燃料电池堆是燃料电池动力系统的最核心部件,它由多个燃料电池通过一定的方式结合起来形成的通过电化学反应产生直流电的燃料电池组组成。一个单独的燃料电池产生的电压低于1V,所以单电池要做成堆栈应用。 驱动电机及控制系统是燃料电池汽车的心脏,它的功能是使电能转变为机械能,并通过传统系统将能量传递到车轮驱动车辆行驶。其基本构成为电机和控制器,电机由控制器控制,是一个将电能转变为机械能的装置,控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能,所以控制器本质上是一个电能变换控制装置。
电机驱动是燃料电池汽车唯一的驱动模式。大型燃料电池汽车,如大客车,一般采用感应电机驱动;小型燃料电池汽车,如轿车,一般采用无刷直流电机驱动。
燃料电池汽车的整车控制系统和其他类型的新能源汽车是一样的,它负责对燃料电池系统、电机驱动系统、动力转向系统、再生制动系统和其他辅助系统进行监测和管理,也可以向智能化和数字化方向发展,包括神经网络、模糊运算和自适应控制等非线性智能控制技术都可以应用于燃料电池汽车的控制系统中。因此,燃料电池汽车一样可以发展无人驾驶或智能驾驶。
燃料电池汽车是以燃料电池为主要电源和以电机驱动为唯一的驱动模式的电动车辆,燃料电池汽车的基础结构多种多样,按照驱动方式可分为纯燃料电池驱动和混合驱动两种,区别主要在于是否加装了辅助电源。
目前,因受到燃料电池启动较慢和燃料电池不能用充电来储存电能的限制,多数燃料电池汽车都要增加辅助电源以加快燃料电池汽车的启动,同时储存燃料电池的多余电能和车辆制动反馈的再生能量。
因此一般的燃料电池汽车大多是混合驱动型车,其动力系统关键装备除了燃料电池,还包括DC/DC转换器、驱动电机及传动系统、辅助电源。
辅助电源及管理系统是混合型燃料电池汽车动力系统中的重要组成部分,在汽车启动、加速、爬坡等工况下,需要驱动功率大于燃料电池可以提供的功率时,释放存储的电能,从而降低燃料电池的峰值功率需求,使燃料电池工作在一个稳定的工况下,而在汽车怠速、低速或减速等工况下,燃料电池功率大于驱动功率时,存储动力系统富余的能量,或在再生制动时,吸收存储制动能量,从而提高整个动力系统的能量效率。
目前应用于混合型燃料电池汽车的辅助电源主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、超级电容器等。由于铅酸电池最便宜,目前辅助电源用得最多的还是铅酸电池主要采用EFB电池(增强型富液式铅酸电池)和AGM电池(玻璃纤维吸附蓄电池)
其供应商主要包括博世、法雷奥、德尔福和马自达等厂商。此外,镍氢电池由于其性价比优势,也是现在主流的燃料电池辅助电源之2009年奔驰公司发布了B级 F-CELL燃料电池汽车。该车动力系统最大输出功率为130马力(96kW),峰值转矩为290N·m,而且在启动时即可达到峰值转矩,最高车速可达170kmh,时速只比自然吸气式奔驰B200车型低26km。每千米二氧化碳排量为零。B级燃料电池汽车驱动系统的主要部件包括小型氢燃料电池、高效能的锂离子电池、三个700bar(70MPa)高压储氢罐以及一台位于前轴的紧凑而轻量化的驱动电机。该车内部结构如图1-4-1所示。
奥迪公司在2014洛杉矶车展上发布了奥迪A7 Sportback h-tron quattro氢燃料混合动力汽车,其最核心的部件是位于传统发动机舱的氢燃料电池,由300多个电池单元组成。氢气被输送到电池阳极后,被分解为质子和电子,质子到达阴极后与空气中的氧气反应变成水蒸气,同时电子提供电能,整个燃料电池的电压在230~360V之间。在燃料电池模式下,车辆仅需约1kg的液态氢就能行驶100km,产生的能量相当于3兀L汽油提供的能量,加满约5kg液态氢只需不到3min的时间。奥迪A7 Sportback h-tron氢燃料汽车内部结构及关键部件如图1-4-2~图1-4-5所示。
2014年11月,丰田公司发布了氢燃料电池汽车 Mirai,并于12月在日本上市销售。这是丰田第一款量产的燃料电池汽车, Mirai的内部有两个储氢罐,可以存储700个大气压(70MPa)的氢气,总重875kg。—个储氢罐布置在后备厢靠前的位置,另一个储氢罐布置在后排座椅下面,这两个储氢罐由三层材料包裹制成。后排座椅椅背后方有一蓄电池组,在车辆运行时作为燃料电池所产生的多余电力以及能量回收时的电力储存装置使用。在必要时,蓄电池可以同燃料电池同时向电机输出电力以增强车辆动力。Mirai的燃料电池布置在前排座椅下面,最大输出功率为155马力(114kW)。该车内部结构如图146所示。
