1.2 氢燃料电池汽车的结构和原理
燃料电池车由四个基本模块组成：动力系统、底盘、汽车电子系统和车身。动力系统通过燃料电池系统和驱动电机为汽车提供动力。这种能量来源于氢，氢储存在车辆的高压储氢罐中。燃料电池堆将氢包含的化学能转化为电能，并由电池作为辅助，共同驱动电机。这与纯电动车的原理没有太大不同，但是燃料电池车的电池容量要小得多。因为纯电动车的电池用于储存驱动汽车所需的全部能量，而燃料电池车只需使用电池来辅助稳定燃料电池的输出功率：在功率需求较低时吸收额外的电力，在功率需求大时释放电力。除了动力系统外，车辆的其他部件基本上是相同的。车辆底盘包括传动、转向、制动和行驶系统。汽车电子系统主要由底盘控制系统、安全系统、车辆电子产品，以及传感器等构成。最后，车身包括车身主体、座椅和内饰。
燃料电池汽车结构差异主要取决于其动力系统。燃料电池动力系统中的二次储能装置可以有多种类型，包括锂离子电池、镍氢电池和超级电容等，因此，燃料电池动力系统存在多种构型方案。目前常用的燃料电池动力系统构型包括单一燃料电池、燃料电池+动力电池、燃料电池+超级电容和燃料电池+动力电池+超级电容。
一、单一燃料电池构型
单一燃料电池构型只包含燃料电池一个动力源，单一燃料电池动力系统基本结构如图1-2所示，包括燃料电池、整车控制器、DC/DC变换器和电机等部件。汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能传给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系统，从而驱动汽车前进。
图1-2 单一燃料电池动力系统基本结构
二、燃料电池+动力电池构型
该种构型有多种分类标准，根据是否插电可分为插电型和不插电型；根据配备的燃料电池和动力电池的功率等级的差异，可分为能量混合型和功率混合型；根据燃料电池是否与直流母线直接连接，可分为直接型和间接型。图1-3所示为燃料电池+动力电池动力系统基本结构，包括燃料电池、动力电池、整车控制器、DC/DC变换器和驱动电机等部件。
图1-3 燃料电池+动力电池动力系统基本结构
1.不插电型和插电型
不插电型燃料电池+动力电池构型动力系统中，燃料电池系统为主要动力源，动力电池配合燃料电池系统进行混合驱动，电能经过驱动电机转化成机械能传给传动系统。加速时，电池组和燃料电池堆共同输出能量，保证整车的加速性能，由于电池组提供了部分能量，减轻了电池堆瞬时加速时的负担，避免阴极“氧气饥饿”现象的发生，可延长电池堆寿命。制动时，电池组回收部分能量，此过程由电池管理系统控制。此构型的优点是：①燃料电池成本降低；②对电池堆动态特性及功率要求降低；③启动容易；④可靠性高。缺点是：①结构复杂；②紧急制动时的能量回收瞬时电流较高；③动力电池可能会受到一定损伤。
插电型燃料电池+动力电池构型与传统的插电式混合动力汽车类似，该方案有两种驱动模式，第一种以动力电池为主要动力来源，动力电池外接充电器可以为动力电池充电；第二种是纯燃料电池驱动。此方案一方面能够发挥电动汽车低速性能好的特点，解决拥堵造成的车辆起步停车和排放问题；另一方面，适当匹配动力系统结构参数，能够很好地解决氢燃料电池汽车性能、应用和成本之间的矛盾。
2.能量混合型和功率混合型
根据配备的燃料电池和动力电池功率等级的差异，燃料电池+动力电池构型可分为能量混合型和功率混合型两大类。能量混合型燃料电池+动力电池混合驱动汽车燃料电池功率较小，在车辆行驶过程中，整车部分功率由燃料电池提供，不足部分由动力电池提供。功率混合型燃料电池汽车在车辆行驶过程中，主动力源为燃料电池，动力电池为辅助动力源，动力电池只是在燃料电池启动、汽车爬坡和加速时提供功率，在汽车制动时能回收制动能量。
（1）能量混合型FCEV的特点
1）燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例较小。
2）燃料电池只能提供一部分车辆行驶需求功率，不足部分还需其他动力源（如动力电池或超级电容）提供。
3）燃料电池可在系统效率较高的额定功率区域内长时间工作。
4）需要配备较大容量的动力电池，故整车重量增加，动力性变差，整车布置空间紧张。
5）每次运行结束后，除要加注氢燃料外，还需用地面电源为动力电池充电。
（2）功率混合型FCEV的特点
1）燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例较大。
2）燃料电池为主动力源，动力电池或超级电容为辅助动力源。
3）车辆行驶需求功率主要由燃料电池提供，动力电池只是在燃料电池启动、车辆爬坡和加速时提供功率，在车辆制动时回收再生制动能量。
4）可减小动力电池容量，有利于减轻车重，提高车辆动力性。
5）需配备较大功率的燃料电池，故整车成本较高。燃料电池工作状况随车辆工况波动较大。
3.直接型和间接型
根据DC/DC变换器位置的不同，可将动力系统结构分为两大类：直接型燃料电池动力系统和间接型燃料电池动力系统。
直接型燃料电池动力系统的结构布置特点是燃料电池系统与直流母线直接相连，辅助动力源也直接并入动力母线。在此动力系统拓扑结构中，辅助动力源的存在可以回收制动能量，提高了整车的经济性，降低了燃料电池的功率需求，减少了成本，同时增加辅助动力源也增加了整车储存的能量，增加了续驶里程。但对直接型燃料电池混合动力系统而言，燃料电池系统和驱动电机系统的电压匹配存在矛盾：当母线电压过低时，驱动电机系统的功率输出能力差，进而影响了燃料电池最大功率输出能力的发挥；而母线电压比较高时，驱动电机的最大功率输出能力很好，燃料电池则由于电压太高而输出功率较小。
间接型燃料电池动力系统中燃料电池系统通过单向DC/DC变换器并入直流母线，燃料电池的端电压就可以通过DC/DC变换器的升压或者降压，与系统直流母线的电压进行匹配，从而使燃料电池系统功率输出与直流母线的电压之间不存在关系，同时DC/DC变换器也可将直流母线电压维持在驱动电机系统的最佳工作范围，提高系统效率。
三、燃料电池+超级电容构型
燃料电池+超级电容混合驱动构型与燃料电池+动力电池混合驱动构型类似。燃料电池与超级电容联合方案如图1-4所示。它的构型特点是把辅助动力电池换成了超级电容。在该动力系统结构中，有燃料电池和超级电容两个动力源。汽车的功率负荷由燃料电池和超级电容共同承担，即燃料电池和超级电容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。考虑到超级电容的能量密度，该构型的氢燃料电池汽车大多为功率混合型燃料电池汽车，主动力源为燃料电池，超级电容为辅助动力源，超级电容只是在燃料电池启动、汽车爬坡和加速时提供功率，在汽车制动时能回收制动能量。
图1-4 燃料电池+超级电容动力系统基本结构
按照电极材料的不同，可以把超级电容分为三类：碳电极双层超级电容、金属氧化物超级电容和有机聚合物超级电容。金属氧化物超级电容的优点是比功率很高，但是价格昂贵，主要用于军事领域；碳材料是商品化超级电容的主要材料，有成本低、单位质量表面积大、技术成熟等优点。
四、燃料电池+动力电池+超级电容构型
燃料电池、动力电池与超级电容联合方案如图1-5所示。它是在燃料电池与辅助动力电池混合驱动的FCEV的电压总线上再并联超级电容，用于提供加速或吸收紧急制动的尖峰电流。
三动力源构型特点：燃料电池作为车辆的主能量源，通过主DC/DC变换器与逆变器相连，超级电容与双向DC/DC串联，再与动力电池并联组成复合电源，作为车辆的副能量源。燃料电池与复合电源并联共同为车辆提供能量。在这种构型中，可以为燃料电池和复合电源分别设计控制策略，保证燃料电池能充分发挥其续驶里程长的特点，同时保证燃料电池工作在高效区，其动态响应慢的缺陷能够通过复合电源进行调节。从复合电源子系统来看，经过超级电容的“削峰填谷”作用，动力电池不会出现大电流的充放电情况，可以提高动力电池寿命。
图1-5 燃料电池+动力电池+超级电容动力系统基本结构
在这种动力系统结构中，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。燃料电池+动力电池+超级电容混合动力系统与“燃料电池+动力电池”或“燃料电池+超级电容”混合动力系统相比较，具有明显优势，尤其是在部件效率、动态特性、制动能量回馈等方面更有优势。此构型特点如下：
1）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更为平缓，随时间变化波动较小。
2）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。各动力源的分工更加明细，使得它们的优势也得到了更好的发挥。
3）可以更加充分地回收制动能量。
4）燃料电池+动力电池+超级电容混合动力控制策略开发难度较大，尤其是在驱动时，由于能量流动自由度多，为了能够充分发挥多能量源系统的输出优势，并保证整车动力性与经济性，对整车能量管理策略要求较高。