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直接FCV混合动力系统结构分析

时间:2013-01-05 08:38:50来源:中国氢能源网

       燃料电池汽车的动力传递在传递路径、传递方式、能量储存上与内燃机汽车有着很大的不同。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等传递到车轮。因为在传递过程中少了很多机械和摩擦损失,所以FCV的能量转换效率比内燃机要高2-3倍。但燃料电池汽车的运行并不是一个稳态情况,频繁的启动、加速和爬坡使得汽车动态工况非常复杂。燃料电池系统的动态响应比较慢,在启动、急加速或爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行驶要求。在实际燃料电池汽车上,常常需要使用燃料电池混合电动汽车设计方法,即引入辅助能源装置(蓄电池、超级电容器或蓄电池+超级电容器)通过电力电子装置与燃料电池并网,用来提供峰值功率以补充车辆在加速或爬坡时燃料电池输出功率能力的不足。另一方面,在汽车怠速、低速或减速等工况下,燃料电池的功率大于驱动功率时,存储富余的能量,或在回馈制动时,吸收存储制动能量,从而提高整个动力系统的能量效率。其中直接燃料电池混合动力系统结构作为众多拓扑结构中的一种,在FCV上的应用越来越引起重视。

直接燃料电池混合动力系统式结构中采用的电力电子装置只有电机控制器,燃料电池和辅助动力装置都直接并接在电机控制器的入口。如丰田的FCHV-4, FIAT-Elettra和日产X-Trail FCV等都采用这种类似的结构设计。
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FIAT-Elettra 直接燃料电池混合动力系统示意图
辅助动力装置扩充了动力系统总的能量容量,增加了车辆一次加氢后的续驶里程,扩大了系统的功率范围,减轻了燃料电池承担的功率负荷。许多插电混合的燃料电池汽车也经常采用这样的构架,美国Ford公司Edge Plug-in燃料电池轿车和GM公司Volt Plug-in燃料电池车均采用了此种结构。这种插电式混合动力FCV可以有效的减少氢燃料的消耗,另外,辅助动力装置的存在使得系统具备了回收制动能量的能力,并且增加了系统运行的可靠性。燃料电池和辅助动力装置之间对负载功率的合理分配还可以提高燃料电池的总体运行效率。

    在系统设计中,可以在辅助动力装置和动力系统直流母线之间添加一个双向DC/DC变换器,使得对辅助动力装置充放电的控制更加灵活、易于实现。由于双向DC/DC变换器可以较好地控制辅助动力装置的电压或电流,因此它还是系统控制策略的执行部件。通过燃料电池电堆、电机控制系统、电子传递系统的综合控制实现能量的高效利用。

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