汽车氢燃料电池相关技术研究

汽车氢燃料电池相关技术研究

王有平

珠海广通汽车有限公司519000

摘要：随着时代的发展，技术创新革命更为深入，对于汽车产业来说，氢燃料电池无疑开启了汽车新的发展时代。在能源紧张与绿色环保的时代背景下，汽车氢燃料电池的研究具有现实必要性。本文在探讨汽车氢燃料电池研发战略意义的基础上，对其关键技术进行了分析，并针对其未来发展提出了相应的策略指导，以期更好地推动汽车氢燃料电池的开发与使用，实现新时期汽车产业的迅猛发展。

关键词：氢燃料电池；关键技术

前言：社会的发展，交通运输产业变革也更为深入，特别是汽车工业，基于人类出行的便利需要，每年汽车产量大幅增加，而后续也引发了能源和环境方面的思考担忧。新能源汽车的开发提上议程，开发无污染，低噪音，节能减排的新能源汽车成为汽车产业发展的主导方向。基于此，汽车氢燃料电池的研发也更为深入。氢燃料电池的开发与汽车产业应用研究也具有现实必要性。而氢燃料电池汽车的开发与推广需要做好关键技术的分析。

1氢燃料电池的概述

氢燃料电池实质是一种质子交换膜（PEM）燃料电池，是一种清洁能量转换装置，可以将反应的化学能直接转化为电能，可作为传统车辆内燃机的替代品。氢燃料电池由双极板（BP）、气体扩散层（GDL）、微孔层（MPL）、催化剂层（CL）和聚合物膜组成。

针对氢燃料电池内部质量和传热特性及由此产生的性能的影响因素，对组装过程中在双极板上的机械应力展开研究，提出了一个分析模型，以全面研究夹紧力对PEM燃料电池的质量传递、电化学性质和整体电池输出能力的影响。结果表明，适当的夹紧力可以有效防止气体泄漏，还可增加相邻部件之间的接触面积，从而降低接触欧姆电阻。然而，由于变形的产生可能阻碍气体和液态水在GDL层的运输，并减少通道中的横截面流动面积。上述因素的组合效应最终会导致电池性能的波动。因此，通过平衡运输特性与燃料电池中的接触电阻来优化电池性能。通过使用该分析模型，可以快速预测施加在燃料电池上的最优电池设计参数和夹紧力。

此外，针对氢燃料电池的性能优化，使用MATLAB/Simulink搭建包含质子交换膜燃料电池和开关磁阻电动机及必要接口和控制元件的整体模型。

针对三个主要目标进行单独或同时优化：（1）质子交换膜燃料电池堆叠效率；（2）每安培扭矩比；（3）转矩平滑因子。

采用6个控制参数，即燃料电池的温度、空气流量、气压、燃料压力及开关磁阻电机的开/闭角，基于蜻蜓算法进行优化。其中，蜻蜓算法是一种新型群体智能算法，其主要灵感源于蜻蜓的静态和动态集群行为，而这两个集群行为可以等效为优化算法中的搜索与开发。数值结果表明，基于蜻蜓算法的控制策略能够增加质子交换膜燃料电池堆的节能，降低氢消耗。

2氢燃料电池汽车的关键技术

燃料电池混合动力汽车是汽车、电子、化工、材料等高新技术集成的产物。研制和开发的关键技术主要有燃料电池混合动力汽车总体设计、动力系统参数匹配、电动机及其控制技术、整车通讯网络技术、整车控制系统设计技术等。

2.1整车总体设计

由于燃料电池混合动力汽车采用了新的动力系统和电回馈制动系统，因此如果按照原有传统内燃机汽车的设计方法，则不可避免地产生不合理的地方，这就需要在设计时应根据燃料电池混合动力汽车自身特点，作相应的变化和改进。目前燃料电池汽车总体设计主要有两种方法：基于未来汽车设计方法和基于现有汽车设计方法。目前采取的主要为后一种方法。

在燃料电池混合动力汽车开发过程中，不仅要进行燃料电池技术、动力系统总成匹配、整车控制和通讯等关键技术的开发，还要完成总体布置设计。根据燃料电池混合动力汽车的特点，在进行总布置设计时要遵循以下原则：①安全性原则；②继承性原则；③一致性原则；④标准型原则。

整车总体设计包括确立整车设计目标、制定整车参数、车身设计、底盘三维参数布置设计、干涉检查、运动校核、人机工程学校核、整车性能计算等。

2.2动力系统参数匹配

动力系统参数匹配也是氢燃料电池汽车研发的关键技术。具体来说涉及四个方面：

1.燃料电池的功率

氢燃料电池作为新能源汽车的主要动力来源，参数匹配时重点做好额定功率和最大功率参数的选择，燃料电池最大连续输出功率必须满足汽车满载，最高车速行驶功率、氢燃料电池消耗功率，附属配置消耗功率总和。

2.超级电容的应用

超级电容主要是弥补氢燃料电池功率的不足。可以辅助车辆进行爬坡，加速，一般需要基于峰值功率和氢燃料连续功率差进行电容功率的设定。根据峰值功率持续时间确定输出的能量。

3.电机参数的匹配

电机最大功率需要满足最高车速加速爬坡时的功率要求。电机作为发电机时也必须达到满足整车控制策略中超级电容充电功率需求。

4.传动参数的设置

最大传动比和最小传动比设计时，必须综合考虑到汽车爬坡，附着率及汽车最低稳定车速等问题。最大传动比的设定依据是汽车最大爬坡和最低稳定车速。而传动系最小的传动比只要能满足氢燃料电池最高车速要求即可。变速器和主减速器的传动比设定。为了配合电机的转速，确保其能获得抵挡的爬坡能力，中档的加速特性和高档的最高车速功率，必须对应合适的减速器和主减速器传动比。

2.3氢燃料电池汽车电机的控制技术

氢燃料电池混合动力汽车最为关键的部位是驱动机。因此电机及电机控制技术的研究必不可少。就汽车发展来说，驱动机的发展趋势是高转速、大功率、高效率和小型化方向。当前的汽车驱动机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机及开发磁阻电机。其中直流电机其功率密度低，功率低，控制性好，可靠性一般，成熟性好，转速在6000，技术成熟。而感应电机功率密度和功率都高于直流电机，控制性能略差，成熟性好，转速可以最高达到15000，技术成熟。永磁同步电机其功率高，控制性好，成熟性好，电机成本较高，技术较为成熟，最高转速是10000.而开关磁阻电机其功率密度，功率都高，控制性，可靠性，成熟性好，电机成本也低，但是技术应用并不成熟。

2.4整车通信网络技术

燃料电池混合动力汽车的驱动系统不同于传统汽车，采用了大量的电力电子元器件，整车的电控系统相当复杂，采用传统的布线方式增加了电路的复杂度和维修难度，使整车控制网路的可靠性降低，难以适应汽车技术发展和使用要求。可采用功能强大的CAN总线和其辅助网络LIN总线进行设计。

CAN总线非常适用于燃料电池的控制系统的通信网络，而LIN

网络可以作为CAN总线网络的有益补充。根据整车通信中的不同需求，将整车通信网络分解为基于CAN的整车控制网络和基于LIN的车身控制网络，充分利用高速的CAN和低速LIN。整车控制网络中电机及控制器，燃料电池，整车控制器，超级电容及车身司机模块均为双向的收/发式节点，而仪表及显示器和数据采集器单元仅接收信号。而LIN网络仅用来控制低速的可靠性要求较低的前后灯、车内照明、门窗及雨刷等。

2.5整车控制系统设计技术

整车控制系统是整个汽车的核心控制部件，它的优劣直接影响到汽车的可靠性、燃料经济性和其它性能。整车控制系统是燃料电池混合动力汽车开发过程中的关键环节之一。其主要功能包括：CAN总线控制及数据采集；分析各种操作信号，如加速踏板、制动踏板、车辆速度以及各部件的工作状态参数（如超级电容电压、电流等），由整车控制器进行解释运算并将之转化为控制命令，进行能量源的功率分配；故障诊断及处理等。目前控制系统向智能化和数字化方向发展，变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统及遗传算法等非线性智能控制技术，都可以应用于燃料电池电动汽车的控制系统中。

3结语

目前氢燃料电池汽车已经取得阶段性进步，主要技术进步如下：燃料电池技术成本和耐久性取得一定进展；基于70MPa储氢技术，续驶里程得到提高；燃料电池寿命满足商用要求；低温环境适应性提高，可适应零下-30℃气候，车辆适用范围达到传统车水平。未来，汽车行业将继续以高品质产品为核心，进一步拓宽环保车型开发蓝图，为汽车的可持续发展继续努力。

参考文献：

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