鉅大LARGE | 點擊量：529次 | 2022年10月18日
燃料動力電池汽車動力系統(tǒng)的設計
科技信息高校理科研究燃料電池汽車動力系統(tǒng)選型設計上海交通大學電子信息與電氣工程學院虞銘翁正新燃料電池汽車動力系統(tǒng)選型參數(shù)設計能源與環(huán)境是各國政府密切關注的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題。隨著世界汽車保有量的急劇增長，傳統(tǒng)的內燃機汽車對人類環(huán)境帶來的危害越來越嚴重，環(huán)境保護呼聲的高漲和石油儲量日益短缺的壓力，迫使人們重新考慮未來汽車的動力問題。未來的汽車應當向清潔、環(huán)保的方向發(fā)展，經過對各種新燃料、新能源和新動力的探索，燃料電池汽車（FuelCellVehick以其清潔、高效的特性逐漸成為公認的未來最有前途的新能源汽車P.以燃料電池為動力源的汽車稱為燃料電池汽車，但是純燃料電池汽車存在以下弊端：成本過高，不能回收再生制動能量，起動困難及瞬態(tài)響應性差等。所以目前普遍采用蓄電池組與燃料電池系統(tǒng)并聯(lián)驅動，類似于內燃機串聯(lián)混合動力汽車，是電-電混合動力，這種運行方式充分利用了燃料電池系統(tǒng)的高能量密度和蓄電池組的高功率密度2，車輛在不同的行駛工況下燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組構成的混合動力系統(tǒng)在不同的模式下工作。所示為典型的能量混合型的燃料電池動力系統(tǒng)示意圖。這種車型不但具有純燃料電池汽車的優(yōu)點，還能夠克服純燃料電池汽車目前無法解決的缺陷。
本文從整車角度出發(fā)，介紹了燃料電池汽車動力系統(tǒng)各個部件的選型標準，分析了其性能參數(shù)對整車的影響，為整車動力系統(tǒng)集成設計堤供理論依據。
電機驅動系統(tǒng)選型及參數(shù)設計2.1電機驅動系統(tǒng)的分類及比較電機驅動系統(tǒng)是燃料電池汽車中將電能轉換成機械能的動力部件，目前常用的驅動形式有直流電機驅動系統(tǒng)、交流感應電機驅動系統(tǒng)、交流永磁電機驅動系統(tǒng)和開關磁阻驅動系統(tǒng)34.直流電機驅動系統(tǒng)具有成本低、易于平滑調速、控制簡單、技術成熟等特點，在早期的無軌電車和電動叉車等電動車輛中使用比較廣泛。
但由于電機在運行過程中需要電刷和換向器轉向，其高速性能和可靠性受影響較大。隨著交流調速理論及電力電子器件的發(fā)展，目前其在燃料電池汽車上的應用已逐步減少。
交流感應電機又稱異步電機，與直流電機相比結構簡單，采用鼠籠式或繞線式轉子結構，電機堅固耐用、結構簡單、技術成熟、免維護、成本低，尤其適合惡劣的工作環(huán)境，比較適合燃料電池電動汽車，尤其是大功率的電動汽車。例如GM開發(fā)的燃料電池汽車Sequel就是采用了60kW的異步電機。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
交流永磁電機通?？煞譃榉讲ü╇姷臒o刷直流電機和正弦波供電的永磁同步電機。轉子采用永磁體，不需要勵磁。因此，功率因數(shù)大，電機具有較高的功率密度和效率。在中小功率系統(tǒng)中比較占優(yōu)優(yōu)勢，但是該系統(tǒng)成本較高，可靠性上也比感應電機差，本田推出的燃料電池汽車FCX前輪驅動電機為80kW的永磁電機。
開關磁阻電機結構最為簡單，適合高速運行，調速控制比較容易，但是電磁噪聲和轉矩脈動仍然是開關磁阻電機面臨的兩大難題。目前燃料電池汽車上這種電機應用較少。
燃料電池電動汽車的驅動電機系統(tǒng)具有以下要求：轉矩對油門和制動踏板的動態(tài)響應快，波動?。?驅動電機具有較寬的調速范圍，電機能在四象限工作，狀態(tài)切換平滑。
4）功率密度高，可靠性好，易于維護。
電機工作區(qū)域主要包括基速以下的恒轉矩工作區(qū)和基速以上的恒功率工作區(qū)兩個工作區(qū)間，前者主要保證電動汽車的載重能力，后者則保證電動汽車有充足的加速空間。電機的特性如所示。其中，峰值特性用于車輛加速、爬坡，而持續(xù)特性用于車輛巡航行駛。根據整車動力性能要求確定的電機性能參數(shù)包括：最高轉速、最大轉矩、最大功率、額定轉速、額定轉矩、額定功率。
動力蓄電池選型及參數(shù)設計3.1動力蓄電池的分類及比較作為輔助動力源的動力蓄電池，在汽車起步的工況下堤供全部動力；當汽車在加速或爬坡等工況時，為主動力源堤供補充；同時在汽車制動時，吸收制動回饋的能量。目前，在電動汽車上普遍使用的電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。
鉛酸電池由于安全耐用、價格低廉，曾是電動汽車動力電源的首選，但是由于電池的能量密度和功率密度小，造成電動汽車體積過大，不適用于燃料電池汽車。鎳氫電池的能量密度和功率密度都優(yōu)于鉛酸電池，許多公司都將其作為混合動力汽車和燃料電池汽車使用的首選電池。鋰離子電池的出現(xiàn)使得電池的性能和壽命都有了長足進步。鋰離子蓄電池在容量、功率等方面的優(yōu)點引起了世界各國極大的研究興趣。
曰本、美國、加拿大、法國、德國等都已經在電動車用鋰離子蓄電池的開發(fā)方面取得了很大進展，如通用汽車公司為了在其新版的Hy-Wire上堤高效率，配備了法國SAFT公司生產的鋰離子電池。
動力蓄電池的要求燃料電池汽車燃料電池與蓄電池這種“電-電”混合形式下對蓄電池有以下要求：1整車有較大功率需求時，能夠大電流放電，待燃料電池響應跟上后放電電流迅速降低；2進行制動回饋時，可以在短時間內接受較大電流的充電，即要具有瞬間大電流充放電能力；電池的荷電狀態(tài)（SOC應盡可能保持在50%85%的范圍內；循環(huán)壽命長，能夠達到1000次以上的深度放電和40萬次以上的淺度放電循環(huán)。
動力蓄電池參數(shù)設計對于能量混合型的燃料電池電動汽車主要有以下參數(shù)需要確定：1蓄電池組的額定電壓和單體電池的個數(shù)。
蓄電池組的額定電壓取決于動力總線的電壓，配合單體電池允許的電壓工作范圍，就能計算出所需的電池節(jié)數(shù)。
2蓄電池的功率和能量需求。電池的功率需求包括最大放電功率需求和最大充電功率需求。對于燃料電池汽車，根據整車的動力性能要求，分析各個工況，如汽車起步、爬坡、超車、制動等的功率需求可以得到對動力源的功率需求。計算最大能量需求時要考慮SOC的波動范圍和電池。
3）蓄電池的容量。根據蓄電池允許的最大放電電流不超過20C為依據計算得到蓄電池的容量。
燃料電池發(fā)動機的選型及參數(shù)設計4.1燃料電池的分類及比較燃料電池按電解質類型的不同，可分為六種主要的燃料電池：質子交換膜燃料電池（PEMFC、堿性燃料電池（AFCS、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFCS、固態(tài)氧化物燃料電池（SOFCS和直接甲醇燃料電池（DMtFCS.其中，質子交換膜燃料電池相對于其他類型的燃料電池具有低溫運行、快速啟動性、功率密度高、固態(tài)電解質不（下轉第511頁高校理科研究科技信息金屬鋁中痕量鈦的測試研究?？诮洕鷮W院工程技術學院嚴規(guī)有聶巍在含有16%乙醇的鹽酸溶液中，鈦av與鉭試劑（bpha配合物在開路情況下吸附富集于玻璃碳電極表面，然后以250mv/s掃描速度從-0.3V掃至-0.8V（VS.SCE進行溶出，溶出峰電位為-0.57V，鈦濃度在0.062ng/ml范圍內與峰高呈良好的線性關系。體系選擇性好，靈敏度高，操作簡單，用于金屬鋁中痕量鈦的測定，結果準確。
表1高純金屬鋁中鈦的測定結果（n=5）樣品標準值U）鈦是高純鋁中的痕量元素，其含量一般在0.001%以下，對核反應堆及特殊加工用鋁，需要知道鈦的準確含量。要準確測定含量如此低的成分，對測定方法的靈敏度、準確度及選擇性要求很高。有人曾用銅鐵試劑和其他有機物與Ti（IV形成的配合物進行電化學分析法測定，但未見用鉭試劑（BPHA直接伏安法測定痕量Ti（IV）的報導。本文較詳細研究了BPHA與Ti（IV配合物的伏安特性，并建立了測定痕量鈦的新方法，方法靈敏度很高，檢出限達0.0076ng/mL，準確度也很好，用于高純鋁中痕量鈦的測定，結果令人滿意。
1.1實驗儀器：PHS―3C酸度計；P―2型示波極譜儀，使用其三電極系統(tǒng)即以玻璃碳電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。
1.2主要試劑：鈦標準液一0.4mg/mL的H2SO4溶液，實驗時，根據需要用1mol/L的H2SO4逐級稀釋至所需的濃度；鉭試劑乙醇溶液一0.040mol/L；鹽酸溶液一6mol/L和1mol/L；硝酸汞溶液一0.01mol/L.1.3實驗方法：于25mL容量瓶中，加入適量的鈦標準溶液，加入1mol/L的HCL溶液3mL，加無水乙醇4mL，加0.040mol/L鉭試劑溶液0.5mL，用水定容，搖勻后全部倒入50mL燒杯中，加入硝酸汞溶液1滴，于示波極譜儀上開路富集4min后，以250mv/s的電位掃描速度由-0.3V掃至-0.8V，記錄-0.57V的導數(shù)峰高。
2.1測試介質中各組分的作用及條件的選擇21鉭試劑的作用：據報道，銅鐵試劑分子中羥氨上的氧和亞硝基能與金屬離子鍵合，而且分子中苯環(huán)上的兀電子云易于汞電極上交疊，有吸附性，使金屬離子產生吸附波。在此啟發(fā)下，試驗BPHA與Ti（IV配合物的伏安性能，結果發(fā)現(xiàn)產生良好的導數(shù)極譜波，且隨BPHA溶液濃度增大，峰增高，當其濃度超過2x10-4mol/L后，峰高變化小，波形穩(wěn)定，本文選用8x10-4mol/L.22酸度對峰高的影響：實驗表明，酸的種類對波的形狀均無影響。本文選用鹽酸調節(jié)酸度，當鹽酸濃度在0.080.15mol/L之間時，峰高基本不變，試驗選用0.12mol/L.23乙醇的作用：由BPHA的性質可知，其水溶液在強酸性條件下極易分解，而Ti（IV又需要在強酸性中測定，為此，在強酸性溶液中加入乙醇使BPHA穩(wěn)定性增加，且隨著乙醇用量增加，峰增高，當介質中含16%乙醇時，峰最高，再增加乙醇量，峰高變化不大。故選用乙醇含量為16%的測定介質。
2.2溶解氧對峰高的影響分別做了溶液除去氧和不除氧的試驗，發(fā)現(xiàn)溶解氧對測定的靈敏度和重復性均無影響。這樣，不用除氧，簡化了操作手續(xù)，堤高了分析速度。
在選定的最佳實驗條件下進行測試，結果表明Ti（IV濃度在0.062ngmL范圍內與峰高呈良好的線性關系，檢出限為0.0076ngmL.按實驗方法，對高純鋁及測定中可能存在的離子進行試驗，結果表離手續(xù)可直接測定高純鋁中痕量鈦。
作助溶劑，在電爐上緩慢加熱，待全部溶解后，冷卻，移入250mL容量瓶中，用水定容，搖勻，移取25.00mL，調節(jié)酸度并轉入100mL容量瓶中，用水定容，使酸度保持在0.18mol/L，取適量試液按實驗方法測定，用標準加入法計算結果，見表1.
