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燃料电池电动汽车_3

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燃料电池电动汽车_3 修改稿收稿日期:2006-10-08 作者简介:胡 骅 (1931-),男,江西九江人,副教授,研究方向为汽车及电动汽车;宋 慧 (1963-),女,河南商丘 人,副教授,研究方向为工业电气自动化和电动汽车。 燃料电池电动汽车(Ⅲ) 胡 骅1,宋 慧2 (1.武汉理工大学,湖北 武汉 430070;2.武汉科技大学) 中图分类号:U469.722文献标识码:B 文章编号:1003-8639(2007)03-0046-09 4 燃料电池发动机 (Fuel Cell Engine) 内燃机是在气缸与活塞之间将燃料的...
燃料电池电动汽车_3
修改稿收稿日期:2006-10-08 作者简介:胡 骅 (1931-),男,江西九江人,副教授,研究方向为汽车及电动汽车;宋 慧 (1963-),女,河南商丘 人,副教授,研究方向为工业电气自动化和电动汽车。 燃料电池电动汽车(Ⅲ) 胡 骅1,宋 慧2 (1.武汉理工大学,湖北 武汉 430070;2.武汉科技大学) 中图分类号:U469.722文献标识码:B 文章编号:1003-8639(2007)03-0046-09 4 燃料电池发动机 (Fuel Cell Engine) 内燃机是在气缸与活塞之间将燃料的化学能燃 烧后的热能转变,使气体膨胀,然后依靠活塞-曲 柄连杆机构,使气体膨胀的直线运动转换为曲轴的 旋转运动,来带动汽车行驶。为了保证内燃机的正 常运转,内燃机装有进气系统、排气系统、燃料供 给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和起动系 统等辅助装置。 PEMFC组是用不同个数的单体PEMFC串联组 成,用端板将不同个数单体PEMFC紧密地装配到一 起,组成不同规格的PEMFC组。PEMFC组本身的结 构比较简单,没有运动构件,不需要润滑,便于维 修。在FCEV所采用的燃料电池发动机中,为保证 PEMFC组的正常工作,除以PEMFC组为核心外,还 装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系 统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换 系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转, 才能保证燃料电池发动机正常运转。 4.1以氢为燃料的燃料电池发动机系统 图22是以氢为燃料的燃料电池发动机系统。 4.1.1氢气供应、管理和回收系统 气态氢的储存装置通常用高压储气瓶来装载, 对高压储气瓶的品质要求很高,为保证燃料电池电 动汽车一次充气有足够的行驶里程,就需要多个高 压储气瓶来储存气态氢气。一般轿车需要2~4个高 压储气瓶,大客车上需要5~10个高压储气瓶。 液态氢气虽然比能量高于气态氢,由于液态氢 气是处于高压状态,不但需要用高压储气瓶储存, 还要用低温保温装置来保持低温,低温的保温装置 是一套复杂的系统。 在使用不同压力的氢气 (高压气态氢气和高压 低温液态氢气)时,就需要用不同的氢气储存容 器,不同的减压阀、调压阀、安全阀、压力、流 量表、热量交换器和传感器等来进行控制。并对各 种管道、阀和仪表等的接头采取严格的防泄漏措 施。从燃料电池中排出的水,含有未发生反应的少 量的氢气。正常情况下,从燃料电池排出的少量的 氢气应低于1%以下,应用氢气循环泵将这少量的 氢气回收。 4.1.2氧气供应和管理系统 氧气的来源有从空气中获取氧气或从氧气罐中 获取氧气,空气需要用压缩机来提高压力,以增加 燃料电池反应的速度。在燃料电池系统中,配套压 缩机的性能有特定的要求,压缩机质量和体积会增 加燃料电池发动机系统的质量、体积和成本,压缩 机所消耗的功率会使燃料电池的效率降低。空气供 应系统的各种阀、压力表、流量表等的接头要采取 防泄漏措施。在空气供应系统中还要对空气进行加 湿处理,保证空气有一定的湿度。燃料电池发动机 系统的空压机如图23所示。 燃料(氢气)供应系统:1.氢气储存罐 2.氢气压力调节仪表 3.热交换器 4.氢气循环泵 水循环系统:5.冷凝器及气水分离器 6.水箱 7.水泵 氧化剂(空气或氧气)供应系统:8.空气压缩机(或氧气罐) 9.加湿器及去离子过滤装置 电气系统:10.燃料电池组 11.电源开关 12. DC/DC转 换器 13.逆变器 14.驱动电动机 图22以氢为燃料的燃料电池发动机系统 46《汽车电器》2007年第3期 ●专题讲座● ●Specical Lecture● 我国上海安乃达驱动技术有限公司生产的 FCEV用的空压机技术性能见表8。 4.1.3 水循环系统 燃料电池发动机在反应过程中将产生水和热 量,在水循环系统中用冷凝器、气水分离器和水泵 等对反应生成的水和热量进行处理,其中一部分水 可以用于空气的加湿。另外还需要装置一套冷却系 统,以保证燃料电池的正常运作。 4.1.4 电力管理系统 燃料电池所产生的是直流电,需要经过DC/DC 变换器进行调压,在采用交流电动机的驱动系统 中,还需要用逆变器将直流电转换为三相交流电。 以氢气为燃料的燃料电池发动机的各种外围装 置的体积和质量约占燃料电池发动机总体积和质量 的1/3~1/2。 4.2 以甲醇为燃料的燃料电池发动机 图24为以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统。 在以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统中,用 甲醇供应系统代替了上述的氢气供应系统。包括甲 醇储存装置、甲醇供应系统的泵、管道、阀门、加 热器及控制装置等。 4.2.1 甲醇储存装置 甲醇可以用普通容器储存,不需要加压或冷 藏,可以部分利用内燃机汽车的供应系统,有利于 降低FCEV的使用费用。 4.2.2 燃烧器、加热器和蒸发器 甲醇进入改质器之前,要用加热器加热甲醇和 纯水的混合物,使甲醇和纯水的混合物一起受高温 (621℃)热量的作用,蒸发成甲醇和纯水的混合 气,然后进入改质器。 4.2.3 改质器 改质器是将甲醇用改质技术转化为氢气的关键 设备。不同的碳氢化合物采用不同的改质技术,在 改质过程中的温度、压力会有所不同,例如:甲醇 用水蒸气改质法的温度为621℃,用部分氧化改质 法的温度为985℃,用废气改质法的第一阶段温度 为985℃,第二阶段温度为250℃。在FCEV用甲醇 经过改质产生的氢气做燃料时,就需要对各种改质 方法进行,选择最佳改质技术和最适合FCEV 配套的改质器。 4.2.4 氢气净化器 改质器所产生的H2因为含有少量的CO,因此必 须对H2进行净化处理。净化器中用催化剂来控制, 使H2中所含的CO被氧化成二氧化碳CO2后排出,最 终进入PEMFC的H2中的CO的含量不超过规定的 10×10-6。甲醇经过改质后所获得的氢气作为燃料 时,燃料电池的效率为40%~42%。 以甲醇为燃料的燃料电池系统中的氧气供应、 管理系统,反应生成的水和热量的处理系统和电力 管理系统与以氢为燃料的燃料电池系统基本相同。 燃料电池发动机的运作一般采用计算机进行控 制,根据FCEV的运行工况,通过CAN总线系统进 行信息传递和反馈,并经过计算机的处理,以保证 燃料电池正常运行。 4.3 国内外的PEMFC发动机的研发情况 4.3.1 中国科学院大连化学物理研究所燃料电池中心 中国科学院大连化学物理研究所燃料电池中心 表8 上海安乃达驱动技术有限公司生产 的FCEV用的空压机的技术性能 项 目 额定电压/V 额定功率/kW 最大功率/kW 最大转矩/Nm 技术指标 250~400 12 17 20 项 目 额定转速/(r/min) 最高转速/(r/min) 峰值效率/% 质量/kg 技术指标 8000 12000 95 8.5 图23 燃料电池发动机系统的空气压缩机 燃料(氢气)供应系统:1.甲醇储存罐 2.带燃烧器的改质器 3.H2净化装置 4.氢气循环泵 水循环系统:5.冷凝器及气水分离器 6.水箱 7.水泵 氧化剂(空气或氧气)供应系统:8.空气压缩机(或氧气罐) 9.加湿器及去离子过滤装置 电气系统:10.燃料电池组 11.电源开关 12.DC/DC转换 器 13.逆变器 14.驱动电动机 图24 以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统 ●SpecicalLecture● ●专题讲座● 47《汽车电器》2007年第3期●先使用后付款,用后说不好可不付款! 详见插3广告● ●好消息:免费提供防冻液技术! 详见插3广告● 从事燃料电池的研究和开发已有30多年的历史,对 熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、再生 氢氧燃料电池和质子交换膜燃料电池等进行了研究 和开发。特别是在碳-铂电催化剂、电极、电极- 膜-电极三合一组件、电池组金属双极板结构、流 场板机构及其制备技术、电池组的热管理、电池组 的密封、电池组可靠性等多方面具有知识产权的中 国发明专利达数十项,熔融碳酸盐燃料电池和质子 交换膜燃料电池已经向国内外市场提供系列产品。 为我国质子交换膜燃料电池电动汽车、移动电站、 便携电源等提供了最新技术和各种关键辅助设备。 中国科学院大连化学物理研究所研发的PEMFC包括 燃料电池轿车用的28~36kW的燃料电池发动机和燃 料电池大客车用的50~120kW燃料电池发动机。 4.3.2 上海神力公司的PEMFC发动机 上海神力公司开发并生产了0.5~30kW中小型 系列PEMFC发动机和30~150kW大型系列PEMFC发 动机。装备在 “超越”1~3号FCEV轿车和 “清能” 1号和3号FCEV大客车上。上海神力公司的PEMFC 发动机的特点是:①燃料电池发动机 (包括氢气 瓶)的质量比功率达到160W/kg,性能达到0.62V、 1000mA/1000cm2;②正负两极的铂Pt用量之和为 0.6mg/cm2,达国际先进水平;③低压氢气和常压 空气运行,因此降低了空压机的压力,减少了辅助 设备的造价;④拥有完全自主知识产权的200多项 专利,并正在开发120kW的PEMFC发动机。上海 神力公司开发的部分PEMFC发动机与装车情况见 表9。 4.3.3 北京世纪富源燃料电池产业化基地 北京世纪富源燃料电池产业化基地是专门从事 PEMFC技术开发、产品研制的专业公司,生产了 50~100kW的系列燃料电池发动机。1999年与清华 大学联合研制成功一辆5kW的FCEV观光车,一辆 40kW的FCEV中巴车和100kW的FCEV公交车。 4.3.4 北京绿能飞驰电源技术有限公司 北京绿能飞驰电源技术有限公司研发了5kW、 6.5kW、18kW、150kW和250kW的PEMFC发动 机,2001年用不同的燃料电池发动机装备了 “京绿 一号”电动场地车、 “绿能一号”FCEV轿车和 “京零一号”FCEV中巴车等,在燃料电池材料、膜 电极等方面拥有多项专利技术。 4.3.5 湖北省燃料电池重点实验室的PEMFC发动机 湖北省燃料电池重点实验室 (原武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室)在科技部的领导 和支持下,率先突破了燃料电池核心组件CCM的技 术难题,建立了生产能力为1000m2的模块化CCM 的连续生产线。催化剂层的厚度可减薄至5μm,Pt 载量可降低到0.4mg/cm2以下,并用于研发的25kW 和50kW的PEMFC发动机上。25kW和50kW的 PEMFC发动机的主要技术性能见表10。由于CCM的 超薄化,提高了燃料电池电化学反应的活性,在常 压下,氢、空气体系条件下,PEMFC的功率密度达 到0.65W/cm2(1A/cm2)。同时开发了复合质子交 项 目 额定功率/kW 输出净功率/kW 电压/V 电流/A 装用车辆 燃料类型 燃料储存方式 燃料电池工作压力 工作温度/℃ 能量转化效率/% 外形尺寸/mm×mm×mm 质量/kg 通讯方式 36 36 220~348 0~200 轿车 >50 810×420×250 322 50 50 310~480 0~200 轿车 >50 810×420×250 <300 70 60 250~380 0~200 大客车 >45~52 1400×1200×900 608 120 100 300~450 0~200 大客车 >45~52 — 970 参 数 压缩氢气 高压内胆,碳纤维缠绕储存罐 常压 68~80 CAN总线 表9 上海神力公司的PEMFC发动机性能参数 上海神力科技有限公司网站www.sl-power.com 表10 湖北省燃料电池重点实验室PEMFC发动机的技术性能 净输出功率/kW 最大稳定输出功率/kW 辅助系统功率/kW 工作压力 工作温度/℃ 相对湿度/% 能量利用率/% 发动机封装尺寸/mm×mm×mm 发动机质量比功率/(W/kg) 控制系统 25kWPEMFC 发动机 22.5 25.2 10%输出功率 常压 50~70 0~95 >50 750×300×200 195 50kWPEMFC 发动机 45 50 10%输出功率 常压 50~70 0~95 >50 750×950×850 光纤CAN总线 项 目 ●专题讲座● ●SpecicalLecture● 48 《汽车电器》2007年第3期 换膜和直接甲醇燃料电池抗甲醇渗碳膜等燃料电池 的关键材料。各种研究和开发都具有完全的自主知 识产权。 4.3.6 国外一些厂家部分燃料电池发动机性能(表11) 5 FCEV的电力系统和驱动系统 FCEV是以燃料电池为主要电源和以电动机驱 动为惟一的驱动模式的电动车辆,目前,因受到燃 料电池起动较慢和燃料电池不能用充电来储存电能 的限制,在FCEV上还需要增加辅助电源来加速 FCEV的起动所需要的电能和储存车辆制动反馈的 能量。FCEV上的关键装备为DC/DC变换器、驱动 电动机及传动系统、蓄电池等。 FCEV的电力系统和驱动系统的基本组成如图 25所示。 5.1 DC/DC转换器 FCEV采用的电源有各自的特性,燃料电池只 提供直流电,电压和电流随输出电流的变化而变 化。燃料电池不可能接受外电源的充电,电流的方 向只是单向流动。 FCEV采用的辅助电源 (蓄电池和超级电容器) 在充电和放电时,也是以直流电的形式流动,但电 流的方向是可逆性流动。 FCEV上的各种电源的电压和电流受工况变化 的影响呈不稳定状态。为了满足驱动电动机对电压 和电流的要求及对多电源电力系统的控制,在电源 与驱动电动机之间,用计算机控制实现对FCEV的 多电源的综合控制,保证FCEV的正常运行。FCEV 的燃料电池需要装置单向DC/DC变换器,蓄电池和 超级电容器需要装置双向DC/DC变换器。 5.1.1 燃料电池用的全桥DC/DC变换器 燃料电池发动机输出的电压一般为240~450V, 燃料电池的输出电压随着燃料电池输出的电流的增 大而减小。另外,由于燃料电池不能充电,因此, 配置单向全桥DC/DC变换器,将燃料电池的波动电 流转换为稳定、可控的直流电源。 全桥DC/DC变换器输入端用4个导通开关和4个 整流二极管共同组成大功率的直流电转换器 (IGBT),中部为高频变压器Tr,输出端用4个整流 二极管共同组成整流器。全桥DC/DC变换器电路原 理如图26所示。 5.1.1.1 全桥DC/DC变换器的原理 a.当导通开关T1先导通时,在延迟一定的α电 位角后再导通开关T4,而T2和T3被截止。T1和T4轮流 导通180°电位角。此时电压U1=Uin。然后转换为开 关T2先导通,在延迟一定的电位角后,再导通开关 T3,而T1和T4被截止,T2和T3轮流导通180°电位角。 此时电压U1=-Uin。当控制4个开关管轮流导通时, 将产生交变电压和电流,在A、B两个点上可以得到 一个交流方波电压和电流。 b.在交流方波电压原边电路中串联一个电容 C2,以防止变压器的磁偏心,然后将交流方波电压 U1输入到变压器Tr的原边中,变压器通过调节占空 比来调节输出电压Uo,控制和保持副边输出电压Uo 的稳定。副边后面与一个4管整流器相连接,通过 整流后在C、D两个点上可以得到一个直流电压。在 C、D电路中加入由电感Lf和电容Cf组成的滤波器, 将直流方波电压中的高频分量滤除,得到一个平直 C1、C2、Cf—电容器 T1、T2、T3、T4—导通开关 D1、D2、 D3、D4—整流二极管 Tr—高频变压器 DR1、DR2、DR3、DR4 —4管整流器 Lf—电感器 图26 燃料电池用全桥DC/DC变换器电路原理 表11 国外一些厂家部分燃料电池发动机性能 Ballard(加) Ballard(加) Ballard(加) Hydrogenics(加) NuveraFuel CellsEurope(美) MK701 MK900 MK901 Hy-PM-LP2 50 67 72 20 峰值 效率 >60% Commander2 P2000 Premary 生产厂家 型 号 功率/kW 配用车型 Hydro-Gen 30 56% Hydro-Gen3 图25 FCEV的电力系统和驱动系统的基本组成 ●SpecicalLecture● ●专题讲座● 49《汽车电器》2007年第3期●蓄电池用水不用愁,接通水源自动流! 详见插3广告● 的直流电压。变压器输入电压Uin与输出电压Uo的关 系为 Uo=Uin·n·(t/T) (9) 式中:n———全桥DC/DC变换器的特性参数, n>1时为升压特性;t———导通时间,s;T———开关 周期,s。 由上式可知,只要改变导通时间,就可以调节输 出电压Uo的值。选择智能控制的大功率全桥DC/DC变 换器,可以有良好的自我保护能力和使用寿命。 5.1.1.2 全桥DC/DC变换器的特性 在FCEV上燃料电池只是由燃料产生电能,而 不能储存电能,因此采用了单向DC/DC变换器。 DC/DC变换器的外特性如图27所示,单向DC/DC变 换器的控制框图如图28所示。根据FCEV的动力性 能要求,确定DC/DC变换器输出电压的给定 值。当燃料电池电流逐渐增大时,电压基本保持平 稳,通过对输出电压的闭环控制,实现DC/DC变换 器的恒压输出 (图27中的A—B段)。当燃料电池电 流继续增大、电压快速下降时,通过对输出功率控 制,实现DC/DC变换器的恒功率输出 (图27中的 B—C段)。由于燃料电池的电压达到下限值要受到 所反应的温度、压力和环境等的影响,图27的B—C 段的功率不能事先给定,而是用此时通过燃料电池 的输出电压和电流来测定,并实时对DC/DC的输出 功率进行调节,这是保证燃料电池不会发生过放电 的关键措施。当DC/DC 变换器达到最大输出电 流时,电压迅速下降 (图27中C—D段)为恒 电流段,其电流值决定 DC/DC变换器的最大输 出电流。 5.1.2 双向DC/DC变换器 在以蓄电池和超级电容器组成的混合电源上, 一般蓄电池以稳态充、放电的形式工作,而超级电 容器在电动车辆起动时,能够以大电流的放电形式 工作,在接受外电源或制动反馈的电能时又能以大 电流的充电形式工作。蓄电池和超级电容器的电流 为双向流动,因此,在蓄电池和超级电容器与电力 总线之间装置双向升、降压 (Buck-Boost)型DC/ DC变换器,双向控制和调配所输入和输出的电流。 升、降压双向DC/DC变换器电路如图29所示。 在升、降压双向DC/DC变换器的输入端用2个 导通开关和2个整流二极管,分别组成2个大功率的 直流电转换器 (IGBT),在输入端装有电感器L2和 电容器C,在输出端装有电感器L1。 双向DC/DC变换器处于充电工况时,导通开关 T1切断,导通开关T2导通,充电机或制动反馈的电 流,经由动力总线向蓄电池或超级电容器中充电。 在通过电感L1时,部分电流暂时存留在电感L1中, 当导通开关T2断开后,电感L1中存留的电流通过整 流二极管D2转存在电容器C中。双向DC/DC变换器 在对超级电容器充电时处于降压 (Buck)状态。在 超级电容器电路上装置电感L1还可以减小进入超级 电容器线路的电流脉冲。充电时DC/DC变换器总线 端的电压与超级电容器端的电压关系为 Ubus=n2Uscap (10) 式中:n2———导通开关T2的占空比,n2=t2/T2 (t2———导通开关T2的导通时间,s;T2———导通开关 T2的导通周期,s);Uscap———系统电压,V。 双向DC/DC变换器处于放电工况时,导通开关 T1导通,导通开关T2切断。蓄电池或超级电容器放 电,电容器C中储存的电荷也同时放电,电流方向 是由超级电容器向动力总线方向流动,DC/DC变换 器对外放电处于升压 (Boost)状态。在总线电路上 装置电感L2可以减小进入总线的电流脉冲。放电时 DC/DC变换器总线端的电压与蓄电池或超级电容器 端的电压关系为 Ubus=Uscap/(1-n1) (11) 式中:n1———导通开关T1的占空比,n1=t1/T1 (t1———导通开关T1的导通时间,s;T1———导通开关 T1的导通周期,s)。 5.2 FCEV的驱动电动机 在FCEV上广泛地采用了直流电动机、交流电 动机、永磁电动机和开关磁阻电动机作为驱动电动 机,电动机驱动是FCEV惟一的驱动模式。 5.2.1 FCEV的电动机 FCEV采用的电动机基本性能见表12,可根据 不同FCEV的配置选用不同的电动机。 图28 DC/DC变换器的控制框图 图27 DC/DC变换器的外特性 C—电容器 T1、T2—导通开关 D1、D2—整流二极管 L1、 L2—电感器 图29 双向DC/DC电流变换器电路 ●专题讲座● ●SpecicalLecture● 50 《汽车电器》2007年第3期 ●专为个体设计的小小型、壁挂式蓄电池用水设备 详见插3广告● 5.2.2 电动机的运行机制 电动机可以有电动机驱动运行状态和反馈制动 状态。在电动车辆上,当使用电动机驱动模式时, 电动机是处于驱动运行状态,为电动机。在制动能 量回馈时,电动机处于制动运行状态,转换为发电 机。图30为感应式电动机的机械特性。 5.2.2.1 电动机参数选择 nr=nmax/β (12) 式中:nr———电动机额定转速;nmax———电动机 最高转速 (一般为4000~10000r/min);β———电 动机扩大恒功率区系数 (β=3~5)。 5.2.2.2 电动机的额定转矩Tn 额定转矩是电动机额定负载时的转矩,它可以 从电动机铭牌上的额定功率P和额定转速n来计算求 得。在等速转动时,电动机的转矩Tn与阻力转矩Tc 相平衡,阻力转矩Tc包括机械的负载转矩和空载损 耗转矩T0,由于T0很小,常可以忽略不计,所以: Tn≈Tc。电动机额定转矩与电动机功率的关系如下 Tn=9550Pe/n (13) 式中:Pe———感应电动机的输出功率,kW。 5.2.2.3 电动机的最大转矩Tmax和过载系数 从电动机特性可以看出,电动机转矩有一个最 大值,称为最大转矩或临界转矩,当负载转矩超过 最大转矩时,电动机就不能带动负载转动,电动机 会发生堵转现象,堵转时电动机的电流将升高6~7 倍,使得电动机严重过热,以致烧坏。 电动机的最大转矩表示电动机有一定的过载能 力,最大转矩Tmax与额定转矩Tn的比值称为过载系数 λ。如果过载时间很短 (3s),电动机不会立即发 热,因此,短时间的过载是允许的。电动机的过载 系数如下 λ=Tmax/Tn (14) 电动机的过载系数λ一般为1.8~2.2。在选择电 动机时,必须考虑到可能出现的最大负载转矩,然 后根据过载系数计算出所要选择的电动机的最大转 矩来选择合适的电动机。 5.2.2.4 起动转矩 电动机在起动时 (转速n=0、转差率s=1)的转 矩称为起动转矩。在起动时,起动电流大大地超过 额定电流,起动电流与额定电流的比值为5~7倍。 虽然转子电流较大,但转子的功率因数cosφ2却很 低,因此实际的起动转矩并不很大,起动转矩与额 定转矩之比为1.0~2.2。由于起动时间很短,约3s左 右,电动机起动后转速迅速提高,电流很快降低, 从发热的角度考虑不会有大问题。但过大的起动电 流会对供电线路造成较大的电压降。 如果电动机起动转矩过大,就会对传动系统的 齿轮造成冲击。如果电动机起动转矩过小,就不能 在满载下起动。为了避免发生以上情况,可以采用 在空载条件下起动。要根据电动车辆的使用情况, 采取不同的起动方式。 5.2.3 电动机运行状态 5.2.3.1 电动运行状态 图31是电动机在电动运行状态时转矩M的方向 与旋转方向n的关系特性。在电动运行状态时,电 网向电动机供给电能,产生正向旋转的驱动转矩 +M,图中第一象限为电动机在正向旋转时的电动 运行状态。当三相电源中任何两相接线交换时,则 产生反向旋转的驱动转矩-M,图中第四象限为电动 机在反向旋转时的电动运行状态。可以通过简单的 换相接线,实现电动车辆的电动逆向行驶 (倒车)。 Pm=PM(t)/ηm(t) (15) 式中:Pm———驱动电动机的有效输出功率; PM———驱动电动机输入的功率;ηm———驱动电动机 效率。 功率密度 过载能力/% 峰值效率/% 负荷效率/% 功率因数/% 恒功率区 可靠性 结构的坚固性 电动机外形尺寸 电动机质量 控制操作性能 控制器成本 直流 电动机 低 200 85~89 80~87 — — 4000~ 6000 一般 差 大 重 最好 低 感应式 电动机 中 300~500 94~95 90~92 82~85 1∶5 12000~ 20000 好 好 中 中 好 高 永磁式 电动机 高 300 95~97 85~97 90~93 1∶2.25 4000~ 10000 优良 一般 小 轻 好 高 开关磁阻 式电动机 较高 300~500 90 78~86 60~65 1∶3 可以 >15000 好 优良 小 轻 好 一般 表12 各种电动机的基本性能比较 项 目 转速范围/r/min 图30 感应式电动机的机械特性 ●SpecicalLecture● ●专题讲座● 51《汽车电器》2007年第3期●能够延长蓄电池使用寿命的制水设备 详见插3广告● 5.2.3.2 制动运行状态 电动机有3种制动运行状态:①反馈制动;② 反接制动;③能耗制动。在电动车辆上特别重视反 馈制动,利用反馈制动回收的能量可以达到车辆所 消耗能量的10%左右,这对电动车辆的节能有重要 意义,这点在内燃机汽车上是不可能实现的。 5.2.3.3 电动机的效率 电动机的效率是指电动机输出的功率与电源输 送给电动机的功率之比。在电动机工作过程中存在 机械损耗和电磁损耗。机械损耗包括铁耗和摩擦损 耗等,一般机械损耗不随电动机的电压和电流变化 而变化。电磁损耗包括定子铜耗、转子铜耗和附加 损耗等,电磁损耗随电动机的电压和电流变化而变 化。当电动机在空载或轻负荷时,电磁损耗起主要 作用,电动机的效率只有20%~30%。电动机的负载 增加到额定负载附近,电动机的效率逐渐增高到 75%~92%。电动机的容量愈大,其效率也愈高。电 动机的效率范围分布是不均匀的,电动机在电动工 况和发电工况的效率特性见图32。 5.3 蓄电池参数选择 FCEV的辅助蓄电池的性能与蓄电池的充电状 态SOC有重要关系,当蓄电池的SOC低于允许范围 时,蓄电池继续放电会使蓄电池遭到破坏。一般按 FCEV蓄电池设计的最大输出功率来计算蓄电池的 数量,蓄电池的个数计算如下 Pmin=Pbat/SOClow% (16) 式中:Pbat———蓄电池额定功率;SOClow——— SOC最低允许值。 n=Pmin/(2Ebat2/9Rbat)·ηbat (17) 式中:Pmin———蓄电池在SOC最低条件时所能提 供的功率;Ebat———蓄电池的电动势;Rbat———蓄电 池的等效内阻;ηbat———蓄电池的效率。 5.4 FCEV的多电源电力总成控制策略 燃料电池的特点是冷起动的性能较差,输出功 率在20%~60%之间是系统效率最高区域,随着输 出功率增大,效率逐渐降低。为了弥补以上缺点, 在FCEV上采用辅助电源,在FCEV起动时,辅助电 源可以加速燃料电池的起动,为压缩机和加热等装 置提供所需要的功率。在FCEV加速或爬坡时提供 辅助电力,调整燃料电池的输出峰值功率,保持燃 料电池在经济区域内运行。燃料电池是不可以充电 的电池,因此,在FCEV上还需要装置辅助电源来 回收制动反馈的能量。 在早期的FCEV上多采用燃料电池+蓄电池的混 合电源。现代FCEV上采用了燃料电池+蓄电池+超 级电容器的混合电源,超级电容器具有大电流的充 电和放电特性,恰好弥补了蓄电池的不足,可以避 免在回收制动反馈的能量时,电流过大造成的蓄电 池的热失控和发生安全事故。图33和图34为清华大 学利用Simulink建立的燃料电池+蓄电池多电源的电 力组合和燃料电池+蓄电池+超级电容器的多电源的 电力组合的仿真,在两种不同组合中,建立了燃料 电池和辅助电源的多电源的电力输出功率与电动机 输入功率比较的仿真计算模型。 FCEV的多电源电力总成的管理是一个多层次 的管理系统,综上所述,FCEV上的最高层次的管 理的是整车管理,整车管理策略是以整车性能、节 图31电动机在电动工况和在发电工况的转矩特性 图32电动机在电动工况和在发电工况的效率特性 图33 燃料电池+蓄电池多电源的电力组合 ●专题讲座● ●SpecicalLecture● 52 《汽车电器》2007年第3期 ●投资热点———建电解液、补充液厂 详见插3广告● 1.控制器 2.差速器 3.行星齿轮减速器 4.油泵 5.电动机 6.轴制动器 图37 带有行星齿轮减速器的同轴式一体化驱动系统 能、环保等方面管理为核心。以控制多电源电力的 匹配和电流的流向为基本方法。蓄电池、燃料电 池、DC/DC变换器、电动机和电动机的控制系统 等,属于第二层次的子管理系统。电力驱动的空调 系统、线控转向系统和线控制动系统等属于第三层 次的子管理系统。 5.5 FCEV的电动机驱动系统 现代电动车辆上的电动机驱动系统逐步向机电 一体化方向发展,在电动机驱动系统中装置减速器 或变速器,通过减速或变速来增大电动机的起动转 矩,机电一体化电动机驱动系统有以下各种形式。 5.5.1 平行式一体化驱动系统 平行式一体化驱动系统如图35所示。在电动机 的输出端的外壳下部,装置机械式的减速齿轮和差 速器齿轮,它们组成为一个整体,结构紧凑,安 装、使用和维修都十分方便。平行式一体化驱动系 统可以垂直布置也可以水平布置,适合于各种大型 电动车辆。 5.5.2 同轴式一体化驱动系统 同轴式一体化驱动系统的电动机是一种特殊的 有空心轴的电动机,在电动机的右端特制的外壳 中,安装由电动机驱动的减速器齿轮和差速器齿 轮。差速器带动左右两个半轴,其中右半轴是穿过 电动机的空心轴与右车轮相连接,左半轴穿过外壳 与左车轮相连接。图36为丰田汽车公司的RAV4- EV型电动汽车同轴式一体化驱动系统,电动机为 永磁同步电动机,电动机最大输出功率50kW,电动 机最大转速4600r/min,减速齿轮减速比为1∶9.45, 采用锥齿轮差速器。系统采用控制器进行控制,结 构紧凑,维修安装便利。 图37为带有行星齿轮减速器的同轴式一体化驱 动系统。在空心轴上电动机的右端特制的外壳中, 安装由电动机驱动的行星齿轮减速器齿轮和差速 器。差速器带动左右两个半轴,其中左半轴是穿过 电动机的空心轴与左车轮相连接,右半轴穿过外壳 与右车轮相连接。行星齿轮减速器比普通齿轮减速 器具有更大的减速比,运转更加平稳。 5.5.3 双联式一体化驱动系统 5.5.3.1 串联式一体化驱动系统 在电动大客车或载货汽车上,需要采用大功率 的驱动电动机,但大功率的驱动电动机的直径比较 粗,在车辆底盘上布置较困难,可以采用串联一体 化驱动系统。用2个电动机串联,其中前面的主驱 动电动机直接与传动系统连接,后面的辅助电动机 图34 燃料电池+蓄电池+超级电容器的多电源的电力组合 图35 平行式一体化驱动系统 1.电动机 2.电动机的空心轴 3.减速齿轮 4.差速器 5.左 半轴 6.外壳 7.右半轴 图36 RAV4-EV型电动汽车同轴式一体化驱动系统 ●SpecicalLecture● ●专题讲座● 53《汽车电器》2007年第3期●投资15000元可建年产千吨电解液厂 详见插3广告● ●投资小、成本低、利润高的致富项目 详见插3广告● (待续,本文分4期连载) (责任编辑 文 珍) 蓄电池的功率输出或输入 0 提供燃料电池起动时燃料电池辅助系 统所需的功率 提供除燃料电池最大功率以外的克服 静摩擦和加速所需要的辅助功率 0 将燃料电池 “富裕”的电能向蓄电池充电 提供燃料电池最大功率外的加速所需 要的辅助功率 提供燃料电池最大功率外的爬坡所需 要的辅助功率 接受反馈电能充电 由燃料电池发电向辅助电源充电 按设计的事故时车辆自行返程的里程 所需的功率 FCEV驱动模式 静止 燃料电池起动 起步加速 平坦道路巡航 平坦道路巡航-滑行 巡航加速 巡航爬坡 下坡滑行 停车充电 燃料电池发生事故 时车辆自行返程( 电动机的功率输出 0 0 起步超载功率Pm=Pr+(Pb+Pc) 额定功率范围内Pm=Pr 额定功率范围内Pm=Pr-(Pb'+Pc')(( 满载功率范围内Pm=Pr+(Pb+Pc) 满载功率范围内Pm=Pr+(Pb+Pc) 反馈功率Pm=-(Pb'+Pc') 0 最低功率输出 燃料电池的功率输出 0 由0达到怠速运转 在最大功率范围内输出 在高效率区功率范围内输出 在高效率区功率范围内输出 在最大功率范围内输出 在最大功率范围内输出 在怠速运转范围 在高效率区运行功率输出 0 与主驱动电动机之间用单向离合器连接。一般情况 下,用主驱动电动机驱动车辆行驶,在起动加速和 爬坡时,辅助电动机参加驱动,与主驱动电动机共 同带动驱动桥。三菱汽车公司 “自行发电”的串联 式电动机采用2个 交流感应电动机 串联,如图38所 示。每个电动机 额定输出功率40 kW,最大输出功 率80kW,用IGBT 逆变器和矢量控 制,采用强制水 冷却方式冷却。 5.5.3.2 并联式一体化驱动系统 在电动大客车或载货汽车上,还可以采用并联 一体化驱动系统。用2个电动机并联,其中一个主 驱动电动机,通过齿轮箱与传动系统一侧连接。辅 助电动机通过一个单向离合器与齿轮箱另一侧传动 系统连接,共同带动驱动桥。一般情况下,用主驱 动电动机驱动车辆行驶,起动加速和爬坡时,辅助 电动机参加驱动。 SOLECTRIA公司 的并联一体化驱动系 统,采用2个感应电动 机并联,如图39所示。 双电动机额定输出功率 140kW,最大输出功率 200kW,可用于总质量 为9000~15000kg的大 客车或载货汽车驱动。 5.5.4 电动轮驱动系统 (轮毂电机) 图40为KAZ电动汽车的电动轮驱动系统的轮毂 电机。在车轮的轮毂内,装置永磁电动机,采用双 边耦合的混合式磁路结构,使电动机兼有同步电 动机和异步电动机的双重特性。电动轮的额定功 率6.8kW,最大功率25kW,最大转矩25Nm,最大 转速1600r/min,质量35kg,采用空气冷却。配用 1∶5的减速器,在车辆直行或转向时,用中央控制器 对各个电动轮进行差速控制,控制电动轮按车辆行 驶的要求作等速转动或差速转动,可以组成4×2或 4×4的驱动方式。 2001年日本东京电力公司为KAZ电动汽车采 用了8个高性能内转子轮毂电机,峰值功率达到 55kW,配备一个传动比为1∶4.588的减速器,可使 车辆的0~100km/h的加速时间仅为8s。前轮采用盘 式制动器,后轮采用鼓式制动器。2003年丰田汽车 公司燃料电池概念车FINE-N也采用了相同的轮毂 电动机的驱动系统。 5.6 FCEV驱动模式及多电源系统电力的切换(表13) 图39 并联式电动机驱动系统 图38 串联式电动机驱动系统 图40 KAZ电动汽车采用的内转子轮毂电机 ●专题讲座● ●SpecicalLecture● 54 《汽车电器》2007年第3期 表13 FCEV驱动模式及多电源系统电力的切换 注:R对某些有特殊要求的FCEV(例如军用车辆等);RR (P'b+P'c)辅助电源充电功率。
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