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燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵部件
2021-09-12 00:14:30· 來源：CEA氫氫子衿
2.1.3 磷酸型燃料電池
磷酸型燃料電池(PAFC)自20世紀(jì)60年代在美國開始研究以來,由于操作溫度低?耐CO中毒能力強(qiáng)等特點(diǎn),得到了優(yōu)先發(fā)展,是目前技術(shù)成熟?發(fā)展最快的燃料電池?
PAFC是一種以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池?其采用重整天然氣做燃料,空氣做氧化劑,浸有濃磷酸的SIC微孔膜做電解質(zhì),Pt/C做催化劑,工作溫度200°C,是目前單機(jī)發(fā)電量最大的一種燃料電池?關(guān)鍵材料包括電極材料?電解質(zhì)材料?隔膜材料和雙極板材料?PAFC的結(jié)構(gòu)如圖10所示?
圖10 PAFC結(jié)構(gòu)
這種電池的突出優(yōu)點(diǎn)是貴金屬催化劑用量比堿性氫氧化物燃料電池大大減少,還原劑的純度要求有較大降低,一氧化碳含量可允許達(dá)5%?該類電池般以有機(jī)碳?xì)浠衔餅槿剂?正負(fù)電極用聚四氟乙烯制成的多孔電極,電極上涂Pt做催化劑,電解質(zhì)為85%的H3PO4?在100~200°C范圍內(nèi)性能穩(wěn)定,導(dǎo)電性強(qiáng)?磷酸電池較其他燃料電池制作成本低,接近供民用的程度?但是其啟動時間較長?余熱利用價值低等缺點(diǎn)導(dǎo)致其發(fā)展速度減緩?
目前,PAFC主要用于發(fā)電廠,其中分散性發(fā)電廠容量為10~20MW;中心電站型發(fā)電廠裝機(jī)容量可達(dá)100MW以上,即使在發(fā)電負(fù)荷較低時,依然保持較高的發(fā)電效率?它還可用于現(xiàn)場發(fā)電,就是把PAFC直接安裝在用戶附近,同時提供熱和電,被認(rèn)為是PAFC的最佳應(yīng)用方案?這種方案的優(yōu)點(diǎn)包括:可根據(jù)需要設(shè)置裝機(jī)容量或調(diào)整發(fā)電負(fù)荷,而不會影響裝置的發(fā)電效率,即使小容量PAFC裝置也能達(dá)到相當(dāng)于現(xiàn)代大型熱電廠的效率;有效利用電和熱,傳輸損失小?
2.1.4 固體氧化物燃料電池
固體化物燃料電池(SOFC)的開發(fā)始于20世紀(jì)40年代,但是在80年代以后其研究才得到蓬勃發(fā)展?早期開發(fā)出來的SOFC的工作溫度較高,一般在800-1000°C:科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)成功中溫SOFC.其工作溫度般在750°C左右:些科學(xué)家也正在努力開發(fā)低溫SOFC,其工作溫度更可以降低至650~700°C?工作溫度的進(jìn)步降低,使得SOFC的實際應(yīng)用成為可能?電池中的電解質(zhì)是復(fù)合氧化物,在高溫(100°C以下)時有很強(qiáng)的離子導(dǎo)電功能?其原理是由于鈣?鐿或釔等混入離子價態(tài)低于鋯離子的價態(tài),使有些氧負(fù)離子晶格位空出來而導(dǎo)電?目前世界各國都在研制這類電池,并已有實質(zhì)性的進(jìn)展?但SOFC在高溫下工作也給其帶來一系列材料?密封和結(jié)構(gòu)上的問題,如電極的燒結(jié)?電解質(zhì)與電極之間的界面化學(xué)擴(kuò)散以及熱膨脹系數(shù)不同的材料之間的匹配和雙極板材料的穩(wěn)定性等?這些都在一定程度上制約著SOFC的發(fā)展,成為其技術(shù)突破的關(guān)鍵因素?SOFC的結(jié)構(gòu)原理如圖11所示?
圖11 SOFC結(jié)構(gòu)原理
目前,從幾十瓦的便攜式電源系統(tǒng)到千瓦級的家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng),再到數(shù)百千瓦級的分布式電源系統(tǒng),均已有相對成熟的產(chǎn)品進(jìn)入市場?產(chǎn)品的功能性和適應(yīng)性也越來越強(qiáng),它們的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入降低成本?提高產(chǎn)品功能以適應(yīng)具體環(huán)境的新階段?
2.1.5 熔融碳酸鹽燃料電池
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是由多孔陶瓷陰極?多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜?多孔金屬陽極和金屬極板構(gòu)成的燃料電池?
其電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽,一般為堿金屬Li?K?Na?Cs的碳酸鹽混合物,隔膜材料是LiAlO2,正極和負(fù)極分別為添加鋰的氧化鎳和多孔鎳?MCFC工作原理如圖5-12所示?
圖12 MCFC工作原理
MCFC的優(yōu)點(diǎn)在于工作溫度較高(650~700°C),反應(yīng)速度較快;對燃料的純度要求相對較低,可以對燃料進(jìn)行電池內(nèi)重整;不需貴金屬催化劑,成本較低;采用液體電解質(zhì),較易操作?不足之處在于,高溫條件下液體電解質(zhì)的管理較困難,長期操作過程中,腐蝕和滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重,縮短了電池的壽命?
2.2 蓄電池
燃料電池在使用中具有動態(tài)響應(yīng)較慢?使用壽命短的缺點(diǎn),在實用化的燃料電池汽車中,燃料電池往往與蓄電池搭配使用?蓄電池的動態(tài)響應(yīng)特性好,功率密度高,可以有效彌補(bǔ)燃料電池的不足,同時能夠滿足制動能量回收的要求?目前可用于燃料電池動力系統(tǒng)的蓄電池種類主要有鎳氫電池?鋰離子電池,同時處于實驗階段的電池主要有鋰硫電池和鋅空氣電池等,其中,同屬鋰離子電池的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池在工程實踐中應(yīng)用較多?
2.2.1 鎳氫電池
鎳金屬氫化物蓄電池簡稱鎳氫電池,是20世紀(jì)90年代后逐漸發(fā)展起來的一種車用動力蓄電池?鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH(放電時)和Ni(OH)2(充電時),負(fù)極的活性物質(zhì)為H(放電時)和H2O(充電時),電解質(zhì)采用30%的氫氧化鉀溶液。
鎳氫電池般做成圓柱形密封電池,包括正極板?負(fù)極板?隔板?安全排氣孔等組成部分?正極板的材料為NiOOH,負(fù)極板的材料為儲氫合金?當(dāng)鎳氫電池過充電時,金屬殼內(nèi)的氣體壓力將逐漸上升?當(dāng)該壓力達(dá)到一定數(shù)值后,頂蓋上的斷點(diǎn)防爆結(jié)構(gòu)打開,因此可以避免電池因氣體壓力過大而爆炸?
鎳氫電池的主要技術(shù)特點(diǎn)如下:
1)鎳氫電池使用氫氧化鎳作為電池正極,儲氫合金作為電池負(fù)極,例如釩?鈦?鎳等,不含劇毒物質(zhì),回收價值高,回收難度小,基本可全部回收再利用,有利于可持續(xù)發(fā)展?但是鎳氫電池成分中含有稀土元素,在電池全壽命周期中對環(huán)境的破壞相較于鋰電池更大?
2)鎳氫電池比熱容較高,能量密度較小,在發(fā)生短路?穿刺等極端情況時電池溫升小?不會燃燒?同時鎳氫電池對于過充?過放的耐受性好,相比于鋰電池更為安全?
3)鎳氫電池的能量密度-般為70~95W·h/kg,能量密度不及鋰電池,鎳氫電池組在重量上要大于鋰電池?
4)鎳氫電池的單體電壓一般為1.2V,而鋰電池的單體電壓一般為3.6V,為達(dá)到相同的電壓需要串聯(lián)更多的鎳氫電池單體,對于電池組的設(shè)計?管理要求更高?
5)鎳氫電池存在較小的記憶效應(yīng),當(dāng)電池發(fā)生淺充淺放時,會導(dǎo)致電池的可用容量降低,影響電池壽命?
6)鎳氫電池自放電效應(yīng)較為嚴(yán)重,可達(dá)20%/月,車輛長期停放后容易出現(xiàn)電量不足的情況?
2.2.2 磷酸鐵鋰電池
磷酸鐵鋰蓄電池可簡稱為磷酸鐵鋰電池,是種使用磷酸鐵鋰作為電池正極材料?負(fù)極使用石墨或碳的鋰離子蓄電池,目前被廣泛運(yùn)用于燃料電池汽車中?磷酸鐵鋰電池的工作原理為:在對其進(jìn)行充電時,正極上分解生成鋰離子,鋰離子通過電解質(zhì)進(jìn)入電池負(fù)極,嵌入負(fù)極碳層的微孔中:在放電過程中,嵌在負(fù)極微孔中的理離子又運(yùn)動回正板?
其主要技術(shù)特點(diǎn)如下:
1)能量密度相較于鎳氫電池高得多,可以達(dá)到130W·h/kg,,能有效減小電池組的重量和體積,但是不及三元鋰電池?
2)不含重金屬與稀有金屬,無毒?無污染,較為綠色環(huán)保?
3)磷酸鐵鋰電池的高溫耐受性較好,其內(nèi)部材料在高溫下更為穩(wěn)定,因此磷酸鐵鋰電池的高溫安全性相較于三元鋰電池更好?
4)磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命長,可達(dá)2000次以上,且在整個壽命周期內(nèi)電池衰減較為平緩?
5)無記憶效應(yīng)?
6)自放電率低,一般低于5%/月?
7)低溫性能差,在冬季低溫天氣下使用會導(dǎo)致電池容量以及充放電性能的大幅下降?
2.2.3 三元鋰電池
三元鋰離子蓄電池簡稱三元鋰電池,采用鎳鈷錳酸鋰[Li(NiCoMn)O2]即三元復(fù)合材料作為電池正極,是近幾年來發(fā)展十分迅速的一種鋰聚合物蓄電池,在目前的車用動力電池中已經(jīng)占據(jù)半壁江山?
三元鋰電池的正極三元材料指Co?Ni?Mn三種元素,其中Co元素可以有效減少陽離子混合占位,有利于層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定;Ni元素可以有效提高材料的容量;Mn元素既可以顯著降低材料的成本,也可以提高材料的安全性和穩(wěn)定性?
三元鋰電池的主要技術(shù)特點(diǎn)如下:
1)能量密度可以達(dá)到200W·h/kg以上,高于鎳氫電池和磷酸鐵鋰電池,可以較容易地實現(xiàn)大容量電池組的搭建?
2)三元鋰電池的低溫性能較好?在低溫下三元鋰電池的容量效率和能量效率均優(yōu)于磷酸鐵鋰電池,這是因為三元鋰電池的正極材料在低溫下活性高于磷酸鐵鋰,且三元鋰電池的內(nèi)阻略大于磷酸鐵鋰電池,在低溫下放出的熱量較大,可以使電池保持更高的溫度?
3)三元鋰電池的循環(huán)壽命高于鎳氫電池,但低于磷酸鐵鋰電池?目前較為優(yōu)秀的三元鋰電池循環(huán)壽命可以達(dá)到1800次以上?三元鋰電池的壽命衰減呈現(xiàn)先緩后急的趨勢,在循環(huán)次數(shù)較少時容量衰較慢,而達(dá)到一定程度后衰減較快?
4)三元鋰電池的高溫耐受性較差,其材料中含有活性材料鈷,在180-200°C時三元材料容易發(fā)生分解,發(fā)生脹氣和燃燒,安全性能較差,對于電池?zé)峁芾淼囊蟾?
5)不含重金屬與稀有金屬,無毒?無污染,較為綠色環(huán)保?
6)無記憶效應(yīng)?
7)自放電率低,一般低于5%/月?
2.2.4 鋰硫電池
鋰硫蓄電池(簡稱鋰硫電池)是一種新型的二次電池種類,其使用單質(zhì)硫作為正極,金屬鋰作為負(fù)極?硫正極的電極反應(yīng)過程包括硫的多步氧化還原反應(yīng)和多硫化物的復(fù)雜相變過程?放電時,負(fù)極鋰失去電子變?yōu)殇囯x子,正極S8首先溶解于電解液形成S8(1),然后反應(yīng)生成長鏈的多硫化物L(fēng)i2S8?Li2S6,隨著硫被進(jìn)一步還原,長鏈的多硫化物斷裂成較短鏈的Li2S4?LiS2,放電最終產(chǎn)物為Li2S?
其主要技術(shù)特點(diǎn)如下:
1)材料儲量豐富,廉價易得,容易實現(xiàn)較低的成本?
2)鋰硫電池的理論能量密度可達(dá)2600W·h/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰電池能量密度?目前有記載的實際鋰硫電池能量密度已經(jīng)達(dá)到了500W·h/kg,可以大大減小電池組的體積和重量?
3)鋰硫電池的單體電壓為2.5V左右?
4)鋰硫電池在現(xiàn)有技術(shù)情況下的自放電效應(yīng)較為嚴(yán)重,可達(dá)每月8%~15%?
5)鋰硫電池的循環(huán)壽命較低,一般在1000次以下,目前已有實驗室實現(xiàn)1500次的循環(huán)壽命?
6)鋰硫電池目前存在一定的安全問題,其正極的S和Li2S密度差異較大,在循環(huán)中容易導(dǎo)致電池體積膨脹;負(fù)極隨著循環(huán)的進(jìn)行會形成鋰枝晶,刺破隔膜,造成電池短路?
2.2.5 鋅空氣電池
鋅空氣蓄電池(簡稱鋅空氣電池)是金屬空氣蓄電池的一種,主要由空氣電極?鋅電極?電解液和隔膜組成,以空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì),金屬鋅作為負(fù)極活性物質(zhì),使用堿性電解液?空氣中的氧通過空氣電極的防水透氣層擴(kuò)散到催化層,在催化劑與電解液的界面上發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng),同時鋅電極進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng),產(chǎn)生電流?
其主要技術(shù)特點(diǎn)如下:
1)鋅空氣電池的理論能量密度達(dá)1350W·h/kg,目前實際的能量密度為250~300W·h/kg,能量密度較高?
2)材料成本低,無毒無污染,且循環(huán)產(chǎn)物為氧化鋅,可實現(xiàn)完全的回收利用?
3)自放電小,在電池不工作時可通過封閉空氣入口使反應(yīng)停止?
4)在電池工作過程中,鋅電極會不斷地被氧化成氧化鋅,需要定期更換鋅電極才能繼續(xù)使用?目前也有使用鋅膏的鋅膏循環(huán)式鋅空氣電池,將鋅膏作為電池負(fù)極,通過鋅膏的循環(huán)流動實現(xiàn)鋅的補(bǔ)充?
2.3 電機(jī)
電機(jī)在燃料電池汽車中承擔(dān)了驅(qū)動車輛的任務(wù),因此驅(qū)動電機(jī)需要具有響應(yīng)迅速?調(diào)速范圍寬?起動轉(zhuǎn)矩大?后備功率高?效率高的特性,同時要求可靠性高?耐高溫及耐潮?結(jié)構(gòu)簡單?成本低?維護(hù)簡單?適合大規(guī)模生產(chǎn)?可用于燃料電池汽車的驅(qū)動電機(jī)種類主要有直流電機(jī)?交流異步電機(jī)?永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī),其中交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)應(yīng)用較多?目前還在研究階段的電機(jī)種類有非晶電機(jī)?記憶電機(jī)等?
2.3.1 直流電機(jī)
直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成,如圖5-13所示?定子的主要作用是產(chǎn)生磁場,由機(jī)座?主磁極?換向極?端蓋?軸承和電刷裝置等組成;轉(zhuǎn)子的主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢,由轉(zhuǎn)軸?電樞鐵心?電樞繞組?換向器和風(fēng)扇等組成?直流電機(jī)的工作原理為:將直流電源通過電刷接通電樞繞組,使電樞導(dǎo)體有電流流過?電機(jī)內(nèi)部有磁場存在,載流的轉(zhuǎn)子(即電樞)導(dǎo)體將受到電磁力f的作用,f=Blia(左手定則)?所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子,使轉(zhuǎn)子以n(r/min)旋轉(zhuǎn),以便拖動機(jī)械負(fù)載?
圖13 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
(1)直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
1)結(jié)構(gòu)簡單,具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性,可實現(xiàn)基速以下恒轉(zhuǎn)矩?基速以上恒功率,可滿足汽車對動力源低速高轉(zhuǎn)矩?高速低轉(zhuǎn)矩的要求?
2)可頻繁快速啟動?制動和反轉(zhuǎn);調(diào)速平滑?無級?精確?方便,范圍廣?
3)抗過載能力強(qiáng),能夠承受頻繁的沖擊負(fù)載?
4)控制方法簡單,只需要用電壓控制,不需要檢測磁極位置?
(2)直流電機(jī)缺點(diǎn)
1)工作效率較低?
2)設(shè)有電刷和換向器,高速和大負(fù)荷運(yùn)行時換向器表面易產(chǎn)生電火花,不宜在多塵?潮濕?易燃易爆的環(huán)境中使用,可靠性較低,對維護(hù)的要求較高?
由于以上缺點(diǎn),直流電機(jī)目前在燃料電池汽車中已基本被淘汰?
2.3.2 交流異步電機(jī)
交流異步電機(jī)又被稱為感應(yīng)電機(jī),使用交流電進(jìn)行驅(qū)動,其工作原理如圖5-14所示?交流異步電機(jī):工作時,交流電通過定子產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場,使轉(zhuǎn)子切割磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,從而在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流?轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電流在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下,受到力的作用而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)變?其在工作時需要旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體發(fā)生相互運(yùn)動以切割磁感線,因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是小于磁場的轉(zhuǎn)速,故稱為異步電機(jī)?磁場的旋轉(zhuǎn)不是通過機(jī)械方式實現(xiàn),而是通過交流電實現(xiàn)的,因此電機(jī)中不需要電刷,從而規(guī)避了直流電機(jī)遇到的問題?
(1)交流異步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
1)結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠耐用,維修方便?
2)與同功率的直流電機(jī)相比效率更高,質(zhì)量減輕約50%?
3)轉(zhuǎn)矩脈動低,噪聲低?
圖14 交流異步電機(jī)工作原理
(2)交流異步電機(jī)缺點(diǎn)
1)功率因數(shù)較低,運(yùn)行時還需要變頻器提供額外的無功功率來建立磁場,降低了電機(jī)的效率和功率密度?
2)控制系統(tǒng)相比直流電機(jī)更為復(fù)雜,在一定程度上增加了電機(jī)的成本?
2.3.3 永磁同步電機(jī)
永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5-15所示,與交流異步電機(jī)基本致,主要區(qū)別在于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子中安裝有永磁體進(jìn)行勵磁,在定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場帶動下,由于磁拉力的作用進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)?其工作時不需要切割磁感線,轉(zhuǎn)子與磁場同步旋轉(zhuǎn),故稱為同步電機(jī)?永磁同步電機(jī)工作時,通過向定子繞組中通入交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場?由于轉(zhuǎn)子上布置有永磁體,永磁體的磁極是固定的,依據(jù)磁極的同性相吸?異性相斥的原理,在定子中發(fā)生的旋轉(zhuǎn)磁場會帶動轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子中發(fā)生的旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速持平?
圖15永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)
1-輸出軸2-鐵心3-定子4-定子繞組5-永磁體6-氣隙
(1)永磁同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
1)氣隙磁密度大于其他電機(jī),因此轉(zhuǎn)矩?功率密度大,起動轉(zhuǎn)矩大,使得電機(jī)體積縮小?重量減輕?
2)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長,有利于提高汽車的低速性能?
3)正常工作時,轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)子繞組無感生電流,不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗,提高了電機(jī)效率?
4)使用永磁體替代了轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)條?端環(huán)或繞組,大大簡化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),使得轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計更為靈活,可以更方便地實現(xiàn)不同形式的布置?
5)可靠性高,電機(jī)溫升低,降低了整車?yán)鋮s系統(tǒng)的負(fù)荷?
(2)永磁同步電機(jī)缺點(diǎn)
1)恒功率區(qū)短,調(diào)速性能較差?
2)需要使用稀土元素作為永磁體,電機(jī)造價較高?
3)電機(jī)的控制方式較為復(fù)雜,控制系統(tǒng)成本較高?
4)永磁材料在受到振動?高溫和過載電流作用時,其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象,將降低永磁電機(jī)的性能,嚴(yán)重時還會損壞電機(jī)?
2.3.4 開關(guān)磁阻電機(jī)
開關(guān)磁阻電機(jī)遵循磁陽最小原理(磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合)工作,如圖5-16所示,當(dāng)A相繞組電流控制開關(guān)S1、S2閉合時,A相勵磁,所產(chǎn)生的磁場力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線aa'與定子極軸線AA'的重合位置,從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩?順序給A-B-C-D相繞組通電(B?C?D各相繞組在圖中未畫出),則轉(zhuǎn)子按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動起來;反之,依次給D-C-B-A相繞組通電,則轉(zhuǎn)子會沿順時針方向轉(zhuǎn)動?由于運(yùn)用了利用磁阻最小的原理,可稱之為磁阻電機(jī);又由于電機(jī)磁場并非由正弦波交流電產(chǎn)生,其線圈電流通斷?磁通狀態(tài)直接受開關(guān)控制,可稱之為開關(guān)磁阻電機(jī)?
圖16 開關(guān)磁阻電機(jī)原理
(1)開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
1)結(jié)構(gòu)簡單?堅固,制造工藝簡單,成本低?
2)轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成,可工作于極高轉(zhuǎn)速?
3)定子線圈為集中繞組,嵌放容易,端部短而牢固,工作可靠,能適用于各種惡劣?高溫以及強(qiáng)振動環(huán)境?
4)開關(guān)磁阻電機(jī)的損耗主要產(chǎn)生在定子,電機(jī)易于冷卻?
5)轉(zhuǎn)子無永磁體,允許有較高的溫升?
6)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向與相電流方向無關(guān),從而可減少功率變換器的開關(guān)器件數(shù)量,降低系統(tǒng)成本?
7)調(diào)速范圍寬,控制靈活,易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性?
(2)開關(guān)磁阻電機(jī)缺點(diǎn)
1)開關(guān)磁阻電機(jī)磁場為跳躍性旋轉(zhuǎn),控制系統(tǒng)較為復(fù)雜?
2)會產(chǎn)生較大的脈沖電流,對于電源的要求較高?
3)轉(zhuǎn)矩波動較大,噪聲較大?
2.3.5 非晶電機(jī)
非晶電機(jī)與普通電機(jī)的主要區(qū)別在于其使用非晶材料替代硅鋼片作為電機(jī)的鐵心?非晶材料是一種具有低損耗?低矯頑力的軟磁材料,在交變磁場中容易磁化和退磁,磁滯損耗低,因此非晶電機(jī)的工作效率高,溫升小?同時非晶電機(jī)在高頻下磁導(dǎo)率變化小,而硅鋼片的磁導(dǎo)率會隨著頻率的上升而下降,因而非晶電機(jī)的高頻性能優(yōu)良,是一種理想的車用電機(jī)種類?但是由于非晶材料脆而硬,磁性能對于應(yīng)力十分敏感,其加工十分困難?如何發(fā)明一種高效廉價的非晶鐵心加工方法或設(shè)計免切割的非晶鐵心,是非晶電機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要問題?
2.3.6 記憶電機(jī)
記憶電機(jī)是對傳統(tǒng)永磁電機(jī)的一種改進(jìn)方案?傳統(tǒng)永磁電機(jī)的氣隙磁場很難調(diào)節(jié),這導(dǎo)致其恒功率區(qū)較窄,調(diào)速范圍有限,當(dāng)需要弱磁時,通常施加持續(xù)的d軸弱磁電流來削弱氣隙磁場,導(dǎo)致永磁體易發(fā)生不可逆退磁?記憶電機(jī)采用高剩磁?低矯頑力的永磁材料,如鋁鎳鈷等,通過施加脈沖電流瞬間改變其磁化狀態(tài)?因其能夠被記憶,可實現(xiàn)電機(jī)氣隙磁通的靈活調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)氣隙磁場的靈活調(diào)節(jié),并幾乎沒有電勵磁損耗,是種簡單高效的在線調(diào)磁方案?圖5-17為鋁鎳鈷永磁體的磁滯曲線,圖中:B,表示其最大剩磁;Hc表示矯頑力;P0為退磁曲線和負(fù)載線的交點(diǎn),即永磁工作點(diǎn)?當(dāng)施加一個負(fù)向的去磁脈沖時,永磁工作點(diǎn)將從P0移動到Q0;而當(dāng)電流脈沖消失后,工作點(diǎn)沿著回復(fù)線Q0P1上升,并最后穩(wěn)定在新工作點(diǎn)P1?如果繼續(xù)施加更強(qiáng)的去磁電流脈沖,工作點(diǎn)將沿著P1Q0Q1P2到達(dá)新工作點(diǎn)P2;相反,當(dāng)施加一定的正向充磁脈沖時,永磁工作點(diǎn)將沿著P2R2R1P1回到原工作點(diǎn)P1?因此,通過施加不同的充?去磁脈沖電流,AINiCo永磁體的磁化水平可以被改變并被記憶住,從而實現(xiàn)記憶電機(jī)氣隙磁通的靈活調(diào)節(jié)?
通過這一改變,可以有效增大電機(jī)的調(diào)速范圍?但是目前記憶電機(jī)的發(fā)展受到磁滯特性的數(shù)學(xué)建模?在線調(diào)磁和驅(qū)動協(xié)調(diào)控制?轉(zhuǎn)子位置和氣隙磁通精確檢測等問題的阻礙,其大規(guī)模商用化還有待技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展?
圖17 鋁鎳鈷永磁體的磁滯曲線
4 DC/DC變換器
DC/DC變換器為轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器?在燃料電池動力系統(tǒng)中,DC/DC變換器主要是將燃料電池輸出的直流電壓變換到與直流總線相匹配的電壓,同時,功率變換器還可以用來降低燃料電池的輸出紋波,從而延長燃料電池的壽命?DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主要分為非隔離型和隔離型兩種?
非隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器在中高功率場合均得到了廣泛的應(yīng)用?其中,有升壓功能的主要有傳統(tǒng)的Boost變換器?Buck-Boost變換器(BBC)?交錯式Boost變換器和浮動交錯式Boost變換器?近年來,隨著人們對能耗關(guān)注的提升,多相拓?fù)渥儞Q器受到了越來越多的關(guān)注?利用部分負(fù)載控制策略,多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)功率需求來調(diào)整實際的工作相位,從而提高循環(huán)效率?而且多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還有如下優(yōu)點(diǎn):減小燃料電池的電流紋波;通過共享相位來分擔(dān)燃料電池的大電流,從而也可以減小半導(dǎo)體器件的電應(yīng)力;在特定模式下可以提高變換器的效率;提高了變換器的容錯能力?豐田公司發(fā)布的Mirai燃料電池汽車就采用了四相交錯式Boost變換器,該變換器的最大工作功率為114kW,燃料電池側(cè)的輸出電壓為240~370V,最大轉(zhuǎn)換輸出電壓為650V,通過相位控制技術(shù),該變換器在15W時的損失降低了10%?本田2016年推出Carty燃料電池車,其采用的DC/DC變換器也使用了四相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?圖5-18所示為四相交錯變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?
圖18 四相交錯變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
隔離型DC/DC變換器中間有一個逆變器和變壓器組成的交流部件,由于變壓器的存在,隔離式變換器最大的優(yōu)點(diǎn)是可以實現(xiàn)非常大的電壓增益而不受占空比的限制;與此同時,當(dāng)高壓側(cè)過載時還可以保護(hù)燃料電池堆?隔離變換器主要有正激?反激?推挽?全橋?半橋等?在燃料電池堆中,半橋和全橋用的比較多?由于隔離式變換器由三個部件串接,它的效率相對較差,這限制了其在中等功率和高功率方面的使用?近年來,軟開關(guān)技術(shù)的使用,使得隔離式變換器的效率得到了很大的提高?
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