其主要优点如下:
1)系统结构简单,便于实现系统控制和整体布置。
2)系统部件少,有利于整车的轻量化。
3)较少的部件使得整体的能量传递效率高,从而提高整车的燃料经济性。
其主要缺点如下:
1)燃料电池功率大,成本昂贵。
2)对燃料电池系统的动态性能和可靠性要求很高。
3)不能进行制动能量回收基于纯燃料电池汽车上述这些不利因素,现在已较多地采用了混合驱动这种结构形式。既以燃料电池系统作为主动力源,又增加了蓄电池组或超级电容或蓄电池组加超级电容作为辅助动力源,和燃料电池联合工作,组成混合驱动系统共同驱动汽车。从本质上来讲,这种结构的燃料电池电动汽车采用的是类似混合动力结构。它与传统意义上的混合动力结构的不同仅在于动力源是燃料电池而不是内燃机。在燃料电池混合驱动结构汽车中,燃料电池和辅助能量存储装置共同向电动机提供电能,通过变速机构来驱动汽车行驶。
2.“燃料电池+辅助蓄电池”混合驱动的FCEV
燃料电池与辅助蓄电池混合驱动的燃料电池电动汽车的动力系统如图4-4所示。在该动力系统结构中,有燃料电池和蓄电池两个动力源。汽车的功率负荷由燃料电池和蓄电池共同承担。即燃料电池和蓄电池一起为驱动电动机提供能量,驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统,从而驱动汽车前进。在燃料电池和蓄电池联合供能时,燃料电池的能量输出变化较为平缓,随时间变化波动较小,而能量需求变化的高频部分由蓄电池分担。在燃料电池系统起动时,蓄电池提供电能用于空压机或鼓风机的工作、电堆的加热、氢气和空气的加湿等。在汽车制动时,驱动电机变成发电机,蓄电池将储存回馈的能量。
图4-4 “燃料电池+辅助蓄电池”混合驱动的FCEV
这种“燃料电池+辅助蓄电池”混合驱动的FCEV具有如下优点:
1)由于增加了辅助蓄电池联合驱动,且辅助蓄电池的比功率价格相对低廉得多,系统对燃料电池的功率要求较纯燃料电池结构形式有很大的降低,从而较大幅度地降低了整车成本。
2)降低了对燃料电池动态特性的要求。
3)能够回收再生制动能量,增加整车的能量效率。
4)汽车的冷起动性能较好。
5)在车辆起步的时候和功率需求量不大的时候,蓄电池可以单独输出能量。
6)燃料电池单独或与动力电池共同提供持续功率,在车辆起动、爬坡和加速等峰值功率需求时,动力电池提供峰值功率。(www.daowen.com)
7)由于蓄电池分担了能量需求变化的高频部分,燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作,工作时燃料电池的效率进一步提高。
8)蓄电池技术比较成熟,可以在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足。
该动力系统结构的主要缺点如下:
1)蓄电池的使用增加了驱动系统的重量、体积和复杂性,使整车的动力性和经济性受到影响。
2)蓄电池充放电过程会有能量损耗,影响了能量转换效率。
3)增加了蓄电池的维护和更换费用。
4)系统的复杂化,增加了系统控制和整体布置的难度。
3.“燃料电池+超级电容”混合驱动的FCEV
燃料电池与超级电容混合驱动的与燃料电池与辅助蓄电池混合驱动的FCEV结构类似,只是把辅助蓄电池换成了超级电容。在该动力系统结构中,有燃料电池和超级电容两个动力源。汽车的功率负荷由燃料电池和超级电容共同承担,即燃料电池和超级电容一起为驱动电机提供能量,驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统,从而驱动汽车前进。
蓄电池寿命短,成本高,使用要求复杂;而超级电容充放电效率高,能量损失小,比蓄电池功率密度大,在回收制动能量方面比蓄电池有优势,循环寿命长,使用成本低,但是超级电容的能量密度较小。随着超级电容技术的不断进步,这种结构将成为重要的研究课题及发展方向,有利于FCEV的商业化推广和应用。
4.“燃料电池+辅助蓄电池+超级电容”混合驱动的FCEV
燃料电池与蓄电池和超级电容混合驱动的电动汽车的动力系统如图4-5所示。它是在燃料电池与辅助蓄电池混合驱动的FCEV的电压总线上再并联一组超级电容,用于提供加速或吸收紧急制动的尖峰电流,减轻蓄电池负担,延长其使用寿命。
这种动力系统结构,燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量,驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统,从而驱动汽车前进;在汽车制动时,驱动电机变成发电机,蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。
与“燃料电池+蓄电池”混合驱动F(2EV的比较,其优势更加明显,尤其是在部件效率、动态特性、制动能量回馈等方面更有优势。在采用燃料电池、蓄电池和超级电容联合供能时,燃料电池的能量输出更为平缓,随时间变化波动较小,而能量需求变化的低频部分由蓄电池承担,能量需求变化的高频部分由超级电容承担。
各动力源的分工更加明细,使得它们的优势也得到了更好的发挥。而其缺点也一样更加明显。
1)增加了超级电容,整个系统的质量增加。
2)增加了超级电容,系统更加复杂化,系统控制和整体布置的难度也随之增大。
综上所述,FC+B+C组合(“燃料电池十辅助蓄电池+超级电容”)被认为能够最大限度地满足整车的起动、加速、制动的动力和效率需求,若能够对系统进行很好的匹配和优化,这种结构在给汽车带来良好的性能方面具有更大的吸引力,但其成本最高,结构和控制也最为复杂。目前,燃料电池电动汽车动力系统的一般结构仍是FC+B组合。
图4-5 “燃料电池+辅助蓄电池+超级电容”混合驱动的FCEV
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