引言

國(guó)際能源界預(yù)測(cè)，本世紀(jì)氫能將得到廣泛的應(yīng)用，而燃料電池將成為利用氫能的重要途徑。燃料電池是繼水力、火力、核能之后的第四代發(fā)電裝置，它是可以替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。燃料電池具有安全、高效、無(wú)污染、適用廣、無(wú)噪聲等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界能源領(lǐng)域的開發(fā)熱點(diǎn)。

1    基本原理

普通電池是將電池內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，而燃料電池是將電池外部的燃料（氫和氧）通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，將其釋放的能量轉(zhuǎn)變成電能輸出。燃料電池外部的燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)是一個(gè)活動(dòng)裝置，可以方便地更換和補(bǔ)充燃料。

燃料電池的基本原理是水的電解的逆反應(yīng)。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)組成。工作時(shí)向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣），在電極上常使用催化劑（例如白金）來(lái)加速電化學(xué)反應(yīng)。氫在負(fù)極分解成正離子H＋和電子e。氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。

2    燃料電池的種類及其特點(diǎn)

2.1    質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells—PEMFC）

該電池的電解質(zhì)為離子交換膜，薄膜的表面涂有可以加速反應(yīng)的催化劑（如白金），其兩側(cè)分別供應(yīng)氫氣及氧氣。由于PEM燃料電池的唯一液體是水，因此腐蝕問題很小，且操作溫度介于80℃～100℃之間，安全上的顧慮較低；其缺點(diǎn)是，作為催化劑的白金價(jià)格昂貴。PEMFC是輕型汽車和家庭應(yīng)用的理想電力能源，它可以替代充電電池。

2.2    堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cells—AFC）

堿性燃料電池的設(shè)計(jì)與質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計(jì)基本相似，但其電解質(zhì)為穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。操作時(shí)所需溫度并不高，轉(zhuǎn)換效率好，可使用的催化劑種類多且價(jià)格便宜，例如銀、鎳等。但是，在最近各國(guó)燃料電池開發(fā)中，卻無(wú)法成為主要開發(fā)對(duì)象，其原因在于電解質(zhì)必須是液態(tài)，燃料也必須是高純度的氫才可以。目前，這種電池對(duì)于商業(yè)化應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴，其主要為空間研究服務(wù)，包括為航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。

2.3    磷酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cells—PAFC）

因其使用的電解質(zhì)為100％濃度的磷酸而得名。操作溫度大約在150℃～220℃之間，因溫度高所以廢熱可回收再利用。其催化劑為白金，因此，同樣面臨白金價(jià)格昂貴的問題。到目前為止，該燃料電池大都使用在大型發(fā)電機(jī)組上，而且已商業(yè)化生產(chǎn)，但是，成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。

2.4    熔融碳酸鹽燃料電池（（Molten Carbonate Fuel Cells—MCFC）

其電解質(zhì)為碳酸鋰或碳酸鉀等堿性碳酸鹽。在電極方面，無(wú)論是燃料電極還是空氣電極，都使用具有透氣性的多孔質(zhì)鎳。操作溫度約為600℃～700℃，因溫度相當(dāng)高，致使在常溫下呈現(xiàn)白色固體狀的碳酸鹽熔解為透明液體。此型燃料電池，不需要貴金屬當(dāng)催化劑。因?yàn)椴僮鳒囟雀?，廢熱可回收再利用，其發(fā)電效率高達(dá)75％～80％，適用于中央集中型發(fā)電廠，目前在日本和意大利已有應(yīng)用。

2.5    固態(tài)氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells—SOFC）

其電解質(zhì)為氧化鋯，因含有少量的氧化鈣與氧化釔，穩(wěn)定度較高，不需要催化劑。一般而言，此種燃料電池操作溫度約為1000℃，廢熱可回收再利用。固態(tài)氧化物燃料電池對(duì)目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比熔融碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。其效率約為60％左右，可供工業(yè)界用來(lái)發(fā)電和取暖，同時(shí)也具有為車輛提供備用動(dòng)力的潛力。缺點(diǎn)是構(gòu)建該型電池的耐高溫材料價(jià)格昂貴。

2.6    直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cells—DMFC）

直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇在陽(yáng)極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，然后如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫再與氧反應(yīng)。這種電池的工作溫度為120℃，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約在40％左右。其使用的技術(shù)仍處于研發(fā)階段，但已成功地顯示出可以用作移動(dòng)電話和筆記本電腦的電源。其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。

2.7   再生型燃料電池（Regenerative Fuel Cells—RFC）

再生型燃料電池的概念相對(duì)較新，但全球已有許多研究小組正在從事這方面的工作。這種電池構(gòu)建了一個(gè)封閉的系統(tǒng)，不需要外部生成氫，而是將燃料電池中生成的水送回到以太陽(yáng)能為動(dòng)力的電解池中分解成氫和氧，然后將其送回到燃料電池。目前，這種電池的商業(yè)化開發(fā)仍有許多問題尚待解決，例如成本，太陽(yáng)能利用的穩(wěn)定性等。美國(guó)航空航天局（NASA）正在致力于這種電池的研究。

2.8    鋅空燃料電池（Zinc－air Fuel Cells—ZAFC）

利用鋅和空氣在電解質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。鋅空燃料電池的最大好處是能量高。與其他燃料電池相比，同樣的重量，鋅空電池可以運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。另外，地球上豐富的鋅資源使鋅空電池的原材料很便宜。它可用于電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子和軍事領(lǐng)域，前景廣闊。目前Metallic Power和Power Zinc公司正在致力于鋅空燃料電池的研究和商業(yè)化。

2.9    質(zhì)子陶瓷燃料電池（Protonic Ceramic Fuel Cells—PCFC）

這種新型燃料電池的機(jī)理是：在高溫下陶瓷電解材料具有很高的質(zhì)子導(dǎo)電率。Protonetics International Inc.正在致力于這種電池的研究。

3    燃料電池的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀

燃料電池技術(shù)在全球的開發(fā)極為活躍。全世界約有20多個(gè)國(guó)家的上千家公司和機(jī)構(gòu)投入巨額資金從事燃料電池的研究和商業(yè)化工作。目前，已有2500多個(gè)燃料電池系統(tǒng)安裝在世界各地，為醫(yī)院、托兒所、賓館、辦公樓、學(xué)校、機(jī)場(chǎng)和電廠等提供基本的和備用的電力供應(yīng)。

美國(guó)是研究燃料電池最早的國(guó)家，處于該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。早在上世紀(jì)60年代初，NASA為解決航天飛機(jī)中普通電池過(guò)重的問題而開始研究新的動(dòng)力裝置。之后的幾十年中，能源部（DOE）、電力研究所（EPRI）和氣體研究協(xié)會(huì)（GRI）等部門都投入了大量的人力和財(cái)力進(jìn)行研發(fā)。目前，堿性電池長(zhǎng)期被NASA采用；磷酸型電池技術(shù)也相當(dāng)成熟，已有廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。2MW的熔融碳酸鹽電池已投入運(yùn)行，西屋（Westinghouse）公司100kW固體氧化物電池也已在荷蘭安裝。

日本在30多年前就開始燃料電池的研究，近年來(lái)成果尤為顯著。開發(fā)重點(diǎn)集中在磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型3大類。容量達(dá)11MW的磷酸鹽發(fā)電裝置也已在東京電力公司投運(yùn)，效率達(dá)43.6％，熔融碳酸鹽型已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)的有2MW級(jí)裝置。另外還建立了許多賓館、醫(yī)院用的100kW級(jí)的磷酸型現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電電池系統(tǒng)。

歐洲各國(guó)燃料電池開發(fā)較美國(guó)、日本為晚。早年主要興趣在堿性電池，隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越特性逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，歐洲各國(guó)也加快了燃料電池技術(shù)的引進(jìn)開發(fā)。荷蘭、意大利、德國(guó)、西班牙等國(guó)分別完成10kW、100kW、280kW級(jí)碳酸鹽型電池的開發(fā)，德國(guó)和瑞士分別進(jìn)行了7kW和10kW級(jí)固體氧化物電池的開發(fā)；意大利于1991年投運(yùn)了美國(guó)造的1MW級(jí)磷酸型電池裝置。

由于石油短缺和汽車尾氣污染等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，目前燃料電池研發(fā)生產(chǎn)的一個(gè)重要方向是能夠給汽車提供動(dòng)力。幾乎所有大的汽車制造商都在研發(fā)使用燃料電池的電動(dòng)汽車，并已有示范車型。目前，豐田和本田公司已經(jīng)在日本和美國(guó)開展電動(dòng)汽車的租車業(yè)務(wù)。現(xiàn)在已有一些使用充電電池的電動(dòng)汽車，但使用燃料電池的電動(dòng)汽車市場(chǎng)仍處于培育階段。專家們預(yù)測(cè)到2010年前后才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。應(yīng)用于便攜式設(shè)備（手機(jī)、筆記本電腦、掌上電腦等）的微型燃料電池的研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)也在激烈地進(jìn)行。

我國(guó)燃料電池的研制開發(fā)起步并不晚，然而發(fā)展緩慢。上世紀(jì)70年代，為配合航天事業(yè)的發(fā)展我們?cè)趬A性燃料電池領(lǐng)域取得了一些進(jìn)步，但到上世紀(jì)80年代由于資金原因研發(fā)放慢了，直至上世紀(jì)90年代末才又開始新一輪的研發(fā)及商業(yè)化嘗試。

在國(guó)內(nèi)燃料電池研發(fā)工作中具有代表性的大連化學(xué)物理研究所，已經(jīng)從事燃料電池的研究近50年，早年曾成功研制了500W的堿性型燃料電池，近年來(lái)致力于質(zhì)子膜、熔融碳酸鹽和固體氧化物型電池的研究。該所在2001年至2003年間，將30kW的質(zhì)子膜電池組用在小型汽車和大型公共汽車上示范成功，并成立了新源動(dòng)力公司，開始了產(chǎn)品的商業(yè)化進(jìn)程。2003年春，該所與清華大學(xué)合作將75kW的質(zhì)子膜電堆應(yīng)用在公共汽車上。在直接甲醇燃料電池方面，大連化物所、韓國(guó)三星公司、南孚電池公司建立了合作實(shí)驗(yàn)室。目前，中國(guó)科技大學(xué)無(wú)機(jī)膜研究所已成功研制了新型中溫固體氧化物燃料電池。

由于燃料電池的成本居高不下，目前仍處于研發(fā)和示范應(yīng)用階段，但它在能源貯備、供應(yīng)方面的安全、可靠、高效率、無(wú)污染等特性和廣闊的應(yīng)用前景，使得全世界都在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行著研發(fā)競(jìng)賽。

燃料電池領(lǐng)域的研發(fā)是一個(gè)很大的系統(tǒng)工程，涉及材料、元件、研發(fā)、制造、集成應(yīng)用、分銷和終端用戶等各個(gè)方面，因此"官、產(chǎn)、研"結(jié)合是該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)顯著特征，也是必由之路。我們也充分意識(shí)到燃料電池，這個(gè)屬于能源基礎(chǔ)行業(yè)中的高新技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化的難度。這個(gè)過(guò)程將經(jīng)歷3個(gè)階段：注重技術(shù)水平的成果階段；注重實(shí)用化的產(chǎn)品階段；注重銷售價(jià)格/生產(chǎn)成本的商品階段。

燃料電池汽車是電動(dòng)汽車的一種。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可使車輛在路上行駛，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料電池車輛是無(wú)污染汽車。隨著對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求，汽車動(dòng)力系統(tǒng)將從現(xiàn)在以汽油等化石燃料為主慢慢過(guò)渡到混合動(dòng)力，最終將完全由清潔的燃料電池車替代。

近幾年來(lái)，燃料電池系統(tǒng)和燃料電池汽車技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。世界著名汽車制造廠，如豐田、本田、通用、戴姆勒-克萊斯勒、日產(chǎn)和福特汽車公司已經(jīng)開發(fā)了幾代燃料電池汽車,并宣布了各種將燃料電池汽車投向市場(chǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)。目前，燃料電池轎車的樣車正在進(jìn)行試驗(yàn)，以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn)輸大客車在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項(xiàng)目。其中本田的FCX Clarity最高時(shí)速達(dá)到了160 km/h[8];豐田燃料電池汽車FCHV-adv已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行了360,000 km的路試，能夠在零下37度啟動(dòng)，一次加氫能夠從大阪行駛到東京（560公里）。在我國(guó)科技部的支持下，燃料電池汽車技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2007年，我國(guó)第四代燃料電池轎車研制成功，該車最高時(shí)速達(dá)150 km/h,最大續(xù)駛里程319 km。2008年，20燃料電池示范汽車又在北京奧運(yùn)進(jìn)行了示范運(yùn)行。2010年，包括上汽、奇瑞等國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)共有196輛燃料電池汽車在上海世博園區(qū)進(jìn)行示范運(yùn)行。

在開發(fā)燃料電池汽車中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn)，如燃料電池組的一體化，提高商業(yè)化電動(dòng)汽車燃料處理器和輔助部汽車制造廠都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力，并已取得了顯著的進(jìn)步。但與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)轎車相比，燃料電池電動(dòng)汽車采用“燃料電池+電動(dòng)機(jī)”來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)車的“心臟”-發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)。燃料電池轎車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生較大的變化，主要表現(xiàn)在：電動(dòng)機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)成為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源；離合器與扭轉(zhuǎn)減振器被省略；多擋變速器通常被替換為減速器。因此，燃料電池汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總體得到簡(jiǎn)化。但在行駛時(shí)，燃料電池是主要的動(dòng)力來(lái)源，蓄電池為輔助能量來(lái)源。汽車需要的功率主要由燃料電池提供。可以說(shuō)，車用燃料電池的選取，對(duì)于燃料電池汽車的性能至關(guān)重要。

本文介紹了燃料電池汽車動(dòng)力傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況，圍繞燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開展了詳細(xì)論述。

2　動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)架設(shè)計(jì)

燃料電池汽車的運(yùn)行并不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)情況，頻繁的啟動(dòng)、加速和爬坡使得汽車動(dòng)態(tài)工況非常復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，在啟動(dòng)、急加速或爬陡坡時(shí)燃料電池的輸出特性無(wú)法滿足車輛的行駛要求。在實(shí)際燃料電池汽車上，常常需要使用燃料電池混合電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)方法，即引入輔助能源裝置（蓄電池、超級(jí)電容器或蓄電池十超級(jí)電容器）通過(guò)電力電子裝置與燃料電池并網(wǎng)，用來(lái)提供峰值功率以補(bǔ)充車輛在加速或爬坡時(shí)燃料電池輸出功率能力的不足。另一方面，在汽車怠速、低速或減速等工況下，燃料電池的功率大于驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，存儲(chǔ)富余的能量，或在回饋制動(dòng)時(shí)，吸收存儲(chǔ)制動(dòng)能量，從而提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率。

2.1　直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)式結(jié)構(gòu)中采用的電力電子裝置只有電機(jī)控制器，燃料電池和輔助動(dòng)力裝置都直接并接在電機(jī)控制器的入口。如豐田的FCHV-4, FIAT-Elettra和日產(chǎn)X-TrailFCV等都采用這種類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。輔助動(dòng)力裝置擴(kuò)充了動(dòng)力系統(tǒng)總的能量容量，增加了車輛一次加氫后的續(xù)駛里程；擴(kuò)大了系統(tǒng)的功率范圍，減輕了燃料電池承擔(dān)的功率負(fù)荷。許多插電混合的燃料電池汽車也經(jīng)常采用這樣的構(gòu)架，美國(guó)Ford公司Edge Plug-in燃料電池轎車和GM公司Volt Plug-in燃料電池車。這種插電式混合動(dòng)力汽車將有效的減少氫燃料的消耗。另外，輔助動(dòng)力裝置的存在使得系統(tǒng)具備了回收制動(dòng)能量的能力，并且增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。燃料電池和輔助動(dòng)力裝置之間對(duì)負(fù)載功率的合理分配還可以提高燃料電池的總體運(yùn)行效率。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以在輔助動(dòng)力裝置和動(dòng)力系統(tǒng)直流母線之間添加了一個(gè)雙向DC/DC變換器。使得對(duì)輔助動(dòng)力裝置充放電的控制更加靈活、易于實(shí)現(xiàn)。由于雙向DC/DC變換器可以較好地控制輔助動(dòng)力裝置的電壓或電流，因此它還是系統(tǒng)控制策略的執(zhí)行部件。

2.2　并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另一種構(gòu)架是并聯(lián)式的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這種構(gòu)建通常在燃料電池和電機(jī)控制器之間安裝了一個(gè)DC/DC變換器，燃料電池的端電壓通過(guò)DC/DC變換器的升壓或降壓來(lái)與系統(tǒng)直流母線的電壓等級(jí)進(jìn)行匹配。這種系統(tǒng)與上述構(gòu)架不同之處還在于，這種動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有考慮能量的回饋回收，因此系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單，但效率比較低下。

盡管系統(tǒng)直流母線的電壓與燃料電池功率輸出能力之間不再有耦合關(guān)系，但DC/DC變換器必須將系統(tǒng)直流母線的電壓維持在最適宜電機(jī)系統(tǒng)工作的電壓點(diǎn)（或范圍），對(duì)于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常還需要安裝一個(gè)DC/AC轉(zhuǎn)換器。目前這類構(gòu)架系統(tǒng)只在一些小型或者實(shí)驗(yàn)的車上使用，如2002年通用汽車公司開發(fā)的Autonomy和Hy-wire兩種車都是基于該中構(gòu)架的。2008年，同濟(jì)大學(xué)-蒂森克虜伯聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室采用這種架構(gòu)開發(fā)了小型燃料電池汽車[19],并研究了燃料電池電堆系統(tǒng)對(duì)整車性能的影響。

3　燃料電池汽車多能源系統(tǒng)管理與優(yōu)化

燃料電池不適合作為動(dòng)力系統(tǒng)的單一驅(qū)動(dòng)能源，必須選用輔助能源系統(tǒng)合理補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車所需的能量，覆蓋功率波動(dòng)，提高峰值功率，吸收回饋能量，改善燃料電池輸出功率的瞬態(tài)特性。目前各大汽車開發(fā)商采用了輔助動(dòng)力，來(lái)提高燃料電池汽車的性能。

3.1　動(dòng)力電池輔助能源系統(tǒng)

目前鉛酸電池由于比能量及比功率均較低，已經(jīng)淘汰。在汽車上常用的動(dòng)力蓄電池主要有鎳氫電池和鋰離子電池等。鎳氫電池屬于堿性電池，具有不易老化，無(wú)需預(yù)充電以及低溫放電特性較好等優(yōu)點(diǎn)。其能量密度可超過(guò)80 Wh/kg,一次充電的行駛距離長(zhǎng)，在大電流工作時(shí)能夠平穩(wěn)放電。FCHV-4[6],High-lander FCHV-adv和通用Chevrolet Equinox的動(dòng)力系統(tǒng)都是燃料電池和鎳氫電池集成的。但，鎳氫在高溫環(huán)境下，電池電荷量會(huì)急劇下降，并且具有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等方面的問題。在燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)中鎳氫電池SOC應(yīng)保持在40%-60%之間，充放電電流應(yīng)處于160-240 A的范圍，溫度應(yīng)維持在常溫附近，以確保系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

鋰離子電池具有體積小，能量密度高（>120Wh/kg）、高安全性和無(wú)污染性等優(yōu)點(diǎn)。本田FCXClarity[8],通用Chevrolet Sequel[10]鋰和日產(chǎn)X-Trail FCV等都采用鋰離子電池作為燃料電池汽車的輔助能源系統(tǒng)。離子電池的能量密度是鎳氫電池的1.5-3倍。其單體電池的平均電壓為3.2V,相當(dāng)于3個(gè)鎳鋅或鎳氫電池串接起來(lái)的電壓值，因而能夠減少電池組合體的數(shù)量，降低單體電池電壓差所造成的電池故障發(fā)生概率，從而提高了電池組的使用壽命。

鋰離子電池具備自放電低（僅為5%-10%）的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)在非使用狀態(tài)下貯存，內(nèi)部相當(dāng)穩(wěn)定，幾乎不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬，因而在使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，鋰離子電池易于車載布置安裝，是較為理想的能量存儲(chǔ)媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具來(lái)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，提高電池的使用效率和壽命。

3.2　超級(jí)電容系統(tǒng)

超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能元件，它既像靜電電容一樣具有很高的放電功率，又像電池一樣具有很大的電荷儲(chǔ)存能力。由于其放電特性與靜電電容更為接近，所以仍然稱之為“電容”。

如果僅采用超級(jí)電容作為唯一輔助能源還存在諸多不足之處，如：電動(dòng)汽車長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后再次啟動(dòng)，由于超級(jí)電容的自放電效應(yīng)，在燃料電池的能量輸出尚未穩(wěn)定時(shí)車載輔助系統(tǒng)的供電將無(wú)法保障。況且超級(jí)電容能量密度很低，若要達(dá)到一定的能量?jī)?chǔ)備能力其設(shè)備體積勢(shì)必加大。當(dāng)前超級(jí)電容都是與其他動(dòng)力電池一起購(gòu)車輔助電源系統(tǒng)，在燃料電池汽車上使用的。為了克服精確的描述超級(jí)電容的特性，可以采用阻抗法進(jìn)行建模代替簡(jiǎn)單RC回路模。

3.3　多源能量的組合與控制

燃料電池電動(dòng)汽車安裝上述兩種拓?fù)錁?gòu)型，與動(dòng)力電池和超級(jí)電容進(jìn)行組合，才能達(dá)到比較好的效果。目前，主要采用的三種能量組合方式有：1）燃料電池+動(dòng)力電池，通用Chevrolet Equinox等就采用這種組合方式];2）燃料電池+超級(jí)電容，如本田的FCV-3和馬自達(dá)FC-EV等;3）燃料電池+動(dòng)力電池+超級(jí)電容，如本田FCHV-4[8]。Tadaichi[6]研究了不同狀況下，能量的流動(dòng)方式。通過(guò)對(duì)車用3種能源的比較，基于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率預(yù)測(cè)控制策略設(shè)計(jì)了多能源能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3種能源的優(yōu)化管理和控制。

4　動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)

4.1　燃料電池系統(tǒng)仿真技術(shù)

燃料電池汽車中的燃料電池系統(tǒng)建模的方法又可分為兩種，一種是在電化學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)等理論基礎(chǔ)上，建立比較復(fù)雜的一維或多維物理模型。這種模型可根據(jù)不同燃料電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立相應(yīng)模型，分析壓力、溫度、濕度、流量、催化劑、管道結(jié)構(gòu)等多方面因素對(duì)燃料電池工作的影響。但這種模型復(fù)雜不直觀，且運(yùn)算速度慢。另一種則采用較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒔Y(jié)合相應(yīng)的商業(yè)軟件,這種方法具有直觀快速的特點(diǎn)，但該模型只能針對(duì)特定的燃料電池系統(tǒng)，其建立需依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.2　整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)

燃料電池車仿真的最終目的是以燃料電池模型為基礎(chǔ)，結(jié)合子系統(tǒng)和動(dòng)力傳送系統(tǒng)的相關(guān)模型，仿真分析燃料電池系統(tǒng)乃至整個(gè)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的工作情況。這種系統(tǒng)優(yōu)化的方法主要是結(jié)合實(shí)際的使用來(lái)進(jìn)行的，一般分成兩種。

在實(shí)際使用路況未知的情況，俄亥俄州立大學(xué)的T. Gabriel Choi等[28]基于FIAT Panda車型，針對(duì)燃料電池插電式電動(dòng)汽車的動(dòng)力要求，研究了兩者控制測(cè)量：離線全局優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)化下控制測(cè)量的設(shè)置方法。對(duì)于家庭充電和燃料電池混合應(yīng)用的能量?jī)?yōu)化控制方法。Guezennec等[29,30]研究了駕駛習(xí)慣對(duì)能量的使用情況，并對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和尺寸容量等做了優(yōu)化。

對(duì)于實(shí)際使用情況已知，謝長(zhǎng)君等研究了巡航加速等工況下的優(yōu)化方法，F(xiàn)rancisco等]研究了鄉(xiāng)村路線、城市路線和兩者混合下燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)方法，研究了不同輔助能量系統(tǒng)下動(dòng)力系統(tǒng)的效率和能耗，為燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。Keshav S等[32]運(yùn)用動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析工具（PSAT）分析了燃料電池整車系統(tǒng)包括燃料電池電堆和其他部件的性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用單個(gè)輔助能量時(shí)，鋰電池的效果最好（表二）。鋰電池和超級(jí)電容混用，則可以9%的效率。另外，針對(duì)燃料電池機(jī)械結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)相應(yīng)也需要進(jìn)一步考慮。

5　總結(jié)

燃料電池電動(dòng)車中的燃料電池電堆只能維持車輛運(yùn)行的平均功率要求，采用輔助能量系統(tǒng)提高了燃料電池汽車的效率。本文圍繞燃料電池汽車動(dòng)力傳統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)，分別對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開展了詳細(xì)論述。本文的研究對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造具有重要的參考價(jià)值。