电动汽车燃料电池增程器的系统集成设计研究

　　1 电动汽车及增程器简介
   　　电动汽车指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。它包括燃料电池电动汽车（FCEV） 、混合动力电动汽车（HEV） 和纯电动汽车（BEV） 3种类型。由于目前蓄电池储能有限，纯电动汽车存在一次充电后续驶里程短的问题。考虑采用在纯电动汽车上加装一个增程器的方法来配合车载动力电池在不同工况下工作，增加纯电动汽车的续驶里程。
   　　增程器是为了增加纯电动汽车行驶里程而加装在纯电动汽车上的一个附加储能部件。通常用户可以在出行时根据行驶里程需求自行选择安装或者不安装（ 降低车重，可以减少能量消耗）。增程器的形式通常有：小型发电机、蓄电池和燃料电池等。而由于增程器的工作特点，通常对其性能有如下要求： 要求系统可靠，长时间待机后可以立刻进入工作状态; 由于工况单一，要求对工作点进行较好的优化以降低系统成本，提高效率。
   　　相比纯电动汽车，带增程器的电动汽车在行驶里程方面有很大的优势，相比传统油电混合动力汽车，带增程器的电动汽车在排放方面优点十分突出，而相比新型电电混合动力汽车，带增程器的电动汽车以蓄电池驱动为主，更偏向于纯电动驱动，因此也可视其为从混合动力驱动向纯电动驱动的一种过渡方法。
   　　2 选择增程器
   
   　　通常可选择的增程器类型为小型发电机或者燃料电池。基于尽量避免使用燃油和争取实现零排放的初衷，建议选用蓄电池或燃料电池作增程器。根据动力电池的充电电压和车辆行驶里程的要求可以确定增程器的输出电压和储电量。而根据增程器的输出电压和蓄电量来选择目前市场上所销售的现成产品，从而可以缩短开发周期，节约开发成本。本文介绍的为使用燃料电池作增程器的方案，主要介绍燃料电池增程器的集成设计方案。
   　　实例分析假设开发一辆场馆车，整车参数见表1。
   
   　　
   
   　　2.1 选择动力性能指标
   　　根据其使用目的和常用工况可以选择如下动力性能指标。最高车速： Vmax = 35 km/h; 爬坡能力：以Vb =12 km/h 车速爬15%的坡道; 加速能力： 0 ～30 km/h 时小于6 s; 巡航车速： Vn =25 km/h。
   　　2.2 计算
   　　经过计算，同时考虑到最初设计目标、今后量产选型及成本方面的要求，选择其中一路供电电源为磷酸铁锂电池电源，其放电电压在2.5 ～ 3.5 V之间，故可选用20 个放电电压为3 V的磷酸铁锂电池串联。考虑安全系数可选择电池参数如下： 电池电压为60 V，容量为80 Ah; 希望SOC 为0.2 ～0.9; 且该产品为目前已经量产成熟的零部件。
   　　2.3 选择增程器
   　　要求增程器提供可供该车行驶45 km的能量，考虑蓄电池充电效率，增程器的储电量应比蓄电池略大，磷酸铁锂电池充电电压在3.5 ～ 4 V之间，故选择增程器输出电压为80 V。为实现零排放的初衷，同时为以后量产做准备，在此选择小型燃料电池作为增程器，且该小型燃料电池为目前市场上现有较成熟的产品（见图1） 。
   
   　　
   
   　　3 增程器的布置方式
   
   　　3.1 燃料电池增程器系统集成设计技术背景
   　　从增程器总成安装结构方面入手，通过将增程器系统总成结构改为可快速更换结构，用增加增程器总成系统来解决电动汽车中续驶能力不足的问题。
   　　3. 2 燃料电池增程器总成各机构及关键部件
   　　工作原理： 整个增程器总成通过前端的锥形定位元件和后端的锁紧定位销以及卡扣与侧面的辅助挡板实现快速定位。当增程器开始安装时，底板的滑轮接触导轨，推动到末端后，滑轮滑入滑槽，此时靠导轨来支撑，然后销上定位锁紧销，扣上锁紧卡扣，则完成增程器的机械安装。当增程器进行演示时，可以把增程器拉出来后，用支撑腿把它支好，演示结束后，可以把支撑腿合上，放入支撑架。
   　　3.3 增程器各子模块布置
   　　增程器子模块的布置方式有多种，其中一些常用的布置方式包括就近法、最小空间法、模块化法。这几种布置方式各有利弊。其中就近布置可以减少线束的长度，以及氢气管路的长度等。但可能不好集中管理，感觉增程器没有整体感和系统感。最小空间布置法可以最大范围的压缩包络空间，使整个空间更加紧凑。但各零部件离的太近可能会产生热辐射和电磁干扰等一些负面影响，导致整个系统可靠性下降，系统极不稳定，某子模块出现问题时，不容易找出相关的故障。模块化布置法可以把各子模块按照相关的功能分成若干模块，这样一来可以较好地管理相应的模块，同时也可以减少一些热辐射和电磁干扰等。当其中某个模块出现问题时，可以快速发现并且解决。
   　　在这同时，也便于整体安装，把相关的模块做为一个总成，可以实现该总成快速更换，同时缩短增程器在车上的安装时间。
   　　经过综合比对和考虑，本实例中的电动微型车在空间允许的条件下，优先考虑第3 种布置方案。在本实例中，经过细分，可以把燃料电池增程器分为3 个模块，其中包括氢气系统子模块、燃料电池系统及其管理系统子模块、电源系统及其管理系统子模块3 部分（见图2） 。
   
   　　
   
   　　其中氢气系统子模块和燃料电池系统及其控制系统子模块最后通过快速卡扣和辅助定位机构集成到电源变换系统及稳压系统子模块的支架上，从而构成整个燃料电池增程器总成（见图3） 。
   
   　　
   
   　　3.4 增程器各子模块数模
   　　3.4.1 氢气系统子模块数模
   　　整个氢气系统单独布置，放在增程器总成的最后，同时，该系统可以实现快速更换，当氢气用完时，可以实现加氢，或者更换氢气系统。同时该模块留有与燃料电池系统及其控制系统子模块的接插件，可以实现管路系统的快速接换（见图4） 。
   
   　　
   
   　　3.4. 2 燃料电池系统及其控制系统子模块
   　　燃料电池系统及其管理系统子模块把燃料电池和与其配合工作的相关子部件集成在一起，可以实现一个小的系统功能，同时在出现问题时，也可单独从增程器总成中取出，进行维修。该系统留有与氢气系统子模块数模和电源变换系统及稳压系统子模块的快速接插件和快速接头，可以实现电路和气路的快速连接和通断，可以在很短的时间内即可把整个系统组装完毕（见图5） 。
   
   　　
   
   　　3.4.3 电源变换系统及稳压系统子模块
   　　电源变换系统及稳压系统子模块把大的直流变换器和小的直流变换器和继电器等电器元件集成一起，作为一个整体子模块，该模块也留有快速接插件，同时也留有与整车连接的接插件，可以把燃料电池发出的电变换成车辆可以使用的电。实现3 个子模块的无缝连接和快速连接（见图6） 。
   
   　　
   
   　　3 个子模块的组合组成了燃料电池增程器总成，该总成可以实现快速更换，当行驶里程小于55 km时，可以把增程器总成拔掉，这样也可以减少整车的载荷，有利于电池的续驶里程。当行驶里程大于55 km 时，即可把燃料电池增程器安装上。安装时，由于是采用多种快速接头及接插件，不需要太长的时间。
   
   　　4 结语
   
   　　文中介绍了增程器这个比较新颖的概念，并详细说明带增程器的纯电动汽车中燃料电池增程器的系统集成方案，最后辅以实例，希望能在后期的电动汽车增加续驶里程以及增程器的布置集成方面起到抛砖引玉的作用，并能为以后电动汽车增程器的量产奠定一定的基础。