氢电混合动力小车的设计研究

吕兵 徐义磊 王进虎 迟英姿 王源绍

摘 要：氢能可以从多种物质中获得，消除了人们对石油日渐枯竭的担心。燃料电池可以充分利用氢能源，大大提高其经济效益。基于这些优点，以氢能源动力为主的小车，在环境保护和能源危机的大背景下应运而生。主要介绍了使用燃料电池作为主要供电系统的小车的设计与研究。通过实验数据绘图分析评估，得出氢气压力与流量对供电系统的影响。

关键词：氢能源；燃料电池；供电系统

随着社会的发展、时代的进步，汽车已经走进了千家万户。与此同时，汽车的动力与能源问题也备受关注。不可再生资源日益减少，因此，必须使用新的能源来代替化石燃料[1]。此项目即部分使用氢能源驱动电动机作为动力系统的小车，其本身不排放污染大气的有害气体，有利于节约能源和减少污染气体的排放。

1 氢电混合动力小车的特点与设计方案

1.1 氢电混合动力小车的特点分析

氢电混合动力小车的供电系统主要由氢气瓶、减压阀、燃料电池、锂电池、电流控制模块及其他辅助电子设备组成[2]，其实物如图1所示。

1.2 氢电混合动力小车的设计方案

选择长400 mm、宽250 mm的铝板作为底板，选择合适的电机，将100 W燃料电池与氢气瓶、减压阀、流量计等与车身底板整合，将氢气瓶中的氢气以一定压力与流量通过气动管通入燃料电池中。待燃料电池激活、正常工作后，进行氢气的流量与压力对电流的影响实验，记录并分析实验数据，建立模型。设计方案如图2所示。

在氢气瓶中储存氢气，用气动管将氢气通入减压阀，减压阀可以控制从氢气瓶中流出的氢气的压力，减压后的氢气通过流量计输入燃料电池。流量计可以观测输入燃料电池的流量。通入氢气一段时间后，燃料电池激活，开始正常工作。

燃料电池通入氢气后不能马上开始工作，否则会缩短燃料电池的使用寿命，所以，在电路中并联了一个锂电池，当燃料电池未激活时，由锂电池为小车供电。既可以延长小车的续航时间，又可以保护燃料电池，因此，小车采用燃料电池和锂电池混合供电[3]。

2 实验研究与结果分析

为了验证氢气压力与流量对氢电混合供电系统的影响，本研究设计了4组实验。在燃料电池所允许通过的压力范围内，选择了0.045、0.050、0.055、0.060 MPa的不同氢气压力来进行实验。

2.1 不同氢气压力下油门百分比对电压的影响

通过实验可以看出不同氢气压力下油门百分比对电压的影响。燃料电池在不同氢气压力下的工作电压如图3所示，当燃料电池放电功率提升时，电压伴随功率升高而降低，当燃料电池满功率输出时，电压达到稳态。燃料电池输出电压受通入氢气压力影响，但通入氢气压力只会影响低功率工作状态下的电压，对燃料电池满功率输出并无影响。低功率工作状态下氢气压力越高，电压越高，但当氢气压力超过0.055 MPa时，低功率工作时电压较低。

2.2 不同氢气压力下油门百分比对电流的影响

通过实验可以看出不同氢气压力下油门百分比对电流的影响。燃料电池在不同氢气压力下的工作电流如图4所示。燃料电池在油门百分比升高时，电流值上升。在上升阶段，0.060 MPa氢气压力下的电流上升值最大，0.050 MPa氢气压力下的电流上升值次之，再次是0.055 MPa和0.045 MPa。在0.060 MPa氢气压力下，虽然前期上升较快，但不稳定，且燃料电池满功率输出时，电流没有达到最大值。反观0.050 MPa氢气压力下，电流的上升值最稳定，且燃料电池满功率输出时，电流达到最大值，在上升过程中也没有较为明显的突变过程。

2.3 不同氢气压力下油门百分比对功率的影响

通过实验可以看出不同氢气压力下油门百分比对功率的影响。燃料电池在不同氢气压力下的工作功率如图5所示。燃料电池在油门百分比升高时，功率值上升。在上升阶段，0.060 MPa氢气压力下的功率上升值最大，0.050 MPa氢气压力下的功率上升值次之，再次是0.055 MPa和0.045 MPa。在0.060 MPa氢气压力下，功率虽然前期上升较快，但不稳定，且没有达到燃料电池最大功率。反观0.050 MPa氢气压力下，功率的上升值最稳定，且达到了燃料电池的最大功率，在上升过程中也没有较为明显的突变过程。由此可以推断出燃料电池在氢气压力为0.050 MPa左右时，燃料电池可以输出其最大功率。

2.4 燃料电池最大功率下电压与流量之间的关系

由以上3组实验数据图可以得出，0.050 MPa氢气壓力下的燃料电池的电流和功率较为稳定。因此，对0.050 MPa氢气压力下燃料电池的电压和流量进行了分析。在分析流量对电压的影响时，使用流量计测量通入氢气的流量，并联合燃料电池电压进行分析（见图6）。从图6中明显看出当燃料电池电压突降时，通入氢气的流量激增，当流量趋于正常时，电压缓慢上升至降压前的值后继续降低。导致这一现象的主要原因是燃料电池的泄压。燃料电池工作状态下内部氢气有一定压强，当泄压阀打开时内部压强降低，导致通入的流量激增，当泄压阀关闭时，燃料电池内部氢气压力缓慢提升到未泄压之前，燃料电池继续正常工作。由此发生了流量的突变过程，导致燃料电池电压发生了突变。燃料电池在一定周期内泄压阀会开启一次，所以，燃料电池的流量突变是不可避免的。

2.5 燃料電池的工作特性

通过以上实验数据的分析，可以得出燃料电池的工作特性曲线（见图7）。低功率工作状态下氢气压力越高，电压越高，但当氢气压力超过0.055 MPa，低功率工作时电压较低。氢气压力在0.050 MPa左右时，功率可达到最大。燃料电池的电流与功率呈递增趋势，电压呈递减趋势，最后电压和电流趋于相等。随着燃料电池电流的升高，电压不断降低，功率不断上升。当电流与电压趋于相等时，燃料电池的功率达到最大。可见，只要维持氢气的稳定输入，燃料电池便能以最大功率稳定输出。

3 结语

根据以上实验数据评估以及可行性分析，得出以下结论：

（1）锂电池在工作情况下，功率随时间的延长逐渐下降，但下降幅度较小，可以比较稳定地维持负载运行。因锂电池的容量固定且充电时间过长，限制了小车的续航。

（2）在氢气流量稳定的情况下，燃料电池输出稳定。因为燃料电池通过化学反应产生电能，不会有容量固定的问题，理论上只要氢气供应充足，燃料电池可以一直产生电能。小车带有氢气瓶，虽容量有限，但是相比于锂电池，往氢气瓶充气的速度非常快，效率很高，所以，燃料电池一定会在未来快速发展。

（3）氢电混合动力供电系统是锂电池与燃料电池并联混合供电的。其具有单一电池的优点，弥补了单一电池的不足，弱化了单一电池的缺点。可以有效解决单一电池的容量问题、充电问题，可以有效缓解小车续航能力不足问题。

[参考文献]

[1] 秦志勇.新能源产业发展问题浅析[J].经济研究导刊，2012（3）：220-221.

[2] 李国洪.混合动力汽车控制策略与动力电池系统的研究[D].天津：天津大学，2005.

[3] 谢星，周苏，王廷宏，等.基于Cruise/Simulink的车用燃料电池/蓄电池混合动力的能量管理策略仿真[J].汽车工程，2010（5）：374-378.

Design and research of hydrogen-electric hybrid vehicle

Lyu Bing， Xu Yilei， Wang Jinhu， Chi Yingzi， Wang Yuanshao

（School of Automotive Engineering， Nanjing Tech University Pujiang Institute， Nanjing 211100， China）

Abstract：Hydrogen energy can be obtained from a variety of substances， eliminating fears that oil is drying up. Fuel cells can make full use of hydrogen energy and greatly improve their economic benefits. Based on these advantages， the vehicle， which is mainly powered by hydrogen energy， came into being under the background of environment alprotection and energy crisis. This paper mainly introduces the design and research of the vehicle using fuel cell as the main power supply system. The influence of hydrogen pressure and flow rate on the power supply system is obtained through plotting， analyzing and evaluating experimental data.

Key words：hydrogen energy； fuel cells； power supply system