基于advisor燃料电池汽车动力系统仿真.docx
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基于advisor燃料电池汽车动力系统仿真
（研究生课程论文）
汽车动力学
论文题目：
基于advisor的燃料电池汽车动力系统仿真
课程老师：
乔维高
学院班级：
汽研1402班
学生姓名：
王璇
学号：
1049721402257
2014年12月
摘要
本文首先研究了氢燃料电池汽车五种动力系统以及两种能量控制策略,通过详细比较及分析其中的优缺点,选定燃料电池和蓄电池（FC+B型）作为驱动车辆行驶的能量来源,并选定功率跟随式控制策略作为该车的控制策略。
对某轿车改型的氢燃料电池汽车动力系统进行了重新设计。
其次,在分析燃料电池、动力蓄电池以及驱动电机的工作原理的基础上,选定低温质子交换膜燃料电池作为氢燃料电池汽车的主动力源,锂离子电池作为车辆的辅助动力源,异步交流电机作为车辆的驱动电机。
根据车辆性能设计指标和整车性能参数,运用相关的理论知识确定了动力系统各部件相关参数。
再次，结合中国城市工况和UDDS典型城市工况,运用ADVISOR软件对整车进行模拟测试,测试结果显示,氢燃料电池汽车在动力性、燃料经济性以及百公里加速时间等各方面都要远远高于设定的性能指标,说明动力系统参数选择以及控制策略的选择符合氢燃料电池汽车的要求。
同时设置多循环测试工况,测试动力系统部件运行的状况,测试结果显示,动力系统的各部件都运行在各自的高效率区。
关键词：
氢燃料电池汽车；动力系统；仿真；设计
1燃料电池汽车的发展
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。
由于化学反应过程中的能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率可达60％-70％，其实际使用效率则是普通内燃机的2倍左右。
能量转换效率高是燃料电池的主要特点之一。
而质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）具有无污染、高效率、适用广、低噪声、可快速补充能量、具有模块化结构等特点，是燃料电池中替代传统内燃机的最理想的动力源，很适合作为车辆的动力源，顺应了新能源汽车的技术要求。
针对目前燃料电池的技术不足和高成本，燃料电池与蓄电池、超级电容等辅助动力源组成的电电混合动力系统技术成了燃料电池电动汽车研发的热点。
目前燃料电池混合动力系统动力源的组合方式主要有：
燃料电池与蓄电池混合动力系统、燃料电池和超级电容混合动力系统、燃料电池、蓄电池和超高速飞轮混合动力系统和燃料电池、蓄电池和超级电容混合动力系统等。
在电电混合动力系统中，燃料电池主要提供汽车正常行驶所需能量，辅助动力源提供汽车加速、爬坡所需额外能量，并吸收汽车再生制动产生的电能。
燃料电池电动汽车混合动力系统区别于传统的单能源的燃料电池电动汽车主要是其动力系统不同，其动力系统的构型、参数匹配和控制策略的研究是燃料电池电动汽车研发的重要内容。
2燃料电池汽车动力系统拓扑结构及控制策略
2.1纯燃料电池驱动的FCEV
纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。
纯燃料电池电动汽车的动力系统如图2.1所示。
图2.1纯燃料电池驱动形式动力系统结构图
燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系，从而驱动汽车前进。
该系统的优点为：
（1）系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置。
（2）系统部件少，有利于整车的轻量化。
（3）较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整车的燃料经济性。
该系统的缺点有：
（1）燃料电池功率大，成本高。
（2）对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求。
（3）不能进行制动能量回收。
因此，为了有效解决上述问题，必须使用辅助能量存储系统作为燃料电池系统的辅助动力源和燃料电池联合工作，组成混合驱动系统共同驱动汽车。
从本质上来讲，这种结构的燃料电池电动汽车采用的是混合动力结构。
它与传统意义上的混合动力结构的差别仅在于发动机是燃料电池而不是内燃机。
在燃料电池混合动力结构中，燃料电池和辅助能量存储装置共同向电动机提供电能，通过变速机构来驱动汽车行驶。
2.2燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV
燃料电池+辅助蓄电池联合驱动的燃料电池电动汽车的动力系统如图2.2所示。
该结构为一典型的串联式混合动力结构。
在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化为机械能传给传动系，从而驱动汽车前进。
在汽车制动时，燃料电池的能量输出变化较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的高频部分由蓄电池分担。
图2.2燃料电池+辅助蓄电池形式动力系统结构图
该系统的优点有：
（1）由于增加了比功率价格相对低廉得多的蓄电池组，系统对燃料电池系统的功率要求较纯燃料电池结构形式有很大的降低，从而大大地降低了整车成本。
（2）燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作，工作时燃料电池的效率较高。
（3）系统对燃料电池动态响应性能要求降低。
（4）汽车的冷启动性能较好。
（5）制动能量回馈的采用可以回收汽车制动时的部分动能，该措施可能会增加正常的能量效率。
这种结构的缺点：
（1）蓄电池的使用使得整车质量的增加，动力性和经济性受到影响，这一点在能量复合型混合动力汽车上表现得更为明显。
（2）蓄电池充放电过程会有能量损耗。
（3）系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。
2.3燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV
这种结构与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成了超级电容。
相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，比蓄电池功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量密度小。
随着超级电容技术的不断进步，这种结构将成为重要的研究课题及发展方向。
2.4燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV
燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统如图2.3所示，该结构也为串联式混合动力结构。
在该动力系统结构中，燃料电池、蓄电池、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为机械能传给传动系，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。
在采用燃料电池、蓄电池和超级电容联合供能时，燃料电池的能量输出较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的低频部分由蓄电池承担，能量需求变化的高频部分由超级电容承担。
在这种结构中，各自动力源的分工更加明细，因此它们的优势也得到了更好的发挥。
图2.3燃料电池+蓄电池+超级电容形式动力系统结构图
这种结构的优点相比燃料电池+蓄电池的结构形式的优点更加明显，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。
而其缺点也一样更加明显：
（1）增加了超级电容，整个系统的质量将可能增加。
（2）系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。
总的来说，如果能够对系统进行很好的匹配和优化，这种结构在给汽车带来良好的性能方面具有很大的吸引力。
3氢燃料电池汽车动力系统建模与仿真
3.1仿真车型建模
本文所研究的氢燃料电池汽车是基于速腾轿车的平台改型而来，如表3.4所示为该品牌整车性能参数，表3.5为所设计的氢燃料电池汽车性能参数指标。
表3.4速腾轿车整车结构参数
结构参数
值
整车整备质量m（kg）
1350
迎风面积A（m
）
2.635
空气阻力系数C
0．32
滚动阻力系数f
0．015
轮胎滚动半径r（m）
0．316
汽车旋转质量换算系数δ
1．04
整车尺寸（长*宽*高）（mm）
4644*1778*1482
满载质量（kg）
1840
前轴载荷质量（kg）
760
轴距（m）
2．651
最大功率（KW/rpm）
96/5000
最大扭矩（Nm/rpm）
220/1750-3500
表3.5氢燃料电池汽车性能设计指标
性能指标
值
纯电动行驶续驶距离（km）
≥40（汽车处于满载状态，并且车速为u=60km/h，蓄电池80%放电情况下）
汽车的爬坡能力（%）
≥20（汽车处于满载状态，车速为30km/h）
0-100km/h加速时间（s）
≤17（汽车处于满载状态）
汽车最高车速u
（km/h）
≥130（同上）
利用汽车功率方程，根据已知汽车参数及性能，可求出汽车动力系统参数。
并初选各动力元件。
如表3.6。
表3.6所选择的动力系统参数
参数
取值
氢燃料电池系统
氢燃料电池最大输出功率（kW）
40
驱动电机
最大功率（kW）
90
额定功率（kW）
40
最大转速（r/min）
8000
额定转速（r/min）
4500
最大转矩（Nm）
200
额定转矩（Nm）
90
动力蓄电池
锂离子电池容量（Ah）
26
锂离子电池最大放电功率（kW）
50
3.2ADVISOR仿真分析
ADVISOR软件是基于Matlab/simulink平台开发的二次开发软件，通过三个GUI（图形用户界面）完成整个仿真过程中的整车及部件参数输入、测试循环工况的输入及仿真结果分析。
3.2.1整车仿真参数输入界面
图4.3为整车仿真的模型参数输入界面,界面左侧中的vehicleinput是车辆输入模型,只是一张图片,双击每个固定的区域都会有响应,例如双击燃料电池部分,界面将会打幵燃料电池模型数据文件选择的GUI界面。
图形右侧为整车各部件的参数输入,用户可以通过下拉框的形式进行部件的选型及相关参数的修改,其中包括整车、燃料转换器（燃料电池、内燃机以及基于神经网络的内燃机）、排放后处理器、能量储存器（动力蓄电池和超级电容）、驱动电机、传动系统、扭矩耦合器、车轴/车轮以及配件等仿真模型。
对于每个模型,可以通过下拉框来选择版本、类型及修改相应M文件中参数值。
图形左下方为动力系统不同部件（内燃机/燃料电池、电机、能量存储器等）的特性图,如燃料电池的效率图等。
图形中LoadFile是选择软件内部已有的整车数据M文件,DrivetrainConfig代表动力系统的类型,另外用户还可以对定义好的部件参数进行修改,便于用户对整车性能参数的设置。
设置好车辆所有相关部件的参数后,点击continue按钮,进入工况选择和仿真性能要求设置的界面。
图4.3整车仿真输入界面
3.2.2仿真循环工况设置界面
第二个GUI如图4.4所示为仿真工况设置界面,界面的左半边为所选的循环工况的时间与速度曲线,左侧下面为该循环工况的一些特性参数值,主要包含该循环工况的运行时间、行驶距离、最高车速等特征。
界面的右侧为循环工况的输入设置,ADVISOR软件提供了多种循环工况来仿真测试车辆的动力性、经济性以及燃料消耗等,主要包含:
Drivecycle（道路循环）、MultipleCycles（多重道路循环）以及TestProcedure（测试循环过程）。
Drivecycle包含UDDS、HWFET、EUDC在内的56种国外标准道路循环,用户还可以根据自己的需要添加测试循环工况,另外Drivecycle还提供了TripBuilder（工况设计器）,可以将不同的循环工况（最多八种）随意组合在一起,综合仿真车辆性能。
仿真循环工况设置界面右下方,ADVISOR软件还提供参数研究功能;选择部件参数（最多三个,在图上用不同的颜色表示不同的数值）,来模拟仿真这些参数的变化对车辆燃油经济性和排放物等性能的影响。
图4.4仿真循环工况设置界面
另外,ADVISOR在界面中还提供了加速性能测试（AccelerationTest）以及爬坡性能测试（GradeabilityTest）。
如图4。
5所示为加速性能测试的界面,加速性能测试主要包括:
（1）换挡延迟时间通常设置为0.2s;
（2）对于动力驱动系统,可以选择燃料转化器（内燃机或燃料电池）和动力蓄电池共同提供动力,也可以选择任意其中一个单独提供动力;（3）加速时整车质量的设置,可以根据实际需要添加相应的测试质量,可以选择当前质量;（4）对于测试车辆性能仿真结果,可以测试的结果有:
1）车辆从任意初速度加速到末速度（最多三组）所需最短时间;2）车辆能够行驶的最大距离（在某一时间段内）;3）车辆行驶某段距离所花费的最短时间;4）车辆的最大加速度;5）车辆的最高车速。
图4.5加速性能测试界面
爬坡性能测试界面为图4.6,主要设置包括:
（1）按照车辆爬坡性能的指标要求,设置坡度最高值、爬坡时车辆的速度、爬坡持续时间以及爬坡的档位等相关参数。
例如图中速度（Speed）、持续时间（Duration）及档位（GearNumber）均勾选,代表在20km/h（12.428mile/h）速度下,在一档时能通过的最大坡度;如果坡度（Grade）也勾选代表在该车速下,对该爬坡度的验证。
（2）对于驱动动力源的选择,可以选择燃料转换器和动力蓄电池共同驱动,也可以选择其中任意一个单独驱动;（3）爬坡时整车质量的设置,可以根据实际需要添加相应的测试质量,可以选择当前质量;（4）对其他爬坡约束条件设置,主要包括:
最低坡度边界、最高坡度边界、坡度误差、速度误差以及最大迭代次数等。
图4.6爬坡性能测试界面
3.2.3仿真结果输出界面
仿真结果输出界面为图4.7,在界面的左侧为仿真结果的参数图（用曲线表示）,显示任意四组车辆动力系统部件相关参数随着工况仿真时间的变化情况。
右侧显示车辆在循环工况中的燃油消耗量、排放性能、加速性能以及爬坡性能等。
在EnergyUseFigure（能量消耗图）中,能够显示车辆各部件在动力模式以及制动能量再生模式下的能量输入、能量输出、能量损失以及效率。
另外OutputCheckPlots能够同时打开八个有关氢燃料电池、驱动电机以及蓄电池的仿真结果和测试数据。
4.7仿真结果输出界面
3.2.4仿真结果分析
（1）动力性测试
对于加速性能测试结果可以从图4.7中得出，测试结果均在车辆满载状态：
0-100km/h的最快加速时间：
9.6s
车辆最大加速度：
5m/s
车辆行驶最高车速：
157km/h
通过的最大爬坡度（20km/h时）：
44.1%
（2）燃油经济性测试
从仿真结果中可以看出，氢燃料电池汽车在UDDS循环工况下百公里耗氢气量为76.8升，等效传统汽车燃油消耗为5.2升，工况总运行距离为12km。
（3）UDDS城市公路驾驶循环工况过程中各部件的能量消耗情况见图4.10
图4.10循环工况UDDS中部件能量消耗
3.2.5整车动力性、经济性结果比较
表4.1速腾轿车性能指标
性能指标
值
0-100km/h加速时间
9.9s
最高车速（km/h）
200
爬坡度（%）
30
油耗
8.4
将该车型在两个工况的测试结果动力性以及燃油经济性与原车型相比较，可知，该车型仿真结果基本满足设定的指标，并且具有较好的燃料经济性，故本文设计的动力系统符合要求
第五章总结与展望
本文将某款传统内燃机汽车改型为氢燃料电池汽车,并对其动力系统重新设计、动力系统部件选型以及参数设计等,运用MATLAB/SIMULINK对确定好相关参数的动力系统部件进行建模,并结合中国城市工况以及UDDS典型城市工况对设计的动力系统进行整车动力性以及燃油经济性仿真,并与设定的车辆性能指标比较,结果显示能够完全满足设计指标要求。
本文开展的主要工作研究与得到的结论具体如下:
（1）本文详细研究了氢燃料电池汽车五种动力系统以及与其相关的两种控制策略,通过详细比较及分析其中的优缺点,选定氢燃料电池和动力蓄电池共同驱动车辆行驶的能量来源,功率跟随式控制策略作为该车的控制策略。
然后对动力系统进行重新设计、确定部件的放置位置。
（2）本文对燃料电池、动力蓄电池以及驱动电机的工作原理以及分类进行研究,选定低温质子交换膜燃料电池作为氢燃料电池汽车的主动力源,车辆辅助动力源为锂离子电池,车辆驱动电机为异步交流电机。
综合车辆性能指标和车辆相关参数的前提下,运用相关的理论公式确定了动力系统部件参数。
（3）在动力系统布置方案以及相关部件参数确定的基础上,对动力系统部件以及整车进行建模,并结合中国城市工况和UDDS典型城市工况,运用ADVISOR软件对整车进行模拟测试,本文设计的仿真结果在动力性、爬坡性能以及最高车速方面都要远远高优于车辆设定的性能指标。
参考文献
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