混合动力燃料电池汽车发展综述

混合动力燃料电池车辆发展综述

张密科 （北京 中国公路车辆机械有限公司）

摘 要： 混合动力燃料电池汽车被普遍认为是今后汽车发展的主要方向之一。本文介绍了燃料电池的结构、组成、工作原理及特点。阐述了混合动力燃料电池汽车的结构、工作原理、性能特点及国内外的研究发展现状。分析了燃料电池车辆的发展前景。

关键词： PEMFC ；FCV ；动力蓄电池；CAN 总线；X-by-Wire ；

1 前言

当前，随着世界石油资源的日益紧缺和地球环境的日益恶化，节能、环保和可持续发展是社会对科技的迫切要求。燃料电池汽车（FCV ）以其突出的环保、节能、资源充足等优点成为世界各国尤其是发达国家大力研究的热点。质子交换膜燃料电池（PEMFC ）以氢气为燃料，氧气或者空气为氧化剂，产物仅仅是纯净水，噪音小，并且燃料不依赖于日益紧缺的石油资源。PEMFC 是绿色环保的动力源，其主要优点是能量转化效率高，功率密度高，启动时间短，可靠性高，具有良好的抗震性能，非常适合作为汽车动力源。燃料电池与蓄电池结合组成混合动力可以有效提高汽车的整体性能和燃料效率，混合动力燃料电池汽车被普遍认为是可以同时解决能源与排放问题的绿色环保汽车，代表今后汽车能源技术发展的主要方向之一。

2 燃料电池简介

燃料电池不同于常规意义上的电池， 它是一种电化学反应装置，把贮存在燃 料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。 它的基本结构就是：电解质层，阴极和 阳极，电极为多孔材料，电解质层位于 电极之间，如图1所示。

典型的燃料电池模型的工作原理 是：在阳极(负极)连续吹入气态燃料， 如氢气，而在阴极(正极) 连续吹入氧化 剂，这样就可以在电极上连续发生电化 学反应，并产生电流。以氢氧反应为例，

燃料电池的电化学反映原理如下式所示： 图1 燃料电池原理示意图

O

H O H O

H e H

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H H 2222222

1:

222

1:

22:

→+

→+++→-

+

-

+

合反应阳极反应阴极反应

燃料电池的种类很多，应用于电动汽车上的主要是PEMFC。因为PEMFC能够在室温条件下快速启动，并可按负载要求快速改变输出功率。燃料电池作为能量转化装置，具有效率高、噪音小、可靠性高，环保的突出优点。

3 燃料电池电动汽车介绍

燃料电池电动汽车就是指以燃料电池系统为主要供能装置的电动汽车（可简称为燃料电池汽车）。其原理可简述为：由燃料电池系统产生电能供给驱动电机，再由电机驱动车辆行驶。一般由于燃料电池功率方面限制，常使用动力蓄电池组作为辅助动力源，以提高燃料电池汽车加速、爬坡等性能，这种汽车也称为混合动力燃料电池汽车。

燃料电池电动汽车的关键部件是燃料电池系统，燃料电池系统以PEMFC电池组为核心。绝大多数PEMFC电池组是将单体电池按压滤机方式组装的，而且大多采用内共用管道形式，单体电池通过串连结构形成大功率的燃料电池组。PEMFC电池组及其辅助控制系统构成燃料电池系统。其结构及原理示意图如图2所示：

图2 质子交换膜燃料电池系统结构及原理示意图

从图2可以看出燃料电池系统由以下五部分组成：

（1）燃料电池组；

（2）燃料供应系统——氢气贮存装置，压力调节器，管路，氢气循环泵；

（3）氧化剂供应系统——空气压缩机（以空气为氧化剂来源），空气加湿器，管路；

（4）冷却系统——冷却器/热交换器，冷却水箱，冷却风扇，冷却水循环管路，冷却水循环泵；（5）燃料电池堆控制系统——控制空气流量，氢气流量，燃料电池组温度，数据采集，故障管

理及与整车管理器通讯等；

燃料电池组工作时，需由电池外部的燃料及氧化剂贮存装置向其提供反应所需物质，同时排出反应终产物（一般为水）。从这个工作方式上看，它与常规电池不同，反而类似常规的汽、柴油内燃机。所以，汽车上使用的燃料电池系统又称作燃料电池发动机（Fuel Cell Engine 缩写FCE）。

混合动力燃料电池电动汽车动力系统结构一般由如下几部分组成：燃料电池发动机系统、辅助动力蓄电池组、直流/交流逆变器、驱动电机及驱动桥。其结构图如图3所示：

图3 燃料电池电动轿车的动力系统

就燃料电池汽车的整车结构而言，主要在动力系统结构上与传统内燃机汽车有着本质差别，而其它部分与传统汽车基本相同。在下坡、制动时可以将部分动能转化为电能充入辅助动力蓄电池组储存起来备用，这样起到了节省燃料的作用。

4 X-by-Wire技术及应用

燃料电池汽车的动力及传动系统可以全部采用电控系统，避免笨重的机械传动装置，从而减轻了汽车重量，增加操纵灵活性。利用控制器局域网（CAN）总线技术可以很方便的实现下一代汽车设计理念——X-by-Wire。X-by-Wire是从飞机电线控制系统Fly-by-Wire引进的, 此控制方式引入到汽车驾驶上，就成为Drive-by-Wire，引入到制动上就有Brake-by-Wire，，引入到控制上就有Steering-by-Wire，因此统称为X-by-Wire。采用X-by-Wire可以降低部件的复杂性，减少液压与机械控制装置，可以减少杠杆、轴承等金属连接件，减轻重量，降低油耗和制造成本，相应也提高了可靠性和安全性。还有重要的一点，由于电线走向布置的灵活性，因此汽车操纵部件的布置也具有灵活性，提高了汽车设计的自由空间。例如汽车方向机采用X-by-Wire技术，左置或右置就可以随意变动。通用汽车2002年9月公开了概念型燃料电池汽车“Hy-Wire”，其操纵系

统、制动系统、动力系统就采用了X-by-Wire形式，使其整车控制采用电子而不是传统的机械方式进行。另外，新添加的各种电控单元（ECU）可以方便地连接到CAN总线上，为以后功能升级扩展留下空间。

5 燃料电池电动汽车发展现状

自20世纪末，国际上形成了一个燃料电池发动机系统及燃料电池电动汽车的研究开发热潮。进入21世纪以来，世界各大汽车公司继续加大力度研制燃料电池汽车，纷纷推出了越来越接近商业化要求的产品。早在2002年，丰田公司推出了FCHV系列燃料电池汽车的最新产品，并获得了日本国土交通省大臣颁发的认定证书，准许其限量销售，丰田FCHV燃料电池汽车技术数据汽车数据见下表1.1。

表1.1 丰田FCHV燃料电池汽车技术数据

奔驰汽车公司开发的燃料电池公共汽车已经在我国北京清洁能源汽车示范线开始载客运营。福特汽车公司在2002年纽约国际汽车展览会展出了全新福克斯（Focus）燃料电池轿车。Focus FCV 上采用了新型Ballard Mark 902燃料电池组，并配置有300伏三洋蓄电池组作为辅助能源，增加了电控制动和电液再生制动系统。福特公司计划正式投产该型燃料电池轿车。在2008年下半年，福特公司宣布发展清洁动力技术，以氢燃料电池作为最终目标。