燃料电池与辅助动力电池和超级电容器联合驱动的燃料电池电动汽车动力系统如图16-4所示。在该动力系统结构中,燃料电池、动力电池和超级电容器起为驱动电机提供能量,驱动电机将电能转化成机械能传给减速机构,从而驱动汽车行驶。在汽车制动时,驱动电机变成发电机,动力电池和超级电容将储存回馈的能量。在燃料电池、动力电池和超级电容器联合供能时,燃料电池的能量输出较为平缓,随时间变化波动较小,而能量需求变化的低频部分由动力电池承担,能量需求变化的高频部分由超级电容器承担。在这种结构中,各动力源的分工更加明细,因此它们的优势也得到更好的发挥。
这种结构与燃料电池+动力电池的结构相比优点更加明显,尤其是在部件效率、动态特性、制动能量回馈等方面。缺点也一样更加明显,增加了超级电容器,整个系统的重量将可能增加;系统更加复杂化,系统控制和整体布置的难度也随之增大。
如果能够对系统进行很好的匹配和优化,这种结构带来的汽车良好的性能具有很大的吸引力。
在三种混合驱动中,FC+B+C组合被认为能够最大限度满足整车的启动、加速、制动的动力和效率需求,但成本最高,结构和控制也最为复杂。目前燃料电池电动汽车动力系统的一般结构是FC+B组合,这是因为它具有以下特点。
①燃料电池单独或与动力电池共同提供持续功率,而且在车辆启动、爬坡
和加速等峰值功率需求时,动力电池提供峰值功率。
②在车辆起步的时候和功率需求量不大的时候,动力电池可以单独输出能量。
③动力电池技术比较成熟,可以在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足。
目前,FC+B燃料电池电动汽车动力系统分为直接型和间接型两种结构形式。
(1)直接型燃料电池混合动力系统直接型燃料电池混合动力系统是指燃料电池与系统总线直接相连,如图16-5所示,在该系统中,由于燃料电池系统和动力电池均直接并入动力系统总线中,直接与电机控制器相连,结构简单易行。
此外,由于动力电池既可输出功率,改善燃料电池系统本身在汽车行驶过程中可能出现动力性较差的情况,又可在燃料电池功率输出过剩时将多余的功率储存在其内部,从而提高整车的能量利用率。
直接型燃料电池混合动力系统还有一种燃料电池系统直接连入主线、动力电池与双向DC/DC变换器相连后并入主线的结构形式,如图16-6所示。
这种结构形式的动力系统,由于在动力电池和总线之间增加了一个双向DC/DC变换器,使得动力电池的电压可以无需与总线上的电压保持一致,降低了动力电池的设计要求,从而可以在一定程度上提高动力电池的性能;另外,DC/DC变换器的引入,对于系统控制而言,可以更加方便灵活地控制动力电池的充放电,改善系统的可操作性。
总地来说,直接型燃料电池混合动力系统具有结构简单、易于实现等优点,然而存在一个不可避免的问题,那就是由于燃料电池与总线直接相连,总线电压即为燃料电池的输出电压。然而在汽车行驶时,驱动电机的工作电压会与燃料电池的输出电压产生一定的电压差,当燃料电池正常工作时,其输出电压为总线电压,此时若输出电压小于驱动电机的工作电压时,会导致驱动电机的输出功率降低,进而影响整车行驶的动力性能;与之相反,当驱动电机在其最大输出功率的电压下工作时,若驱动电机工作电压小于燃料电池输出电压,则会影响燃料电池系统的工作效率,降低整车的经济性能。
(2)间接型燃料电池混合动力系统此种动力系统的结构形式是燃料电池系统与DC/DC变换器连接后,动力电池与其一起并联入动力系统总线中,如图16-7所示。
间接型燃料电池混合动力系统在一定程度上解决了直接型燃料电池混合动力系统中存在的燃料电池输出电压与驱动电机工作电压之间矛盾的问题,既可保证驱动电机始终工作在其最佳工作电压范围内,又保证了燃料电池的输出电压不受干扰和限制,改善了系统的工作性能。
