问题31 燃料电池汽车动力系统结构是怎样的？

燃料电池汽车是以电力驱动作为唯一的驱动模式，按照驱动能源组合形式不同，可分为纯燃料电池驱动（Pure Fuel Cell，PFC）和混合驱动两种形式。混合驱动系统将燃料电池与辅助动力源相结合，燃料电池可以只满足持续功率需求，借助辅助动力源不仅可以提供加速、爬坡等所需的峰值功率，而且在制动时可以将回馈的能量存储在辅助动力源中。混合驱动包括有燃料电池+辅助动力电池联合驱动（Fuel Cell+Battery，FC+B）、燃料电池+超级电容联合驱动（Fuel Cell+Capacitor，FC+C）及燃料电池+动力电池+超级电容联合驱动（Fuel Cell+Battery+Capacitor，FC+B+C）。

在结构组成上，燃料电池汽车仍保留了传统内燃机汽车的车身、行驶系统、悬架系统、转向系统和制动系统等，不同之处在于动力驱动系统。

纯燃料电池（PFC）电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。纯燃料电池电动汽车的动力系统如图2-36所示，DC/DC变换器的作用是阻抗匹配，以解决燃料电池发动机输出特性偏软的问题。

图2-36 纯燃料电池驱动形式动力系统结构图

燃料电池+辅助动力电池联合驱动（FC+B）的燃料电池电动汽车的动力系统从本质上来讲是一种混合动力结构，它与传统意义上的混合动力结构的差别仅在于发动机是燃料电池系统而不是内燃机，目前绝大多数燃料电池汽车动力系统都采用这种结构形式，如图2-37所示。该结构为一典型的串联式混合动力结构，在该动力系统结构中，燃料电池和动力电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统，从而驱动汽车前进。在汽车制动时，驱动电机变成发电机，动力电池将储存回馈的能量。在燃料电池和动力电池联合供能时，燃料电池的能量输出变化较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的高频部分由动力电池分担。动力电池还可以单独以纯电动的模式驱动车辆，可以实现在燃料电池出现故障时的跛行返回。

图2-37 燃料电池+辅助动力电池形式动力系统结构图

燃料电池+辅助超级电容合驱动（FC+C）的燃料电池电动汽车动力系统的结构形式与燃料电池+动力电池结构相似，只是把动力电池换成了超级电容，系统结构如图2-38所示。超级电容器作为辅助动力源，相对于动力电池具有优良的功率特性。它能以高放电率释放电能，比功率是动力电池的10倍左右，在回收制动能量方面比动力电池有优势，充电时间更短，而且循环寿命达到百万次，可以降低使用成本。但是，超级电容器存储的能量有限，只可以提供持续大约1min的峰值功率，其电压波动幅度很大。随着超级电容技术的不断进步，这种结构将成为重要的研究课题及发展方向。

图2-38 燃料电池+辅助超级电容形式动力系统结构图

燃料电池与动力电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的电动汽车的动力系统如图2-39所示，该结构也为串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池、动力电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电动机将电能转化成机械能传给传动系统，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，动力电池和超级电容将储存回馈的能量。在采用燃料电池、动力电池和超级电容联合供能时，燃料电池的能量输出较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的低频部分由动力电池承担，能量需求变化的高频部分由超级电容承担。在这种结构中，各动力源的分工更加明细，因此它们的优势也得到了更好的发挥。

图2-39 燃料电池+动力电池+超级电容形式动力系统结构图