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详解氢燃料电池增程式混合动力系统

时间:  2019-07-24 14:33  来源:  旺材氢燃料电池   作者:  网络转载

传统的氢燃料客车按动力系统混合方式分为: 纯氢燃料电池驱动(PFC)、与辅助动力电池联合驱动(FC+B)、与超级电容器联合驱动(FC+C)等。他们存在以下不足: PFC燃料电池功率大,成本高,对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出很高的要求,不能进行制动能量回收; FC+B由于动力电池的大量使用使得整车质量和成本增加,动力性和经济性受到影响,同时氢反应堆和制动回收能量使电池充电较少、较慢; FC+C由于超级电容器比能量低,能量存储有限,峰值功率持续较短。另外,在加氢站基础设施不完善的情况下,加氢较困难。为了解决上述不足,立项开发氢燃料电池增程式混合动力系统。

1 混合动力系统基本构成

氢燃料电池增程式混合动力系统是由燃料电池、动力电池、发动机和发电机等构成,如图1所示。该系统充分发挥FC+B和增程式混合动力的优点,在复杂工况最优状态下工作。在动力电池和氢燃料电池系统与总线都增加一个双向的DC/DC转换器,一方面使得动力电池的电压可以无需与总线电压保持一致,降低了动力电池的设计要求,同时更灵活方便地控制动力电池的充放电; 另一方面解决氢燃料电池输出电压与驱动电机的工作电压产生电压差的问题,既保证驱动电机始终工作在其最佳工作电压范围内,又保证氢燃料电池的输出电压不受干扰和限制。

2 工作原理和控制策略

2.1 工作原理

高压储氢系统中的氢气和空气中的氧气在氢燃料电池系统中发生氧化还原反应,产生的电能传输到驱动电机驱动车辆行驶,多余的电能流向动力电池储存起来; 当动力不足时,动力电池可以单独输出能量; 当氢燃料用完时,动力电池馈电则由外接充电口直接给予充电;当野外无加氢站、无充电桩时,发动机工作,利用发电机将发出的电量分别输送给电机或者动力电池,使得续航里程大大增加。

2.2 控制策略

车辆在运行过程中,综合考虑动力性、经济性和续驶里程三大控制目标,系统的控制策略如下:

1)氢燃料电池模式。此驱动模式在客车行驶过程中采用ON/OFF控制策略,使氢燃料电池系统始终工作在高效区。

2)动力电池模式。当客车起步和功率需求量不大时,氢燃料电池系统关闭,动力电池单独工作,驱动电机带动车辆行驶。此驱动模式采用功率跟随控制策略,保持动力电池始终工作在最佳输出功率范围 内,且动力电池的SOC荷电状态水平较高。

3)氢燃料电池和动力电池共同工作模式。当车辆启动、爬坡或者加速时,需求峰值功率较大,氢燃料电池系统不足以提供动力,动力电池可以提供峰值功率; 当氢燃料电池系统经预热达到启动温度后,根据 功率需求控制氢燃料电池系统是否开启,使氢燃料电池系统和动力电池尽可能得到最优控制。

4) 氢燃料电池系统充电模式。根据动力电池SOC值来判断氢燃料电池系统是否给其充电,当动力电池SOC小于设定值时,氢燃料电池系统同时为驱动电机和动力电池输出功率。

5) 充电模式。当附近没有加氢站而有充电桩(站) 时,靠充电桩(站) 的快充策略给动力电池充电,不耽误车辆的运营。

6) 发动机发电模式。当野外无加氢站、无充电桩,远距离行驶时,在动力电池电量不足、氢气使用完后,切换成发动机发电模式,使用串联式系统使发动机带动发电机发电,将发出的电量分别输送给驱动电 机或者动力电池。

7) 制动能量回收模式。车辆制动时,可根据当前的SOC对制动能量进行回收,驱动电机转换成发电机,给动力电池充电。

8) 加热打气管理模式。车辆在寒冷天气启动或者行驶时,动力电池加热和燃料电池堆加热不再采用 电加热策略,改用发动机水循环加热; 同时,发动机打气不仅节约电量和成本,而且能在加热时给动力电池充电。
 



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