燃料电池汽车类型及技术简述

采用燃料电池作为电源的纯电动汽车称为燃料电池汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）。燃料电池汽车一般以质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为车载能量源。

燃料电池汽车按燃料特点可分为直接燃料电池汽车和重整燃料电池汽车。直接燃料电池汽车的燃料主要是氢气。直接燃料电池汽车排放无污染，被认为是最理想的汽车，但存在氢的制取和存储困难等缺点。重整燃料电池汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等，其结构比直接燃料电池汽车复杂得多。

燃料电池汽车按燃料氢的存储方式可分为压缩氢燃料电池汽车、液氢燃料电池汽车和合金（碳纳米管）吸附氢燃料电池汽车。

燃料电池汽车按“多电源”的配置不同，可分为纯燃料电池驱动（PFC）的燃料电池汽车、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的燃料电池汽车、燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的燃料电池汽车，以及燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的燃料电池汽车。

（1）纯燃料电池驱动（PFC）的燃料电池汽车

纯燃料电池驱动的汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。纯燃料电池驱动的汽车的动力系统如图4-1-1所示。

图4-1-1 纯燃料电池驱动动力系统结构

纯燃料电池驱动系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传输给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传输给传动系统，从而驱动汽车行驶。

这种系统的优点在于：

1）结构简单，系统控制和整体布置容易。

2）系统部件少，有利于整车的轻量化。

3）整体的能量传递效率高，从而提高了整车的燃料经济性。

存在的问题有：

1）燃料电池功率小、成本高。

2）对燃料电池系统的动态性能和可靠性要求很高。

3）不能进行制动能量回收。

因此，为有效解决上述问题，必须以辅助能量存储系统作为燃料电池系统的辅助动力源，与燃料电池联合工作，组成混合驱动系统，共同驱动汽车。从本质上讲，这种结构的燃料电池汽车采用的是混合动力结构。它与传统意义上的混合动力结构的差别仅在于用燃料电池取代了内燃机。在燃料电池混合动力汽车中，燃料电池和辅助能量存储装置共同向电机提供电能，通过变速机构来驱动汽车。

（2）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的燃料电池汽车

燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的燃料电池汽车的动力系统如图4-1-2所示。这是一个典型的串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传输给传动系统，从而驱动汽车行驶。在汽车制动时，驱动电机进入发电机模式，蓄电池将储存回馈的能量。在燃料电池和蓄电池联合供能时，燃料电池的能量输出变化较平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的高频部分由蓄电池分担。

这种结构的优点在于：

1）由于增加了比燃料电池价格低廉得多的蓄电池组，系统对燃料电池的功率要求较纯燃料电池结构有很大降低，从而大大降低了整车成本。

2）燃料电池可在较好的设定工作条件下工作，工作时燃料电池的效率较高。

图4-1-2 燃料电池与辅助蓄电池形式动力系统结构

3）系统对燃料电池的动态响应性能要求较低。

4）汽车的冷起动性能较好。(https://www.xing528.com)

5）制动能量回馈系统可回收汽车制动时的部分动能，进而增加整车的能量效率。

存在的问题有：

1）由于蓄电池的使用，使整车重量增加，动力性能和经济性受到影响。

2）蓄电池充放电过程会有能量损耗。

3）系统度、系统控制和整体布置难度增加。

（3）燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的燃料电池汽车

燃料电池+超级电容的结构与燃料电池+蓄电池的结构相似，只是把蓄电池换成超级电容，如图4-1-3所示。相对于蓄电池，超级电容充放电效率高、能量损失小、功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但其能量密度较小。随着超级电容技术的不断进步，这种结构将成为重要研究方向之一。

图4-1-3 燃料电池+超级电容形式动力系统结构

（4）燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的燃料电池汽车

燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动的汽车的动力系统如图4-1-4所示，该结构也为串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传输给传动系统，从而驱动汽车行驶。在汽车制动时，驱动电机进入发电机模式，蓄电池和超级电容会储存回馈的能量。

在燃料电池、蓄电池和超级电容联合供能时，燃料电池的能量输出较平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的低频部分由蓄电池承担，能量需求变化的高频部分由超级电容承担。在这种结构中，各动力源的分工更加明细，因此它们的优势也得到更好的发挥。

这种结构的优点在于：相比燃料电池+蓄电池的结构形式，在部件效率、动态特性、制动能量回馈等方面性能更为优越。

这种结构的缺点也更加明显，由于增加了超级电容，整车重量增加。同时，系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。

总的来说，如果能对系统进行很好的匹配和优化，这种结构带来的良好性能具有很大的吸引力。

图4-1-4 燃料电池+蓄电池+超级电容形式动力系统结构

在3种混合驱动结构中，FC+B+C组合被认为能最大限度满足整车的起动、加速、制动力和效率需求，但成本最高，结构和控制也最复杂。目前燃料电池汽车动力系统的一般结构是FC+B组合，这是因为它具有以下特点：

1）燃料电池单独或与蓄电池共同提供持续功率，且在车辆起动、爬坡和加速等峰值功率需求时，蓄电池提供峰值功率。

2）在车辆起步时和功率需求不大时，燃料电池可单独输出能量。

3）蓄电池技术比较成熟，可在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足。

目前，FC+B混合驱动系统主要有燃料电池直接混合系统和动力电池直接混合系统两种结构形式。

燃料电池直接混合系统中的燃料电池直接接入直流母线，因此驱动系统的电压必须设计在燃料电池可调节的范围内。由于蓄电池需要向驱动系统传输能量，并从燃料电池与车辆系统取得能量，需安装双向DC/DC变换器，且必须有响应速度快的特点。燃料电池和蓄电池之间的功率平衡由DC/DC变换器和燃料电池管理系统共同实现。该结构形式对于燃料电池的输出电压达到了最优化设计。但是对燃料电池的要求比较高，同时DC/DC变换器要实现双向快速控制，双向DC/DC变换器的成本较高，整个系统的控制也比较复杂。

动力电池直接混合系统中，DC/DC变换器将燃料电池的输出电压和系统电压分开。

驱动系统电压可设计得比较高，这样可降低驱动系统的电流值，有利于延长各电器元件的寿命，同时高系统电压可充分满足动力电池的需要。DC/DC变换器还负责保持燃料电池和蓄电池之间的功率平衡。

但是燃料电池的能量输出需要通过DC/DC变换器才能进入直流母线，因此导致系统的效率比较低，特别是对于连续负载来说不是最优化设计。例如，匀速工况下，系统功率需求较小，由燃料电池单独提供车辆行驶所需的功率。两种结构形式的主要差别在于DC/DC变换器的使用方式。DC/DC变换器的位置和结构决定了动力系统的构型。DC/DC变换器的位置主要取决于电机及其控制器特性和燃料电池特性，另一个重要因素则是混合度。