燃料电池电动汽车动力系统匹配及仿真研究.docx

1、燃料电池电动汽车动力系统匹配及仿真研究武汉理工大学硕士学位论文燃料电池电动汽车动力系统匹配及仿真研究姓名：王刚申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：乔维高;吴志新20081201摘要伴随着世界环境污染和能源危机问题的目益凸显，内燃机汽车在经过百年发展后，虽然在安全、节能、环保、舒适和价廉等方面取得了重大的进展，但其不得不面临石油资源日益枯竭的现状。据调查，汽车每年消耗的石油约为亿桶，科学家预言已探明的石油资源将在下个世纪初用完。面临可持续发展，大气环保和地球温室效应的挑战，以及噪声方面的限制。低排放、无污染的清洁汽车倍受各汽车生产大国的关注。纯电动、混合动力汽车应运而生。燃料电池汽车以其接

2、近零排放、能量转化效率相对较高、噪声小的等特点，成为了各大汽车公司研究的热点之一。本文首先介绍燃料电池汽车的结构及分类。分析各类型的优缺点后，选定燃料电池与蓄电池组成的混合动力汽车（）为研究对象。型燃料电池汽车可以解决燃料电池系统的动态相应慢，启动、急加速和爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行驶要求的问题。在行驶过程中，蓄电池可以长时间提供足够的辅助能量，特别在汽车制动能量回收的过程中，回收回馈功率，进而延长系统使用时间，提高汽车动力系统的效率。本文在对燃料电池混合动力汽车驱动系统中的主要部件分别进行比较后，确定了燃料电池、动力电池、电机的类型。针对燃料电池混合动力汽车车用动力源的特性要

3、求进行了质子交换膜燃料电池、驱动电机的试验研究。试验结果表明，所选用的部件完全满足车辆动力性能的要求。同时，为减少氢气消耗量，采用基于整车需求功率和蓄电池为控制参数的模糊控制策略。采用后向仿真方法在软件平台上建立整车仿真模型，制定了燃料电池一蓄电池组成的能量源系统的控制策略，以某国产经济型两厢轿车为原型，利用仿真软件对燃料电池一蓄电池混合动力汽车进行动力系统的仿真分析与参数匹配。并设定特定的工况进行仿真研究。仿真结果表明：在特定的仿真工况下，采用模糊控制策略的燃料电池混合动力汽车的动力性能完全满足起初设定的动力要求，与近几年国外知名厂家研发的燃料电池汽车比较，动力性能相近，整车燃料效率得到提高

4、。关键词：燃料电池电动汽车，动力匹配，模糊控制，仿真，。，：，武汉理大学硕十学位论文，：，独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：王团玉日期：型！关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，

5、可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论熹在解密后应遵守此规定）签名：二己卫导师签名：巧乒秘日期：塑堕！坚武汉理大学硕士学位论文第一章绪论燃料电池电动汽车（，），兴起于世纪年代末。以燃料电池作为动力源，通过氢氧反应产生电能驱动电机来驱动车辆行驶。由于该车型的排放物为水，氢氧利用率较高。普遍认为是一种新型、高效、清洁的环保车型。研究背景和意义科技的高速发展加快了交通工具的使用频率和更新换代的速度。尤其是进入世纪以来，汽车带给人们方便、快捷和舒适的现代生活的同时，也带来了日益增多的问题。例如：日趋严重的环境污染和潜在的能源危机。环境和能源是实现可持续发展的必要条件。随着社会的发展进步，

6、传统的内燃机汽车（主要以汽油和柴油为燃料）产量和保有量不断攀升，使得环境污染和能源短缺陷入了恶性循环。一方面汽车尾气排放成为全球环境的重要污染源；另一方面，汽车消耗了大量的石油和天然气资源。年以来，车用汽油、柴油年消费约占我国汽油、柴油消费总量的一半，石油消费的左右。据权威组织预测，地球上已探明的石油储量在年内将耗尽。寻找新型能源已经成为人类社会发展的必经之路。近几年，随着原油价格的攀升，汽油柴油的价格相比较前几年增加了一倍多，这又将传统内燃机汽车推向了风口浪尖。各国也在不遗余力的开发内燃机汽车的替代车型，寻求使用其它可持续发展或可再生的新型能源，采用新技术、新材料和新工艺等措施来改善汽车燃油

7、经济性，降低汽车废气的排放量。但内燃机汽车不能使问题得到彻底解决，这就迫使汽车行业对新式环保型汽车进行开发研究。研究开发中的“绿色汽车”有新内燃机汽车、替代燃料汽车、纯电动汽车（）、混合动力汽车（）和燃料电池电动汽车（）【。纯电动汽车（，）在使用中可实现零排放，在运行中不排放污染物，如果发电厂以核能、水力、太阳能、风能或天然气为能源发电，对大气的污染会很小。电动汽车具有低噪声、低热辐射、易操纵和易维护等优点。然而，由于电动汽车的关键技术蓄电池技术的制约，电动汽车的性能价格比远远不能达到推广应用的标准。其主要障碍是电池的能量密度低，因此导致电池组的质量较大，电动汽车一次充电的续驶里程无法达到当前

8、内燃机汽车水平。另外，电池组价格昂贵，循环寿命有限，充电时间太长，频繁更换电池也是难以接受的。混合动力汽车（，）采用内燃机和电动机作为混合动力源，改善了整车的排放性能和燃油经济性，弥补了电动车辆续驶旱程短的不足。虽然混合动力汽车有上述优点，但混合动力汽车终究还是以内燃机作为主武汉理工大学硕士学位论文动力源，他无法摆脱内燃机的致命缺点，仅仅是一种过渡产品。而且成本比传统内燃机汽车要高。系统复杂，维修较为繁琐。至今，各国政府、专家及大企业集团均看好的是燃料电池电动汽车（，）。燃料电池具有能量转化率高、燃料多样化、环境污染小、噪音低、可靠性强、维修性好的优点。其反应过程不涉及到燃烧，能量转化率可高达

9、，实际使用效率是普通内燃机的倍以上，成为公认的“绿色汽车”首选。燃料电池包括碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池等，其中质子交换膜燃料电池的工作温度比较低，被认为是代替传统发动机的最佳能量源。此外，燃料电池电动汽车使用液体氢气，一次充气可以行驶以上，行驶里程比传统汽车要长得多。充气或更换气瓶仅需要几分钟，与传统汽车加油的时间相同。比普通电动汽车充电时间短得多。我国传统汽车工业落后当代世界先进水平年。石油资源的匮乏、密集人口、担忧的环境情况要求我国未来的汽车工业发展不能跟在别人的后面，必须探求新的思路，走中国特色的汽车工业发展道路，而燃料电池电动汽车（）无疑是我国未

10、来汽车工业乃至世界汽车工业发展方向【。国内外燃料电池电动汽车的发展现状世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类燃料电池电动汽车，并且取得了些方面的进展和突破。国外发展情况欧美等发达国家非常重视燃料电池汽车的研制。截止到目前，燃料电池汽车的研制和开发“已接近历史性突破的边缘”，燃料电池电动汽车将成为各大汽车厂家和发达国家汽车发展的研究方向。下面分别对北美、欧洲、日韩燃料电池汽车发展情况进行介绍儿。美国是最先研究燃料电池的国家，在上世纪年代为了“阿波罗飞船登月计划”，美国通用电气公司协助美国航空航天局利用英国物理学家威廉格拉夫爵士的“电解水的逆反应产生电流理论研制的第一代燃料电池，并将其用在航天飞机

11、的动力源中，随后又用于潜艇和汽车中。随后，联邦政府和美国汽车联合会（）（包括克莱斯勒、福特、通用）进行了历史性的合作，提出了“新一代汽车合作计划（）。美国能源部于年月日提出（）计划，支持新能源汽车的研究开发。该计划在年由美国联邦政府投资万美元，其中燃料电池万美元（占），氢源设施万美元（占），两者之和占总投资的以武汉理人。硕十学位论正。与“新一代汽车合作计划”人多由高等院校参与州的是，计划中自很多知名的汽车厂家加入。越柬越多的融入企业行为，这无疑加快了燃料电池汽车的研发速度，且更能转化为产品出售。加拿大的巴拉德（）公足世界上屉。从事燃料电池技术研发机构，卣是燃料电池研发、生产和销售的领航者。产品

12、先进成熟，遍布燃料电池发电机、备用电源、原材料处理、公交车、轿午等多个领域，并与界各大汽车厂家建立了合作关系。各大汽车家研发的燃料电池电动汽车所使川的电池电堆大多为巴拉德公司的产品。美国福特公司足巴拉德公司的个主要汽乍合作伙伴，自年燃料电池概念车问世以柬，年义开发了辆以雪佛兰一皮卡为基型车的汽油霞整（第三代）的质子交换膜燃料电池车。年必比登挑战赛，福特燃料电池车参加比赛。年开发了燃料电池汽车，在此之前福特进行了颇多的路面试验，包括加利福尼亚、范库弗峰和柏林项目。年洛杉矶国际车展上推出以氧燃料电池为动力的全新燃料电池汽车（见图），行使里程可以达到，远远超过了其它以燃料电池为动力的车型。年福特研制

13、出首款燃料电池蓄电池混合动力汽车（见图），该款汽车结合了车载氧燃料电池发电机和锂离子电池，一次燃料供给可使汽车行驶。福特相信，在卜一个十年中将燃料电池汽车推向商业化”。图福特燃料电池电动汽车荚通用公司也一直从事的开发。年推出是世界上第辆。年推出了小型箱式车，年推出了，到年已发展到，该车型装载的质子变换膜燃料电池（），使用液氢为燃料，一次填充燃料叮行驶，最高车速。年北荚汽车展上推出了“自主魔力”燃料电池汽车，受到业内的广泛好评，该车兆申请了项专利技术。个月后又推出了全新的概念车型“”，谩车采用线控驾驶技术，它的燃料电池、电机和控制器全部集成在厚的扳状底盘中，车身可以分离，根据驾驶者意愿可以变形成

14、轿车、货车或。通用公司从年开始开发压缩氢存储系统，井在车展上展出，新燃料电池概念年（见图）。使用了通用汽车最新一代氢燃料电池线传操控电子控制技术，是日前全球燃料电池车巾扣矩蛀大的车型。年研制成功该车装有通用汽车第四代燃料电池推进系统，是一款全新的车型。设十的总行驶距离超过万公早，并且可以在零度启动。燃料电池汽车是通用公司最近的研究成果（见阁），後车次填充燃料行驶。通用划在年前批量生产，到年售出卜万台。为了实现这一日标，通用与许多公司建立了合作伙伴关系，如壳牌、美孚、宝马、丰等。图通燃料电池动汽车戴姆勒公司在领域一直是世界领先的制造商。公司旗下的戴姆勒奔驰公司从年开始研究燃料电池技术，年戴姆物一

15、奔驰公司与台作推出了第辆车型。采用厢式车体，装载产的质予交换膜燃料电池，次填充燃料续驶罩程为，最高车速。年推了年研制成，到目前为止已经研制成车型（见图）。戴姆勒划庄年开展其商业化进程。在北京“国际氢能论坛”幕时，戴姆勒一克柴斯勒公司在北京天安门广场展出了以氧为燃料的燃料乜池公兆汽车。并将辆该款燃料电池公交车投入示范运行，这是北京大街上首次行驶“零排放”的氢燃料电池公汽车（见图）。目奔驰戴姆勒燃料电池汽德国大众汽车集团在环保驱动投术的研发方面直小遗余力在减！埘然料消耗和尾气排放方面不仅仅重视短期的技术优势，更有中长期规划。年，大众公司推出了“途安”燃料电浊电动汽车。设车使用电动机，之内便能使该车

16、从静：状态加速到，其屋高车速可达。电动机的核心元什为燃料电池，它为汽车提供必要的动力。此外，在所需功率特别大的情况，选安的另一个动力来源町以利用燃料电池或制动能量进行充电的镍金属混台动力电池，还将为其提供额外的动力。这个氢动力燃料电池系统是大众汽车集团整个驱动和燃料战略中的个罩程碑。年巴黎车展法国标致汽午公司展燃料电池概念乍“”。该车在发动机室内配备额定功率为，最大输出功率为，撮大扭矩为的马达。在马达上部放簧燃料电池，同时还配备了压缩机等。在行李舱部配备了最大输出功率为的锂离子充电电池，在锂离子允电池上面配备了个压力为的贮氢罐，合计可咀存储氢，持续行驶距离可以达到。雷诺汽车公司也与国际上燃料蕈

17、整和燃料电池技术歼发者之一的燃料电池公司签订协议，双方一致同意今后加强双边合作关系，继续拓展它们在燃料电池研发方面的合作成果。雷诺和在关于新的四年研发合同上达成一致。允许雷诺公司可以在其汽车和轻型车卜使用的技术。同本丰田公司的混合动力汽车在海外市场占尽先机，同时厂家也没有忽视对燃料电池汽车等下一代清洁汽车的开发及商业化研究。自世纪以柬，丰田公司从来中断对燃料电池电动汽车的探索。从最初的一直发展到现在的（见图），氢燃料乜池汽车被丰看作是环保汽车的最终标。世界范围内运行的该公司屯产的示范车已经超过辆。现在门本和美国接受路上测试的是丰引公司于年牛产的第矗代燃料电池汽车。同年，丰田公司还与几野公司台作

18、，研制并推出了系列燃料电池公交午（见图），燃料电池大巴采用依靠高压氢气燃料电池和镍氢电池驱动马达的混合动力系统。年丰田燃料混合动力车首次在日本国内获得车型认证，自月日开始面向租赁公司销售。丰燃料电池汽武汉理：大学硕士学位论文丰田公司于年月中旬推出了为燃料电池混合动力车新设计的高性能（燃料电池）堆一丰田燃料电池系统。该系统进一步提高了行驶距离，并可在低温下启动。通过改进燃料电池单元性能，从而使燃料效率提高了。车中设置有公司开发的高压贮氢罐，在单注性能下可行驶约，行程比以前的车型增加一倍以上。本田公司非常重视产品的研发应用，开发出先进的燃料电池汽车系列。该车装有的质子交换膜燃料电池，是唯一通过美国

19、环境保护局（）和加州空气资源部（）鉴定的零排放燃料电池汽车。年月，本田推出燃料电池车型，该车作为燃料电池专用车从零开始设计，以独创的（垂直系统单元结构）的燃料电池堆技术为核心，实现了终极清洁性。计划在今年月份在美国开始进行租赁销售，不久也将会在日本开始租赁销售。国内发展情况中国车用燃料电池研究已经有了良好的开端。“九五修期间，燃料电池技术被列为国家重大发展项目，其中用于电动汽车的质子交换膜燃料电池技术研发已经进展到可以装车的水平。“十五”期间，电动汽车在国家“计划中列项，并被确定为国家个重大科技专项之一。在“十五计划的五年中，中国在燃料电池领域的投资预计为亿元人民币。中国已与全球环境基金联合国

20、发展计划署建立燃料电池合作项目。经过科技攻关，目前己研制出几十个级以上的燃料电池，对整车动力系统的改进起到积极的推动作用。汽车燃料电池项目的发展目标是到年能够有小批量的燃料电池汽车投入使用【。清华大学在国家“十五”电动汽车重大专项中牵头承担了“燃料电池城市客车”项目，重点研究其中的核心技术一混合动力控制系统。清华大学采用了与国际上各国不同的技术路线，开发出了独具特色的能量混合型和功率混合型两种燃料电池混合动力系统，研发出了以“清华”为标志的系列核心技术，申请了整套知识产权，在安全性、可靠性、实用性和规范性的主要性能指标，都优于国际主流车型，且整车制作成本和行驶故障率低，操作简单。这一系统目前已成为国际上的主流系统构型。现在，清华大学已研制出清能号、号、号三辆燃料电池城市客车。年北京奥运会，部帕萨特燃料电池电动汽车投入运行（见图），为“绿色奥运”抹上了重重的一笔。该车为同济大学与大众汽车合力之作。同济大学是我国燃料电池电动汽车的资深研究院校。我国于年成立计划电动汽车重大项目，时任同济大学汽车学院院长的万钢教授担任国家电动汽车重大专项首席科学家、总体组组长，同济大学承接了其中最复杂的燃料电池轿车的研疑。年正式启动以后，经历了从燃料电池堆、燃料电池发动机、燃料电池轿车的历程，年月鞋生了以桑塔纳为外形的“超越号”，年