1.4.2 电化学电源的复合

在燃料电池发动机启动发电前，需要外部辅助电源驱动空气压缩机提供一定压力和流量的空气，当燃料电池发动机可以正常发电时才可以自己提供这部分电能，导致车辆启动较慢；而车辆加速时，电机可以提供毫秒级别的转矩响应，而燃料电池的响应速度受制于空气的供应，不能满足电机的动态性，导致车辆动态响应较慢。

燃料电池输出伏安特性较软意味着其输出电流增加时，输出电压降落很大，如果电堆的输出直接接到驱动电机逆变器的输入，则电机逆变器的输入电压波动很大，过大的电压波动将导致逆变器需要更高耐压的器件，且可能导致电驱动系统效率较低。

另外，由电机学原理可知，驱动电机可以被方便地控制从驱动状态转变为再生发电制动状态运行，所以电动汽车都具有汽车减速或制动时的动能回收功能，即汽车制动减速时可以借助驱动电机处于再生发电状态产生制动力。与此同时，汽车所具有的动能被驱动电机转换成电能回馈到电源，而燃料电池的输出电流不能反向，因此需要配置具有电能储蓄能力的动力蓄电池或者超级电容，这样可以通过制动时汽车动能的回收，提高能量利用率，增加续驶里程，改善汽车的燃料经济性。

综上所述，需要燃料电池和储能系统搭配使用，按照储能系统的不同配置，衍生出不同方案的燃料电池汽车动力系统结构形式，包括储能采用镍氢蓄电池、锂离子电池、超级电容等方案。而目前最成熟、最常用的是采用锂离子动力蓄电池作为储能电源。

从系统结构上，目前比较常用的动力系统方案是采用燃料电池通过DC/DC变换器升压后给储能电池充电，且DC/DC变换器用电流闭环方式控制，动力蓄电池作为电机控制器的直流输入。选择该方案主要考虑到以下几点。

1）动力总线电压仅由动力蓄电池确定，而动力蓄电池的端电压与其荷电状态（State of Charge，SOC）密切相关，所以只要控制SOC保持基本恒定就可以保证动力总线的电压处于可接受的范围之内。

2）由于DC/DC变换器采用恒流源方式控制，则动力总成系统除动力蓄电池外都是可控的，而动力蓄电池可以通过控制DC/DC变换器和电机间接控制，也就是说流经动力蓄电池的电流是可预见的。

3）由于电机采用转矩闭环控制方式，所以电机也可以看作是一个可控电流源，在保证动力蓄电池SOC基本不变的情况下，电机对功率的需求就是对DC/DC变换器输出电流的需求。

参照混合动力系统中内燃机动力系统和电机动力系统的混合，燃料电池汽车动力系统中，电源是燃料电池发电系统和储能电池的复合，按照储能电池容量的大小及扮演角色的不同，可以分为功率型复合和能量型复合。

在能量型复合中，锂离子电池容量较大，可以提供相当里程的纯电动运行，锂离子电池既可以外接充电，也可以由燃料电池发电来充电，即在能量型复合的模式下，燃料电池发电系统蜕变成为一个增程器，参照燃油汽车的增程动力系统，控制策略比较简单。

在功率型复合中，锂离子电池的容量较小，但功率特性较好，可以快速充电和放电，一般仅需要较短距离的低速纯电动运行里程，也不需要外接充电，但需要承担车辆在加速、减速等变载过程中的动态功率，对功率平衡、能量平衡、电压平衡的控制要求也比较高。在这种情况下，燃料电池发电系统和锂离子电池电源系统构成一个动态性能上紧耦合的复合电源，该复合电源控制也需要一个域控制器顶层协调，为驱动电机负载提供一个优化的电源系统。