氢燃料电池汽车安全设计
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1.3 氢燃料电池汽车的主要系统及关键零部件

1.燃料电池系统

燃料电池系统是燃料电池汽车的“心脏”,其性能的好坏直接决定了整车在市场上的竞争力。通常燃料电池系统由燃料电池堆和辅助系统组成,辅助系统包括氢气子系统、空气子系统、冷却子系统等,典型燃料电池系统结构原理如图1-6所示。

空气子系统的作用是为燃料电池反应提供所需的氧气,主要由空气滤清器、空气压缩机、中冷器、加湿器等零部件组成,如图1-7所示。空气滤清器对空气中的物理和化学杂质进行过滤,空气压缩机对环境空气进行压缩,压缩后的空气温度可达到200℃以上,为防止进气温度过高而损伤燃料电池堆,需要中冷器对压缩后的空气进行冷却。同时,质子交换膜的电导率与膜的水状态密切相关,一般采用加湿器对进入电堆的空气进行加湿处理。

氢气子系统的作用是为燃料电池反应提供所需的氢气,主要零部件包括高压储氢瓶、减压阀、氢气比例阀、氢气循环泵/引射器、尾气阀等,如图1-8所示。氢气循环泵是氢气子系统的核心部件,它可以将阳极出口氢气循环至燃料电池堆阳极入口再次参与反应,有效提高了氢气利用率,并使得阳极侧氢气分配更加均匀,同时带走从阴极渗透至阳极的液态水。氢气喷射器也可作为氢气循环动力器件之一,主要利用射流使不同压力流体相互混合,来传递能量和质量。

图1-6 典型燃料电池系统结构原理图

图1-7 燃料电池空气子系统示意图

图1-8 燃料电池氢气子系统示意图

如图1-9所示,热管理子系统的作用是维持燃料电池堆和辅助部件在正常运行温度范围内,主要分为主散热回路和辅助散热回路。主散热回路对燃料电池堆进行冷却,若燃料电池堆冷却不充分,温度升高超过理想运行温度上限,将影响整个系统的性能。除了需要对燃料电池堆进行冷却外,空压机和DC/DC变换器等辅助零部件也需要冷却,但与主散热回路相比,辅助散热回路所需流量较小,因此对水泵扬程和流量的要求较低。

图1-9 燃料电池热管理子系统示意图

质子交换膜燃料电池因具有工作温度低、动态响应快、冷启动速度快等优点,被广泛应用于燃料电池汽车。为满足整车的电压和功率需求,通常将多个燃料电池单体以串联方式层叠组合,构成燃料电池堆,燃料电池堆反应所需的气体、温度的调节均由上述子系统控制,同时,为确保燃料电池堆运行状态的安全性和可靠性,需配置电压巡检装置(Cell Voltage Monitor, CVM),监测各单体电池的工作状态。

2.车载储氢系统

车载储氢系统是燃料电池汽车的重要组成部分,包括高压储氢瓶、安全阀、泄压阀、减压阀、温度传感器、压力传感器、管路、高压接头、电磁阀、碰撞传感器等零部件,结构如图1-10所示。车载储氢系统可根据氢气存储形式分为高压气态储氢系统、液态储氢系统、固态储氢系统等。其中,高压气态储氢是将氢气直接压缩,以高密度气态形式存储,具有成本低、充放氢速度快等优点,是发展最成熟的储氢技术,也是目前车载储氢应用最广泛的方法。

图1-10 典型车载储氢系统结构示意图

高压储氢气瓶是压缩氢广泛使用的关键技术,随着应用需求的不断提高,轻质高压是高压储氢气瓶发展的不懈追求。目前,高压储氢瓶主要分为全金属气瓶(Ⅰ型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型)。其中,因为Ⅰ型瓶和Ⅱ型瓶重容比大,储存密度较低,不适合用作气瓶;Ⅲ和Ⅳ型瓶由于采用了轻质、高强度的纤维,不仅有效减轻了气瓶的质量,还能够承受更高的压力,因而被广泛用作储氢气瓶。国内车载储氢瓶多为Ⅲ型气瓶,Ⅳ型气瓶目前仍处于研发和小批量试制阶段,而国外车载储氢瓶多为Ⅳ型气瓶。国内外车载储氢气瓶(Ⅲ/Ⅳ型)由内至外包括内衬层、复合材料层、外壳保护层,如图1-11所示。国内内衬材料多选用铝合金,国外则多选用特种塑料;内层之外又称为复合材料层,一般分为两层,内层为碳纤维缠绕层,一般是由碳纤维和环氧树脂构成;外层为玻璃纤维保护层,一般是由玻璃纤维和环氧树脂构成。两层均是由缠绕工艺制作而成,通过对环氧树脂加热固化,以保证气瓶强度。

图1-11 Ⅲ/Ⅳ型气瓶结构示意图

3.驱动系统

与混合动力汽车相比,燃料电池车使用单一电能源,驱动系统也被称为电驱动系统,大大减少了汽车内部机械传动系统,结构更简化,也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪声,节省了汽车内部空间、重量。电驱动系统一般由驱动电机、电机控制器、传动装置、电子驻车控制单元等组成。其中,驱动电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换,一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场,另一种是由永磁体来产生磁场。电机控制器采用了通过对脉冲宽度进行调制的PWM控制技术,将电池直流电压转化为电机所需的幅值、频率可调的三相对称交流电压。

目前,常见的驱动电机有直流有刷电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机四类,国内燃料电池汽车配套电机以交流异步电机和永磁同步电机为主,图1-12为永磁同步电机结构示意图。由于永磁同步电机具有功率密度高、体积小、重量轻、效率高、功率因数高、恒功率调速范围宽、振动噪声小、转动惯量小、动态性能好、可靠性高等优点,逐渐成为主流技术方案。

图1-12 永磁同步电机结构示意图

4.可充电储能系统(Rechargable Energy Storage System, REESS)

由于燃料电池相对二次电池较软的输出特性,采用燃料电池与辅助电源构成的复合动力系统是现阶段氢燃料电池汽车动力系统的主流趋势。氢燃料电池汽车启动过程中,燃料电池输出尚未稳定,动力系统及整车各子系统中的控制、检测等电路都由REESS供电,待燃料电池电压正常输出后,可切断REESS的电能供应,并可以给REESS反向充电。

目前常见的可充电储能元件有镍氢电池、锂离子电池和超级电容等,如图1-13所示。当使用锂离子电池作为REESS时,应配有电池管理系统(Battery Management System, BMS)对电池进行有效管理,以确保电池工作在合理的电压、电流、温度范围内。BMS主要功能包括数据采集、数据显示、荷电状态(State of Charge, SOC)、健康状态(State of Health, SOH)和功率状态(State of Power, SOP)等核心状态估计、热管理、数据通信、安全管理、能量管理和故障诊断等,其中能量管理还包含了电池电量均衡功能及充电管理功能等。

图1-13 常见可充电储能元件示意图

a)锂离子电池 b)超级电容