電動(dòng)汽車(chē)燃料電池增程器的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

　　電動(dòng)汽車(chē)指全部或部分用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車(chē)。它包括燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV) 、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV) 和純電動(dòng)汽車(chē)(BEV) 3種類(lèi)型。由于目前蓄電池儲(chǔ)能有限，純電動(dòng)汽車(chē)存在一次充電后續(xù)駛里程短的問(wèn)題?？紤]采用在純電動(dòng)汽車(chē)上加裝一個(gè)增程器的方法來(lái)配合車(chē)載動(dòng)力電池在不同工況下工作，增加純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。

　　增程器是為了增加純電動(dòng)汽車(chē)行駛里程而加裝在純電動(dòng)汽車(chē)上的一個(gè)附加儲(chǔ)能部件。通常用戶(hù)可以在出行時(shí)根據(jù)行駛里程需求自行選擇安裝或者不安裝( 降低車(chē)重，可以減少能量消耗)。增程器的形式通常有:小型發(fā)電機(jī)、蓄電池和燃料電池等。而由于增程器的工作特點(diǎn)，通常對(duì)其性能有如下要求: 要求系統(tǒng)可靠，長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)后可以立刻進(jìn)入工作狀態(tài); 由于工況單一，要求對(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行較好的優(yōu)化以降低系統(tǒng)成本，提高效率。

　　相比純電動(dòng)汽車(chē)，帶增程器的電動(dòng)汽車(chē)在行駛里程方面有很大的優(yōu)勢(shì)，相比傳統(tǒng)油電混合動(dòng)力汽車(chē)，帶增程器的電動(dòng)汽車(chē)在排放方面優(yōu)點(diǎn)十分突出，而相比新型電電混合動(dòng)力汽車(chē)，帶增程器的電動(dòng)汽車(chē)以蓄電池驅(qū)動(dòng)為主，更偏向于純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，因此也可視其為從混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)向純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的一種過(guò)渡方法。

2 選擇增程器

　　通常可選擇的增程器類(lèi)型為小型發(fā)電機(jī)或者燃料電池。基于盡量避免使用燃油和爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)零排放的初衷，建議選用蓄電池或燃料電池作增程器。根據(jù)動(dòng)力電池的充電電壓和車(chē)輛行駛里程的要求可以確定增程器的輸出電壓和儲(chǔ)電量。而根據(jù)增程器的輸出電壓和蓄電量來(lái)選擇目前市場(chǎng)上所銷(xiāo)售的現(xiàn)成產(chǎn)品，從而可以縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。本文介紹的為使用燃料電池作增程器的方案，主要介紹燃料電池增程器的集成設(shè)計(jì)方案。

　　實(shí)例分析假設(shè)開(kāi)發(fā)一輛場(chǎng)館車(chē)，整車(chē)參數(shù)見(jiàn)表1。

　　2.1 選擇動(dòng)力性能指標(biāo)

　　根據(jù)其使用目的和常用工況可以選擇如下動(dòng)力性能指標(biāo)。最高車(chē)速: Vmax = 35 km/h; 爬坡能力:以Vb =12 km/h 車(chē)速爬15%的坡道; 加速能力: 0 ～30 km/h 時(shí)小于6 s; 巡航車(chē)速: Vn =25 km/h。

　　2.2 計(jì)算

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算，同時(shí)考慮到最初設(shè)計(jì)目標(biāo)、今后量產(chǎn)選型及成本方面的要求，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(gè)放電電壓為3 V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)。考慮安全系數(shù)可選擇電池參數(shù)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(chǎn)品為目前已經(jīng)量產(chǎn)成熟的零部件。

　　2.3 選擇增程器

　　要求增程器提供可供該車(chē)行駛45 km的能量，考慮蓄電池充電效率，增程器的儲(chǔ)電量應(yīng)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。為實(shí)現(xiàn)零排放的初衷，同時(shí)為以后量產(chǎn)做準(zhǔn)備，在此選擇小型燃料電池作為增程器，且該小型燃料電池為目前市場(chǎng)上現(xiàn)有較成熟的產(chǎn)品(見(jiàn)圖1) 。

3 增程器的布置方式

　　3.1 燃料電池增程器系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)背景

　　從增程器總成安裝結(jié)構(gòu)方面入手，通過(guò)將增程器系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)改為可快速更換結(jié)構(gòu)，用增加增程器總成系統(tǒng)來(lái)解決電動(dòng)汽車(chē)中續(xù)駛能力不足的問(wèn)題。

　　3. 2 燃料電池增程器總成各機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵部件

　　工作原理: 整個(gè)增程器總成通過(guò)前端的錐形定位元件和后端的鎖緊定位銷(xiāo)以及卡扣與側(cè)面的輔助擋板實(shí)現(xiàn)快速定位。當(dāng)增程器開(kāi)始安裝時(shí)，底板的滑輪接觸導(dǎo)軌，推動(dòng)到末端后，滑輪滑入滑槽，此時(shí)靠導(dǎo)軌來(lái)支撐，然后銷(xiāo)上定位鎖緊銷(xiāo)，扣上鎖緊卡扣，則完成增程器的機(jī)械安裝。當(dāng)增程器進(jìn)行演示時(shí)，可以把增程器拉出來(lái)后，用支撐腿把它支好，演示結(jié)束后，可以把支撐腿合上，放入支撐架。

　　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、模塊化法。這幾種布置方式各有利弊。其中就近布置可以減少線束的長(zhǎng)度，以及氫氣管路的長(zhǎng)度等。但可能不好集中管理，感覺(jué)增程器沒(méi)有整體感和系統(tǒng)感。最小空間布置法可以最大范圍的壓縮包絡(luò)空間，使整個(gè)空間更加緊湊。但各零部件離的太近可能會(huì)產(chǎn)生熱輻射和電磁干擾等一些負(fù)面影響，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)可靠性下降，系統(tǒng)極不穩(wěn)定，某子模塊出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，不容易找出相關(guān)的故障。模塊化布置法可以把各子模塊按照相關(guān)的功能分成若干模塊，這樣一來(lái)可以較好地管理相應(yīng)的模塊，同時(shí)也可以減少一些熱輻射和電磁干擾等。當(dāng)其中某個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以快速發(fā)現(xiàn)并且解決。

　　在這同時(shí)，也便于整體安裝，把相關(guān)的模塊做為一個(gè)總成，可以實(shí)現(xiàn)該總成快速更換，同時(shí)縮短增程器在車(chē)上的安裝時(shí)間。

　　經(jīng)過(guò)綜合比對(duì)和考慮，本實(shí)例中的電動(dòng)微型車(chē)在空間允許的條件下，優(yōu)先考慮第3 種布置方案。在本實(shí)例中，經(jīng)過(guò)細(xì)分，可以把燃料電池增程器分為3 個(gè)模塊，其中包括氫氣系統(tǒng)子模塊、燃料電池系統(tǒng)及其管理系統(tǒng)子模塊、電源系統(tǒng)及其管理系統(tǒng)子模塊3 部分(見(jiàn)圖2) 。

　　其中氫氣系統(tǒng)子模塊和燃料電池系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)子模塊最后通過(guò)快速卡扣和輔助定位機(jī)構(gòu)集成到電源變換系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)子模塊的支架上，從而構(gòu)成整個(gè)燃料電池增程器總成(見(jiàn)圖3) 。

　　3.4 增程器各子模塊數(shù)模

　　3.4.1 氫氣系統(tǒng)子模塊數(shù)模

　　整個(gè)氫氣系統(tǒng)單獨(dú)布置，放在增程器總成的最后，同時(shí)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速更換，當(dāng)氫氣用完時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)加氫，或者更換氫氣系統(tǒng)。同時(shí)該模塊留有與燃料電池系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)子模塊的接插件，可以實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)的快速接換(見(jiàn)圖4) 。

　　3.4. 2 燃料電池系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)子模塊

　　燃料電池系統(tǒng)及其管理系統(tǒng)子模塊把燃料電池和與其配合工作的相關(guān)子部件集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)小的系統(tǒng)功能，同時(shí)在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，也可單獨(dú)從增程器總成中取出，進(jìn)行維修。該系統(tǒng)留有與氫氣系統(tǒng)子模塊數(shù)模和電源變換系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)子模塊的快速接插件和快速接頭，可以實(shí)現(xiàn)電路和氣路的快速連接和通斷，可以在很短的時(shí)間內(nèi)即可把整個(gè)系統(tǒng)組裝完畢(見(jiàn)圖5) 。

　　3.4.3 電源變換系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)子模塊

　　電源變換系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)子模塊把大的直流變換器和小的直流變換器和繼電器等電器元件集成一起，作為一個(gè)整體子模塊，該模塊也留有快速接插件，同時(shí)也留有與整車(chē)連接的接插件，可以把燃料電池發(fā)出的電變換成車(chē)輛可以使用的電。實(shí)現(xiàn)3 個(gè)子模塊的無(wú)縫連接和快速連接(見(jiàn)圖6) 。

　　3 個(gè)子模塊的組合組成了燃料電池增程器總成，該總成可以實(shí)現(xiàn)快速更換，當(dāng)行駛里程小于55 km時(shí)，可以把增程器總成拔掉，這樣也可以減少整車(chē)的載荷，有利于電池的續(xù)駛里程。當(dāng)行駛里程大于55 km 時(shí)，即可把燃料電池增程器安裝上。安裝時(shí)，由于是采用多種快速接頭及接插件，不需要太長(zhǎng)的時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

　　文中介紹了增程器這個(gè)比較新穎的概念，并詳細(xì)說(shuō)明帶增程器的純電動(dòng)汽車(chē)中燃料電池增程器的系統(tǒng)集成方案，最后輔以實(shí)例，希望能在后期的電動(dòng)汽車(chē)增加續(xù)駛里程以及增程器的布置集成方面起到拋磚引玉的作用，并能為以后電動(dòng)汽車(chē)增程器的量產(chǎn)奠定一定的基礎(chǔ)。