燃料电池汽车结构原理详解

目前燃料电池汽车绝大多数采用的是混合式燃料电池驱动系统，将燃料电池与辅助动力源相结合，燃料电池可只满足持续功率需求，借助辅助动力源提供加速、爬坡等所需的峰值功率，且在制动时可将回馈的能量存储在辅助动力源中。混合式燃料电池驱动系统有并联式和串联式两种，如图4-1-5所示。

图4-1-5 混合式燃料电池汽车驱动系统框图

混合式燃料电池汽车的动力系统主要由燃料电池发动机、辅助动力源、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、电动机和动力电控系统等组成。

（1）燃料电池发动机

在燃料电池汽车所采用的燃料电池发动机中，为保证质子交换膜燃料电池组的正常工作，除以质子交换膜燃料电池组为核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物处理系统、冷却系统和电能转换系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动机正常运转。

1）氢气供应、管理和回收系统。气态氢的储存装置通常是高压储气瓶，对高压储气瓶的品质要求很高，为保证燃料电池汽车一次充气有足够的行驶里程，就需要多个高压储气瓶来储存气态氢气。一般轿车需要2～4个高压储气瓶，大客车上需要5～10个高压储气瓶。液态氢气虽然比能量高于气态氢，但其处于高压状态，不仅需要用高压储气瓶储存，还要用复杂的低温保温装置来保持低温。

在使用不同压力的氢气（高压气态氢气和高压低温液态氢气）时，需要用不同的氢气储存容器，不同的减压阀、调压阀、安全阀、压力表、流量表、热交换器和传感器等来进行控制，并对各种管道、阀和仪表等的接头采取严格的防泄漏措施。从燃料电池中排出的水，含有未发生反应的少量氢气。正常情况下，从燃料电池排出的少量氢气应低于1%，应用氢气循环泵将这些氢气回收。

2）氧气供应和管理系统。氧气可从空气中获取或从氧气罐中获取。使用空气时需要用压缩机来提高其压力，以增加燃料电池的反应速度。在燃料电池系统中，配套压缩机的性能有特定要求，压缩机质量和体积会增加燃料电池发动机系统的质量、体积和成本，压缩机所消耗的功率会使燃料电池的效率降低。空气供应系统的各种阀、压力表、流量表等的接头要采取防泄漏措施。在空气供应系统中还要对空气进行加湿处理，保证空气有一定的湿度。

3）水循环系统。燃料电池发动机在反应过程中会产生水和热量，在水循环系统中用冷凝器、气水分离器和水泵等对反应生成的水和热量进行处理。其中一部分水可用于空气的加湿。另外还需要一套冷却系统，以保证燃料电池的正常运作。

4）电力管理系统。燃料电池输出的是直流电。需要经过DC/DC变换器进行调压，在采用交流电动机的驱动系统中，还需要用逆变器将直流电转换为三相交流电。

以氢气为燃料的燃料电池发动机的各种外围装置的体积和质量，约占燃料电池发动机总体积和总质量的1/3～1/2。

（2）辅助动力源

在FCEV上，燃料电池发动机是主要电源，另外还配备有辅助动力源。根据FCEV的设计方案不同，所采用的辅助动力源也不尽相同，可用蓄电池组、飞轮储能器或超大容量电容器等共同组成双电源系统。

在具有双电源系统的FCEV上，驱动电机的电源可出现以下驱动模式：

1）在FCEV起动时，由辅助动力源提供电能带动燃料电池发动机起动，或带动车辆起步。

2）车辆行驶时，由燃料电池发动机提供驱动所需全部电能，剩余的电能储存到辅助动力源中。

3）在加速和爬坡时，若燃料电池发动机提供的电能还不能满足FCEV驱动功率要求，则由辅助动力源提供额外电能，使驱动电动机的功率或转矩达到最大，形成燃料电池发动机与辅助动力源同时供电的双电源供电模式。

4）储存制动时反馈的电能，并向车辆的各种电子、电器设备提供电能。

由于燃料电池发动机的比功率和比能量在不断改进和提高，现代燃料电池汽车正逐步向加大燃料电池发动机功率的方向发展，可由燃料电池发动机提供驱动所需全部电能。

此外，采用42V蓄电池来储存制动时反馈的电能，并为车载电子电器系统提供电能，可取消用于辅助驱动的动力电池组，减轻辅助电池组和整车的质量。

（3）DC/DC变换器(www.xing528.com)

FCEV采用的不同电源有各自的特性，燃料电池只提供直流电，其电压和电流随输出电流的变化而变化。燃料电池不可能接受外电源的充电，电流是单向的。燃料电池汽车采用的辅助电源（蓄电池和超级电容）在充电和放电时，也是直流电的形式，但电流的方向是可逆的。FCEV上的各种电源的电压和电流受工况变化的影响，呈不稳定状态。

为满足驱动电机对电压和电流的要求，及对多电源电力系统的控制，在电源与驱动电机之间，用计算机控制实现对燃料电池汽车的多电源综合控制，保证燃料电池汽车的正常运行。燃料电池汽车的燃料电池需要装备单向DC/DC变换器，蓄电池和超级电容需要装备双向DC/DC变换器。

燃料电池轿车中，DC/DC变换器的主要功能概括起来包括以下3项：

1）调节燃料电池的输出电压。由于燃料电池的输出特性较软，输出电压随负载变化而变化，轻载时输出电压偏高，重载时输出电压偏低，难以满足驱动电机控制器的需求，因此借助DC/DC变换器对燃料电池的输出电压进行调节。

2）调节整车能量分配。燃料电池汽车也属于混合动力汽车，具有燃料电池和蓄电池两种能源，控制燃料电池的输出能量就可控制整车能量的分配。如果燃料电池的输出能量不足以驱动电机，缺口能量就由蓄电池来补充。当燃料电池输出的能量超出电机的需求时，多余的能量可进入蓄电池中，补充蓄电池的能量。DC/DC变换器用于控制燃料电池的能量输出。

3）稳定整车直流母线电压。燃料电池的输出电压经过DC/DC变换器后能稳定整车直流母线电压。

DC/DC变换器在燃料电池汽车中起着重要的作用，它的性能必须满足以下要求：

1）变换器是能量传输部件，因此需要高转换效率，以提高能源利用率。

2）为降低对燃料电池的输出电压要求，变换器应具有升压功能。

3）由于燃料电池的输出不稳定，需要变换器闭环运行进行稳压，为给驱动器稳定的输入，需要变换器有较好的动态调节能力。

4）体积小、重量轻。

（4）驱动电机

燃料电池汽车用的驱动电机主要有直流电机、交流电机、永磁电机和开关磁阻电机等。燃料电池汽车驱动电机的选型必须结合整车开发目标，综合考虑电机的特点。

（5）动力电控系统

燃料电池汽车的动力电控系统主要由燃料电池发动机管理系统、蓄电池管理系统、动力控制系统及整车控制系统组成。

1）发动机管理系统。燃料电池发动机管理系统按整车控制器的功率设定值控制燃料电池发动机的功率输出，监测发动机的工作状态，保证发动机稳定可靠地运行时还可进行故障诊断及管理。其具体组成包括供氢系统、供氧系统、水循环及冷却系统。

2）蓄电池管理系统。蓄电池管理系统分上下两级。下级LECU负责蓄电池组电压、温度等物理参数的测量，进行过充、过放保护及组内、组间均衡。上级CECU负责蓄电池组的电流检测及SOC估算，以及相关的故障诊断，同时运行高压漏电保护策略。

3）动力控制系统。动力控制系统包含DC/DC变换器、DC/AC逆变器、DCL和空调控制器及空调压缩机变频器，以及电机冷却系统控制器。DC/DC变换器和DC/AC逆变器的作用如前所述，DCL负责将高压电源转换为系统零部件所需的12V/24V低压电源，电机冷却系统控制器负责电机及PCU的水冷却系统控制。

4）整车控制系统。整车控制系统的核心是多能源控制策略（包括制动能量回馈功能），它一方面接收来自驾驶人的需求信息（如点火开关、节气门踏板、制动踏板、变速信息等），实现整车工况控制；另一方面基于反馈的实际工况（如车速、制动、电机转速等）以及动力系统的状况（燃料电池及蓄电池的电压、电流等），根据预先匹配好的多能源控制策略进行能量分配调节控制。整车的故障诊断及管理也由它负责。

上述各系统都通过高速CAN-Bus进行信息交换。在上述基本动力系统架构基础上，可根据混合度的不同，把燃料电池混合动力汽车分为电量消耗型和电量维持型。混合度指燃料电池额定输出功率与驱动电机额定功率之比。前者的混合度较低，蓄电池是主要能量源，燃料电池只作为里程延长器来使用；后者的混合度较高，在行驶过程中蓄电池的SOC基本保持在一个合理的范围，目前国外大部分国家及我国全部采用该方案。