燃料電池車是如何工作的？燃料電池車結構詳解
發布時間：
2022-05-31
燃料電池車是目前氫燃料電池最重要的應用之一，今天我們一起學習一下燃料電池車的結構，注意這里的燃料電池車主要是指燃料電池乘用車。
燃料電池車是目前氫燃料電池最重要的應用之一，今天我們一起學習一下燃料電池車的結構，注意這里的燃料電池車主要是指燃料電池乘用車。
燃料電池車如何工作?
如下圖左上示意圖，燃料電池車的心臟——燃料電池電堆，它提供了一個加速氫氣與氧氣電化學反應的容器，將氫氣與氧氣化學反應中釋放的能量轉化為電能。在燃料電池車中，它與電池一起協同工作，為電機提供能量，而電機為車輛提供動力，驅動車輛行駛。對于電池來說，其本身就是能量源。而對于燃料電池電堆來說，它的能量來源——氫氣，需要另外存儲。目前常用的儲存方式為使用高壓儲氫罐儲存，即圖中的圓柱體。
純電動汽車(BEV)和燃料電池車(FCEV)相同的地方在于，都使用電為電動機提供動力。不同的地方在于，燃料電池車使用由氫驅動的燃料電池電堆發電，而不單一從電池中提取電能。在車輛設計過程中，電池與燃料電池的尺寸配比存在多種選擇，但是其動力模式可以歸結為燃料電池模式、輔助模式、充電模式、能量回收模式這四種模式。
燃料電池車主要由哪些部分組成?
如上圖，以類似豐田Mirai燃料電池車為例，參考自美國能源部的定義，燃料電池車主要由這些部分組成：
Thermal System：熱管理(冷卻)系統，該系統能夠將燃料電池、電機、功率電子、以及其他零部件維持在其合適的工作溫度上。
Battery(auxiliary)：輔助電池，就是燃油車上常見的12V輔助電池。
DC/DC converter：這里指的是將動力電池的高壓電轉化為輔助電池能夠接受的低壓電的裝置。
Power electronics controller：電力電子控制器，能夠管理燃料電池和動力電池的電能，進行電壓控制，并將電能分配給電機控制電機。
Transmission：變速器，從電機傳遞機械動力來驅動車輪。
Electric Traction Motor：驅動電機，利用來自燃料電池和動力電池組的電能，輸出機械能驅動車輪。另外也能夠回收減速時的動能，轉化為電能。
Fuel Cell Stack：燃料電池電堆。將多片燃料電池組裝而成的電能轉化裝置。其一般被置于一個殼體內，國內一般稱之為燃料電池電堆模塊。Fuel Tank(hydrogen)：儲氫罐，用于儲存氫氣。
Fuel Filler：加氫口，特殊設計的金屬嘴，能夠卡住加氫槍，將加入的氫氣送入氫罐中。
Battery Pack：電池包(動力電池)，較小容量的電池包。與純電車上所使用的的電池包區別不大。
燃料電池車與其他類型車有哪些區別?
這里小編查看了美國能源部網站的信息，對比了燃料電池車(Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle，又稱氫-電混合動力車)、燃油車(Gasoline Vehicle)、油-電混合動力車(Hybrid Electric Vehicle)、純動力電池車(All Electric Vehicle)。其基本車輛結構原理如下圖所示：
可以看出燃料電池車與油-電混合動力車的架構很相似，其中大量零部件與純動力電池車相同。不過值得注意的是，由于不同的電池與燃料電池電堆的配置，不同廠家的燃料電池車結構區別還是比較大的。有的燃料電池車主要以燃料電池電堆作為主動力輸出源，有的以電池作為主動力輸出源，燃料電池電堆起增程器作用。
不同燃料電池車間有哪些區別?
接下來來看看不同的燃料電池車之間有啥區別，我們對比了豐田Mirai一代、豐田Mirai二代、奧迪A7 (H-tron版)、奧迪H-tron版、奔馳B-Klasse、奔馳GLC、現代Nexo這七款燃料電池車。
可以看到，不同燃料電池車型的主要區別在于燃料電池電堆、氫瓶與動力電池在車輛中的布置方式，不同的布置位置也影響了這些零部件的形狀。主要布置方式有以下四類：
(a)氫瓶沿車中軸縱置+在車尾橫置，動力電池后置，燃料電池電堆前置(b)氫瓶在車尾橫置，動力電池像純電車一樣中置，燃料電池電堆前置(c)氫瓶在車尾橫置，動力電池后置，燃料電池電堆中置(d)氫瓶在車尾橫置，動力電池后置，燃料電池電堆前置
豐田與奔馳在早期開發時使用了相同的(c)類方案，隨后都在更新的車型中換成了(a)類方案。包括現代NEXO在內，其使用的(d)類方案與(a)類是十分相似的。總的來說，目前最新一代的車型中，大部分廠商都采用了動力電池后置，燃料電池電堆(系統)前置的方案，而氫瓶則有縱置也有橫置。這里面，奧迪h-tron的(b)類方案，使用了較大尺寸的電池包，容量相較(c)、(d)類方案更大。
從電池與燃料電池電堆的配置來看的話，目前燃料電池車主要分為混動型和增程式兩類。增程式的工作方式即采用前文中所說的充電模式。混動型可以再細分為“大功率電堆+小容量電池”與“中等功率電堆+中等容量電池”的方案，這兩類方案都可以實現前文提到的所有工作模式。目前混動型的這兩類方案均有廠家在使用，未來哪種是主流暫時應該還未有十分肯定的結論。不過從日韓廠商的車型看，領頭者目前仍更傾向于使用較小電池的(c)、(d)方案。
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