電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)研究

王順權(quán)

（無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，江蘇無錫 214101）

0 引言

電動(dòng)自行車已經(jīng)成為我國普通市民最主要的出行方式之一，具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、高效方便、價(jià)格便宜、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)［1］。但是目前電動(dòng)自行車普遍采用鉛酸電池或者鋰離子電池作為動(dòng)力源，續(xù)航里程在40～60 km，充電慢，充電過程也有好多安全隱患。燃料電池是近年來出現(xiàn)的綠色動(dòng)力能源，已經(jīng)在汽車等交通工具領(lǐng)域受到極大重視并已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用［2］。對于電動(dòng)自行車而言，采用燃料電池作為動(dòng)力源，是一個(gè)新的研究方向。燃料電池的特性能夠確保電動(dòng)自行車?yán)m(xù)航里程不低于現(xiàn)有方案，同時(shí)加氫只需要4～6分鐘，使用便利性大幅提高。但是燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力弱，過載能力差，如果僅僅由燃料電池來驅(qū)動(dòng)車輛，對于整車的加速性能和爬坡性能有較大的影響。本研究旨在通過將燃料電池技術(shù)與一種具備瞬態(tài)大電流發(fā)電能力的儲(chǔ)能設(shè)備連接，使得燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)在具備長航時(shí)、快速充裝特性的同時(shí)，具備較好的爬坡與加速性能。文章提供了一種電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制方法、電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制裝置及包括該電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制裝置的電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，解決相關(guān)技術(shù)中存在的燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力弱過載能力差的問題。

1 技術(shù)路線

為了達(dá)到上述目的，將適合于長時(shí)間穩(wěn)定輸出的氫燃料電池與適合于短時(shí)大電流放電的動(dòng)力型鋰電池并聯(lián)，搭建一種“電電”互混的電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。系統(tǒng)包括燃料電池、鋰電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、儲(chǔ)氫罐、電機(jī)和主控單元等，如圖1所示。圖中，儲(chǔ)氫罐用于存儲(chǔ)燃料電池發(fā)電所需的氫氣，燃料電池將氫氣和空氣中的氧氣在合適溫度和催化劑的作用下反應(yīng)產(chǎn)生電力，鋰電池是一種具備瞬間大電流放電能力的儲(chǔ)能裝置，作為啟動(dòng)電源和彌補(bǔ)系統(tǒng)峰值功率的電源，DC/DC轉(zhuǎn)換器主要用來控制燃料電池和鋰電池的輸出，主控單元是系統(tǒng)的“大腦”，通過電壓傳感器、電流傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等傳感器獲知儲(chǔ)氫瓶、燃料電池、鋰電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)自行車電機(jī)的狀態(tài)，通過能量管理算法對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和保護(hù)。

圖1 電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，燃料電池通過DC/DC轉(zhuǎn)換器和鋰電池并聯(lián)輸出到電機(jī)負(fù)載。正常工作的時(shí)候，燃料電池與鋰電池可以同時(shí)對外輸出，也可以由燃料電池獨(dú)立輸出。當(dāng)鋰電池電量較低，且燃料電池功率有富余時(shí)，燃料電池可以通過DC/DC轉(zhuǎn)換器為鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)遇到瞬間大電流放電需求時(shí)，鋰離子電池可以短時(shí)間輸出大電流來滿足負(fù)載需求。系統(tǒng)中包含的主要模塊如下，判斷模塊，用于在系統(tǒng)電源開啟后判斷鋰電池的工作狀態(tài)是否正常；第一控制模塊，用于在鋰電池的工作狀態(tài)正常時(shí)控制鋰電池與電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連通，且判斷是否滿足氫燃料電池的開啟條件；連通模塊，用于在滿足氫燃料電池的開啟條件時(shí)將儲(chǔ)氫瓶與氫燃料電池連通；第二控制模塊，用于獲取鋰電池的荷電狀態(tài)并根據(jù)鋰電池的荷電狀態(tài)控制氫燃料電池的輸出功率。

在上述系統(tǒng)中，需要使用傳感器來取得相應(yīng)模塊的實(shí)際工作狀態(tài)。鋰電池電流傳感器分別與鋰電池以及電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制裝置連接，用于采集鋰電池的輸出電流，并將采集到的輸出電流反饋至電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制裝置；儲(chǔ)氫瓶壓力傳感器設(shè)置在儲(chǔ)氫瓶的出氣口，且與電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制裝置連接，用于采集儲(chǔ)氫瓶的壓力，并將采集到的儲(chǔ)氫瓶的壓力反饋至電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制裝置；氫氣低壓傳感器設(shè)置在氫燃料電池的進(jìn)氣口處，用于采集儲(chǔ)氫瓶輸出的氫氣的低壓壓力，并將采集到的儲(chǔ)氫瓶輸出的氫氣的低壓壓力反饋至電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制裝置；電流傳感器設(shè)置在氫燃料電池的輸出端，用于采集氫燃料電池的輸出電流，并將采集到的氫燃料電池的輸出電流反饋至電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制裝置。

2 工作流程

按照上述架構(gòu)圖，設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車用燃料電池系統(tǒng)電氣原理圖，如圖2所示。

系統(tǒng)具體工作流程：（1）系統(tǒng)上電：鑰匙吸合，主控單元檢測鋰電池狀態(tài)。如果鋰電池狀態(tài)正常，則吸合鋰電池對外接觸器，允許鋰電池對外輸出；如果鋰電池狀態(tài)不正常，則將報(bào)警信息通過液晶顯示模塊顯示。（2）燃料電池開機(jī)：鋰電池正常的情況下，主控單元檢測儲(chǔ)氫瓶壓力，如果壓力正常，則打開氫氣進(jìn)氣閥。主控單元檢測氫氣低壓壓力以及燃料電池開路電壓是否正常，氫氣低壓壓力許可范圍為0.3 bar～0.6 bar，燃料電池開路電壓需要高于30 V。如果氫氣低壓壓力和開路電壓正常，則燃料電池開機(jī)正常，如果氫氣低壓壓力或者開路電壓不正常，則關(guān)閉氫氣進(jìn)氣閥，并將故障信息上報(bào)液晶顯示模塊。（3）能量管理：燃料電池開機(jī)正常時(shí)，主控單元根據(jù)鋰電池SOC狀態(tài)，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器控制燃料電池輸出功率至額定200 W；當(dāng)鋰電池電壓達(dá)到50.7 V時(shí)，燃料電池進(jìn)入休眠待機(jī)模式，關(guān)閉進(jìn)氣閥；當(dāng)鋰電池電壓降低至46.8 V時(shí)，燃料電池自動(dòng)喚醒，重復(fù)2燃料電池開機(jī)步驟。（4）系統(tǒng)關(guān)機(jī)：關(guān)掉鑰匙，鋰電池接觸器斷開，燃料電池進(jìn)入關(guān)機(jī)模式。燃料電池進(jìn)入關(guān)機(jī)模式時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，打開排氣閥，將燃料電池內(nèi)的氫氣排空，之后關(guān)閉排氣閥，燃料電池關(guān)機(jī)完成，系統(tǒng)自動(dòng)掉電。

圖2 電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)電氣原理

在關(guān)掉氫燃料電池前，對氫燃料電池內(nèi)的氫氣進(jìn)行排放時(shí)，可以通過控制進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉以及控制排氫電磁閥打開實(shí)現(xiàn)對氫燃料電池內(nèi)的氫氣的排空。另外，在需要斷開儲(chǔ)氫瓶與氫燃料電池的連通時(shí)，可以通過關(guān)閉氫瓶閥以及關(guān)閉進(jìn)氣電磁閥來實(shí)現(xiàn)。需要說明，報(bào)警信息可以通過液晶屏進(jìn)行顯示，因此，可以通過電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制裝置控制液晶屏的顯示。另外，電動(dòng)自行車用氫燃料電池動(dòng)力控制可以通過485通訊端口與DC-DC電源模塊以及液晶屏進(jìn)行信號(hào)傳輸。上述氫燃料電池動(dòng)力控制裝置可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

該燃料電池電動(dòng)自行車在綜合路況行駛時(shí)，主要包含如下3種工作模式。第一種工作模式：當(dāng)燃料電池電壓高于鋰電池電壓時(shí)，燃料電池可以在為電機(jī)供電的同時(shí)為鋰電池充電，當(dāng)鋰電池充滿后，充電回路可以根據(jù)需要打開或者切斷。第二種工作模式：當(dāng)燃料電池與鋰電池電壓相當(dāng)時(shí)，兩者同時(shí)為電機(jī)供電。第三種工作模式：當(dāng)燃料電池電壓低于鋰電池時(shí)，由鋰電池為電機(jī)供電，同時(shí)DC/DC轉(zhuǎn)換器由于具有隔離功能，所以鋰電池的電壓不會(huì)反饋到燃料電池上。一般車輛在正常行駛的時(shí)候，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)一般處于第一種工作模式，即由燃料電池主要供電。當(dāng)車輛在爬坡或者加速時(shí)，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)一般處于第二或第三種工作模式。當(dāng)系統(tǒng)處于急加速狀態(tài)時(shí)，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)一般處于第三種工作模式。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池和鋰電池方案，采用氫燃料電池作為電動(dòng)自行車的動(dòng)力源，具備充裝簡便，續(xù)駛里程長的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，采用“電電”互混技術(shù)將兩種電源并聯(lián)組合使用，使得該電動(dòng)自行車燃料電池系統(tǒng)能夠以較小的功率保證車輛的正常行駛，同時(shí)具備良好的功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和瞬間過載能力，滿足了電動(dòng)自行車加速和爬坡等短時(shí)大電流過載輸出的需求。

表1 主要技術(shù)參數(shù)