电动自行车用氢燃料电池动力系统研究

王顺权

（无锡市产品质量监督检验院，江苏无锡 214101）

0 引言

电动自行车已经成为我国普通市民最主要的出行方式之一，具有经济环保、高效方便、价格便宜、操作简单等优点［1］。但是目前电动自行车普遍采用铅酸电池或者锂离子电池作为动力源，续航里程在40～60 km，充电慢，充电过程也有好多安全隐患。燃料电池是近年来出现的绿色动力能源，已经在汽车等交通工具领域受到极大重视并已经开始商业化应用［2］。对于电动自行车而言，采用燃料电池作为动力源，是一个新的研究方向。燃料电池的特性能够确保电动自行车续航里程不低于现有方案，同时加氢只需要4～6分钟，使用便利性大幅提高。但是燃料电池的动态响应能力弱，过载能力差，如果仅仅由燃料电池来驱动车辆，对于整车的加速性能和爬坡性能有较大的影响。本研究旨在通过将燃料电池技术与一种具备瞬态大电流发电能力的储能设备连接，使得燃料电池动力系统在具备长航时、快速充装特性的同时，具备较好的爬坡与加速性能。文章提供了一种电动自行车用氢燃料电池动力控制方法、电动自行车用氢燃料电池动力控制装置及包括该电动自行车用氢燃料电池动力控制装置的电动自行车用氢燃料电池动力系统，解决相关技术中存在的燃料电池的动态响应能力弱过载能力差的问题。

1 技术路线

为了达到上述目的，将适合于长时间稳定输出的氢燃料电池与适合于短时大电流放电的动力型锂电池并联，搭建一种“电电”互混的电动自行车用氢燃料电池动力系统。系统包括燃料电池、锂电池、DC/DC转换器、储氢罐、电机和主控单元等，如图1所示。图中，储氢罐用于存储燃料电池发电所需的氢气，燃料电池将氢气和空气中的氧气在合适温度和催化剂的作用下反应产生电力，锂电池是一种具备瞬间大电流放电能力的储能装置，作为启动电源和弥补系统峰值功率的电源，DC/DC转换器主要用来控制燃料电池和锂电池的输出，主控单元是系统的“大脑”，通过电压传感器、电流传感器、压力传感器、温度传感器等传感器获知储氢瓶、燃料电池、锂电池、DC/DC转换器、电动自行车电机的状态，通过能量管理算法对整个系统进行控制和保护。

图1 电动自行车用氢燃料电池动力系统架构

如图1所示，燃料电池通过DC/DC转换器和锂电池并联输出到电机负载。正常工作的时候，燃料电池与锂电池可以同时对外输出，也可以由燃料电池独立输出。当锂电池电量较低，且燃料电池功率有富余时，燃料电池可以通过DC/DC转换器为锂电池进行充电。当遇到瞬间大电流放电需求时，锂离子电池可以短时间输出大电流来满足负载需求。系统中包含的主要模块如下，判断模块，用于在系统电源开启后判断锂电池的工作状态是否正常；第一控制模块，用于在锂电池的工作状态正常时控制锂电池与电动自行车的驱动电机连通，且判断是否满足氢燃料电池的开启条件；连通模块，用于在满足氢燃料电池的开启条件时将储氢瓶与氢燃料电池连通；第二控制模块，用于获取锂电池的荷电状态并根据锂电池的荷电状态控制氢燃料电池的输出功率。

在上述系统中，需要使用传感器来取得相应模块的实际工作状态。锂电池电流传感器分别与锂电池以及电动自行车用氢燃料电池动力控制装置连接，用于采集锂电池的输出电流，并将采集到的输出电流反馈至电动自行车用氢燃料电池动力控制装置；储氢瓶压力传感器设置在储氢瓶的出气口，且与电动自行车用氢燃料电池动力控制装置连接，用于采集储氢瓶的压力，并将采集到的储氢瓶的压力反馈至电动自行车用氢燃料电池动力控制装置；氢气低压传感器设置在氢燃料电池的进气口处，用于采集储氢瓶输出的氢气的低压压力，并将采集到的储氢瓶输出的氢气的低压压力反馈至电动自行车用氢燃料电池动力控制装置；电流传感器设置在氢燃料电池的输出端，用于采集氢燃料电池的输出电流，并将采集到的氢燃料电池的输出电流反馈至电动自行车用氢燃料电池动力控制装置。

2 工作流程

按照上述架构图，设计电动自行车用燃料电池系统电气原理图，如图2所示。

系统具体工作流程：（1）系统上电：钥匙吸合，主控单元检测锂电池状态。如果锂电池状态正常，则吸合锂电池对外接触器，允许锂电池对外输出；如果锂电池状态不正常，则将报警信息通过液晶显示模块显示。（2）燃料电池开机：锂电池正常的情况下，主控单元检测储氢瓶压力，如果压力正常，则打开氢气进气阀。主控单元检测氢气低压压力以及燃料电池开路电压是否正常，氢气低压压力许可范围为0.3 bar～0.6 bar，燃料电池开路电压需要高于30 V。如果氢气低压压力和开路电压正常，则燃料电池开机正常，如果氢气低压压力或者开路电压不正常，则关闭氢气进气阀，并将故障信息上报液晶显示模块。（3）能量管理：燃料电池开机正常时，主控单元根据锂电池SOC状态，通过DC/DC转换器控制燃料电池输出功率至额定200 W；当锂电池电压达到50.7 V时，燃料电池进入休眠待机模式，关闭进气阀；当锂电池电压降低至46.8 V时，燃料电池自动唤醒，重复2燃料电池开机步骤。（4）系统关机：关掉钥匙，锂电池接触器断开，燃料电池进入关机模式。燃料电池进入关机模式时，关闭进气阀，打开排气阀，将燃料电池内的氢气排空，之后关闭排气阀，燃料电池关机完成，系统自动掉电。

图2 电动自行车用氢燃料电池动力系统电气原理

在关掉氢燃料电池前，对氢燃料电池内的氢气进行排放时，可以通过控制进气电磁阀关闭以及控制排氢电磁阀打开实现对氢燃料电池内的氢气的排空。另外，在需要断开储氢瓶与氢燃料电池的连通时，可以通过关闭氢瓶阀以及关闭进气电磁阀来实现。需要说明，报警信息可以通过液晶屏进行显示，因此，可以通过电动自行车用氢燃料电池动力控制装置控制液晶屏的显示。另外，电动自行车用氢燃料电池动力控制可以通过485通讯端口与DC-DC电源模块以及液晶屏进行信号传输。上述氢燃料电池动力控制装置可以采用单片机实现。

该燃料电池电动自行车在综合路况行驶时，主要包含如下3种工作模式。第一种工作模式：当燃料电池电压高于锂电池电压时，燃料电池可以在为电机供电的同时为锂电池充电，当锂电池充满后，充电回路可以根据需要打开或者切断。第二种工作模式：当燃料电池与锂电池电压相当时，两者同时为电机供电。第三种工作模式：当燃料电池电压低于锂电池时，由锂电池为电机供电，同时DC/DC转换器由于具有隔离功能，所以锂电池的电压不会反馈到燃料电池上。一般车辆在正常行驶的时候，整个动力系统一般处于第一种工作模式，即由燃料电池主要供电。当车辆在爬坡或者加速时，整个动力系统一般处于第二或第三种工作模式。当系统处于急加速状态时，整个动力系统一般处于第三种工作模式。系统主要技术参数如表1所示。

3 结语

相比于传统的铅酸蓄电池和锂电池方案，采用氢燃料电池作为电动自行车的动力源，具备充装简便，续驶里程长的优点。同时，采用“电电”互混技术将两种电源并联组合使用，使得该电动自行车燃料电池系统能够以较小的功率保证车辆的正常行驶，同时具备良好的功率动态响应能力和瞬间过载能力，满足了电动自行车加速和爬坡等短时大电流过载输出的需求。

表1 主要技术参数