燃料电池电动汽车技术详解(一)

◆文/山东 焦建刚

燃料电池电动汽车技术详解(一)

◆文/山东 焦建刚

焦建刚

(本刊编委会委员)

现任济南鲁鹰丰田汽车销售服务有限公司总工程师，山东交通学院客座教授；曾任博世山东培训基地主任。对当代汽车故障诊断以及电子控制系统波形有较深入的研究，著有《现代汽车电子控制系统波形分析》一书。

一、燃料电池电动汽车类型

燃料电池电动汽车(FCEV)按燃料特点可分为直接燃料电池电动汽车和重整燃料电池电动汽车(图1燃料电池电动汽车分类)。

图1 燃料电池电动汽车分类

直接燃料电池电动汽车的燃料主要是氢气；重整燃料电池电动汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等。氢燃料电池电动汽车排放无污染，被认为是最理想的汽车。

FCEV按氢燃料的存储方式可分为压缩氢燃料电池电动汽车、液氢燃料电池电动汽车和合金(碳纳米管)吸附氢燃料电池电动汽车。

FCEV按“多电源”的配置不同，可分为纯燃料电池驱动(PFC)的FCEV、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动(FC+B)的FCEV、燃料电池与超级电容联合驱动(FC+C)的FCEV以及燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动(FC+B+C)的FCEV。其中，采用燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的FCEV(图2)使用较为广泛。

二、燃料电池电动汽车基本组成与原理

燃料电池电动汽车主要由燃料电池、高压储氢罐、辅助动力源、DC/DC转换器、驱动电机和整车控制器等组成。

矿体与顶底板围岩界线清楚[13]，产状与围岩一致。矿石具明显的条纹、条带状构造显示出受变质的沉积岩的特征。

图2 燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的FCEV

图3 所示为丰田Mirai(未来)氢燃料电动汽车，其组成包括燃料电池、储氢罐、储能电池、升压转换器、电动机、动力控制单元等。

图3 丰田氢燃料汽车结构及部件图

1.燃料电池

燃料电池是燃料电池汽车的主要动力源，它是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。

如图4所示，丰田Mirai的燃料电池内部有370枚燃料电池原件存储，燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在0.6～0.8V之间。表1为丰田两代燃料电池参数对比。

燃料电池发电的基本原理是：电池的阳极(燃料极)输入氢气(燃料)，氢分子(H2)在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子(H+)和电子(e-)，氢离子(H+)穿过燃料电池的电解质层向阴极(氧化极)方向运动，电子(e-)因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极；在电池阴极输入氧气，氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子(O)，与通过外部电路流向阴极的电子(e-)和燃料穿过电解质的氢离子(H+)结合生成稳定结构的水(H2O)，完成电化学反应，放出热量。这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的，只要阳极不断输入氢气，阴极不断输入氧气，电化学反应就会连续不断地进行下去，电子(e-)就会不断通过外部电路流动形成电流，从而连续不断地向汽车提供电力。

图4 丰田Mirai燃料电池图

表1 丰田两代燃料电池堆参数对比

催化剂是一种化学物质，可以提高反应速度且不被消耗；在反应之后，它可以从反应混合物中恢复，化学性质不变。催化剂可以降低活化能所需能量，允许更快地或在较低的温度进行反应。在燃料电池中催化剂催进氧化剂和燃料的反应。燃料电池中的催化剂通常是由薄铂粉涂到碳纸或布上，催化剂是粗糙和多孔状，因此铂的最大表面面积可以接触到氢或氧。催化剂的铂镀在面朝在燃料电池中的膜上。

燃料电池反应堆是一个化学“发电厂”，利用电解水的逆反应过程从氢气和氧气化学反应过程中电荷转移得到电能(图5燃料电池工作原理图)。

负极：H2→ 2H+ + 2e-

正极：½O2+ 2H+ + 2e- → H2O

图5 燃料电池工作原理图

2.储氢罐

储氢罐是气态氢的储存装置，用于给燃料电池提供氢气。为了保证燃料电池电动汽车一次充气有足够的续驶里程，就需要多个高压储气罐来储存气态氢气。一般轿车需要2～4个高压储气罐，大客车需要5～10个高压储气罐。

图6为丰田Mirai氢燃料电动汽车的储气罐图，其由两个储气罐组成，容积分别为60L和62.4L，最大可以储存5kg氢燃料，储气压力可达70MPa。罐体采用碳纤维加凯夫拉复合材质，其强度可以抵挡轻型枪械的攻击。加满两个储气罐大约需要3～5min。

图6 储氢罐

3.辅助动力源

因FCEV的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同，可以用蓄电池组、飞轮储能器或超大容量电容器等共同组成双电源系统。

丰田Mirai的辅助动力源采用的是镍锰蓄电池，如图7所示。

图7 镍锰蓄电池

4.DC/DC转换器

FCEV的燃料电池需要装置单向DC/DC转换器，蓄电池和超级电容器需要装置双向DC/DC转换器。DC/DC转换器的主要功能有调节燃料电池的输出电压，能够升压到650V；调节整车能量分配；稳定整车直流母线电压。

丰田燃料电池电动汽车采用的DC/DC升压器可以将燃料电池产生的222～296V之间的电压升压到650V，以便更好的驱动电机(图8为丰田燃料电池升压器示意图)。

图8 丰田燃料电池升压器

5.驱动电机

燃料电池电动汽车使用的驱动电机主要有直流电机、交流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。

丰田Mirai作为一款氢燃料电池车，前后轴各配备了一台最大输出功率114kW，最大扭矩335Nm的电动机(图9丰田氢燃料电池电动汽车驱动电机)。

图9 丰田氢燃料电池电动汽车驱动电机

6.整车控制器

整车控制系统是燃料电池汽车的控制核心，由燃料电池管理系统、电池管理系统、驱动电机控制器等组成，它一方面接收来自驾驶员的需求信息(如点火开关、加速踏板、制动踏板、挡位位置信号等)实现整车工况控制；另一方面基于反馈的实际工况(车速、制动、电机转速等)以及动力系统的状况(燃料电池及动力蓄电池的电压、电流等)，根据预先设定好的多能源控制策略进行能量分配调节控制(图10为丰田Mirai燃料电池电动汽车工作原理)。

图10 丰田Mirai工作原理

(未完待续)