基于advisor的燃料电池汽车动力系统仿真.docx

（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
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）