電動汽車燃料電池增程器的係統集成設計

1電動汽車及增程器簡介

電動汽車指全部或部分用電能驅動電動機作為動力係統的汽車。它包括燃料電池電動汽車(FCEV) 
、混合動力電動汽車(HEV) 和純電動汽車(BEV) 3種zhong類lei型xing。由you於yu目mu前qian蓄xu電dian池chi儲chu能neng有you限xian，純chun電dian動dong汽qi車che存cun在zai一yi次ci充chong電dian後hou續xu駛shi裏li程cheng短duan的de問wen題ti。考kao慮lv采cai用yong在zai純chun電dian動dong汽qi車che上shang加jia裝zhuang一yi個ge增zeng程cheng器qi的de方fang法fa來lai配pei合he車che載zai動dong力li電dian池chi在zai不bu同tong工gong況kuang下xia工gong作zuo
，增zeng加jia純chun電dian動dong汽qi車che的de續xu駛shi裏li程cheng。

增(zeng)程(cheng)器(qi)是(shi)為(wei)了(le)增(zeng)加(jia)純(chun)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)而(er)加(jia)裝(zhuang)在(zai)純(chun)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)上(shang)的(de)一(yi)個(ge)附(fu)加(jia)儲(chu)能(neng)部(bu)件(jian)。通(tong)常(chang)用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)在(zai)出(chu)行(xing)時(shi)根(gen)據(ju)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)需(xu)求(qiu)自(zi)行(xing)選(xuan)擇(ze)安(an)裝(zhuang)或(huo)者(zhe)不(bu)安(an)裝(zhuang)( 降低車重，可以減少能量消耗)。增程器的形式通常有:小型發電機、蓄電池和燃料電池等。而由於增程器的工作特點，通常對其性能有如下要求: 要求係統可靠，長時間待機後可以立刻進入工作狀態; 由於工況單一，要求對工作點進行較好的優化以降低係統成本，提高效率。

相(xiang)比(bi)純(chun)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)，帶(dai)增(zeng)程(cheng)器(qi)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)在(zai)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)方(fang)麵(mian)有(you)很(hen)大(da)的(de)優(you)勢(shi)，相(xiang)比(bi)傳(chuan)統(tong)油(you)電(dian)混(hun)合(he)動(dong)力(li)汽(qi)車(che)
，帶(dai)增(zeng)程(cheng)器(qi)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)在(zai)排(pai)放(fang)方(fang)麵(mian)優(you)點(dian)十(shi)分(fen)突(tu)出(chu)
，而(er)相(xiang)比(bi)新(xin)型(xing)電(dian)電(dian)混(hun)合(he)動(dong)力(li)汽(qi)車(che)
，帶(dai)增(zeng)程(cheng)器(qi)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)以(yi)蓄(xu)電(dian)池(chi)驅(qu)動(dong)為(wei)主(zhu)
，更(geng)偏(pian)向(xiang)於(yu)純(chun)電(dian)動(dong)驅(qu)動(dong)，因(yin)此(ci)也(ye)可(ke)視(shi)其(qi)為(wei)從(cong)混(hun)合(he)動(dong)力(li)驅(qu)動(dong)向(xiang)純(chun)電(dian)動(dong)驅(qu)動(dong)的(de)一(yi)種(zhong)過(guo)渡(du)方(fang)法(fa)。

2 選擇增程器

通(tong)常(chang)可(ke)選(xuan)擇(ze)的(de)增(zeng)程(cheng)器(qi)類(lei)型(xing)為(wei)小(xiao)型(xing)發(fa)電(dian)機(ji)或(huo)者(zhe)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)。基(ji)於(yu)盡(jin)量(liang)避(bi)免(mian)使(shi)用(yong)燃(ran)油(you)和(he)爭(zheng)取(qu)實(shi)現(xian)零(ling)排(pai)放(fang)的(de)初(chu)衷(zhong)
，建(jian)議(yi)選(xuan)用(yong)蓄(xu)電(dian)池(chi)或(huo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)作(zuo)增(zeng)程(cheng)器(qi)。根(gen)據(ju)動(dong)力(li)電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)和(he)車(che)輛(liang)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)的(de)要(yao)求(qiu)可(ke)以(yi)確(que)定(ding)增(zeng)程(cheng)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)和(he)儲(chu)電(dian)量(liang)。而(er)根(gen)據(ju)增(zeng)程(cheng)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)和(he)蓄(xu)電(dian)量(liang)來(lai)選(xuan)擇(ze)目(mu)前(qian)市(shi)場(chang)上(shang)所(suo)銷(xiao)售(shou)的(de)現(xian)成(cheng)產(chan)品(pin)，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)縮(suo)短(duan)開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)，節(jie)約(yue)開(kai)發(fa)成(cheng)本(ben)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)的(de)為(wei)使(shi)用(yong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)作(zuo)增(zeng)程(cheng)器(qi)的(de)方(fang)案(an)
，主(zhu)要(yao)介(jie)紹(shao)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)增(zeng)程(cheng)器(qi)的(de)集(ji)成(cheng)設(she)計(ji)方(fang)案(an)。

實例分析假設開發一輛場館車，整車參數見表1。

2.1 選擇動力性能指標

根據其使用目的和常用工況可以選擇如下動力性能指標。最高車速: Vmax = 35 km/h; 爬坡能力:以Vb =12 km/h 車速爬15%的坡道; 加速能力: 0 ～30 km/h 時小於6 s; 巡航車速: Vn =25 km/h。

2.2 計算

經過計算
，同時考慮到最初設計目標
、今後量產選型及成本方麵的要求，選擇其中一路供電電源為磷酸鐵鋰電池電源
，其放電電壓在2.5 ～ 3.5 V之間，故可選用20 個放電電壓為3 V的磷酸鐵鋰電池串聯。考慮安全係數可選擇電池參數如下: 電池電壓為60 V，容量為80 Ah; 希望SOC 為0.2 ～0.9; 且該產品為目前已經量產成熟的零部件。

2.3 選擇增程器

要求增程器提供可供該車行駛45 km的能量
，考慮蓄電池充電效率，增程器的儲電量應比蓄電池略大，磷酸鐵鋰電池充電電壓在3.5 ～ 4 V之間，故選擇增程器輸出電壓為80 V。為(wei)實(shi)現(xian)零(ling)排(pai)放(fang)的(de)初(chu)衷(zhong)，同(tong)時(shi)為(wei)以(yi)後(hou)量(liang)產(chan)做(zuo)準(zhun)備(bei)，在(zai)此(ci)選(xuan)擇(ze)小(xiao)型(xing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)增(zeng)程(cheng)器(qi)
，且(qie)該(gai)小(xiao)型(xing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)為(wei)目(mu)前(qian)市(shi)場(chang)上(shang)現(xian)有(you)較(jiao)成(cheng)熟(shu)的(de)產(chan)品(pin)(見圖1) 。

3 增程器的布置方式

3.1 燃料電池增程器係統集成設計技術背景

congzengchengqizongchenganzhuangjiegoufangmianrushou
，tongguojiangzengchengqixitongzongchengjiegougaiweikekuaisugenghuanjiegou
，yongzengjiazengchengqizongchengxitonglaijiejuediandongqichezhongxushinenglibuzudewenti。

3. 2 燃料電池增程器總成各機構及關鍵部件

工作原理: zhenggezengchengqizongchengtongguoqianduandezhuixingdingweiyuanjianhehouduandesuojindingweixiaoyijikakouyucemiandefuzhudangbanshixiankuaisudingwei。dangzengchengqikaishianzhuangshi，dibandehualunjiechudaogui
，tuidongdaomoduanhou

，hualunhuaruhuacao，cishikaodaoguilaizhicheng
，ranhouxiaoshangdingweisuojinxiao，koushangsuojinkakou，zewanchengzengchengqidejixieanzhuang。dangzengchengqijinxingyanshishi，keyibazengchengqilachulaihou，yongzhichengtuibatazhihao，yanshijieshuhou，keyibazhichengtuiheshang
，fangruzhichengjia。

3.3 增程器各子模塊布置

增程器子模塊的布置方式有多種，其中一些常用的布置方式包括就近法、最小空間法、mokuaihuafa。zhejizhongbuzhifangshigeyoulibi。qizhongjiujinbuzhikeyijianshaoxianshudechangdu，yijiqingqiguanludechangdudeng。dankenengbuhaojizhongguanli，ganjiaozengchengqimeiyouzhengtiganhexitonggan。zuixiaokongjianbuzhifakeyizuidafanweideyasuobaoluokongjian，shizhenggekongjiangengjiajincou。dangelingbujianlidetaijinkenenghuichanshengrefushehedianciganraodengyixiefumianyingxiang，daozhizhenggexitongkekaoxingxiajiang，xitongjibuwending，mouzimokuaichuxianwentishi
，burongyizhaochuxiangguandeguzhang。mokuaihuabuzhifakeyibagezimokuaianzhaoxiangguandegongnengfenchengruoganmokuai，zheyangyilaikeyijiaohaodiguanlixiangyingdemokuai
，tongshiyekeyijianshaoyixierefushehedianciganraodeng。dangqizhongmougemokuaichuxianwentishi
，keyikuaisufaxianbingqiejiejue。

在這同時

，也便於整體安裝，把相關的模塊做為一個總成，可以實現該總成快速更換，同時縮短增程器在車上的安裝時間。

經過綜合比對和考慮，本實例中的電動微型車在空間允許的條件下
，優先考慮第3 種布置方案。在本實例中
，經過細分，可以把燃料電池增程器分為3 個模塊
，其中包括氫氣係統子模塊、燃料電池係統及其管理係統子模塊、電源係統及其管理係統子模塊3 部分(見圖2) 。

其(qi)中(zhong)氫(qing)氣(qi)係(xi)統(tong)子(zi)模(mo)塊(kuai)和(he)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)及(ji)其(qi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)子(zi)模(mo)塊(kuai)最(zui)後(hou)通(tong)過(guo)快(kuai)速(su)卡(ka)扣(kou)和(he)輔(fu)助(zhu)定(ding)位(wei)機(ji)構(gou)集(ji)成(cheng)到(dao)電(dian)源(yuan)變(bian)換(huan)係(xi)統(tong)及(ji)穩(wen)壓(ya)係(xi)統(tong)子(zi)模(mo)塊(kuai)的(de)支(zhi)架(jia)上(shang)，從(cong)而(er)構(gou)成(cheng)整(zheng)個(ge)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)增(zeng)程(cheng)器(qi)總(zong)成(cheng)(見圖3) 。

3.4 增程器各子模塊數模

3.4.1 氫氣係統子模塊數模

整(zheng)個(ge)氫(qing)氣(qi)係(xi)統(tong)單(dan)獨(du)布(bu)置(zhi)
，放(fang)在(zai)增(zeng)程(cheng)器(qi)總(zong)成(cheng)的(de)最(zui)後(hou)，同(tong)時(shi)，該(gai)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)快(kuai)速(su)更(geng)換(huan)
，當(dang)氫(qing)氣(qi)用(yong)完(wan)時(shi)，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)加(jia)氫(qing)
，或(huo)者(zhe)更(geng)換(huan)氫(qing)氣(qi)係(xi)統(tong)。同(tong)時(shi)該(gai)模(mo)塊(kuai)留(liu)有(you)與(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)及(ji)其(qi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)子(zi)模(mo)塊(kuai)的(de)接(jie)插(cha)件(jian)，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)管(guan)路(lu)係(xi)統(tong)的(de)快(kuai)速(su)接(jie)換(huan) 。

3.4. 2 燃料電池係統及其控製係統子模塊

燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)及(ji)其(qi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)子(zi)模(mo)塊(kuai)把(ba)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)和(he)與(yu)其(qi)配(pei)合(he)工(gong)作(zuo)的(de)相(xiang)關(guan)子(zi)部(bu)件(jian)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)起(qi)，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)一(yi)個(ge)小(xiao)的(de)係(xi)統(tong)功(gong)能(neng)，同(tong)時(shi)在(zai)出(chu)現(xian)問(wen)題(ti)時(shi)
，也(ye)可(ke)單(dan)獨(du)從(cong)增(zeng)程(cheng)器(qi)總(zong)成(cheng)中(zhong)取(qu)出(chu)，進(jin)行(xing)維(wei)修(xiu)。該(gai)係(xi)統(tong)留(liu)有(you)與(yu)氫(qing)氣(qi)係(xi)統(tong)子(zi)模(mo)塊(kuai)數(shu)模(mo)和(he)電(dian)源(yuan)變(bian)換(huan)係(xi)統(tong)及(ji)穩(wen)壓(ya)係(xi)統(tong)子(zi)模(mo)塊(kuai)的(de)快(kuai)速(su)接(jie)插(cha)件(jian)和(he)快(kuai)速(su)接(jie)頭(tou)

，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)電(dian)路(lu)和(he)氣(qi)路(lu)的(de)快(kuai)速(su)連(lian)接(jie)和(he)通(tong)斷(duan)，可(ke)以(yi)在(zai)很(hen)短(duan)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)即(ji)可(ke)把(ba)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)組(zu)裝(zhuang)完(wan)畢(bi)(見圖5) 。

3.4.3 電源變換係統及穩壓係統子模塊

電(dian)源(yuan)變(bian)換(huan)係(xi)統(tong)及(ji)穩(wen)壓(ya)係(xi)統(tong)子(zi)模(mo)塊(kuai)把(ba)大(da)的(de)直(zhi)流(liu)變(bian)換(huan)器(qi)和(he)小(xiao)的(de)直(zhi)流(liu)變(bian)換(huan)器(qi)和(he)繼(ji)電(dian)器(qi)等(deng)電(dian)器(qi)元(yuan)件(jian)集(ji)成(cheng)一(yi)起(qi)，作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)整(zheng)體(ti)子(zi)模(mo)塊(kuai)，該(gai)模(mo)塊(kuai)也(ye)留(liu)有(you)快(kuai)速(su)接(jie)插(cha)件(jian)
，同(tong)時(shi)也(ye)留(liu)有(you)與(yu)整(zheng)車(che)連(lian)接(jie)的(de)接(jie)插(cha)件(jian)

，可(ke)以(yi)把(ba)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)發(fa)出(chu)的(de)電(dian)變(bian)換(huan)成(cheng)車(che)輛(liang)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)。實(shi)現(xian)3 個子模塊的無縫連接和快速連接(見圖6) 。

3 個子模塊的組合組成了燃料電池增程器總成
，該總成可以實現快速更換，當行駛裏程小於55 km時
，可以把增程器總成拔掉，這樣也可以減少整車的載荷，有利於電池的續駛裏程。當行駛裏程大於55 km 時
，即可把燃料電池增程器安裝上。安裝時，由於是采用多種快速接頭及接插件，不需要太長的時間。

4 結語

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