燃料电池混合动力汽车能量特性分析

1.燃料电池特性分析

燃料电池带负荷后的输出电压—电流特性曲线如图8-6所示。

图8-6　燃料电池带负荷后的输出电压—电流特性曲线

从特性曲线可以看出,燃料电池在加负荷的起始阶段,电压下降很快,并且随着负荷的增加,电流(功率)增大,输出电压也随着曲线比普通电池大得多的斜率下降,即燃料电池的输出特性相对较软。

燃料电池汽车必须具有较强的机动性,以适应不同的路况正常行驶,如爬坡、下坡、加速、减速、转弯、启停和制动等。这样燃料电池汽车的驱动功率就不可避免的会产生波动,这与燃料电池的输出特性相矛盾。当行驶工况需要系统增加功率时,燃料电池输出功率应该增加,而功率的增加是要通过电流的增加来实现的,由燃料电池输出特性可见,当燃料电池输出电流增加时,系统母线电压会以较快的斜率下降,所以燃料电池的输出特性难以满足汽车加速或爬坡工况的要求。同时,若输出功率频繁地波动,就会较大幅度地降低燃料电池的效率,反过来又影响其动力性能。因此,燃料电池不太适合作为单一的直接驱动电源,需要在燃料电池与汽车驱动之间加入稳压装置。一般使用DC/DC变换器,使燃料电池和DC/DC变换器共同组成供电装置对外供电,从而稳定输出电压。此外,还有必要引入辅助能量共同供电,适应功率波动,提高峰值功率,以改善燃料电池输出功率的瞬态特性,以降低燃料电池成本。

2.车辆辅助能量的选择及其特性分析

蓄电池可以作为燃料电池混合动力车的辅助动力源。动力电池的主要性能指标是比能量(Wh/kg)、比功率(W/kg)和使用寿命等。作为动力电池,需要满足以下要求:①比能量高,它是保证电动汽车能够达到合理行驶里程的重要指标;②比功率大,它涉及电动汽车的加速性能和爬坡能力;③连续放电率高,自放电率低,电池要能适应快速放电的要求,自放电率要低,能够长期存放;④免维护、电池循环使用寿命长;⑤安全可靠,有利于回收避免污染。因此,在众多蓄电池中,采取镍氢(Ni－MH)蓄电池是较为合适的。其比能量达到75～80Wh/kg,比功率达到160～230W/kg,循环寿命超过600次,并且具有化学性质稳定、无毒性、无致癌物质等特点。估计随着镍氢蓄电池技术的发展,其比能量可超过80Wh/kg,循环使用寿命可超过2000次。

超级电容与燃料电池等高能量密度的物质相结合,能够提供快速的能量释放,满足高功率需求,从而使燃料电池可以仅作为能量源使用。超级电容的能量密度可高达20k Wh/kg,已经开始抢占传统电容器和电池之间的这部分市场。超级电容的ESR值很低,从而可以输出大电流,也可以快速吸收大电流。同化学充电原理相比,超级电容器的工作原理使这种产品的性能更稳定,因此超级电容的使用寿命更长,它无疑是一个很理想的电源。超级电容由于原理上的因素也存在着一定的缺点,由于漏电流的存在,需要旁路电阻来控制整个单元的漏电流;如果电压超过单元的额定电压。将会缩短单元的使用寿命。对于高可靠性超级电容来说,如何维持电压在要求的范围内是很关键的,必须控制充电电压,以确保其不超过每个单元的额定电压。

此外,超高速飞轮也可以作为储能装置在混合动力汽车中使用。它采取旋转的转子储能,用做辅助能量源具有能量高,比功率大的特点。可以使主要能量工作于高效率区,提高整个系统的能量利用效率。在混合动力传动方案中,飞轮的主要选择要考虑飞轮壳体和附件的质量,合理选择工作转速范围,飞轮转子的最大比能量,与主能量和功率输出装置一起工作时,满足飞轮能量效率特性的最佳转子负荷特性设计等。

镍氢蓄电池的工作特性,镍氢蓄电池的单体额定电压为1.2V,有圆筒形和方形两种结构。圆筒形是由片状的正极板和负极板加上隔板卷绕后,装入容器中而成;方形是由中间夹有隔板的正极板和负极板叠加后,装入容器中而成。为了确保镍氢蓄电池工作的可靠性,在蓄电池的顶端一般都装有排气阀。当电池内部压力达到一定程度时,就向外排气,避免电池在使用不当(如过大电流充、放电等)时发生爆裂。在使用Ni－MH电池时,需要注意:一是要确保电池和所连接的整机安全;二是要注意合理的充、放电,以获得高于电池额定值的可靠性和充、放电寿命,尤其要防止过充电,通常采用检测和控制充电状态的方法防止电池过充电。

由于镍氢蓄电池具有较高的比能量(60～70Wh/kg)、较高的比功率(150～250W/kg)、寿命长(500～1000次循环)、材料来源丰富、环保特性、放电曲线平坦和快速充电性能等优点,被认为能满足电动汽车使用的一个目标。但目前阻碍其应用的一个重要问题是初始成本高,而且有记忆效应和充电发热严重等问题。