能量系统结构

1. 基本结构

为了提供良好的加速能力和回收制动能量，燃料电池汽车动力系统通常是由燃料电池发动机和相应的储能系统以及电机组成的。储能系统可以采用动力电池或者超级电容，具有能量缓冲的作用。当车辆加速或者爬坡需要提供更大的输出功率时，储能系统提供部分功率；当储能系统能量降低到一定程度时，可由燃料电池发动机提供能量进行储存；车辆进入制动工况时，可以将部分车辆动能通过发电机转化为电能储存在储能系统中。

燃料电池汽车能量系统结构如图2−29所示，存在5种能量流动：

（1）氢气提供给燃料电池发动机，产生的电能通过电压变换器提供给电动机，电动机将电能转化为动能，提供给差速器，随之分配给车轮，驱动车辆行进。

（2）氢气提供给燃料电池发动机，产生的电能通过直流电压变换器提供给电能储存器，将电能转化为储存的化学能。

（3）电能储存器中的化学能转化为电能，通过直流电压变换器和电压变换器提供给电动机，电动机将电能转化为动能，提供给差速器，随之分配给车轮，驱动车辆行进。

（4）车辆动能输送给电动机，电动机反转发电，电能通过电压变换器和直流电压变换器提供给电能储存器，将电能转化为储存的化学能。

（5）车辆动能通过刹车系统转化为热能。

图2−29 燃料电池汽车能量系统结构

以上5种方式，可以出现在车辆相应的运行状态。对于起步、加速和爬坡工况，可以由方式（1）和方式（3）联合，形成燃料电池发动机和电能储存器共同向电动机提供能量，以产生更高的输出功率。当电能储存器中的能量降低到给定范围，需要及时提供能量进行储存，可以实行方式（1）和方式（2）的组合，由燃料电池发动机同时向电动机和电能储存器提供能量。

2. 结构设计方式

车辆行驶时，随着运行工况的不同，对动力系统的功率要求范围很大，一般是0～100%，同时功率需求的变化也很频繁。燃料电池车辆的能量系统为了满足车辆的这种需求，必须合理控制燃料电池发动机和电能储存器之间的功率分配，在满足车辆行驶功率需求的同时，尽可能优化动力系统的经济性和部件的可靠性。从功率平衡的角度，燃料电池/动力电池混合驱动汽车（FCHV）能量系统的结构设计主要分为负载补偿型和负载跟随型两种方式。

负载补偿型控制策略的基本思想是燃料电池发动机提供缓变的平均功率，运行区域一般设定在效率较高值附近。车辆行驶的峰值功率和动态功率由电能储存器参与提供。当负载功率小于燃料电池的高效工作区域时，多余电能向电能储存器充电。这种控制策略的优点是燃料电池的运行比较可靠，对燃料电池的冲击较小，但要求辅助动力源有足够的容量和功率，另外，燃料电池高效工作范围大的特点没有被充分利用。

负载跟随型控制策略是燃料电池的功率输出尽可能跟随车辆的负载需求，超出燃料电池功率输出能力的动态部分和峰值部分由电能储存器提供。当车辆负载功率小于燃料电池的最大输出功率时，控制策略根据动力系统的状态，适时地控制燃料电池向电能储存器充电。这种控制策略的优点是能够充分利用燃料电池发动机高效工作范围大的优点，降低对电能储存器的容量和功率要求，采用容量较小的动力电池或超级电容。