一次充電的行駛距離長
，在大電流工作時能夠平穩放電。FCHV-4，High-lander FCHV-adv和通用Chevrolet Equinox的(de)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)都(dou)是(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)和(he)鎳(nie)氫(qing)電(dian)池(chi)集(ji)成(cheng)的(de)。但(dan)，鎳(nie)氫(qing)在(zai)高(gao)溫(wen)環(huan)境(jing)下(xia)，電(dian)池(chi)電(dian)荷(he)量(liang)會(hui)急(ji)劇(ju)下(xia)降(jiang)，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)記(ji)憶(yi)效(xiao)應(ying)和(he)充(chong)電(dian)發(fa)熱(re)等(deng)方(fang)麵(mian)的(de)問(wen)題(ti)。在(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)混(hun)合(he)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)中(zhong)鎳(nie)氫(qing)電(dian)池(chi)SOC應保持在40%-60%之間
，充放電電流應處於160-240 A的範圍
，溫度應維持在常溫附近
，以確保係統安全性和經濟性。

鋰離子電池具有體積小
，能量密度高(>120Wh/kg)、高安全性和無汙染性等優點。本田FCXClarity

，通用Chevrolet Sequel鋰和日產X-Trail FCV等都采用鋰離子電池作為燃料電池汽車的輔助能源係統。離子電池的能量密度是鎳氫電池的1.5-3倍。其單體電池的平均電壓為3.2V，相當於3geniexinhuonieqingdianchichuanjieqilaidedianyazhi，yinernenggoujianshaodianchizuhetideshuliang


，jiangdidantidianchidianyachasuozaochengdedianchiguzhangfashenggailv，congertigaoledianchizudeshiyongshouming。

鋰離子電池具備自放電低(僅為5%-10%)的優點
，當在非使用狀態下貯存
，內部相當穩定，幾乎不發生任何化學反應。由於鋰離子電池不含有鎘
、汞gong和he鉛qian等deng重zhong金jin屬shu，因yin而er在zai使shi用yong過guo程cheng中zhong不bu會hui對dui環huan境jing造zao成cheng汙wu染ran。對dui於yu電dian動dong汽qi車che而er言yan，鋰li離li子zi電dian池chi易yi於yu車che載zai布bu置zhi安an裝zhuang，是shi較jiao為wei理li想xiang的de能neng量liang存cun儲chu媒mei介jie。常chang常chang使shi用yongSimulink和Dymola等工具來對電池係統進行仿真分析
，提高電池的使用效率和壽命。

其充電放電動態過程可以用Thevenin模型來如下：


3.2　超級電容係統
chaojidianrongqishiyizhongxinxingchunengyuanjian，tajixiangjingdiandianrongyiyangjuyouhengaodefangdiangonglv，youxiangdianchiyiyangjuyouhendadedianhechucunnengli。youyuqifangdiantexingyujingdiandianronggengweijiejin
，suoyirengranchengzhiwei“電容”。

如果僅采用超級電容作為唯一輔助能源還存在諸多不足之處，如:diandongqichechangshijiantingjihouzaiciqidong
，youyuchaojidianrongdezifangdianxiaoying
，zairanliaodianchidenengliangshuchushangweiwendingshichezaifuzhuxitongdegongdianjiangwufabaozhang。kuangqiechaojidianrongnengliangmiduhendi

，ruoyaodadaoyidingdenengliangchubeinengliqishebeitijishibijiada。dangqianchaojidianrongdoushiyuqitadonglidianchiyiqigouchefuzhudianyuanxitong，zairanliaodianchiqicheshangshiyongde。weilekefujingquedemiaoshuchaojidianrongdetexing，keyicaiyongzukangfajinxingjianmodaitijiandanRC回路模型。超級電容當前SOC主要基於超級電容的輸出電壓：

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3.3　多源能量的組合與控製
燃ran料liao電dian池chi電dian動dong汽qi車che安an裝zhuang上shang述shu兩liang種zhong拓tuo撲pu構gou型xing，與yu動dong力li電dian池chi和he超chao級ji電dian容rong進jin行xing組zu合he，才cai能neng達da到dao比bi較jiao好hao的de效xiao果guo。目mu前qian，主zhu要yao采cai用yong的de三san種zhong能neng量liang組zu合he方fang式shi有you：

1)燃料電池+動力電池
，通用Chevrolet Equinox等就采用這種組合方式；
2)燃料電池+超級電容


，如本田的FCV-3和馬自達FC-EV等；
3)燃料電池+動力電池+超級電容

，如本田FCHV-4。Tadaichi研究了不同狀況下
，能量的流動方式。通過對車用3種能源的比較
，基於燃料電池發動機輸出功率預測控製策略設計了多能源能量管理係統，實現了對3種能源的優化管理和控製。

4　動力係統配置與仿真優化技術

4.1　燃料電池係統仿真技術
對燃料電池汽車中的燃料電池係統建模的方法又可分為兩種，一種是在電化學
、工程熱力學、流體力學等理論基礎上，建立比較複雜的一維或多維物理模型。這種模型可根據不同燃料電池的結構參數建立相應模型
，分析壓力
、溫度、濕度

、流量


、催化劑、管(guan)道(dao)結(jie)構(gou)等(deng)多(duo)方(fang)麵(mian)因(yin)素(su)對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)工(gong)作(zuo)的(de)影(ying)響(xiang)。但(dan)這(zhe)種(zhong)模(mo)型(xing)複(fu)雜(za)不(bu)直(zhi)觀(guan)，且(qie)運(yun)算(suan)速(su)度(du)慢(man)。另(ling)一(yi)種(zhong)則(ze)采(cai)用(yong)較(jiao)簡(jian)單(dan)的(de)數(shu)學(xue)經(jing)驗(yan)模(mo)型(xing)並(bing)結(jie)合(he)相(xiang)應(ying)的(de)商(shang)業(ye)軟(ruan)件(jian)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)具(ju)有(you)直(zhi)觀(guan)快(kuai)速(su)的(de)特(te)點(dian)，但(dan)該(gai)模(mo)型(xing)隻(zhi)能(neng)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)，其(qi)建(jian)立(li)需(xu)依(yi)靠(kao)實(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)。

4.2　整車動力傳動係統仿真優化技術
ranliaodianchichefangzhendezuizhongmudeshiyiranliaodianchimoxingweijichu，jiehezixitonghedonglichuansongxitongdexiangguanmoxing，fangzhenfenxiranliaodianchixitongnaizhizhenggeqichedonglixitongdegongzuoqingkuang。zhezhongxitongyouhuadefangfazhuyaoshijieheshijideshiyonglaijinxingde，yibanfenchengliangzhong。

在實際使用路況未知的情況
，俄亥俄州立大學的T. Gabriel Choi等基於FIAT Panda車型，針對燃料電池插電式電動汽車的動力要求，研究了兩者控製測量:離線全局優化和動態優化下控製測量的設置方法。對於家庭充電和燃料電池混合應用的能量優化控製方法。Guezennec等研究了駕駛習慣對能量的使用情況
，並對動力係統和尺寸容量等做了優化。
 
對於實際使用情況已知，謝長君等研究了巡航加速等工況下的優化方法


，Francisco等研究了鄉村路線、chengshiluxianheliangzhehunhexiaranliaodianchidiandongqichedonglixitongrongliangdeshejifangfa
，yanjiulebutongfuzhunengliangxitongxiadonglixitongdexiaolvhenenghao，weiranliaodianchidonglixitongshejitigongcankao。Keshav S等運用動力係統仿真分析工具(PSAT)分析了燃料電池整車係統包括燃料電池電堆和其他部件的性能
，發現當使用單個輔助能量時，鋰電池的效果最好(表二)。鋰電池和超級電容混用，則可以9%的效率。另外，針對燃料電池機械結構及其動態相應也需要進一步考慮。

5　總結

ranliaodianchidiandongchezhongderanliaodianchidianduizhinengweichicheliangyunxingdepingjungonglvyaoqiu，caiyongfuzhunengliangxitongtigaoleranliaodianchiqichedexiaolv。benwenweiraoranliaodianchiqichedonglichuantongjishuguanjianjishu
，fenbieduiranliaodianchidiandongqichedonglichuandongtuopujiagou、多duo源yuan係xi統tong管guan理li和he動dong力li係xi統tong配pei置zhi與yu仿fang真zhen優you化hua技ji術shu等deng關guan鍵jian技ji術shu開kai展zhan了le詳xiang細xi論lun述shu。本ben文wen的de研yan究jiu對dui燃ran料liao電dian池chi電dian動dong汽qi車che動dong力li傳chuan統tong設she計ji與yu製zhi造zao具ju有you重zhong要yao的de參can考kao價jia值zhi。