汽车机电一体化控制系统:应用与解决方案

如前所述，基本上FC是一个特别无污染的能量转换CH-E/E-CH发电机，它能够使用氢和氧气作为燃料来产生电能，其产生的尾气排放为水。

另一方面，当估计功能性应用时（主要是汽车的），便出现了如何在HEV上保持必要的氢这样的左右为难的问题。HE DBW 2WD驱动机电一体化控制系统已经建成了两个类别的FC HE变速器装置。

第一类直接在车上保存氢，而第二类在HEV上重整碳氢燃料。

图2-163所示为带一个4×2车轮排列和车载储氢装置的FC HE变速器的总布置图【KAWATSU 2000】。

图2-163 带一个4×2车轮排列和车载储氢装置的FC HE变速器的总布置图【Toyota Technical Review，KAWATSU 2000】

图2-164所示为带一个4×2车轮排列和车载甲醇重整器的FC HE变速器的总布置图【KAWATSU 2000】。

图2-164 带一个4×2车轮排列和车载甲醇重整器的FC HE变速器的总布置图【Toyota Technical Review，KAWATSU 2000】

带一个4×2车轮排列和车载甲醇重整器的FC HE变速器的一个特殊属性是，它是一个充当PES的混合系统。也就是说，电能源（EES）形成一个与二次CH-E/E-CH蓄电池（如NiMH）的会合。二次CH-E/E-CH蓄电池充当一个SES（一个电能减振器）。这让FC HE变速器装置对电能共享有连续精确的机电一体化控制。此外它也提高了让FC在高效的功能范围内连续工作的可能性。甲醇重整器是一个安装在HEV上的小型的化工设备。通过集成为一个单独的组件，它得以大大压缩。开发甲醇重整器的分离部件，整合了燃料气化部分、重整反应部分和CO₂减排部分。通过减少甲醇重整器的热能（热）容量，也使得到更好的起动性能和响应性变得可行。起动时间已被减少至3min以下，同时响应时间已被提高到小于10s。此外，通过利用一种催化剂，也使重整效率得到了提高。图2-165～图2-170所示为带4×2或4×4车轮排列和高压气态氢储氢罐的FC HE变速器的总布置图。

图2-165 带一个4×2车轮排列和高压气态氢储氢罐的FC HE变速器的总布置图【Toyota’s FCHV-4；KAWATSU 2000】

图2-166 带一个4×2车轮排列和高压气态氢储氢罐的FC HE变速器的总布置图【Honda’s FCX】

在图2-165所示的FCEV中，FC堆、动力控制单元和E-M电动机安装在HEV的前面，同时在车尾的车板下安装了四个高压气态储氢罐。CH-E/E-CH蓄电池保持在车板下面或在行李箱中【KAWATSU 2000】。

图2-170所示为FCEV“Hy-Wire”，使用HE DBW 4WD驱动技术来提供运行的机电一体化控制。它由FC提供动力，FC连同动力传动系统被放置在滑板式底盘上。

图2-167 带一个4×2车轮排列和高压气态氢储氢罐的FC HE变速器的总布置图【Ford’s Focus-Hydrogen；MADER AND GERTH 2004】

图2-168 带一个4×2车轮排列和高压气态氢储氢罐的FC HE变速器的总布置图【FIAT’s Panda-Hydrogen】

（注：此图为作者提供的原图，未作改动）

这种HE变速器装置让车辆设计者创建了许多不同的车身形式，同时依旧保留了宽敞的空间【HAMILTON 2002】。此外，也包括了2WD或DBW 4WD驱动机电一体化控制系统、齿条齿轮传动SBW 2WS或4WS转向机电一体化控制系统和使用CO₂的热泵空调系统。比如，2WD或DBW 4WD驱动机电一体化控制系统带有如下的主要组件：PEFC；驱动无刷式DC-AC/AC-DC宏换向器IPM电磁激励同步电动机/发电机；高压储氢罐和镍氢蓄电池。

图2-169 带一个4×2车轮排列和高压气态氢储氢罐的FC HE变速器的总布置图【Daimler Chrysler NECAR4；LARSON 2003】

图2-170 带一个4×4车轮排列和高压气态氢储氢罐的FC HE变速器的总布置图【GM′s Hy-Wire；HAMILTON 2002】

因为FCEV使用散热器来散热，所以散热口的总面积大约是一辆正常汽车的2.5倍，并且前格栅也有一个双框架结构。这种结构既经受高质量的冷却效果，也允许HEV的外壳能清晰地表达其创新的见解【KAWATSU 2000】。

当然，HE DBW 2WD驱动机电一体化控制系统的FCHE变速器装置旨在改善燃料经济性，以及当HEV处于过渡情况下（transitional circumstances）的超前响应性目标。

电能源（EES）是一个FC的HE配置，即PES和一个CH-E/E-CH蓄电池（即SES）。

根据HEV的运行情况，对FC的输出电能和蓄电池的充电/放电进行机电一体化控制。

有着更大能量和功率密度的镍氢蓄电池用来做动力电池，以便只使用蓄电池而使HEV作为一辆AEV运行成为可能。比如，如图2-171所示，FC和牵引无刷式DC-AC/AC-DC宏换向器IPM同步电动机/发电机为串联连接，以获得在一般发生在HEV操纵期间的稳定情况下的更好的效率【KAWATSU 2000】。(www.xing528.com)

图2-171 FC HE变速器装置的概念图【Toyota’s FCHV-4；KAWATSU 2000】

CH-E/E-CH蓄电池的比功率低，通过一个起DC-DC转换器作用的DC-DC宏换向器与FC并联，并在FC响应延迟或当HEV在高负载下行驶时提供电能帮助。

CH-E/E-CH蓄电池也吸收由再生制动回收的电能，并在低负载下作为AEV功能的电能源（EES）。

FC和CH-E/E-CH蓄电池的混合控制（电能控制）通过控制DC-DC变换器的输出电压完成。

图2-172所示为HE DBW 2WD驱动机电一体化控制系统的FC HE变速器装置【KAWATSU 2000】。这一机电一体化控制系统被分解成两个操作离散系统。

图2-172 FC HE变速器装置的总布置图【Toyota’s FCHV-4；KAWATSU 2000】

FC系统是电能源（EES），它在混合系统中以极大效率使用FC系统的输出功率时，为HEV供应驱动功率。

FC系统由FC自身、燃料供给系统部件和冷却系统部件组成。从高压储氢罐利用一个调节器向FC输送氢。在FC反应之后，由一个交换E-M-F泵将任何剩余的氢恢复至FC的源区。

空气经一个E-M-P压缩机压缩，接下来它通过一个增湿器被抽进FC。增湿器从FC排出的空气中获得水蒸气，并利用水蒸气对进来的压缩空气增湿。一个E-M-F泵可以使冷却剂在FC和散热器之间流动。

此外，辅助配件（如E-M-P压缩机等）的机电一体化控制根据FC输出被优化，因此，由于辅助实现而使FC以最小的损失运行。

混合系统由一个FC系统、一个CH-E/E-CH蓄电池、一个充当DC-DC变换器的DC-DC宏换向器，以及一个牵引无刷式DC-AC/AC-DC宏换向器IPM电磁激励同步电动机/发电机组成。

HEV的驱动功率的核心来自FC的输出功率，但当它们的输出功率不够时，如在快速加速、爬山、高速穿行转换和高负载操纵下，则由蓄电池供应电能帮助。

此外，在低负载操纵下，FC辅助被关掉，此时HEV只利用蓄电池的电能以一辆AEV的方式运行。目前，已开发出了用于更清洁和更高效汽车的HEV。比如，像本田的Insight和丰田普锐斯这样的FCEV，已经在美国能源部（DoE）测试评估了液态燃料节省情况【KELLY AND RAJAGOPALAN 2001】。

显然，FC已经发展到成为不同应用中的主要能源了。由美国能源部设计和开发的FC公共巴士已被承认为零排放车辆（ZEV）。其唯一的尾气排放其实就是水蒸气【DoE 2003】。FC的主要弱点之一是它的动力较慢【GOPINATH ET AL. 2002；NERGAARD ET AL. 2002；LEE ET AL. 2003】。

事实上，FC的动力受到氢输送系统的限制。氢输送系统包括M-F泵和射流阀，有些情况下还有一个重整过程。

首先，因为主能源有一个缓慢的动态响应，一个阶跃电能负荷可能涉及汽车DC42V EED总线电压的巨大的变化。FCEV有一个问题，就是当在很短的时间内起动时，需要高能量的E-M电动机。

为了解决这些问题，FCEV必须有一个辅助能源来提供高瞬态能量。为此，研发了大电流超级电容器【ORTUZAR ET AL. 2003】。随后，可以使用超级电容器的非常快的功率响应来添加至FC较慢的功率输出，以建立FCEV所必需的兼容性和性能特性，如图2-173所示【THOUNTHONG ET AL. 2005】。

图2-173 带超级电容器的FC HE变速器装置的总布置图【THOUNTHONG ET AL. 2005】

相对于CH-E/E-CH蓄电池，超级电容器有一到两个数量级甚至更高的比功率，并且有更长的使用寿命。因为它们能够循环动作数百万次，所以它们几乎是免维护的。

其巨大的额定电流使得它们能够快速放电及快速充电。相对于CH-E/E-CH蓄电池而言相当低的比能，在大多数情况下决定了它们在一个特别大功率应用中使用的可行性【DESTRAZ ET AL. 2004】。

在图2-173所示的FC HE变速器装置中，有一个作为主能源的FC和作为辅助能源的超级电容器。它特别列举了超级电容器的DC-DC宏换向器（变流器）的机电一体化控制算法。

实验结果显示，超级电容器技术适合在汽车EED系统中提供电能。

图2-174所示为一辆雪佛兰Sequel。该车的大小相当于一辆卡迪拉克SRX。它是第一款0～96km/h加速时间能达到10s的FCEV，其最大行程为480km。

图2-174 通用汽车公布的雪佛兰Sequel，该车运行于氢燃料电池并利用Larry Burns一直领先的平台架构【The New York Times-Jan. 2005】

该车在冰雪道路或非平坦地形上有着无与伦比的操纵性。相比相同尺寸的传统车辆，其有42%以上的转矩用于加速度，并且有更短的制动距离。

雪佛兰Sequel的复杂的RBW或XBW整体式底盘机电一体化控制超系统，用电线和执行机构取代了传统车辆的机械和流体联动装置。这意味着更少的部件磨损。因为RBW或XBW整体式底盘机电一体化控制超系统如同一台快速计算机一样工作，所以雪佛兰Sequel有提高的加速度、制动和整体操控性。