1.1.3 燃料电池汽车动力系统

燃料电池汽车动力系统是电动汽车最主要的系统总成，一方面决定整车性能的优劣，另一方面也是决定整车造价的主要因素。因此，正确地确定整个动力系统的结构，合理选择系统中各装置与部件的类型及性能参数对燃料电池汽车整车的动力学性能是十分重要的。

对于一辆燃料电池汽车，其驱动装置是电机，电能由燃料电池堆提供。燃料电池堆通过氢气与氧气的反应产生电能，只要不断地为其提供氢气就可以输出电流做功，这类似于传统意义上的汽油或柴油内燃机，所不同的是添加的燃料。因此，行业中经常可以看到将车载燃料电池堆及其支持系统（Balance of Plant，BOP，包括空气供应、氢气供应、水热平衡及控制系统）的集成称为“燃料电池发动机（Fuel Cell Engine，FCE）”，但不同于直接提供机械能输出的传统的内燃发动机，其实质是“燃料电池发电系统”。

在目前的技术条件下，燃料电池发电系统有几个技术短板：需要外部电源提供电能启动空气压缩机、整机启动时间较长、输出响应较慢和输出伏安特性较软，因此需要额外做些补充配置，以优化系统整体性能。为了解决这些问题，同时解决回收电机回馈制动能量的问题，必须在动力总成方案中增加可储能的电源，如采用高功率的动力蓄电池组和超级电容。为了解决燃料电池输出伏安特性较软的问题，在燃料电池发动机与电机之间增加一个DC/DC变换器，以起到改善燃料电池的伏安特性和匹配电源阻抗的作用。

因此，目前国内外通行的燃料电池汽车动力系统技术方案中，除采用燃料电池发动机作为主要动力源外，都采用高功率动力蓄电池（有时还有超级电容）作为储能系统，同时，在燃料电池发动机和电机之间通过DC/DC变换器连接。

综上，燃料电池汽车动力系统的主要总成部件有四个：燃料电池发电系统、动力蓄电池组、DC/DC变换器和电机。燃料电池汽车动力系统的结构形式如图1-14所示，图中虚线方框表示可选部件，点画线圆框表示按功能划分的子系统。

图1-14 燃料电池汽车动力系统的结构形式

可以把动力系统简单分为两部分，其一为电源系统，其二为驱动系统，电源系统和驱动系统之间是松耦合关系，而电源系统和驱动系统内部是强耦合关系。

电源系统主要包括燃料电池、DC/DC变换器和动力蓄电池，本书后面将其称为复合电源。复合的目的是形成一个比较优化的车用电源，这是本书重点介绍的内容。图1-14中的电源系统由燃料电池完成从氢能到电能的转换，发出的电能经过DC/DC变换器这个电力电子变流器后，并联在动力蓄电池两端，这两类电化学电源和一个电力电子电源相互配合，弥补各自的不足，成为一个优化的复合电源，供电给驱动系统，并接受驱动系统在制动时回馈的电能。

驱动系统完成从电能到动能的转换，并根据整车需要匹配合理的速度和转矩。驱动系统包括电机、电机驱动器和变速（减速）器，目前在乘用车中已经三合一集成，甚至和差速器等多合一集成，成为一个高集成的驱动桥，这部分内容不是本书重点介绍的内容，详细介绍可以参阅车用电机及驱动方面的专业书籍。图1-14所示结构采用的是一个中央驱动电机的方案，电机输出的转矩经传动机构传递到驱动轮上驱动汽车行驶，虽然配置变速器后有助于提高电动汽车的经济性和多工况适应性，但会增加成本及结构复杂性，具体方案随车型及其应用场景确定。