燃料电池插电式混合动力概念车

1 动力总成的多样性


近年来,汽车工业领域可谓风起云涌,纷繁多样的新技术不断被投入市场,一方面是为了将公司车队的废气排放和燃油耗值降低到法规限值之内,另一方面用户也期望实现技术的改进和创新。全新的多样性已体现在混合动力车型上,包括插电式混合动力、轻度混合动力乃至增程器等方向,其分别与柴油机或汽油机相组合,但同时全新研发的驱动技术与纯电动车也随之一同进入了市场,而同时无需配装内燃机。AVL公司越来越重视质子交换膜(PEM)燃料电池系统的开发,其有着广泛的应用前景。


2 PEM燃料电池系统的模块化


除了燃料电池系统在车辆上集成方面的新要求之外,动力总成的模块化处理是开发过程中的最大挑战之一。正如图1所示,目前处于开发过程中的汽车燃料电池系统的功率等级可从30 kW(用作轿车和载货车范围的增程器)到70 kW(用于带有轻微混合动力化的典型轿车系统)直至约120 kW(用于重型载货车)。除此之外,也可将数个具有相同功率等级的典型单体系统作为模块组合成功率高达数百千瓦的燃料电池系统。

 

图1 PEM燃料电池系统的数量级及其应用范围 图1 PEM燃料电池系统的数量级及其应用范围


PEM燃料电池系统的模块化及其功率等级(图2)为部件和子系统供应商提供了广阔的潜力。集中到较少的数种功率等级即可使其与固定的开发成本相结合,以确保其在适合市场应用的范围之内,但此类模块化依然面临着较大风险:虽然应根据相关功率等级来开发部件,但是功率分级可能在少数情况下方可准确地适用于燃料电池系统,因而总体上依然存在一定的问题,并且在大多数情况下按照功率等级来整合部件和子系统将会引起整个系统效率的损失。

图2 PEM燃料电池系统的模块化及其应用范围 图2 PEM燃料电池系统的模块化及其应用范围


3 燃料电池插电式混合动力概念车


目前AVL开发并设计了一种燃料电池堆功率为70 kW的燃料电池插电式混合动力车(图3)。除了PEM燃料电池系统之外,其动力传动系统的构成仍以现有零部件为基础,因此样车、电驱动机构和插电式蓄电池均为著名原始设计商(OEM)的量产件。


开发概念车的目的是需证实其有可能使动力传动系统仅进行最少的调整,而在性能参数方面则充满竞争力,而且此类车辆的优化和进一步开发关系到其使用寿命(混合动力化)和收益率(冷起动、动力学性能)等方面。AVL公司的战略合作伙伴和用户同样也可提供该类车辆,以便使得通用的燃料电池系统或其零部件能在实际运行中进行试验和验证。

 

图3 燃料电池插电式混合动力概念车 图3 燃料电池插电式混合动力概念车


4 PEM燃料电池系统


由AVL公司专门开发并用于概念车的燃料电池系统(图4)通常是基于各家零部件供应商提供的零部件和子系统。开发该类系统的挑战在于此类现有零部件若要用于70 kW的燃料电池堆,则其尺寸通常过大,然而通过选择合适的处理方法可有效避免针对个别零部件的专项开发,但与专项开发相比,即需承受其在总效率、功率密度和结构空间等方面的轻微损失。

 

图4 PEM燃料电池系统 图4 PEM燃料电池系统


即使采用了现有的燃料电池系统零部件,但依然与项目合作伙伴共同开发了此类对功率和效率具有重要意义的零部件。与其他汽车系统不同,AVL-PEM燃料电池系统在阳极电路中应用了一种被动氢再循环模式,以此相对于带有主动氢再循环升压器的系统并不会存在过大的效率损失(但可能会导致子系统零部件尺寸过大),为此能使总效率至少得到部分的补偿,同时还能将全谐波失真分析(THDA)车载实时诊断系统集成到燃料电池系统中(图5)。

图5 AVL高动态燃料电池系统试验台 图5 AVL高动态燃料电池系统试验台


5 开发工具


作为全球性的技术公司,AVL公司还提供了配装有整体式气候室、整体式进气空气调节和简化系统的高动态试验台(见图5)。为了在燃料电池系统动态试验中采用全新尺寸,曾考虑过应用源于开发赛车发动机的解决方案,在真实负荷和气候条件下与燃料电池系统一起进行试验,在试验台上的动态运行中可不受限制,并能优化关系到提高收益率和延长使用寿命的运行策略。


6 燃料电池实时诊断


对于功率强劲的燃料电池车而言,燃料电池堆的可靠性和耐久性是关键技术要点,因为燃料电池堆的更换成本是较为昂贵的,而且也并不现实,因此在运行过程中燃料电池堆每隔一段时间的老化只能在可接受的程度范围内,典型的可接受程度是在系统整个使用寿命期间其功率衰退率在10%以内。为了能实时诊断燃料电池堆的健康状况,采用了电池电压监控(CVM)。在运行期间根据电池电压即可识别燃料电池堆中电池的不良变化,并能采取相应措施。


但是,因为单个电池电压的监控系统无法识别电池堆中出现不良变化的原因,以至于在燃料电池系统中较难采取具有针对性的干预措施。AVL公司开发的THDA方法(图6)可根据留在电池堆上的交流电信号谐波失真的分析对电池堆进行非侵入性实时诊断。与电池电压监控相比,所开发的计值算法能推断出其不良运行状态的原因。


在运行期间借助于THDA即可识别出不良变化是否由于不充足的介质(水和空气)供应、不充分的湿润或是在系统中形成过高的液态水份的原因,同时可在调节中采取相应措施,从而延长电池堆的使用寿命,而且THDA方法灵活性更好,以致于在电池堆中出现不良的变化,例如燃料供应不足,即使其为电池堆的某个电池,其识别时间也比采用常规的单个电池电压监控提早约100 s,从而可使燃料电池电控单元采取相应解决措施。

 图6 集成在概念车上的THDA 图6 集成在概念车上的THDA


7 结语和展望


根据已开发的零部件和子系统,这种燃料电池系统在功率密度、体积和效率方面均可与已专门开发的系统一较长短,而且通过将子系统综合成大部件,所应用的独特的运行策略补偿了现有的缺点,此外诸如THDA等新技术进一步改善了实时诊断的可能性,其比常规方法更简单,成本也更低廉,并成为进一步简化系统的基础。

【德】A.Schenk等

【译】范明强

【编辑】伍赛特



本内容来自汽车之家创作者,不代表汽车之家的观点和立场。
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