燃料电池汽车（精选十篇）
燃料电池汽车 篇1
电动新能源汽车与燃油发电机汽车的空调系统有很大的不同, 其空调系统利用电极直接驱动, 所以在设计时, 驱动形式控制方法都需具备独特之处, 并且对空调的自动控制也有新的要求。但由于现在的汽车的空调系统主要以进口为主, 而相关技术都有加密, 为我国自主的技术的发展带来了阻碍。
本文从电池燃料的汽车空调系统原理出发, 分析了电动汽车空调系统的内部结构, 从制冷系统和采暖系统出发, 对于该系统的主要组成部分进行详细了阐述, 同时对汽车空调配气系统和风道系统的辅助系统进行了说明, 并指出了汽车空调的性能指标。为了解电动汽车空调系统提供了借鉴。
1 汽车热泵冷暖空调系统的基本原理
汽车空调系统一般主要对车内的温度进行调节, 以达到车内人员所需的环境温度。就汽车空调系统的结构而言, 一般由制冷系统和采暖系统组成。
1.1 汽车空调制冷系统
制冷系统主要由压缩机、干燥器、膨胀阀和冷凝器 (包括冷凝风机) 等组成。汽车空调系统的制冷原理是通过 (液态) 制冷剂对空气中的潜热进行吸收从而产生冷效应。首先, 车内的空气蒸发器的冷却依靠管内的低温制冷剂, 制冷剂由于吸收了热量, 故在一定的气压条件下气化, 但在气化的过程中, 管内的制冷剂的温度与管外空气温度有温度差, 由于温度差的存在, 制冷剂对车内的空气热度进行吸收, 冷效应产生, 车内的空气温度降低[1,2]。紧接着, 压缩机压缩气化了的制冷剂, 变成比车外空气温度高和气压高的气体, 此时, 车外的冷凝器将制冷器的热量释放到车外, 制冷剂变成了高压液态冷凝剂, 在经过膨胀阀等机构的作用, 恢复到初始低温低压状态, 如此循环, 进行制冷。
1.2 汽车空调的采暖系统
汽车空调的采暖系统主要是对空气进行加热, 达到车内加热和除湿的目的。其中, 采暖系统由发动机和独立式这两种热源来提供热量。另外, 采暖系统的主要构成包括风机、暖水阀和暖风散热器。众所周知, 在汽车行驶过程中, 发动机必然会有大量热量产生, 小型汽车的空调系统普遍利用发动机的余热作为热源来采暖。当发动机中的冷却水经流暖水阀后, 最后进到暖风散热器当中, 从而加热暖风散热器中空气[3,4]。
2 汽车空调配气系统及风道总成系统
2.1 汽车空调配气系统
汽车空调配气系统由以下几个部分组成: (1) 空气进口段, 由风机和风门叶片组成, 其中, 车内的新鲜空气和循环空气由风门叶片控制; (2) 空气混合段, 可以为系统提供一定温度的空气, 由加热器和蒸发器构成; (3) 空气分配段, 向人的面部和脚部及挡风玻璃上吹空气。
2.2 汽车空调风道总成系统
汽车空调系统中总成的配气控制是由 (直流) 电机带动拉杆使风门运动来实现的。而内外循环风门控制车内空调的新空气的比例;吹风向由中央风门控制;吹脚除霜风门对吹脚和除霜的风口的开合进行控制;热冷风的混合比例受混合风门的控制。在制冷时, 热气被挡住, 冷气由冷气通道吹出, 同理亦然, 空调系统就是依靠这四个风门来调整车内空气[5]。
3 汽车空调舒适度
汽车空调系统的舒适度就是指其所提供的车内适宜的空气环境, 其主要表现为: (1) 让人觉得舒适的温度; (2) 较好空气的质量。
3.1 汽车室内的特点
汽车一般行驶在户外, 遇到风雨天气或者在太阳下时, 汽车很难进行隔热;而且车在行驶时, 风沙和废气不可避免会从车体的缝隙进入到车厢内部, 影响车内空气质量的同时, 还增加了空气的热负荷;况且汽车行驶时车速也会不断变化, 所以空调的工作情况很难保证[5]。相比房间内的空调系统, 汽车空调系统所处的工作环境更为恶劣。汽车实际上相当于一个“移动的房间”, 拥有和房间内的空调不同的特点。
3.2 汽车空调的性能评价指标
基于汽车空调自身存在的特点, 对其的技术性能和工作可靠性的要求明显要比房间内的空调高许多。由此产生的对汽车空调性能评价指标如下所示:
(1) 温度指标:该指标非常重要。人体适合温度在14℃-28℃, 过高, 人会感到燥热;过低, 人会觉得“冷”。
(2) 湿度指标:由相对湿度来表示, 车内的湿度必须控制在一定的范围内。
(3) 空气的清新度:汽车空调系统要能够对车内的空气进行过滤, 从而保证车内空气的清新程度。
4 总结
本文首先对空调系统的工作原理和结构进行分析, 在此基础上, 对全季节型空调的功能和各个部件的运行情况进行了阐述;最后分析了影响舒适度的因素, 并分析总结出了影响汽车空调的性能的评价指标, 包括温度、湿度、空气清新度和除霜功能等。通过本文的介绍, 为电动汽车空调系统的研究提供了一定的理论依据和参考。
摘要：随着环保理念的加强和科学技术的发展, 电动汽车技术的得到了快速的发展。电动汽车的空调系统作为汽车关键重要的系统之一, 对整个汽车的性能有重要的影响。针对现有的电池燃料的汽车空调系统, 从汽车的空调系统的基本结构原理出发, 分析了汽车空调系统的组成, 同时阐述了汽车空调配气系统和风道系统组成, 以及从舒适度出发指出了汽车空调的性能指标。
关键词：电动汽车,汽车空调,空调结构,性能指标
参考文献
[1]曾立波, 杨华, 高建远.电动汽车空调系统设计对策[J].湖南大学学报, 2001 (05) :41-47.
[2]蒋忠雄.汽车空调全自动控制系统的分析与研究[D].上海:上海交通, 2005.
[3]Takahisa Suzuki Katsuya.Air conditioning system for electricvehicle[Z].SAE Technical Paper, 960688, 1996.
[4]曹中义.电动汽车空调系统解决方案[J].汽车电器, 2008 (3) :1-4.
燃料电池汽车 篇2
氢燃料电池汽车作为新能源汽车的代表,近几年得到了政府和企业的广泛关注和发展.针对氢燃料电池汽车的`结构特点,提出了氢燃料电池汽车存在的碰撞安全性问题,分析了国内外关于氢燃料电池汽车的碰撞安全标准,给出了解决氢燃料电池汽车碰撞安全性问题的方法.
作 者：孙振东 刘桂彬 李希浩 张向磊 作者单位：孙振东,刘桂彬,张向磊(中国汽车技术研究中心,天津,300162)
李希浩(清华大学汽车工程系,北京,100084)
国外燃料电池汽车发展 篇3
氢燃料电池汽车与电池电动汽车（纯电动汽车，BEV）类似，因为它们也是使用高电压电动机推动车辆。然而，不同于电池电动汽车，燃料电池汽车配备了氢燃料罐（或燃料箱）和燃料电池系统，以产生电力来驱动电动机。因此，燃料电池汽车使用车载燃料罐中存储的氢气，加油（加注氢气）只需要几分钟；而电池汽车是依靠存储在高压电池中的电能供电。所以，燃料电池汽车能够提供电池电动汽车那样的环境效益，但它们行驶范围更长，而加油时间更短。
2014年11月的洛杉矶车展开幕之前，丰田公司在Newport海滩的新闻发布会上揭开了Mirai燃料电池轿车的神秘面纱，成为了当时最大的绿色汽车新闻。这款300英里里程范围的汽车将会于2015年秋季在美国的加利福尼亚州上市。丰田公司估计，到2015年底，美国公路上将有200名驾驶着Mirai的司机，而到2017年底，这一数字将累计达到3000。
本文将首先介绍燃料电池汽车的性能及优势，随后指出其发展所面临的挑战及和各国的一些推广支持政策，最后介绍最新的相关技术发展，以期让读者更好地了解燃料电池汽车，并为我国发展燃料电池汽车提供借鉴。
燃料电池汽车的主要性能
燃料电池汽车（fuel cell vehicle，FCV）或者燃料电池电动汽车（fuel cell electric vehicle，FCEV）是一种使用燃料电池为其车载电动机供电的汽车。燃料电池不需要充电，而是可以通过加注氢气实现再充满。使用氢的燃料电池汽车只排放水和热，没有尾气污染物，因此被认为是零排放车辆。但实际上，除非氢燃料电池中使用的氢是通过可再生能源生产的，否则生产氢气就一定会产生污染物。
同时，燃料电池汽车也相当注重安全性。通过满足由汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers）和其他标准发展组织设定的标准，汽车制造商致力于让燃料电池电动汽车与传统汽车同样安全，甚至是更安全。燃料电池电动汽车有必要的安全系统，设计用于在意外发生时保护乘客和急救人员。最重要的是，燃料电池电动汽车与常规车辆一样，要达到国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic and Safety Administration）设立的安全要求。
燃料电池汽车从外面看起来很像传统车辆，但里面却包含着在今天的车辆中无法找到的高科技组件。最明显的区别燃料电池组，它能将存储在车中的氢气与空气中的氧气转化为电能，驱动用来推动车辆的电动机。典型的燃料电池汽车的主要组件包括电动机（Electric Motor，能比内燃机更安静、平稳和高效地驱动车辆，而且需要较少的维护）、燃料电池组（Fuel Cell Stack，将氢气和氧气转换为电，为电动马达提供电力）、高输出电池（High-output Battery，存储由再生制动产生的能量，并为电动马达提供补充电力）、储氢罐（Hydrogen Storage Tank，储存在极高压力下压缩的氢气以增加行驶里程范围）和功率控制单元（Power Control Unit，控制电流）。氢燃料电池汽车的主要性能描述归纳总结如下表。
燃料电池汽车的优势
燃料电池汽车在两个关键领域领先创新：一是能源基础设施，可促进氢社会；二是可持续的移动性，可克服全球环境和能源问题。
为什么当今燃料经济非常重要呢？首先，它可以省钱，选择能够满足需求的最有效的车辆，每年可以最多节约1400美元的燃油费用；其次，它可以减少气候变化，因为燃烧汽油和柴油所产生的二氧化碳都会导致全球气候变化；再次，它可以降低石油依赖度成本，因为对石油的依赖会使经济容易受到石油市场操纵和价格冲击的影响；最后，它能够提高能源的可持续性。因为石油是一种不可再生资源，因此我们不可能无限期维持现有的利用率，现在明智地使用它能够让我们有时间找到更具持续性的替代技术和燃料。
正因为如此，燃料电池汽车具有内在的优势。
首先，使用燃料电池汽车可以减少温室气体排放量。以汽油和柴油为动力的车排放主要成分为二氧化碳的温室气体（GHGs），导致全球气候变化。以纯氢为动力的燃料电池汽车不排放温室气体，排放的只有热和水。取决于不同的生产方法，生产燃料电池汽车所需的氢会产生温室气体，但是远少于传统的汽油和柴油车辆排放。即使燃料来自最肮脏的氢气来源——天然气，与汽油动力汽车相比，今天的早期燃料电池汽车也能减少超过30%的温室气体排放量。而未来的可再生燃料标准（例如现在加利福尼亚州的要求）将会让氢气更清洁。
其次，推广燃料电池汽车能够减少对石油的依赖。之所以如此，是因为氢可以产自国内资源，如天然气和煤炭，以及水、沼气和农业废弃物等可再生资源。这将减小本国经济对其他国家的依赖性，并且更不易受到日益动荡的石油市场中的油价冲击。
再次，使用燃料电池汽车会产生较少的空气污染物。在美国，空气中的烟雾和有害颗粒物等很大一部分是来自于公路车辆排放的污染物。而以纯氢为动力的燃料电池汽车不会排放有害污染物。如果氢气产生自化石燃料，会产生一些污染物，但远小于传统汽车尾气排放量。
氢燃料电池汽车具有双重优势，它既有传统汽车的行驶范围和加油过程，同时又有以电力为动力的驾驶的娱乐性和环境优势。因此，燃料电池汽车不仅仅是环保车，它也非常有驾驶乐趣，并能提供便利性和高性能。
除了私家车和公司用车，目前还有超过100辆燃料电池公共汽车部署在全世界，加拿大惠斯勒（Whistler）、美国旧金山、德国汉堡、中国上海、英国伦敦、巴西圣保罗以及其他一些城市都有。与柴油公共汽车和天然气公共汽车相比，燃料电池公共汽车的燃油经济性高出约30%～141%。
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燃料电池汽车所面临的巨大挑战
2014年，气候博客人、前美国能源部官员Joseph Romm用三篇文章来批评氢燃料电池汽车。他说，燃料电池汽车仍然没有解决以下问题：车辆的高成本、燃料的高成本，以及缺乏燃料输送基础设施。实际上，要让燃料电池汽车成为消费者眼中成功的、有竞争力的选择，必须要克服下面所列出的各方面的挑战。
首先是车辆成本。目前，虽然燃料电池汽车比传统汽车和混合动力车都要昂贵，但实际上成本已经大大降低，并且正在接近美国能源部制定的2017年的目标（即30美元/kW）。为了能让燃料电池汽车与传统技术竞争，制造商必须不断降低生产成本，特别是燃料电池组和氢存储的成本。
其次是如何实现车上的氢存储。有些燃料电池汽车能够存储足够的氢，从而让行驶里程范围与汽油车辆无异（大约300到400英里，约合480到640公里）。但是，要在不损害客户对空间、性能、安全或成本的期望的情况下，让不同品牌和型号的车辆都实现这一点，并不容易。理论上，燃料电池汽车比传统汽车能效更高，与等重量的汽油相比，氢气包含高三倍的能量。但是，与等体积的汽油相比，氢气所包含的能量只有其1/3，因此很难存储足够的氢来让燃料电池汽车与加满汽油的车跑得一样远，至少在尺寸、重量和成本限制下是如此。目前，已经在探索各种氢存储方法，各有优缺点（见表2）。
再次，是燃料电池耐用性和可靠性。燃料电池系统尚未如同内燃发动机一样持久耐用，特别是在一定的温度和湿度范围内更是如此。专家认为，要让燃料电池汽车能够与汽油车竞争，电池的预期寿命要达到15万英里才行，而目前才只有7.5万英里。
另外，还有如何让消费者获得氢气。当前氢气生产、输送和分配的基础设施尚无法支持燃料电池汽车的广泛使用。在燃料电池电动汽车成为现实之前，加油站需要投资，使之具有加注氢气罐的能力。但是，由于目前道路上的这类客户极少，因此现有的加油站不大可能进行这项投资。目前，全美国也就总共只有12个氢燃料加注站。因此，氢燃料基础设施问题何时真正得到解决是个大问题。
最后，就是公共教育。在燃料电池技术的好处实现之前，必须让消费者先接受这一技术。如同任何新的车辆技术，当燃料电池汽车第一次进入市场的时候，消费者可能会在可靠性和安全性方面有顾虑。此外，他们必须熟悉一种新的燃料。而公共教育可以加速这一进程。
事实上，与氢燃料汽车相关的运输、存储和生产成本都还过高，这是氢燃料汽车推广的巨大障碍。更有甚者，Joseph Romm认为，不论是现在还是将来，用可再生能源来产生氢气在经济上都是不可行的。而绿色技术媒体（GreenTech Media）在2014年也得出了类似的结论。因此，要推广燃料电池汽车，确实是任重而道远。
各国致力于发展燃料电池汽车
美国
2003年，美国总统乔治·布什提出氢燃料倡议（Hydrogen Fuel Initiative，HFI），该倡议旨在进一步开发利用氢燃料电池和基础设施技术，以加快燃料电池汽车的商业推广。到2008年，美国已经对该项目投资达10亿美元。
虽然在2009年的时候美国能源部长朱棣文（Steven Chu）断言，在未来的10到20年，氢气车辆都不会可行，但是，在2012年，朱指出，随着天然气价格的下降和氢气改进技术的发展，燃料电池汽车在经济上将更加可行。因此，美国政府继续致力于支持燃料电池汽车。
2013年，美国能源部（Department of Energy，DOE）宣布高达400万美元的计划，用于继续发展先进的氢存储系统。2013年5月，能源部推出H2USA方案，重点推进美国的氢基础设施。也在是2013年，加利福尼亚州州长Jerry Brown签署AB 8法案，要在未来10年内每年拨款2000万美元，建设多达100个氢气燃料加注站。2014年5月，加利福尼亚州能源委员会出资4660万美元建设28个氢气燃料加注站。
美国加利福尼亚州大学欧文分校（University of California Irvine）先进电力和能源项目（Advanced Power and Energy Program，APEP）的研究发现，在适当的地点建立68个站，就可以处理至少10000辆燃料电池汽车。而这些站正在逐渐成为现实。到2015年底，加利福尼亚州的9个现役氢燃料补给站中的3个，以及17个新建的站将向一般公众开放，并且有28个站预计要到2016年底交付，意味着短期内氢燃料补给站的总数将达到48个。为在美国推广其燃料电池汽车，丰田汽车公司将继续支持发展便捷、可靠的氢燃料补给基础设施。上述48个氢燃料补给站中的19个将使用丰田公司提供的730万美元的贷款支持，由FirstElement Fuels建造。丰田公司还宣布要为美国东北部地区发展氢燃料补给基础设施做出更多的努力。在2016年，Air Liquide将与丰田公司合作，目标是要在纽约、新泽西、马萨诸塞、康涅狄格和罗德岛这五个州共建设12个补给站。由于东北部的五个州气候寒冷，因此，冬季会严重限制电池电动汽车的行驶范围，在这些地区燃料电池汽车应该更有优势。
除此之外，为推广燃料电池汽车，客户购买燃料电池汽车也会享受许多优惠政策。比如在加利福尼亚州，许多购买燃料电池汽车的客户可以得到联邦和州政府提供的高达13000美元的奖励，意味着如果购买丰田Mirai，其购买价格可以降至45000美元以下。另外，在加利福尼亚州，Mirai有资格获得“白色标签”，从而能够在只有单一乘员的情况下，使用拼车车道（carpool lane），这对于交通高峰时段无疑是个很大的激励政策。而为了推广丰田Mirai，丰田汽车公司打算在前三年提供免费的氢加油，目前现代对它的途胜（Tucson）燃料电池休旅车的承租人就采用了这种方法。并且，丰田公司将为所有的燃料电池组件提供8年或者10万英里保修。
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日本
氢燃料电池汽车要想成功，就需要在他们销售的每个区域都有足够数量的公共氢气加注站。针对要在多个国家建立电动汽车充电基础设施，汽车制造商已经开展了宣传活动。但是，由于氢燃料加注站的成本要高得多，因此，类似的努力就会更加困难。尽管如此，作为其“氢经济”愿景的一部分，日本国家政府已经表现出对燃料电池汽车强有力且持续的支持与承诺。
2015年7月1日，日本三个最大的汽车制造商——本田、日产、丰田——发表联合声明，表示将联合努力，以支持建造新的氢气加油站。在声明中，这三家企业讨论了细节内容，所采取的措施将包括承销一些建设氢气加油站的基础设施公司所产生的运营成本。基于此，汽车制造商将涵盖项目中所涉及的加油站1/3的运营成本，每个加油站的份额大约为1100万日元（约合9万美元）。在每个财年，运营商必须重新申请资助。但到目前为止，汽车制造商尚未表示获得支持的加油站的数量是否有限制。声明指出，在燃料电池汽车确立市场地位，并且氢气加油站基础设施的建设步入正轨前，该项目将一直运行。汽车制造商们认为，这预计会到大约2020年。
日本的氢加油基础设施项目将在政府的巨大努力下展开，以促进燃料电池的各种用途。日本首相安倍晋三（Shinzo Abe）将国家氢加油站网络看作是其“氢社会”的一部分，在“氢社会”中，燃料电池不仅为汽车提供动力，还为家庭和办公楼宇等提供电力。在氢燃料加注站方面，日本已经于2014年建成第一个商业氢燃料加注站，并有40个新站在计划中。东京市政府计划在2020年前，在其管辖范围内资助建造35个站，而2020年正是东京主办夏季奥运会的年份。
除了美国和日本，目前德国已经草拟了氢气加油网络计划，计划要建设50个氢气加注站。同时，草案要求所有的氢气都要产生自可再生能源，从而让汽车从井到车轮（wells-to-wheels）的碳足迹能与电动汽车相比。
燃料电池汽车最新相关技术
不同类型的燃料电池包括聚合物电解质膜（polymer electrolyte membrane，PEM）燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、改良甲醇燃料电池和再生燃料电池。而目前车辆中最常见的燃料电池是聚合物电解质膜电池。
2012年，英国研制成功的聚合物电解质膜燃料电池能在较低的温度下操作，比其它燃料电池更小，更轻，使得它们更适合用于小汽车和货车。英国的聚合物电解质膜燃料电池系统可将汽车总拥有成本降到低于36美元/kW，从而让燃料电池电动汽车足以在成本上与内燃机动力汽车竞争。如果使用该技术，到2050年可以将燃料电池电动汽车的市场总份额从原有预期的25%提高到34%，相当于在全球增加了200万辆燃料电池电动汽车，这等同于300亿美元的聚合物电解质膜燃料电池市场价值，以及全球2.6亿吨的二氧化碳节余。
在2015年4月，一直致力于开发酶方法的弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）生物系统工程系的教授Percival Zhang研究成功了一种直接从植物中制造氢气的新方法。Zhang的方法是“无细胞”的，也就意味着不需要像发酵一样使用微生物。相反，该方法使用酶，把复杂的糖类（比如那些在植物材料中找到的糖）分解成组件成分。目前，他的实验表明，这一过程能够有效地将玉米秸秆（这是美国最富的农业废物产品）转化为氢燃料。张和他的同事们已经证明，相比于传统的发酵方法，该过程能让每单位的糖多产生三倍的氢。目前这项技术仍处在初期阶段，仅使用一两毫升的反应器在小规模内得到了验证。但张教授说，这种方法与现在使用微生物从有机材料中生产氢的过程（包括纤维素乙醇）几乎一样快，并且一样有能效。张教授的下一个目标是提高生产规模，将其从几毫升提高到一升，并且他希望三年内能够在加油站中应用这一过程。如果可能，这一方法将会成为经济实惠的方式，这或许能够为依靠农业废弃物的氢气加气站铺平道路。张教授甚至设想，如果该过程被证实可行的话，未来汽车可以有一个车载反应器，将糖转化为燃料。但是，目前该技术也存在一些问题。首先，其潜在的成本尚不确定，要真正变成大规模的可用商业化可行过程还有很长的路要走。其次，这一过程取决于酶，而张教授的技术中需要的酶的成本相当高。并且，目前尚不清楚大规模时该酶是否足够稳定。但无论如何，该方法为经济实惠的提取氢带来了希望。
虽然燃料电池汽车和为其加注氢的基础设施目前都还处于早期部署阶段，但燃料电池汽车却有可能对交通运输系统产生革命性的影响。如果氢燃料能够成为一种可行的低碳能源载体，那么要提高能源安全，实现能源来源的多样化，同时减少温室气体排放，氢动力燃料电池汽车可能是重要的长期的解决方案。要真正将燃料电池技术从一个实验室项目转变成一个现实世界的解决方案，以实现车辆的零排放，这不仅是汽车制造商的任务，也是整个社会的任务。无疑，未来还有很长的路要走。
探秘燃料电池及氢能源汽车 篇4
传统干电池、蓄电池是一种储能装置, 是把电能贮存起来, 需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置, 像发电厂一样, 是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外, 氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成, 这是氢燃料电池的一项关键技术, 它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面, 还要对电池的化学反应起催化作用。氢燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点, 作为一项新型能源———氢燃料电池在电动车上具有很好的易用性和实用性。
燃料电池是一种化学电池, 但是, 它工作时需要连续地向其供给活物质———燃料和氧化剂, 这又和其它普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释放出的能量转变为电能输出, 所以才被称为燃料电池。具体来说, 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能, 通过催化剂的作用, 使氢与氧发生化学反应, 等温、高效、无污染地转化为电能的发电装置, 其反应过程不涉及到燃烧, 能量转化率可高达80%, 实际使用效率是普通内燃机的2倍以上。其燃料除氢气、石油外, 还可使用天然气、甲醇、煤以及其它非石油基燃料, 由于汽油中含有大量氢, 世界各公司正在寻找合适的催化剂, 以将汽油中的氢分解出来, 供燃料电池使用。
燃料电池直接进行能量转换, 最高工作温度约80℃, 不像传统内燃机发动机之高温燃烧现象;能量应用高效率, 低污染排放, 具备使用替代燃料可能性除纯氢气外, 甲醇、汽油等液体燃料亦可经由重组为富氢气使用;低负载状态下较传统内燃机发动机拥有较佳效率;以燃料电池取代传统内燃机发动机的车辆, 省能源可达50%以上, CO2排放降低75%以上, 大量减少有毒物质排放;燃料电池电动车补充燃料容易, 可迅速获得动力, 相较于传统电动车充电时间长的缺点, 具机动性。
根据传统的习惯, 把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”, 仍然称为燃料“电池”, 但其与一般的化学电池是完全不同的工作原理。
燃料电池的能量转换方式是燃料的化学能直接转换为电能, 它能够使用多种燃料, 可以是石油燃料也可以是有机燃料, 并可使用包括再生燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。
应该说质子交换膜燃料电池最有条件满足这些要求, 其工作温度较低, 它们能很快地达到所需的温度。研究表明, 以甲醇为燃料的燃料电池, 其燃料利用率是用汽油内燃机提供动力的车辆的1.76倍。在现有的燃料电池中, 质子交换膜燃料电池的电力密度最大。
现在, 大多数车辆生产商视质子交换膜燃料电池为内燃机的后继者, 在这一进程中, 运用不同车辆和在不同地区的试验进展顺利, 用质子交换膜燃料电池为公共汽车提供动力的试验已在温哥华和芝加哥取得成功。德国的城市也进行了类似的试验, 十个欧洲城市也在公共汽车上进行试验, 伦敦和加利福尼亚也将计划在小型车辆上进行试验。燃料电池轿车在造价上与普通轿车相比约高10%～15%, 已具有一定的经济发展价值。在生产商能够有效地, 大规模地生产质子交换膜燃料电池之前, 需要解决的主要问题包括生产成本, 燃料质量, 以及电池的体积。
现在氢发动机主要的两种形式是氢氧燃料电池和氢内燃机。这两种形式的发动机在技术上已经取得了相当喜人的进步, 几乎已经进入了最后的冲刺阶段。其中燃料电池汽车未来有更好的前景, 而氢内燃机是现阶段一种很好的过渡产品。
氢燃料电池电动车排出的仅仅是水, 而不是二氧化碳、氮氧化合物等有害气体, 从根本上解决了制约汽车工业发展的能源和环境问题, 氢燃料电池技术有以下好处:一是节能、转换效率高;二是灵活性大, 适应性强, 燃料多样化;三是排放达到零污染;四是有利于我国汽车产业的发展, 通过发展燃料电池电动车技术, 缩短与发达国家汽车产业的差距;五是产出物不需进行净化处理和消声处理, 整个燃料电池系统容易实现自动化系统管理;六是车辆性能接近内燃机汽车, 结构简单和运行平稳。在车辆上可以根据车辆的轴荷分配、车辆有效空间的利用等具体情况, 灵活、机动地进行总布置。因此开发燃料电池汽车, 在能源环保形式日益严峻的情况下备受瞩目。
2. 开发氢能汽车亟待解决的问题和对策
时下, 发展燃料电池汽车成为汽车领域一个重要的课题。因为氢氧燃料电池的优势相当明显。首先, 氢氧燃料电池的燃料来源非常广泛, 在地球上的储备也非常丰富, 氢元素是地球上储量最多的元素之一。其次, 燃料电池的排放很低。只有氢气 (H2) 与氧气 (O2) 在特殊的环境下发生的电化学反应, 这样反应的产物就是水, 没有如一氧化碳 (CO) 等有害产物;没有直接的明火燃烧, 就没有氮气 (N2) 与氧气 (O2) 反应产生的氮氧化物 (NOx) ;因为氢气不是化石燃料, 所以也没有硫化物等对环境有害的物质。氢气释放化学能的过程是所谓的“冷燃烧”, 化学反应以后直接得到电能来驱动汽车或者被车载电器使用。这样也就没有活塞、连杆等机构, 大大地减小了发动机运行时产生的机械振动。虽然燃料电池汽车在理论上具有比内燃机车辆优越的经济性、动力性和排放性, 但在替代内燃机车辆的过程中还有以下很多有待解决的技术难题。
质子交换膜的价格不菲, 冷燃烧的发生环境是非常“昂贵”的。目前质子交换膜燃料电池是最有发展前途的燃料电池之一, 但质子交换膜燃料电池需要用重金属铂作为催化剂。目前, 电动汽车的燃料电池价值约3万美元以上, 约是普通内燃机的10倍。虽然说大批量生产这种特殊材料成本会有所降低, 但是价格上的缺点还是可能使燃料电池汽车比同级别的化石燃料汽车要贵1倍以上。催化剂铂 (Pt) 价格十分昂贵。其价格大约是黄金的2倍。设备开支问题对燃料电池汽车的实用化也十分重要, 燃料电池汽车用来保护复杂的电池反应堆的装置和相关的费用都有待于进一步降低。因此, 如何降低成本是燃料电池汽车实用化的关键。
Fcev (燃料电池汽车) 的动力总成与普通内燃机汽车的动力总成完全不一致。那么如果要广泛地推行燃料电池汽车, 现有的活塞式发动机的汽车就要完全淘汰, 这次“革命”的代价是相当沉重的。
燃料种类单一, 比功率还要进一步提高。目前, 不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢, 还有用碳水化合物经过重整后转换的氢, 是燃料电池的惟一的燃料。氢气的产生, 储存、保管、运输和灌装或重整, 都比较复杂, 对安全性要求很高。内燃机的比功率约为300W/kg, 以氢为燃料的燃料电池比功率约300W/kg～350W/kg、功率密度为280W/l。为满足Fcev动力性能的要求, 需要进一步提高燃料电池发动机的比功率。
需要配备辅助电池系统。燃料电池可以持续发电, 但不能充电和回收Fcev再生制动的反馈能量。通常在Fcev上还要增加辅助电池, 来储存燃料电池富裕的电能和在Fcev减速时接受再生制动时的能量。
要求高质量的密封。燃料电池的单体电池所能产生的电压约为1V, 不同种类的燃料电池的单体电池所能产生的电压略有不同。通常将多个单体电池按使用电压和电流的要求, 组合成为燃料电池发动机组。组合时, 单体电池间的电极连接, 必须要有严格的密封, 密封不良的燃料电池会使氢气泄漏到燃料电池的外面, 降低氢的利用率, 严重影响燃料电池发动机的效率, 还会引起氢气燃烧事故。由于要求严格的密封, 使得燃料电池发动机的制造工艺很复杂、并给使用和维护带来很多困难。
汽油裂化困难。汽油裂化反应需要在850℃～1000℃温度下进行, 并且当燃油裂化结束时, 冷却也十分困难。此外, 在汽油裂化过程中将产生CO2和其它可导致温室效应的气体。另一个难以解决的问题是防止燃料电池在催化剂作用下发生疏化反应。
防结冰问题。结冰性是燃料电池的致命弱点。燃料电池在工作过程中, 不可避免地产生水, 在低温的情况下, 水结成冰会破坏聚合隔膜。更大的问题是电池反应堆在低于0℃时是不会产生电流, 如何使在-20℃～-40℃温度下已经冻透的反应堆很快地正常工作, 将是一个难点。
燃料电池还有一个非技术性的缺点也是最不好解决的。采用燃料电池的汽车加速性能比起普通活塞式发动机还有很大差距。虽然燃料电池可在1s之内迅速提供满负荷动力, 但是其只能在几秒钟内承受短时过负荷。这样一来燃料电池的汽车的加速性能就比普通汽车有明显降低。
氢内燃机不需要任何昂贵的特殊环境或者催化剂就能完成做功, 这样就不会存在造价过高的问题。现在很多已经研发成功的氢内燃机都是混合动力的, 也就是既可以使用液氢, 也可以使用汽油等作为燃料。这样氢内燃机就成了一种很好的过渡产品。例如, 在一次补充燃料后不能到达目的地, 但能找到加氢站的情况下就使用氢作为燃料;或者先使用液氢, 然后找到普通加油站加汽油。这样就不会出现加氢站还不普及的时候人们不敢放心使用氢动力汽车的情况。
氢内燃机的基本原理与汽油或者柴油内燃机原理一样, 所以不会出现汽车的加速性能下降的情况。氢内燃机由于其点火能量小, 易实现稀薄燃烧, 故可在更宽广的工况内得到较好的燃油经济性。与氢氧燃料电池相比氢内燃机也有一些劣势, 例如:氢内燃机是氢气与空气混合点燃, 这样就会产生氮氧化物 (NOx) , 这在氢氧燃料电池的反应产物中是没有的。
氢是惟一不含碳的燃料, 燃烧后生成水 (H2O) , 不排放一氧化碳 (CO) 、氢化物 (HC) 及硫化物, 没有二氧化碳 (CO2) 。在氢一空气混合气中, 氧原子浓度大且氢燃烧时循环温度比较高, 燃烧产物中无CO和HC。当前以氢作为燃料的车用动力总成主要有两种形式:一是以燃料电池的形式, 就是让氢气和氧气在特殊的催化剂的作用下发生电化学反应;二是传统的活塞式内燃机, 只不过以液态氢气替代了汽油、煤油等燃料。目前, 以上两种以氢气作为燃料的发动机的研究工作都在进行。两种方式都具有自己的优势, 同时两种方式都存在有待解决的问题。
燃料电池的发展还有一个基本难题就是:氢氧燃料电池以及氢内燃机都共同存在贮运难题。氢的沸点为-253℃, 常温下是气态, 所以贮运性能差。氢气的贮存主要有三种方法:一是直接利用, 但车辆要携带一个充满高可燃性气体的高压容器, 所需空间很大;二是以液态形式贮存, 那样又需要很复杂的制冷设备和更安全的压缩技术;三是使氢气与金属镁和钒反应形成储氢金属, 但是此时氢气分离温度高, 且其比能量较低。目前的贮存方式有物理方式和化学方式两种。
物理方式有两种:一是液态氢法, 此法的能量密度最大, 液态氢气 (H2) 可在汽化后供给发动机, 保持液态氢容器处于-253℃以下是一项难度极大的绝热保温技术, 将氢气 (H2) 吸出来则又需很高的低温工程技术;二是以高压方式 (2000～3000kPa) 储存于金属容器中, 即高压气瓶法, 此法的能量密度小, 贮氢量少。
化学方式即贮氢合金法的安全性好, 但贮运能力较小, 100kg合金的贮氢能力不到2kg。其次是制取困难, 理论上可从水、煤、天然气等原料中制取氢。但制取氢的成本及消耗的能量很高, 还不能大量生产作为内燃机的燃料。此外, 因为氢的理论体积混合气热值比汽油小, 在其它条件相同时, 升功率下降约10%。
目前, 也有使用甲醇作为燃料的, 通过甲醇和水混合、蒸发, 经过车载重整器转化为氢气和二氢化碳气体。甲醇虽然贮存安全, 但甲醇重整对纯净度和转化温度有很高的要求, 且甲醇有一定的毒性, 会对人体造成危害。由此可见, 必须解决贮存运输困难和生产成本高的问题才能使氢燃料走向实用。从长远的角度来看, 氢的两种发动机中还是燃料电池的要更加有前景一些。但是由于氢内燃机自身的特性, 其克服了很多氢氧燃料电池的一些缺点和暂时无法解决的问题。氢内燃机作为一种过渡产品在最近几十年内是一个相当可行的方案。
3. 燃料电池的发展方向
燃料电池是当前所开发的电池中最有发展前途的“高能电池”, 它的高燃烧效率、无有害气体排放和无废料丢弃, 以及无工作噪声等特点, 是其它化学电池所不能达到的。我国和世界各国都十分重视燃料电池的研究和开发, 中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心, 研究和制造了多种不同类型和不同规格的燃料电池, 开发了具有我国特色的碳铂电催化剂、电极、电极-膜-电极三合一组件, 电池双极板等关键装置, 具有国际领先水平。对发展我国航天工业、人造卫星、国防工业和电动汽车等方面, 起着重要的推进作用。
目前世界各国在燃料电池的研究与开发方面侧重于:深入研究聚合物电解质中的燃烧介质的传导和扩散机理, 开发新的、化学结构相对比较简单、有良好使用寿命的薄膜。并研究、开发可以在200℃条件下传导质子聚合物, 以减少CO对电极催化剂的毒害, 延长电极催化剂的使用寿命, 并增加废热的利用。研究电极反应和中间反应的机理, 开发耐杂质和CO的高性能、低造价的电极催化剂。从微观和分子结构角度研究电极材料的特性, 结构和性能之间的关系, 开发新型电极材料。对燃料电池的各种附属装置, 包括重整器、压缩机、泵、热交换器、CO分离、净化装置等, 提高其工作性能, 减轻质量和减小体积等, 使整个系统能够适应燃料电池电动汽车整车总布置的需要。研究和开发新型纳米储氢材料。
电动车所采用的燃料电池在功率密度, 系统可靠性以及寿命等方面取得了突破性进展。且绝大部分关键原材料 (燃料电池所用的膜, 催化剂和双极板) 都实现了国产化, 对于核心技术拥有完全的自主知识产权。该系列从关键原材料国产化、燃料电池技术、燃料电池商业化应用等多个方面集中体现了中国燃料电池技术取得的进展和突破。
氢燃料电池及电动汽车的系列开发, 对于我国能源战略、环境保护, 对于拉动全国总体经济发展意义深远。全氟离子膜具有巨大的现实和未来市场, 如果各方面条件具备, 我国将走在这个巨大的新兴产业前列。据悉, 氢燃料电池的核心材料是全氟离子交换膜, 占有燃料电池一半成本。这项技术的成功, 将给我国氢燃料电池和电动车行业带来一次产品结构调整的契机。由于过去用于生产氢燃料电池的材料一直被国外垄断, 因此成本高, 涉及产品的价格非常贵。现在, 生产氢燃料电池的技术已经非常成熟, 性能大幅度提高, 是最有可能被大面积推广的传统燃料替代品。
燃料电池的发电技术 篇5
燃料电池发电技术
摘要：概述了燃料电池的原理和分类，以及他们的反应原理及技术和燃料电池发电技术做了初步介绍。
关键词：燃料电池，发电
引言：随着社会经济的高速发展，人们对能源的依赖越来越严重，而生存环境的持续恶化又催促人们不断寻求清洁能源。燃料电池由于其环保性和高效性被誉为继火力发电、水力发电、核电之后的第四代发电技术，越来越多的国家和地区投入更多的资金对其进行研究并使其产业化。
一：燃料电池简介
燃料电池（Fuel cell），是一种使用燃料进行化学反应产生电力的装置，最早于1839年由英国的Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格便宜，加上对人体无化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热，20世纪60年代应用在美国军方，后于1965年应用于美国双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供电上。
燃料电池其原理：它是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池
氢-氧燃料电池反应原理 这个反映是电觧水的逆过程。电极应为： 负极：H2 +2OH-→2H2O +2e-
正极：1/2O2 +H2O+ 2e-→2OH-
电池反应：H2 +1/2O2==H2O
图1 燃料电池工作原理示意图 燃料电池的类型：
碱性燃料电池（AFC）——采用氢氧化钾溶液作为电解液。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）——采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。
磷酸燃料电池（PAFC）——采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。
熔融碳酸燃料电池（MCFC）
固态氧燃料电池（SOFC）——采用固态电解质
二：燃料电池发电系统
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。
燃料电池发电是在一定条件下使H2、天然气和煤气（主要是H2）与氧化剂（空气中的O2）发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同之处在于：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，能量转换效率高。燃料电池除可发电外，还可作为电动汽车的电源。在对众多的蓄电池以及一次电源的研究以及应 新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
用中发现：质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置，具有能量转换效率高（一般都在40-50％，而内燃机仅为18％-24％）、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点。
1.磷酸燃料电池(PAFC)发电技术
磷酸型燃料电池由多节单电池按压滤机方式组装以构成电池组。
碱性燃料电池在载人航天飞行中的成功应用，证明了按电化学方式直接将化学能转化为电能的燃料电池的高效与可靠性，为提高能源的利用效率，人们希望将这种高效发电方式用于地面发电。
以磷酸为电解质的磷酸型氢氧燃料电池首先取得突破。至今，其技术获得了高度发展，已进行了规模为11000kW~4500kW的电站试验，定型产品PC25(200kW)已投放市场，有数百台这种电站在世界各地运行，运行试验证明，这种燃料电池分散电站的运行高度可靠，可作为不间断电源应用，其热电效率达40%，热电联产时其燃料的利用率达60% ~70%。
图2 PAFC的反应原理
目前氢的贮存与运输均有不少技术问题需待解决，各国正在积极进行攻关研究一旦这一系列的技术问题得到解决，燃料电池就可利用由太阳能，核能等发出的电来电解水所制备出的氢作为燃料。
在以矿物燃料为原始燃料时，则需经化学转化的过程，例如煤的气化，天然气或汽油的蒸气转化等，通过这些方法将矿物燃料先转化为富氢气体，才可以送入电池作为燃料电池的燃料。
磷酸燃料电池的输出为直流电，而大部分用户的电器均使用交流电，因此，需要把燃料电池输出的直流电经逆变器转换成交流电后再提供给用户使用。磷酸燃料电池的内阻较常规化学电源如铅酸蓄电池大，所以，当输出电流变化时它的工作电压变化幅度大，为解决这一问题，常在燃料电池的输出和逆变器之间加一个振荡变流器(chopper)，它的功能是升压或降，以确保供给用户电力的工作电压维持恒定。
燃料电池应是一个能够自动运行的发电厂，因此，对于磷酸燃料电池来说，其氧化剂的供应，电池废热的排出，反应生成水的回收等均需进行控制与管理，再加上还需对电力输出逆变进行控制与管理等，所有这些必须齐备才能构成一个完整的燃料电池系统。
新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
图3 磷酸燃料电池系统方框图 2.质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)由若干单电池串联而成，单电池由表面涂有催化剂的多孔阳极
多孔阴极和置于二者之间的固体聚合物电解质构成。其工作原理如图4所示，当分别向阳极和阴极供给氢气与氧气时，进入多孔阳极的氢原子在催化剂作用下被离化为氢离子和电子，氢离子经由电解质转移到阴极，电子经外电路负载流向阴极，氢离子与阴极的氧原子及电子结合成水分子，因此 PEMFC的电化学反应为：
图4 PEMFC的反应原理
(1)原料来源广泛，通过对石油，天燃气，煤炭还有沼气，甲醇，水植物等加工取得，来之不尽，取之不竭。
(2)无污染，因没有燃烧过程，不排放有害气体，它的排出物是氢氧结合的纯水。(3)无燥音，其发电过程是电化学反应过程，没有机械运动，所以没有噪音。(4)能源转换效率高，因其工作温度低，能耗少，能源转换效率理论上可高达。
欲使PEMFC依负荷的变化，长时间稳定的向负载提供电能，必须给电池组配置以下4个功能单元，即燃料及氧化剂贮存与供给单元，电池湿度，温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等，这样，方能构成一个实用化的，完整的PEMFC发电系统。如图5
图5 质子交换膜燃料电池发电系统示意图
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3.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电技术
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以碱金属（Li﹑Na﹑K）的熔融碳酸盐为电解质，富氢燃料天然气甲烷煤气等转化而成为燃料，氧气空气加CO2为氧化剂，工作温度约为650℃，余热利用价值高，点催化剂以镍为主，无需使用贵金属，发电效率高。MCFC的反应原理如图
图6 MCFC的反应原理
MCFC单电池是由阴极、电解质、电解质隔膜和阳极组成，若组成电池堆，则还需要双极板、集流器、气泡屏等组件，其中，隔膜是MCFC的核心部件，必须强度高、耐高温熔盐腐蚀、浸入熔盐电解质后能够阻挡气体通过，并且有良好的离子导电性能（MCFC的导电离子是CO32-).通过对多种材料的筛选和多年的研究，目前已普遍采用偏铝酸锂来制备MCFC隔膜。
美国从1976年开始开发MCFC，主要的开商有能源研究所(Energy Research Corporation，ERC)和MC Power公司，ERC在1991至1994年间先后完成了25 kW、70 kW、125 kW电池组的试验，并于1996年建成了世界上功率最大的2MW MCFC电站，直接燃用脱硫后的天然气。2000年，ERC设计的单电池堆出力达到250 kW并进入商业化。2005年，兆瓦级的MCFC进入商业化。日本从1981年开始研究MCFC，并于1987年研究成功10 kW MCFC发电设备，1997年1MW MCFC电站在日本川越火电厂投运。日立公司2000年开发出1 MW MCFC发电装置。东芝公司开发出低成本的10 kW MCFC发电装置。此外，荷兰、德国、意大利、韩国等国家也于20世纪90年代建成相关的试验电站。我国于1991年由原电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所研制出由7个MCFC单电池组成的电池组，上海交通大学和大连化学物理研究所都于2001年完成了1 kwMCFC电站的试验。
MCFC试验电站的建成和运行为MCFC商业化提供了丰富的经验，各国的科学家正在研究改进MCFC的关键材料和技术应用。
MCFC工作温度高，余热利用价值高，可以与煤气化联合循环结合组成高效的洁净煤发电技术。
4.固体氧化物燃料电池
同体氧化物燃料电池(SOFC)以固态氧化钇、氧化锆为电解质，天然气、气化煤气、碳氢化合物为燃料，氧气为氧化剂。固态氧化钇、氧化锆电解质在高温下有很强的离子传导功能，能够传导02～，电解质将电池分隔为燃料极(阳极)和空气极(阴极)。氧分子在空气极得到电子，被还原成02～，然后通过电解质传输到阳极，在阳极与氢气(或一氧化碳)发生反应。生成水(或二氧化碳)和电子。在迄今为止人类所发明的能源转化方式中，SOFC的转换效率是最高的，其反应原理如图
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图7 SOFC的反应原理
从原理与结构上讲，固体氧化物燃料电池是一种理想的燃料电池，它不但具有其他燃料电池高效，环境友好的优点，而且还具有以下突出优点
固体氧化物燃料电池是全固体结构，无使用液体电解质带来的腐蚀和电解液流失问题，可望实现长寿命运行，固体氧化物燃料电池在800~1000 下工作，不但电催化剂无需采用贵金属，而且还可直接采用天然气，煤气和碳氢化合物作燃料，简化了电池系统，固体氧化物燃料电池排出的高质量余热可与燃气，蒸汽轮机等构成联合循环发电系统，会大大提高总发电效率。
图8 100kw SOFC系统示意图
固体氧化物燃料电池技术的难点也源于它的高工作温度，电池的关键部件阳极隔膜，阴极和联结材料等在电池的工作条件下必须具备化学与热的相容性，即在电池工作条件下，电 新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
池构成材料间不但不能发生化学反应，而且其热膨胀系数也应相互匹配。
固体氧化物燃料电池最适宜的用途是与煤气化和燃气，蒸汽轮机构成联合循环发电系统，建造中心电站或分散式电站，这样既能提高能源利用率，又可消除对环境的污染。
三：燃料电池发电的应用前景
目前，美国、加拿大、日本、韩国以及欧洲的很多国家都把燃料电池发电技术提高到事关“国家能源安全”的战略高度，投入大量资金予以资助和研发。我国是能源消耗大国，以煤和石油为主，能源利用率低，污染严重；同时，近年来我国由于自然灾害或人为因素导致的大面积停电事故，给社会和经济造成巨大损失。如果在电网中有许多分布式电源在供电，则供电的可靠性和供电质量将会大大改善。分布式电源作为我国大电网的有效补充，如果能够得到较快的发展，电网抵御各种灾害的能力将会有很大提高。随着国民经济的发展，备用电源需求日益增大，如移动通信机站、军用移动指挥系统、野外医疗中心、固定或移动办公设施等的备用电源，需要配备技术性和经济性好的备用电源，而燃料电池中的PEMFC刚好能实现这个功能。从燃料电池发展的研究现状来看，我国在燃料电池发电方面的技术与发达国家如美国、加拿大、日本等相距甚远。我国要发展燃料电池技术，需要引进、消化及吸收国外先进技术，加快完成技术革新。
四：结束语
燃料电池作为高效、清洁、友好的新能源技术，已经得到越来越多国家的重视，掌握清洁高效的发电技术对国家能源和安全具有重要的战略意义，而燃料电池正是高效环保的发电技术之一。随着我国西气东送、天然气管网的不断完善，对电网可靠性和稳定性要求的不断提高，以及对环保要求的不断提高，燃料电池会起到越来越重要的作用。
参考文献：
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氢燃料电池汽车大有可为 篇6
一提新能源，第一印象就是环保节能。一提新能源汽车，第一印象就是特斯拉电动汽车。其实，中国北方用煤炭发电比较多，煤炭燃烧当然会产生污染，所以纯电动并不能代表是完全环保无污染。相比之下，氢气没有污染、零排放，甚至取代石油也指日可待。
氢燃料电池已不是什么全新的技术，早在20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，氢燃料电池很快就被运用于发电和汽车。波音公司于2008年4月3日成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。
尾气排出只有水的汽车
氢燃料电池汽车也是电动汽车，只不过它的“电池”是氢氧混合燃料电池。和普通化学电池相比，燃料电池通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料，但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。许多公司都已推出氢燃料电池汽车，并已在2015年上半年上市。氢燃料电池技术是未来改变人类生活的新技术之一，将成为解决石油危机的新途径。
氢燃料电池汽车尾气仅排放水，可以实现零污染排放。这种汽车无需注满汽油或者柴油，氢燃料电池汽车是由氢气作为燃料。将氢气注入汽车燃料缸中，与燃料电池发生化学反应，氢和空气中的氧发生反应，转换为电能驱动汽车行驶，这一化学反应过程唯一的副产物就是水或者蒸汽，完全没有二氧化碳，非常环保。
以丰田首款氢燃料电池车Mirai为例，充满燃料的Mirai拥有近似于传统汽油车的巡航里程，达到约500公里；同时它在动力上也不弱，Mirai的最大马力为153PS（113KW）、最大扭矩335N·m、最高时速可达到178公里，从启动、提速到100公里/小时仅需9.6秒，完全能够应付平常的行车需求。即便燃料用光了，将燃料回填补满的时间也仅需约3分钟，和传统汽油车的加油时间差不了多少。
氢燃料电池的工作原理
和普通电池一样，燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。大部分燃料电池汽车使用聚合物交换膜燃料电池（PEMFC）。氢燃料电池的基本工作原理是将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂——铂的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），与氧原子和氢离子重新结合为水，如图1所示。
由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不断地提供电能。由于氢燃料电池不储能，确切地讲应该称为氢发电装置。
燃料汽车VS电动汽车
1. 燃料电池汽车相比电动汽车的主要优势就是方便。氢气燃料电池汽车只需3到5分钟就能充满长途行驶所需的气量（700个大气压的氢气），而不是等上几个小时来充满电。电动汽车要做到这一点，就必须更换整组电池。充电最快的Tesla Model S也至少需要20分钟才能充满电，但行驶的距离还不到氢气燃料电池汽车的一半。这让燃料电池汽车更方便日常使用，汽车制造商们据此认为，希望寻找更环保汽车的消费者也许会认为燃料电池汽车要比电动汽车更实用。
2. 在性能和环保方面，燃料电池汽车使用和电动汽车一样的电动马达，所以性能表现差不多。但燃料电池会更适合皮卡和SUV，目前锂电池并没有办法满足这些车型的需要。锂电池也要比燃料电池组（氢气箱）重得多。
3. 燃料电池汽车的售价和维护费用要比电动汽车贵。丰田Mirai、日产Leaf的售价要比特斯拉便宜不少，给燃料电池汽车补充的氢气价格约为3美元（换算成每加仑汽油等效产品后）。经估算，给一辆车加满氢气需要花约50美元。这意味着，一辆燃料电池汽车的维护成本是普锐斯混合动力汽车的两倍，是电动汽车的四倍。的确，这一成本会随时间推移降低，但电动汽车和混合动力汽车也一样会逐渐降低。
4. 制造和使用绿色氢气的费用更高。燃料电池汽车的主要问题是，制造驱动它们的氢气燃料要消耗比普通电动汽车更多的能源。污染也是个很严重的问题。除了甲烷转化，获得绿色氢气的唯一可行的方式是通过电解。但坦白讲，这一过程中消耗的电可以更好地用在普通电动汽车上。
发展瓶颈
1. 氢气的来源问题。氢气不像氮气和氧气是空气中的最主要组成元素，想得到氢气可以通过电解水，但这可是个不太经济的方法，能量损失极大。此法先从电解水开始，耗费电能，产生氢气，氢气再发电过程中还会有能量损失。目前最好的电解水系统的能量转化率只有 80%，并不怎么高效。
再来看甲烷转化氢气方面，蒸汽需要加热到700-1000摄氏度，然后与甲烷结合生成氢气和一氧化碳，以及少量二氧化碳，美国有95%的氢气通过这种方法来制造。甲烷转化虽然要更划算，但却会造成污染。有研究显示，甲烷基础设施的泄露情况比原先想象的还糟糕（最高达7%）。而作为温室气体，甲烷的温室效应是二氧化碳的86倍。如果你想要一辆百分百环保的燃料电池汽车，就必须以不造成污染的方式来制造氢气，这并不容易。
2. 充电站成本昂贵。电动汽车已经在道路上（家中）建立了充电基础设施，但氢气销售点却很少，相隔距离也很远。这是由于缺少需求，还有就是建造成本高昂。普通的电动汽车充电站只需花费数十万美元来建造，即使是特斯拉的超级充电站建造成本也仅有30万美元。但建造一个氢气燃料站却需要花费100万- 200万美元，因为需要解决处理液态氢气的问题。因此，美国现在也只有大约50个氢气燃料站，其中22个位于加州。
3. 金属铂稀缺。在氢燃料电池发电的过程中会用到金属铂作为催化剂。这种金属就是铂金戒指的铂，产量小且价格昂贵。想要大规模生产氢燃料电池，铂就是瓶颈，而且完全没有规模化后成本减少的效应，反而需求越多就会越贵。
4. 氢气的安全性。有人说带着氢气瓶就像带个氢弹，这在无形中造成了很多人对安全问题的担忧。但实际上，氢比石油要安全得多。储氢罐的密封较好，形成低温高压的空间，使其液化后能大量储存。
至于泄漏之后的安全性，反而氢气更安全。氢是最轻的气体，扩散性极强，它的扩散系数比空气大3.8倍，比汽油大7.5倍。泄漏之后会直线向上运动，即使形成火焰，那也是一维的火焰直线，指向天空；而油类燃料则是向四周蔓延，形成面的燃烧，反而更不安全。氢气的比重低，易向上逃逸，所以少量的氢气泄漏，可以在空气中很快被稀释成安全的混合气，这使得发生事故时影响范围要小得多。
充满期待的未来
尽管如此，氢燃料电池汽车也已经量产，并已开始售卖。丰田氢燃料电池车Mirai在海外的起价为57500美元（约合人民币35.7万元），但是在联邦和州政府刺激之下降至45000美元（约合人民币27.9万元）以下。在美国可以采用分期付款的形式每月499美元36个月付清。除此之外，丰田和本田还将向买家免费提供三年氢气。各大汽车公司还计划逐步增加氢气燃料站数目。
燃料电池汽车的现状与发展前景 篇7
燃料电池汽车是电动汽车的一种, 它的核心部件是燃料电池, 电能通过氢气和氧气的化学作用而获取。燃料电池汽车的工作原理是, 作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中, 与大气中的氧发生化学反应, 产生出电能发动电动机, 由电动机带动汽车中的机械传动结构驱动汽车。
燃料电池的反应结果主要副产品是水, 包括极少量的二氧化碳和氮氧化物, 因此燃料电池汽车被称为绿色的新型环保汽车。燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍, 因此从能源的利用和环境保护方面, 燃料电池汽车是一种理想的车辆。
燃料电池按照其工作温度的不同, 可以分为低温燃料电池、高温燃料电池。其中低温燃料电池包括碱性燃料电池 (AFC, 工作温度100℃) 、固体高分子型质子膜燃料电池 (PEMFC, 工作温度100℃以内) 和磷酸型燃料电池 (PAFC, 工作温度200℃) ;高温燃料电池包括熔融碳酸盐型燃料电池 (MCFC, 工作温度650℃) 和固体氧化型燃料电池 (SOFC, 工作温度1000℃) 。按照开发时间顺序分, PAFC、MCFC、SOFC分别被称为第一代、第二代、第三代燃料电池。
2 燃料电池汽车优劣势分析
与传统汽车相比, 燃料电池汽车具有以下优点:
⑴零排放或近似零排放, 不污染环境, 同时降低了温室气体的排放。燃料电池的原料是氢和氧, 生成物是清洁的水;
⑵不使用汽油, 减少了机油泄漏带来的污染。
⑶能量转化效率高, 提高了燃油经济性。燃料电池的能量转换效率可高达60%~80%, 为内燃机的2~3倍;
⑷运行平稳、无噪声;
⑸氢燃料来源广泛, 可以从可再生能源获得, 不依赖石油燃料。
基于以上优势, 近年来各国都在纷纷投入大量科研经费, 加入到燃料电池汽车的研究中, 同时燃料电池汽车也被众多业内人士看作是继传统汽车、混合动力汽车、纯电动汽车之后的新型环保型车辆, 是未来汽车产业发展方向。
但是燃料电池汽车目前仅仅限于概念车或者示范应用阶段, 与现在成熟的内燃机技术及产业化要求相比, 燃料电池的推广还需要解决以下问题:
⑴续驶里程过短。由于氢气储存困难, 即使用传统油箱3倍以上的体积储存氢气, 也只能保证汽油动力汽车一半的续驶里程。这就依赖于各种制氢、储氢技术的突破;
⑵可靠性和耐久性较低。目前燃料电池电堆仅有约2000h的寿命, 而相对而言内燃机的寿命一般是5000h以上。目前在北京示范的燃料电池公共汽车平均完好率为92%, 而同期运营的柴油公共汽车平均完好率为99.16%, 同时燃料电池公共汽车的故障率比传统车高, 所以须进一步提高燃料电池汽车的可靠性和耐久性;
⑶成本问题是制约燃料电池汽车规模化应用的较大屏障。据资料介绍, 20世纪80年代时燃料电池每千瓦功率的价格为1500~2000美元, 技术进步按照价格降至500~600美元计算, 一辆功率为50kw的汽车, 光燃料电池的价格仍需2500~3000美元。燃料电池中质子交换膜, 目前价格是500~600美元/m2, 是造成电池成本居高不下的原因之一;另外一个较贵的部件是促使氢和氧反应的铂催化层, 降低铂的用量是未来发展技术方向。丰田公布的信息显示, 燃料电池车的制造成本一度高达每辆1亿日元以上, 之后通过技术革新, 令单车成本下降, 目前仍需上百万元人民币。其次, 氢气的售价也不低廉。因此燃料电池汽车的自身成本及运行成本均不乐观, 这也是此后商业化的头号难题;
⑷配套基础设施缺乏。由于氢气站建设费用较高, 每个约为6亿日元 (约合人民币3750万元) , 目前全球范围内投入使用的加氢站仅有200家, 并且大部分是用于实验用途的, 国内北京和上海也各仅有3个加氢站在示范运行。其它诸如维修站点的设置、备品备件的供应, 均是长期考虑的问题。
3 国内外开发现状
20世纪60年代和70年代, 美国首先将燃料电池用于航天, 作为航天飞机的主要电源。此后, 美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。世界各著名汽车公司相继投入较多的人力和物力, 开展燃料电池电动汽车的开发研究。
2009年, 欧盟批准燃料电池和氢能技术项目行动计划, 计划从欧盟第七框架计划中拿出4.7亿欧元, 持续资助燃料电池汽车及基础设施技术研发。德国政府高度重视燃料电池汽车及氢能研发, 交通部、环境署、经济部等部门联合启动燃料电池及氢能国家创新计划, 拟与企业联合资助14亿欧元, 用于燃料电池汽车、氢能等关键技术研发。以经产省为代表的日本政府高度重视并持续开展燃料电池汽车和氢能开发, 在过去30年时间内先后投入上千亿日元用于燃料电池汽车和氢能的基础科学研究、技术攻关和示范推广。
近日, 本田与美国通用 (GM) 宣布达成一项长期战略合作协议———2020年前合作开发下一代氢燃料电池技术, 以进一步推动燃料电池电动汽车 (FCEV) 的普及。根据本次战略合作协议, 本田和GM双方将共享燃料电池技术, 期望通过开发出小型轻量, 且具有高性能、低成本的燃料电池系统和氢气储存技术, 以降低氢燃料电池汽车的成本。新一代燃料电池技术有望于2020年投入使用。除在技术方面合作之外, 本田和GM双方还将在氢气储存基础设施的完备及规格化、标准化等方面共同采取举措。
戴姆勒、福特汽车、通用汽车、本田、现代汽车、起亚汽车、雷诺日产和丰田汽车已经联合签署了关于燃料电池车的开发和市场进入等发展方向在内的基本意向书。为了燃料电池车的普及, 这次联合签署的意向书的主要目的是支援氢供给技术设备的建设。这次署名的各汽车厂商, 设定目标为2015年后, 实现燃料电池汽车的商品化, 并以在全世界普及数十万台燃料电池车为目标。
在国家“十五”“863”计划电动汽车关键技术重大科技专项和“十一五”节能与新能源汽车重大项目支持下, 我国燃料电池汽车技术研发取得重要进展, 基本掌握了整车、动力系统与关键零部件的核心技术。2003年我国第一辆燃料电池动力样车“超越一号”亮相上海国际工业博览会。随后我国先后研制了“超越”系列、“上海牌”、“帕萨特”、“奔腾”、“志翔”等燃料电池汽车, 在2008年奥运会期间, 23辆燃料电池汽车示范运行7.6万公里, 到了2010年世博会, 这个数字上升到196辆和91万公里。但受车辆开发技术水平、整车系统可靠性、配套设施完善性等条件制约, 我国燃料电池汽车仍然处于技术验证与特定试验考核阶段。
4 发展前景分析
迄今为止, 国内外各研究机构及有关人士对燃料电池汽车的发展及市场前景的认识和态度归纳起来大致可分为2种, 即比较乐观或积极的和较为保守或不以为然的。多数专业人士认为, 燃料电池汽车技术属于21世纪的重大尖端技术, 其市场前景在很大程度上将取决于自身技术的成熟程度和世界环保、能源形势的走向。单单从市场和用户的角度看, 制约燃料电池车发展和普及的主要因素是汽车销售价格和有关基础设施建设完备程度。据预测, 在今后10年之内, 燃料电池车的售价仍至少要比传统汽车贵30%, 价格过高, 将严重影响用户的购车热情。
基于上述理由, 大致作出这样的判断, 即在中长期内 (比如10~15年) , 燃料电池车将首先出现在环保法规比较严格的经济发达、人口密集的国家和地区, 如美国、日本和西欧。在更长远一些时期 (例如20~25年) , 燃料电池汽车逐渐普及到其他一些国家和地区, 如中国的大型城市、东南亚、东欧等。
5 结束语
汽车业界普遍认同的一个观点是, 燃料电池技术是内燃机技术最好的替代物, 代表了汽车未来的发展方向。但如果将发展燃料电池汽车的几个制约因素考虑进来, 则会发现燃料电池汽车目前和今后一段时间尚不具备商业化的条件。最乐观的预测, 以纯氢为燃料的燃料电池汽车的商业化生产至少还需15年以上的时间, 即使在一定程度上实现了商业化, 也会是以一种高成本的方式。因此燃料电池汽车的发展还有待于科技的重大突破及政策扶持。
参考文献
[1]桂长清.燃料电池电动汽车前景分析[J].电池工业, 2009, 14 (1) :44-47.
[2]张志明.燃料电池的演化及发展探析[J].技术与创新管理, 2005, (3) :81-84.
[3]毛宗强.氢能离我们还有多远——我国燃料电池现状、差距及对策[J].电源技术, 2003, 27 (z1) :179-182.
燃料电池汽车用电磁铁的优化设计 篇8
在氢燃料电池汽车系统中,储氢瓶口的电磁阀是燃料的流量控制不可缺少的控制元件之一。它可以直接控制35MPa高压氢气的通断,目前只有少数国家能够生产[1,2,3]。作为操动机构的电磁铁要求在小功率、小体积的条件下具有很大的推力,是设计难点之一。电磁铁吸合面的形状和上下位置对电磁力影响很大,在不改变功率和体积的条件下,可以增加电磁力,因此吸合面的优化对于氢燃料电池汽车用电磁铁的设计具有重要意义。
对于电磁铁的优化设计可以分为解析法和有限元法两类。其中,Patrick N提出了一种设计最小能量电磁铁的解析方法[4]。毛万镈等针对圆柱形单稳态永磁接触器操动机构的多目标动态优化设计问题进行了研究[5]。侯永涛等采用基于集成设计平台的方法,对电磁体的设计过程、方法和数据进行集成,实现了电磁体的优化和稳健设计[6]。张志洲等以降低悬浮能耗为目标,提出了一种适合工程应用要求的全尺寸永磁电磁混合磁铁的结构优化设计方法[7]。Sang-Baeck Yoon等使用3DFEM方法对移动铁心的形状进行了优化[8]。JeolMaridor等采用FEM模型和遗传算法优化线性执行器的形状结构[9]。陈棣湘等以有限元分析为基础,采用程序优化设计方法对悬浮电磁铁的几何参数进行优化设计[10]。杨泽斌等利用Maxwell 3D有限元仿真软件,得到了最佳的电磁体非对称结构参数[11]。
综合分析前述电磁铁优化方法,解析法耗费的计算资源和时间少,但由于采用简化公式,计算精度较低,而且对于电磁铁吸合面的计算没有相应的公式。采用有限元方法优化设计,可以提高计算精度,但是用有限元法进行定性分析往往无法取得全局优化的结果。而采用有限元和优化算法定量分析,需要对设计空间中的每个点都要进行有限元计算,计算资源和时间耗费非常多,因此难于有效地应用于电磁铁吸合面的优化设计。本文基于均匀设计和有限元方法计算样本数据,利用支持向量机建模的方法建立了电磁力与吸合面形状和上下位置的非线性模型,作为优化计算时有限元模型的替代快速模型。然后用遗传算法对吸合面形状和位置进行优化。最后进行了实验验证。
2 电磁铁吸合面参数和电磁力
电磁铁结构如图1所示,它由静铁心、外壳、环形铁心、动铁心、线圈和弹簧组成。吸合面的形状和位置由三个参数描述,其中吸合面到环形铁心的距离用h表示,变化范围: 0 ~ 38mm; 吸合面上表面圆环宽度用u表示,变化范围: 0. 5 ~ 4. 5mm; 吸合面下表面圆环宽度用v表示,变化范围: 0. 5 ~ 4. 5mm。
不同吸合面参数值下的电磁力可通过有限元软件Ansoft计算。由于电磁铁轴对称,所以使用轴对称场模型,如图2所示。其中,静铁心、外壳、环形铁心、动铁心的材料为普通钢,线圈安匝数为500A。
3 建模样本
3. 1 吸合面参数构成的混合因素水平表
根据上述吸合面参数变化范围,考虑到模型的强非线性和加工精度要求,u、v、h分别取9、9、20个水平,组成如表1所示的混合因素水平表。
由于吸合面上表面圆环宽度u和吸合面下表面圆环宽度v受到铁心半径的限制,因此u和v还要满足下面的约束条件:
3. 2 建模样本点的选择
根据表1,如果采用全面试验设计的方法选择建模样本,则至少需要9×9×20 = 1620次有限元计算,由于计算资源和时间耗费太多,这种方法在工程上无法实现。因此,需要在设计空间中选择有代表性的点。为了建模准确,应该使用填满空间试验方法选择样本[12,13],使建模样本能够反映出设计空间各处的情况。此外,还必须考虑工程问题对计算数量的要求。
正交设计和均匀设计是常用的部分因子试验设计方法。正交设计既有“均匀分散”特点,使试验点有代表性; 又有“整齐可比”特点,便于试验数据的分析。但是为了保证“整齐可比”的特点,正交设计至少需要9×20 /2 = 90次试验。本文为了建模准确,只需样本点均匀填满设计空间,所以本文选择试验次数较少的均匀设计方法选择建模样本。
均匀设计试验方法是我国数学家方开泰和王元针对多因素控制且精度要求较高的试验问题提出的一种试验设计方法[14]。该方法使少量的试验点在试验范围内最大限度地均匀分布。实践表明,使用这种方法安排试验点只需很少次数的试验就可以接近全面试验的效果。
本文采用数值优化方法构造均匀设计表[15,16]。给定试验次数80,取中心化L2偏差( Centered L2discrepancy) CD2作为均匀性度量,从所有U型设计中选择均匀性度量CD2最小的U型设计作为均匀设计。所以取其中一半作为样本。样本点在设计空间中的分布情况如图3所示。
3. 3 建模样本的建立
根据均匀试验设计表的安排,按照相应的吸合面参数值在Ansoft中计算电磁力F,构成建模样本。如表2所示,由于篇幅所限只列出一部分数据。
4 支持向量机回归建模
由建模样本表可以看出,电磁力与吸合面参数u、v、h之间的关系是非线性的。对于非线性系统而言,系统模型的建立并没有统一的方法,用得较多的方法为神经网络方法。但神经网络的局部极小点、过学习以及结构和类型的选择过分依赖于经验等固有的缺陷,严重降低了其应用和发展的效果。支持向量机回归成功地克服了神经网络的这些缺陷[17]。
4. 1 非线性支持向量机回归
非线性支持向量机回归[18]的基本思想是通过一个非线性映射Φ(·) ,将非线性训练集x映射到高维特征空间,并在这个空间进行线性回归,从而取得原空间非线性回归的效果。假设给定训练样本集{ ( x1,y1) ,…,( xl,yl) } ,l为样本数。考虑用非线性回归函数来估计,见式( 2) 。
为了保证回归函数最平坦,必须寻找一个最小的w,为此,采取最小化欧几里德空间的范数。假设所有训练数据( xi,yi) 都可以在精度ε下拟合,那么寻找最小w的问题就可以表示成凸优化问题:
考虑到允许拟合误差的情况,引入松弛因子,回归估计问题转换为最优化问题:
式中,C > 0为惩罚系数,C越大表示对超出ε管道数据点的惩罚越大。
式( 4) 是基于以下的ε不敏感损失函数得出的。该函数表示如下:
求解上述优化问题一般采用对偶理论,可以得到对偶优化问题:
式中
拉格朗日乘子
核函数
回归函数为:
式中,SV表示支持向量( Support Vector) 集合,b依的计算如下:
式中,NSV为标准支持向量( Normal Support Vector)集合,是落在ε管道上的数据。在计算回归函数时并不需要显式计算该非线性函数,而只需计算核函数,从而避免高维特征空间引起的维数灾难问题。核函数的选择必需满足Mercer条件,核函数的种类较多,本文核函数选择RBF函数:
4. 2 电磁铁吸合面支持向量机建模
本文选择u、v、h三个吸合面变量作为支持向量机模型的输入,模型输出为电磁力F。支持向量机采用RBF核函数。σ取0. 9,惩罚系数C取27. 8。全面试验中随机选取200个样本作为测试集。程序在CPU主频为2. 4GHz,内存为1G的计算机上运行了5. 3s。图4为支持向量机模型估计值与实际值比较曲线。图4中实线为实际值,虚线为估计值,训练集均方误差为0. 0019,测试集均方误差为0. 0021。可以看出模型泛化能力好,精度较高,可以满足工程需要。
5 基于遗传算法的吸合面优化设计
遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化算法[19]。
5. 1 优化设计数学模型
( 1) 目标函数
遗传算法优化的目标函数是前文建立的基于支持向量机的吸合面电磁力模型,记为F = svm( u,v,h) 。其中,F为电磁力,svm( ) 表示此模型基于支持向量机,u,v,h为吸合面参数。设计要求是使电磁力最大。
( 2) 约束条件
设计变量约束为:
另外,受到铁心半径限制,u和v还要满足式( 1) 。
5. 2 遗传算法计算步骤
( 1) 编码。本文采用标准二进制编码,根据问题要求精度串的长度取12。
( 2) 生成初始种群和种群尺寸。本文在设计变量的定义域内随机产生,经过试验本文中种群尺寸为40。
( 3) 适应度函数。本文采用基于排序的适应度函数。
( 4) 选择。本文使用随机遍历抽样选择算法。
( 5) 交叉和变异。本文采用两点交叉方法,交叉概率取0. 7,变异概率取0. 2。
( 6) 终止条件判断。假设t为进化代数计数器,T为最大进化代数。若t≤T,,则t←t + 1,转到步骤( 2) ; 若t > T,则以进化过程中所得到的具有最大适应度的个体作为最优解输出,终止运算。文中最大进化代数T取100。
( 7) 约束条件处理。本文选择罚函数法处理约束条件。
5. 3 优化计算和结果
按照遗传算法的计算步骤,对吸合面电磁力模型进行优化设计,优化结果为u = 3. 61mm,v =1. 39mm,h = 31. 9mm,max F = 14. 421N。遗传算法经过100次迭代种群目标值如图5所示,可见种群中大部分个体目标值趋向最优解。最优解和种群均值如图6所示,由于罚函数为 - 500,远大于正常解,所以种群均值上下波动,但最优解收敛。
6 验证
6. 1 仿真验证
将优化吸合面参数u = 3. 61mm,v = 1. 39mm,h = 31. 9mm代入Ansoft的轴对称场模型中,如图7所示,计算电磁力F = 14. 492N,大于原仿真模型的计算电磁力F = 11. 9N。
6. 2 样机验证
按照优化计算结果,对电磁阀进行了二次试制,如图8所示。并在电磁力测试仪上对电磁铁进行了对比测试。
( 1) 电磁力曲线测试仪介绍
电磁力测试仪如图9所示,包括控制箱和主机两部分。其中主机由伺服电机、压力传感器、连杆、底板等设备组成。操作时,先将移动铁心通过连接件与压力传感器连接,电磁铁其他部分固定在底板上,伺服电机带动连杆向上运动,就可以测试出不同行程下的电磁力,并且存储到测试的存储器中。然后,可以在显示屏中读出不同行程下的电磁力。
( 2) 对比测试
采用上述测试仪,按照上述方法对原样品和二次试制样品进行了电磁力测试,在最大行程下的电磁力分别为13. 5N和17. 2N。
( 3) 误差分析
仿真结果和实验结果的误差来自仿真误差和实验误差两方面。实验误差主要由于测试仪主机很难真正调节水平,动铁心实际在电磁铁中不是垂直运动,因此影响了测量结果。仿真误差主要原因为:为了建模和计算方便,仿真模型是对实际原型的简化,并不完全一致; 仿真模型中使用的材料的磁化特性与材料的实际特性不完全相同; 网格划分的质量和大小会影响计算精度,本文采用Ansoft的自适应网格划分。
对比原样品和二次试制样品的仿真和实验结果可以发现,仿真和实验结果存在误差但趋势一致。而且仿真误差分别为13% 和18% ,可以作为工程设计的参考。
7 结论
本文对燃料电池汽车用电磁铁的吸合面进行了优化设计。首先,利用均匀设计的方法在设计空间中选择设计样本,并用有限元方法计算样本数据。然后,利用此样本数据建立了电磁力与吸合面参数的支持向量机模型。最后,采用遗传算法对吸合面的形状和位置进行了优化。通过仿真和样机验证了方法的有效性。
燃料电池汽车 篇9
关键词：温州地区,燃料电池,节能减排,预测分析
0 引 言
随着我国国民经济持续高速发展,汽车已经成为我国居民生活文化的重要组成部分,同时汽车工业面临跨越式发展机遇,汽车总产量位居全球前三。但作为支柱行业的汽车工业的发展必须综合考虑能量消耗以及大气环境的承受能力。另一方面,以“温州模式”为代表的民营经济在温州地区的快速发展带动了当地经济的持续大幅度发展,同时也使得当地公民的收入持续增加,成为浙江省人均收入最高的城市之一[1]、[2]。这使得汽车在当地的广泛推广也带来了大量的能量消耗和二氧化碳排放的现状。在随着全国节能减排任务日益铺开的同时,减少温州地区汽车燃油消耗以及二氧化碳排放成为温州市“十二五”规划的一个研究方向。
混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车成为下一代解决汽车节能减排的重要发展方向。但混合动力汽车造价高,电和燃料动力之间的转换需要复杂的动力协调系统,维护费用亦高;纯电动汽车环境污染几乎为零,但以目前的技术来讲,电池的造价高,亦损坏特别是续航能力差成为真正实现替代传统能源汽车的一大难点,同时纯电动汽车需要有大量的基础设施进行配套才能真正的达到其应用的效果[2]、[3]。
燃料电池汽车是电动汽车的一种,其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用,而不是经过燃烧,直接变成电能,比纯电动汽车能量密度大。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物,因此燃料电池车辆是污染较小的汽车,燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍,因此从能源的利用和环境保护方面,燃料电池汽车是一种理想的车辆。本文认为从政府投资小、见效快以及节能减排效果好的角度上,燃料电池汽车成为温州政府针对汽车新能源化的首选[4]、[5]。
本文根据温州“十二五”规划目标(二氧化碳单位能耗下降15%,实施一批重点扶植工程项目,加速淘汰旧汽车,逐步开展新能源汽车)对比了在温州地区实行燃料电池汽车推广和继续使用传统能源汽车在燃油消耗以及二氧化碳排放方面的预测分析,其分析结果为温州“十二五”规划中有效实现节能减排方面献计献策。
表1所示为假定未来5年内,温州地区新能源汽车保有量增长趋势。
1 未来
5年,温州地区使用传统能源汽车汽油消耗量和二氧化碳排放量估算
1.1 公共汽车
温州地区有近2000辆各类公共汽车。随着地区规划范围和幅度的增加,每年都会有新开放道路,增加一定量的新投入的公共汽车淘汰一批报废公共汽车。假定在未来5年内,温州地区仍采用传统能源公共汽车,可通过计算得出其消耗燃油量以及排放的二氧化碳总量。
注:平均行驶里程80000km/年,柴油公共汽车平均油耗45L/100km。假定每年有100辆净增长的公共汽车。
注:公共汽车每公里二氧化碳排放按300g计算,公关汽车平均每年行驶80000km。
从表2和表3的估算可以看出,第十二个五年计划中,温州地区公共汽车预计消耗亿4.1亿升柴油和排放出9.12万吨二氧化碳。
1.2 出租车
温州出租车是个体经营,但需要到温州市车管所进行相应登记工作且运行要符合温州市政府的各项政策法规。目前,温州地区有近万辆的出租车,随着人们生活水平的提高和出租车交通规划的发展,预计未来5年内,温州地区每年将投入1000辆新出租车。
注:平均里程为150000km/年,由于出租车几乎都在市区行驶,温州市多为1.6L排量出租车,每百公里油耗按照9L来算。
注:出租车每公里二氧化碳按50g计算,出租车每年行驶150000km计算。
从表4和表5的估算中可以看出,未来5年内温州地区出租车共消耗燃油7.25亿升和排放出13.5万吨二氧化碳。
1.3 私家轿车
温州是浙江省私家车比率最高的城市之一,如若按照每月增加1000辆私家车计算,每年增加约为1.2万辆。
注:温州私家车以1.6L及以上排量汽车为主,按照平均每车每百公里油耗9L为例计算,按照平均每车每年行驶15000公里为例计算。
注:私家车每公里二氧化碳排放量以40g为例,每年行驶15000公里为例计算。
从表6和表7的计算结果来看,由于温州地区私家车众多,导致整个“十二五”期间消耗燃油56亿升,二氧化碳排放量在每年200多万吨以上。
根据表2～表7的估算,温州地区在2011～2015年因为汽车所消耗燃油69.35亿升,排放二氧化碳为近1300万吨。这些内容在温州地区节能减排任务上占有非常大的贡献值,因此研究如果从汽车的角度上减少燃油消耗和二氧化碳排放有着十分重要的意义。
2 燃料电池汽车替代传统能源汽车问题的数学描述
2.1 问题的描述
采用燃料电池能源系统的汽车较传统能源的汽车有着十分明显的节能减排作用,但将燃料电池汽车应用到现实生活中需要考虑燃料电池汽车购置成本、维护成本、零部件供应、基础建设成本等诸多因素;另一方面,公共汽车和出租车都可以实现政府出面统一规划,统一更换,更换周期短,效果明显。但私家车只能采取政府鼓励措施,更换与否完全取决于个人爱好,在预测方面也充满了不确定性。
政府对于公共交通工具更换的数量和层次必须根据当地实际情况而定。更换量低,则不能有效的达到最大幅度节能减排,且由于投资力度不大会出现购置零配件或基础设施建设不足而形成短命政策,造成无必要的巨大浪费;更换量大,虽能大幅度降低车用燃料消耗及大气污染,但针对燃料电池和基础建设的投资额巨大,政策执行周期过长,最终收效并不一定会达到预期。
因此针对上述问题,建立模型时除了要考虑公共交通工具和私家车之间比例分配的问题,还要将政策有效执行力度考虑进去,即需要综合考虑各种因素,找出政府在最小投资,节能减排效果最大的方案。
2.2 符号说明及模型假设
以下参数中下标1表示公共汽车,下标2表示出租车,下标3表示私家车。
Y——汽车燃油消耗总量;X——传统能源汽车数量;Z——传统能源汽车二氧化碳排放总量;P——传统能源汽车燃油消耗率;C——传统能源汽车二氧化碳排放率;△——燃料电池汽车每年增加数量;S——私家车更换燃料电池汽车数量;R——私家车改燃料电池的影响因子;Q——各影响因子的权重;
模型假设:在研究模型中,假定政府每年更换公共交通工具的数量是固定的。传统能源汽车的燃油消耗率和二氧化碳排放量并不随年份的增加而增加,即没有考虑传统能源汽车工况随年份的增加的改变。另外需要说明的是,虽然机动车的组成有很多分类,但本模型中只考虑了机动车的主要组成:公共汽车、出租车和私家车。
从权重的角度上分析,私家车占有绝对数量优势,对燃油消耗和二氧化碳排放有着重要的贡献;但政府对于私家车更换只能起到引导的作用,对于公共交通工具的改换可以依据规划逐年按部就班进行。
3 模型建立与求解
3.1 模型的建立
根据以上分析,温州地区的公共交通工具燃油消耗总量为:
Y1=(x1-△x1)p1+(x1-2△x2)p1+(x1-3△x1)p1+(x1-4△x1)p1+(x1-5△x1)p1Y1=5x1p1-15△x1p1
Y2=(x2-△x2)p2+(x2-2△x2)p2+(x2-3△x2)p2+(x2-4△x2)p2+(x2-5△x2)p2Y2-15△x2p2
Y=Y1+Y2=5x1p1+5x2p2-15△x1p1-15△x2p2
温州地区公共交通工具燃油消耗量是一个一元一次方程,较为容易理解,且结果亦容易计算。较为突出点在于确定各种分类在每年投入燃料电池汽车的比例,这个比例也是一个带有变量的函数。在本模型中为了计算方便,认为此变量函数为一次线性函数。
第一年考虑更换新能源汽车所对应的基础设施还在规划中,政府针对燃料电池汽车还处于试投入阶段,因此比例不会高;第二年根据预期计算和规划,对基础设施进行大范围的投入和兴建,逐步加大比例;第三年到第四年,投入基本设施完工一部分,可容纳较大比例的新能源汽车;第五年,所有基本设施投入完毕,比例趋于稳定。
如果考虑到私家车更换,则为:
Y=Y1+Y2+Y3=(5x1p1+5x2p2-15△x1p1-15△x2p2)f(X3)
f(x3)表示私家车更换函数。
影响私家车更换新能源汽车的主要因素有政府购车补贴力度、政府基础建设范围、政府政策持续性、燃料汽车购置税减免幅度、车船使用税减免幅度、大幅度提高传统能源汽车相应税费、政府宣传广告力度等。从权重角度上讲,前两项影响因子对私家车购置影响力度最大,其后各因素影响力度依次衰减,因此这些影响因素在模型中需要有所考虑。即,在私家车影响中,既要考虑影响因素,又要考虑各个因素的影响贡献(影响系数),将这种影响因子的思想应用到加权系数法中[12,13,14],可用两个矩阵相乘的方式表示出这个模型。
式中 a-表示影响因素;b-表示影响系数。
3.2 模型的求解
3.2.1 结果计算
利用MATLAB和针对MATLAB二次编程软件对以上公式进行编程录入,设置步长和计算精度,求出各自解。
图1～图3是燃料电池汽车按照假定既定比例投入到正常使用中后,整个十二五期间机动车燃油耗和二氧化碳排放的比较。可见,随着每年一定比例的燃料电池汽车的投入,有着明显的节能减排效果。整个十二五期间,实现节油22.3亿升,实现减少二氧化碳排放478.9万吨。此外经过一个五年计划的建设,针对燃料汽车的基础设施建设逐步展开,政策逐步深入民心,为后续更大范围内的实行新能源汽车推广打下坚实的基础。图中每年的燃油耗和CO2排放量下降比例不同,是遵循之前对于每年投入比例不同而造成。
3.2.2 结果分析
从图4综合结果中可以看出,第一年由于私家车还处于政策试行阶段,因此控制燃油耗和排放效果不大,所带来的燃油耗和二氧化碳排放量的降低主要是政府对于公共交通工具的改换而来;第二年,一方面政府继续对公共交通工具进行改换;另一方面私家车逐步有少量车辆进行改换;第三年,由于政府的持续加大投入,因此燃油耗和二氧化碳排放量整体趋势在继续下降。但占有比重较大的私家车由于燃料电池改装机整车销售,特别是售后服务还处于量小不规整阶段,因此下降幅度变小。第四和第五年,政府逐步加大对公共交通工具的改换幅度,同时针对燃料电池私家车的各种优惠配套政策及基础建设已经陆续到位,所以私家车曲线开始出现较大变化,带来了较为明显的变化。
从图4可以看出,1-3年间,政府试点工作逐步推行,但投资仅限于试点,因此虽有增加,但增加幅度不大。3-4年是集中投资年,由于对前阶段试点推广效果较好,因此政府逐步加大投资力度,基础建设开始呈规模。第5年,各项投资和基础建设已初具规模,大部分的公共交通工具的更换工作已经完成,私家车中燃料电池的比重趋于稳定,因此继续加大投入的可能性不大。 此外,新能源汽车的陆续投入使用,不仅能在节能减排方面实现十分优良的效果,也给城市化进行中优化道路交通规划,进一步实现智能交通打下了坚实的基础[10]、[15]。
3.3 模型的评价与改进
3.3.1 模型的优点
* 综合利用matlab软件,求解较为准确,再运用origin进行数据拟合时,得到了较为理想化的曲线。
* 模型的稳定性高、适应性强。
* 模型从问题出发,分析了应该考虑的各种情况,建立了一般的数学模型。
* 模型的预测结果可为温州市十二五规划中进行新能源汽车,提供良好的理论指导意义。
3.3.2 模型待完善的地方
* 本文的模型参数具有一定的偏差性。
* 为使计算简便,使所得的结果更为理想化,模型中忽略了一些次要因素,并认为汽车工况与行驶里程和年份无关,带有明显的差异。但这种差异不影响整体趋势。
* 由于政府对于新能源汽车总体上是鼓励的,而且鼓励幅度越来越大,而这一点没有考虑到模型中。
此外,根据研究的深入,还必须要找出政府最小投入获得最大收益的平衡点。即如何找到在更换公共汽车、出租车改装、私家车购车补贴、汽车4S店补贴上各自投资力度多大时,可获得最佳收获。这是模型下一步需要研究完善的方向。
燃料电池汽车 篇10
近几年来随着汽车需求的高速增长,石油进口大量增加,使国家能源安全面临着重大挑战。同时,环境问题日益突出,据统计,60%的城市污染来自汽车。与传统汽车相比,燃料电池汽车具有无污染,工作效率高,低噪音,行驶平稳和不依赖石油等诸多优点,是汽车未来发展的方向,得到了社会的广泛关注和支持。
在燃料电池汽车系统中,燃料电池和蓄电池是整车所需能量的来源,变换器是整个动力系统能量流动的重要环节。变换器是燃料电池和蓄电池之间的一个周期性通断的开关控制装置,具有调节电压及变换电压形式的功能,对于燃料电池汽车,其驱动系统中的变换器应包括DC/DC(直流-直流)变换器和DC/AC(直流-交流)变换器。
燃料电池汽车车轮的动力来自于电机转动,目前在燃料电池汽车上直流电机的应用逐渐被交流电机所取代,目前应用最多且最被看好的是异步电机及永磁电机,而对其控制往往是靠将相应的三相交流电加在其上完成的,因此,燃料电池汽车中需要有逆变器完成DC/AC变换。事实也表明交流电机驱动系统是未来电动汽车电气驱动系统的主流[1]。
传统的燃料电池汽车借助DC/DC变换器和后级DC/AC变换器的配合调节,实现交流电机的宽范围多方式调速, DC/DC变换器对燃料电池的最大输出电流和功率进行控制,以保护燃料电池,同时稳压调节系统线上的电压;DC/AC变换器起到电能变换控制的作用,将系统总线上的电能转变为适合于电机运行的电能,同时控制电机的运行,构成典型的两级式电能变化。
传统Boost拓扑升压困难,因为该拓扑升压因子很大时,开关导通比接近1,这样开关导通时间过长而开关截止时间过短,从而导致损耗和温升过大,影响实用,限制其调压范围。然而常采用的逆变装置面临着因为额外加入的Boost 升压斩波电路,增加了系统成本,降低了变换效率;由于控制失误或电磁干扰的任何原因导致逆变器上下管直通将损坏开关管;为了避免开关管直通而加入的死区又影响了输出电流波形,存在大量谐波等问题。
一般来说,两级式效率要低于单级式系统。新型Z源网络能利用其独特的无源网络来实现升降压变换功能,而且还保持了单级结构和高效率,具有很好的研究价值。当燃料电池输入电压较低时,Z源网络通过直通时间的引入,工作于升压模式;当输入电压较高时,不需加入直通时间,此时Z源网络工作于降压模式。因此,本文所提出的Z源逆变网络能很好地适应汽车燃料电池输出电压的宽范围变化。采用Z源电容电压闭环控制,使电容电压值稳定在合理的给定,从而使直流母线电压和输出电压保持稳定。
传统Z源逆变器存在一些不足,本文通过引入一种性能较高的新型Z源逆变器,使Z源逆变器在传统结构的基础上,性能更加完善,更加满足于燃料电池汽车的一些要求,具有很高的研究价值和应用价值。对它的控制可通过应用电压空间矢量调制方法,在传统零矢量作用区间施加直通零矢量,在不影响有效输出电压矢量的前提下,能够同时实现对直流电压的控制,相对于正弦脉宽调制等方法,具有明显优势。但是传统SVPWM方法没有直通状态,无法直接应用于Z源逆变器。本文针对这一问题给出实现方法。同时高性能新型Z源逆变器拓扑结构,相对于传统Z源结构,会在直流电压侧多一个开关管,所以文中对其开关控制也予以了说明。
1Z源逆变器
1.1 传统Z源逆变器的拓扑结构和工作原理
电压型三相Z源逆变器的主电路拓扑如图1所示。
当逆变桥工作于直通状态时,由等效电路图2(a)可得:
当逆变桥工作于非直通状态时,由等效电路图2(b)可得:
式中:VDC为直流电源电压。
假设在一个开关周期T中,逆变桥工作于直通零电压状态的时间为T0,工作于非直通零电压状态的时间为T1,T=T0+T1,则在稳态下一个开关周期电感两端的平均电压必然为0,由式(2)和式(3)可推出:
设直通占空比为d0=T0/T,则式(4)变为:
文献[2]指出,Z网络与逆变器之间的直流母线电压峰值可表示为:
式中:B为升压因子。逆变器交流侧输出相电压峰值可表示为:
式中:M为逆变器的调制因子,
传统Z源逆变器的优点主要包括:运用直通零电压来升高直流电压,以实现逆变器输出电压的升压功能,实现宽范围调压;由于Z源网络的引入,提高了逆变桥的安全性;消除了死区对输出交流电压的影响;减小开关损耗,提高电能变换效率。因此Z源逆变器提供了一种低成本、高可靠性的单级式升降压逆变器实现方案。Z源逆变器的上述优点使它在燃料电池发电等输入电压宽范围变化的新能源场合具有潜在的应用前景。
然而进一步分析发现,它还存在如下局限性:在轻载运行时,Z网络输出电压的最大值会越来越高,而从高频来看,Z网络输出电压存在很明显的畸变;在轻载时,Z源逆变器直流链电压是发散的,系统是不稳定的。变换器存在启动冲击问题,不具有抑制启动冲击的能力,从而损坏变换器。
1.2 Z源逆变器的改进
为了解决传统 Z源逆变器存在的上述不足,本文引入一种高性能适合燃料电池汽车电机控制用的新型Z源逆变器。
图3为高性能Z源逆变器的主电路图。开关管SW使Z网络的电流能够反向流动;二极管VD保证了电源电流的单向流动;而输入电容C给电路的反向电流提供了个通路。通过控制直通占空比和开关管SW来实现电路的所有功能。
由文献[4]知,高性能Z源逆变器在Z网络小电感并且负载变化范围很大的情况下,各部分电压之间的关系与传统Z源逆变器处于正常状态时各部分的关系完全相同。所以传统Z源逆变器的电压关系对改进后的Z源结构仍然适用。
由图4中的工作模式4 、工作模式5和工作模式6 代替了传统Z源逆变器在轻载或小电感时出现的三种特殊的非正常工作状态,保证电路工作正常。
高性能Z源逆变电路中逆变桥开关管可以部分实现零电压开通的功能。如图4 所示,当电路处于工作模式6 时,电路中的电流通过输入电容和Z网络电容构成回路,如果此时加入直通信号,即开关SW关闭,电感中的电流不能突变,电流通过逆变桥开关管的体二极管构成回路,形成了图4(g)中的①所示的特殊直通状态。该状态使二极管把直流链电压Vi箝在了零电压,与此同时电感电流在负向减小,当减小到零后,由于已经有直通信号,所以,逆变桥开关管零电压导通,实现了开关管直通状态下的零电压开通。
它具有如下优点:新型拓扑具有内在的抑制启动冲击的能力,通过采用合适的软启动策略,可以实现变换器的软启动;消除了直流链的电压畸变;电路对负载的适应能力强,即能够工作在燃料电池汽车速度变化大环境下;简化了Z网络电感的设计和控制系统的设计;能部分实现逆变桥开关管在直通状态时的零电压导通,减少了开关损耗,改善了开关管的工作环境。使其更加适合燃料电池汽车高功率密度、宽电压范围、瞬时过载能力强、高可靠性、输出功率大、成本合理等要求,在燃料电池汽车上有很好的应用前景。
2Z源逆变器的调制方法
在众多逆变器控制算法里,SVPWM算法以其有物理概念清晰,直流电压利用率高,动态响应快,在输出电压波形质量相同情况下开关器件工作频率低,开关损耗小等优点,广泛应用在三相逆变器的控制中。
为了将SVPWM应用于新型Z源逆变器,需要对传统的SVPWM进行改进。在一个开关周期,传统的 SVPWM 中需要插入直通时间 T0,以实现升压功能。以第一扇区为例,改进后的 SVPWM控制波形如图5所示。
Ts为开关周期;T1,T2分别为有效矢量(100)、(110)的作用时间;Tz为传统SVPWM中的零矢量作用时间,Tz=Ts-T1-T2;T0为直通时间,T0=Tz/12。
如图5,直通状态被均匀地分布在整个开关周期,插入的直通时间没有额外增加开关次数,各状态分配时间如图5所示。
图6所示为直通信号和开关管SW驱动信号的关系。通过分析上述电路的工作状态可知,在直通状态发生时,开关管SW处于关断状态;为了得到所需的输入电流(正电流或负电流)保证Z网络输出电流(iL+iC)不小于负载电流的50%,即iL+iC=iPN/2,在逆变桥处于非直通状态时,开关管SW工作在导通状态。也就是说,开关管SW的驱动信号和逆变桥的直通信号为互补关系。
3仿真结果与分析
本文对高性能Z源逆变器工作原理和状态进行了仿真和实验验证,仿真和实验电路参数如下:系统输入电压V0=510 V;系统输入电容C=470 μF;L1=L2=100 μH,C1=C2=470 μF;开关频率fs=10 kHz;直通占空比D0=0.17。图7和图8是传统电压型逆变器和Z源逆变器在负载较轻时(RL=400 Ω)直流链电压仿真结果的比较。由图7可以看到,传统逆变器的直流链电压在非直通状态时有电压畸变现象,图8显示高性能Z源逆变器明显消除了直流链电压畸变现象。由图9可以看出,改进后的Z源逆变器输出电压波形的正弦性较好,谐波较少。
4结语
交流电机驱动系统是未来电动汽车电气驱动系统的主流。本文采用新型Z源逆变器拓扑在继承传统Z源逆变器中能宽范围调压;允许逆变桥上下桥臂同时导通,提高了逆变桥的安全性;消除了死区对输出交流电压的影响;减小开关损耗,提高电能变换效率等优点的同时,针对Z源逆变器应用于燃料电池汽车后所面临的一些固有缺点,提出了改进措施,使得Z源逆变器作为一种低成本、高可靠性的单级式升降压逆变器实现方案,在改进后非常适合在燃料电池输出电压不稳定,而对输出电能要求较高的燃料电池汽车上应用。
摘要：在燃料电池汽车中,电能转换是一个核心问题。结合燃料电池的特性,简要说明了燃料电池汽车中现有变换器的不足。同时,为了克服传统燃料电池汽车电能变换器两级结构固有的不足,进一步提高其稳定性,提出了一种性能较高的Z源逆变器,分析了该结构的工作原理,采用了一种新型的具有直通零矢量的三相电压空间矢量调制方法,介绍了其工作特点以及直通零矢量的产生方法,进行了相关的仿真实验。仿真结果表明,该电路结构能够达到较高的性能要求,适合在燃料电池汽车上应用。
关键词：燃料电池汽车,电能变换,高性能Z源逆变器,空间矢量调制
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