（光学工程专业论文）燃料电池电动汽车驱动系统选型及仿真研究.pdf

摘要 随着汽车产量和保有量的r 益增多，以石油产品为动力源的车辆所排放的 废气成了影响地球气候和城市自然环境污染的主要来源，此外能源短缺问题也 越来越严峻。为此，世界发达国家政府均将战略目光投向了新型清洁能源的开 发和利用。在技术上已f 1 渐成熟的燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池，作 为一种清洁、高效、环境友好的新型动力源，已引起世界各国及汽车业界的广 泛重视。 燃料电池电动汽车( f c e v ，f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 以燃料电池作为动力 源，它将燃料的化学能直接转变为电能，通过驱动电机使车辆运行。它克服了 由蓄电池作为动力源的纯电动汽车续驶里程短的缺陷以及由发动机和蓄电池作 为动力源的混合动力电动汽车的排放问题。与传统内燃机汽车相比，f c e v 不通 过热机过程，不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等内燃机 汽车不可比拟的优点，同时仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶 和安全、舒适等性能，被认为是2 1 世纪首选的洁净、高效运输工具。广义的燃 料电池电动汽车还可分为纯燃料电池电动汽车和燃料电池混合动力汽车( 电一 电混合) ，本文研究的是燃料电池混合动力汽车。 本文以a d v i s o r 软件为仿真平台。对a d v i s o r 软件中的燃料电池电动汽 车驱动系统各主要部件模型及原理作了简要的介绍。 燃料电池电动汽车驱动系统的选型与匹配是燃料电池电动汽车研究开发的 一项重要工作。本文以单人驾驶的燃料电池电动汽车为例，根据该车提出的动 力性指标和续驶里程的要求，对汽车驱动系统的各主要部件( 电动机、燃料电 池、蓄电池组) 进行选型并按照以燃料电池为主动力源，蓄电池组为辅助动力 源和以蓄电池组为主动力源，燃料电池为辅助动力源两种方式进行参数匹配， 使用a d v i s o r 进行动力性、燃料经济性仿真研究，比较仿真结果，确定一个较 为合理的匹配方式。在这个匹配方式的基础上，研究了混合度对等效燃油经济 性影响。本文还研究了燃料电池的转换效率、车辆总质量、空气阻力系数、滚 动阻力系数对车辆能量经济性的影响程度。 关键词：燃料电池电动汽车，驱动系统，a d v i s o r ，仿真 a b s t r a c t w i t ht h ec a lp r o d u c t i o na n de x i s t e n tv o l u m eg r o w i n g ，e m i s s i o ng a sb yt h e v e h i c l e ，w h i c ht h ep o w e rb a s e so no i lp r o d u c t ，h a sb e c o m eam a j o rs o u r c eo f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n du r b a np o l l u t i o n ，i na d d i t i o n ，t h ee n e r g ys h o r t a g eh a s b e c o m ei n c r e a s i n g l yg r i m t ot h i se n d ，t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e so ft h ew o r l dh a v ea n e wt y p eo fs t r a t e g i ce y e so nt h ed e v e l o p m e n ta n du s eo fc l e a ne n e r g y f o rt h ef u e l c e l lt e c h n o l o g yi si n c r e a s i n g l ym a t u r e ，p a r t i c u l a r l yp r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e l c e l l ( p e m f c la s an e w , c l e a n ，e f f i c i e n ta n de n v i r o n m e n t - f r i e n d l ye n e r g y , h a s a t t r a c t e dt h ew o r l da u t o m o b i l ei n d u s t r y t h ef u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) t a k e st h ef u e lc e l la st h ep o w e rs o u r c e ， a n di t d i r e c t l yc o n v e r t st h e f u e lc h e m i c a le n e r g yi n t ot h ee l e c t r i c a le n e r g y , a n d a c t u a t e st h ee l e c t r o m o t o rt od r i v et h ev e h i c l e s i to v e r c o m e st h eb l e m i s ho fp u r e e l e c t r i cv e h i c l e ，w h i c hu s e sb a t t e r ya st h ep o w e rs u p p l ya n dh a sas h o r tc o n t i n u e d d r i v i n gm i l e a g e i ta l s oo v e r c o m e st h e b l e m i s ho fh y b f i de l e c t r i cv e h i c l e ，w h i c hu s e s t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ea n dt h eb a t t e r ya st h ep o w e rs u p p l ya n dh a se x h a u s t p o l l u t i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e ，f c e v d o e sn o th a v et h ec o n v e r s i o no ft h eh e a te n g i n ep r o c e s sa n dt h eg a r n o tc y c l el i m i t ， a n dh a sah i g he n e r g ye f f i c i e n c y , t h ee n v i r o n m e n tf r i e n d l ya n ds oo nt h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l ei n c o m p a r a b l em e r i t ，a tt h es a m et i m es t i l lm i g h tm a i n t a i n t h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e ，s u c ha st h e h i g hv e l o c i t y , c o n t i n u e dd r i v i n gm i l e a g ea n dt h es e c u r i t y ，c o m f o r t a b l e f c e vi sf i r s t c h o i c ea st h ec l e a nh i g h l ye f f e c t i v et r a n s p o r tm e a n si nt h e2 1 s tc e n t u r y i ng e n e r a l ， f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l ea l s om a yd i v i d ei n t ot h ep u r ef u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l ea n dt h e f u e lc e i lh y b r i dp o w e rv e h i c l e ( e l e c t r i c i t y - - e l e c t r i c i t yh y b r i d ) ，t h i sa r t i c l es t u d i e st h e f u e lc e l lh y b r i dp o w e rv e h i c l e t h i sa r t i c l et a k e st h ea d v i s o rs o f t w a r ea st h es i m u l a t i o np l a t f o r ma n dm a k e s t h eb r i e fi n t r o d u c t i o nt oe a c hm a j o rc o m p o n e n tm o d e la n dt h ep r i n c i p l eo ff u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e mi nt h ea d v i s o r t h es e l e c t i n ga n dm a t c h i n go ft h ef u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e sd r i v es y s t e mi sv e r y i m p o r t a n tf o rt h ev e h i c l e sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h i sa r t i c l es e l e c t st h ef u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l ef o rt h eo n em 柚d r i v i n ga sa ne x a m p l e a c c o r d i n gt od y n a m i ca c q u i r e i i a n dr a n g e ，t h i sa r t i c l ec h o o s e se a c hm a j o rc o m p o n e n t ( m o t o r f u e lc e l l ，b a t t e r yu n i t ) o ft h es y s t e ma n dd e f e r st ot w ow a y s w h i c ht a k e st h ef u e lc e l lp r i m a r i l yp o w e r s u p p l y , t h eb a t t e r yu n i ta st h ea u x i l i a r yp o w e rs u p p l ya n dt a k e st h eb a t t e r yu n i t p r i m a r i l yp o w e rs u p p l y , t h ef u e lc e l l a sa u x i l i a r yp o w e rs u p p l y , a n dc a r r i e so nt h e p a r a m e t e rm a t c h t h i sa r t i c l eu s e sa d v i s o rt oc a r r yo nd y n a m i c ，t h ef u e le c o n o m y s i m u l a t i o nr e s e a r c h ，c o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t ，d e t e r m i n e sam o r e r e a s o n a b l em a t c hw a y i nt h ef o u n d a t i o no ft h i sm a t c hw a y , s t u d i e dm i x e dp r o p e r l yt o t h ee q u i v a l e n tf u e lo i le f f i c i e n c yi n f l u e n c e t h i sa r t i c l eh a sa l s os t u d i e dt h ev e h i c l e s e n e r g ye f f i c i e n ti n f l u e n c e ，w h i c hi n c l u d et h ef u e lc e l lt r a n s f e re f f i c i e n c y , t h ev e h i c l e s l u m p ym a s s , t h ea i rr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t ，t h er o l l i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t k e yw o r d s ：f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e , d r i v es y s t e m ，a d v i s o r ，s i m u l a t i o n 1 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 时代背景 第1 章绪论 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，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。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。 汽车尾气排放由三部分组成：通过排气管排出的废气、曲轴箱泄漏的气体 以及油箱和汽化器等燃料系统的蒸发气体。汽车尾气成分主要包括：一氧化碳、 二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒( 某些重金属化合 物、铅化合物、黑烟及油雾) 、臭气( 甲醛等) 。据统计，每千辆汽车每天排出 一氧化碳约3 0 0 0 k g ，碳氢化合物2 0 0 4 0 0 k g ，氮氧化合物5 0 1 5 0 k g ，全球1 4 以上的城市大气污染源于汽车尾气。汽车产生的噪音也日趋严重，甚至已占到 了城市嗓音的8 5 。温室效应、酸雨等无不与汽车尾气污染有重要关系。 能源短缺直至枯竭也是世界汽车工业面临的问题。汽车使用的能源现在主 要来自石油，汽车行业的发展离不开能源的支撑。现已确知的石油储备可供人 类使用不到4 0 年，天然气不到7 0 年，煤大约2 0 0 年。联合国国际能源局在2 0 0 4 年指出，目前已探明的石油储量开采到2 0 2 0 年不会有任何问题。虽然随着新油 田的发现和勘探及开采技术的提高，人类使用石油的时间可能还会延长。但是 石油作为一种不可再生资源，用一点就会少一点，世界的石油总有一天会被消 耗殆尽的。 对于我国来说，这种大气污染的加剧和能源短缺的形势尤为严峻： 我国人口众多，人均能源资源占有量不到世界平均水平的1 2 ，石油仅为 1 1 0 。有资料表明，自从我国加入wto 之后，汽车产业就开始增长，近几年呈 现快速稳定增长的态势，汽车增长带有持续性，即使到2 0 1 0 年可能也会保持在 1 0 甚至还要高一点的增长速度。按照这样的速度发展，预计到2 0 1 0 年整个社 会汽车保有量将超过6 0 0 0 万辆，到2 0 2 0 年将达到1 4 5 亿辆。汽车排放污染 已经成为中国城市大气污染的重要因素之一，越来越引起人们的广泛关注。现 在我国的二氧化碳排放量已位居世界第二，而交通造成的二氧化碳污染和噪声 污染分别占各自污染总强度7 0 9 0 以上。目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中有7 个在中国，而国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空 武汉理工大学硕士学位论文 气污染源的6 4 。 我国的汽车保有量上升趋势越大，对石油的需求量也越大。目前我国的石油 消耗量己位居世界第二，我国从1 9 9 4 年已开始成为石油纯进口幽，1 9 9 5 2 0 0 0 年年均增长近1 0 ，石油进口依存度( 净进口与消费量之比) 由1 9 9 5 年的6 6 上 升为2 0 0 0 年的2 0 ，预计2 0 1 0 年将上升为2 3 。我国在进口石油方面花费巨 额的外汇，2 0 0 0 年以来每年用于进口石油的花费都超过了2 0 亿美元，如果到 2 0 2 0 年国内汽车保有量达1 4 5 亿辆，那么汽车消费石油将增加到4 6 6 亿吨，到 2 0 2 0 年，整个的石油消费总量将在4 5 6 1 亿吨之间。估计到2 0 2 0 年机动车 的消耗占石油的总需求比重提高到6 0 左右，将超过届时我国可承受4 5 亿吨 ( 含每年进口2 亿吨1 石油消费总量的临界点。 由此，人们对汽车的环保性能和节能要求越来越高。世界各大汽车公司也 研究开发出许多减轻传统汽车排放污染的方法，如采用新的发动机技术，提高 燃油质量、提高汽车排放控制技术以及开发尾气净化装置等方法，但却无法从 根本上解决能源危机问题和汽车尾气排放污染问题。人们期待着取代传统内燃 机汽车的新型交通工具的出现。对于我国来说，汽车保有量和石油消费量的增 长使我国对进口石油的依赖增强了，持续增长的石油消费严重威胁我国的能源 安全，同时也严重威胁我国的汽车工业。因此，我国的汽车工业要走可持续发 展道路，就必须找一个突破口，这个突破口就是开发和研制电动汽车。 1 2 燃料电池电动汽车技术优势 现在电动汽车的研究开发分三种类型：一是传统意义上的蓄电池汽车，即 纯电动汽车( e v ) ；二是集蓄电池与燃油动力于一体的混合动力电动汽车( h e v ) ； i 是燃料电池电动汽车( f c e v ) 。 纯电动汽车是使用蓄电池作能源。蓄电池作为贮能工具，充电时，把电能 转换成化学能贮存起来，需要电能时，再把化学能转换成电能释放出来。由于 技术方面的原因，蓄电池的研究仍然没有突破性进展，主要表现在实际比能量 比理论比能量低得多，距电动车对蓄电池的要求还有相当差距，其表现就是蓄 电池电量有限，续驶里程短，充电时间很长。 混合动力电动汽车利用内燃机发电，以电力或内燃机动力混合驱动汽车行 驶。它既可用内燃机作动力，又可采用电池驱动电机，或者两者同时驱动电机， 不仅比传统汽车节约燃油3 0 - - 5 0 ，而且在同等条件下，比纯电动汽车节约 电能7 0 9 0 ，一次充满油、电后，可使持续行驶里程提高到5 0 0 1 0 0 0 公 罩左右，但仍然没有从根本上解决污染和油耗问题。 武汉理工大学硕士学位论文 燃料电池电动汽车( f c e v ，f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 是将燃料电池作为动力 源，直接将燃料的化学能转变为电能，经电动机驱动车辆运行。燃料电池汽车 与传统汽车、纯电动汽车、混合动力电动汽车相比，具有下面的技术优势： l 能量转换效率高 内燃机的能量转换路线是燃料的化学能一热能一动能，而燃料电池的工作 过程是燃料的化学能电能的过程，没有热能这一中间环节，从而不受卡诺循 环的限制，能量转换效率较高。 2 绿色环保 氢燃料电池电动汽车以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。其它非 纯氢燃料电泡电动汽车污染物的排放量均比以汽油机和柴油机驱动的汽车低一 到两个数量级，而且c 0 2 的排放量降低了4 0 6 0 。所以总体上考虑，使用 燃料电池作为交通工具的动力源仍然有利于降低温室效应。 3 续驶里程长 采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其 长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。 4 运行噪音低 燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其它 运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪音和振动都较小。 5 过载能力强 燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能 力可达额定功率的2 0 0 或更大。 6 设计方便灵活 燃料电池汽车可以按照x b y w i r e 的思路进行汽车设计，改变传统的汽 车设计概念，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。x b y w i r e 又称线传 操控技术，具有操纵简便快捷、精确控制、减轻重量、环保节能和节省空阎等 优点。线传操控技术使用计算机、电子线路和电机来替代原先通过机械连接方 式实现的功能，使汽车可以彻底抛弃传统机械连接装置的束缚。 1 3 国内外燃料电池电动汽车研究现状 随着燃料电池技术的成熟，将其作为动力源的燃料电池汽车逐渐成为世界 各国汽车厂商竞相研究丌发的热点。燃料电池汽车具有高效率、无污染、零排 放、无噪声等高科技优势，代表了未来汽车使用新型能源和先进科技以及追求 环保的发展趋势，领导着汽车：t ：业革命的新潮流。应用这一技术，不仅能减少 武汉理t 大学硕士学位论文 汽车j 二业对日益短缺的传统能源的依赖，而且会推动人类社会进入一个新的洁 净能源氢能的时代。目前，质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 作为第5 代燃料电 池由于具有能量转化率高，低温启动性好，无电解质泄漏等优点，被公认为最 有希望成为电动汽车的理想动力源。世界各大汽车企业都投入巨资对质子交换 膜燃料电池汽车进行研究开发，竞相推出各种类型的质子交换膜燃料电池汽车， 席卷全球的汽车工业革命正由燃料电池汽车拉丌帷幕，燃料电池汽车替代传统 的内燃机汽车，已成为一种不可逆转的趋势。 1 3 1 国外燃料电池电动汽车研究现状 在车载p e m f c 方面，由于研发及商业化需要大量的资金、政策支持，己远 非少数公司所能独立支持。目前，美国、欧洲和日本的汽车厂家都在加紧开发 燃料电池技术。 美国在这方面表现得非常积极。2 0 0 2 年美国能源部制定了“氢路线图计划”。 在未来5 年内，将投入3 0 亿美元用于开发氢燃料电池技术。2 0 0 5 年3 月，美国 能源部、通用汽车公司和戴姆勒一克莱斯勒公司宣布，在未来5 年内合作开发 新一代氢燃料电池汽车。 欧盟计划到2 0 1 5 年共投入2 8 亿欧元发展氢燃料电池汽车。 r 本在质子交换膜燃料电池方面的投入预算是2 0 0 5 年约3 0 0 亿日元，2 0 1 0 年预计4 0 0 0 亿同元。 国际上，美国燃料电池p l u gp o w e r 公司、加拿大的巴拉德能源系统公司等 都是燃料电池技术研发较为先进的公司。其中p l u gp o w e r 的常压运行燃料电池 运行寿命已超过1 万小时。巴拉德能源系统公司在这方面起步较早，其在燃料 电池技术的研发上在世界同行中也是较先进的，是车用质子交换膜燃料电池的 主要提供商，为世界上很多汽车公司提供燃料电池。巴拉德公司提出b a l l a r d s h a tt r i c kd e m o n s t r a t i o n 示范计划，2 0 0 4 年完成了9 2 5 ，0 0 0 k m 的路上实验， 展示了巴拉德公司研制的燃料电池在满足可行性和商业化的道路上所取得的可 喜成就。这种用于示范的燃料电池堆的突出特点是：铂催化荆的用量比常规的 燃料电池减少3 0 ，燃料电池堆可以在一2 0 。c 的条件下启动，持续运行2 2 0 0 小时 以上( 实际行驶循环试验) ，而燃料电池堆的性能并没有显著降低。 1 通用汽车公司的线传操控h y w i r e 燃料电池车、“氢动三号”( h y d r o g e n 3 ) 燃料电池汽车、s e q u e l 燃料电池车 通用汽车公司的线传操控h y w i f e 燃料电池车是世界首辆可驾驶线传操控 燃料电池车，除采用氢燃料电池作为动力来源之外，h y w i f e 还采用了来自于 4 武汉理t 大学硕十学位论文 航空技术的线传控制技术从而彻底改变了传统汽车的机械操纵概念。“氢动三 号”( h y d r o g e n 3 ) 燃料电池汽车原型车2 0 0 4 年9 月胜利完成欧洲马拉松式示范 运行。它横跨欧洲1 4 个国家，行程9 6 9 6 公罩，花费了五周半时间，相当于欧 洲许多轿车一年行驶的平均罩程，中途一次也没有发生过意外停车，证明了燃 料电池技术可靠性和发展潜力。s e q u e l 燃料电池车是使用燃料电池与线传技术 的全轮驱动汽车，它的前部采用三相异步电机，具有一体式供电电路与行星齿 轮，它的后轮采用2 台三相永磁同步轮毂电机，最高时速为1 4 5 公里每小时， 行驶里程达4 8 0 公里。 2 福特汽车公司新型“f o c u s ”燃料电池汽车 提特汽车公司新型“f o c u s ”燃料电池汽车采用b a l l a r d 燃料电池发动机， 增加了一个3 0 0 伏电池组以及线传制动和电液系列再生制动系统，使可乘载四 人的福特“f o c u s ”燃料电池汽车的行驶里程达到2 9 6 3 2 2 公里，最高车速达 到1 2 9 公里4 , 时。 1 3 2 国内燃料电池电动汽车研究现状 在国家政府、汽车企业、高校的共同努力下，我国燃料电池及燃料电池汽 车的研究和开发取得飞速的进展。国内在燃料电池研究和开发方面有着先进水 平的企业有：上海神力科技公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、北京 世纪富原燃料电池有限公司、大连新源动力股份有限公司等。上海神力科技公 司开发了包括车用燃料电池发动机、燃料电池游览车、燃料电池发电站等5 个 系列的燃料电池产品，其中燃料电池发电站、游览车已经实现了销售，建立了 全套的中小功率( 0 1 k w 3 0 k w ) 与大功率( 3 0 k w 1 5 0 k w ) 的质子交换膜燃 料电池发动机及其动力系统集成制造技术的设旄体系，具备批量生产能力。北 京飞驰绿能电源技术有限责任公司已开发出额定功率从几十瓦到几十千瓦四个 系列的燃料电池电堆以及氢空、氢氧燃料电池，并且具备生产数十千瓦质子交 换膜燃料电池的能力。北京世纪富原燃料电池有限公司研制出具有自主知识产 权的1 5 k w 、5 k w 、l o k w 、3 0 k w 、4 5 k w 、7 5 k w 的燃料电池电堆等。大连新源 动力股份有限公司是以中国科学院大连化学物理研究所为主体以及兰州长城电 工股份有限公司、大连盛道集团殷份有限公司、杭州南都电源集团有限公司、 海南新大洲摩托车股份有限公司、安徽宁国天成科技发展有限公司等六个单位 联合组建的。大连化学物理研究所在燃料电池的研究、丌发方面以及达到或超 过国际水平；成功的组装了几十瓦、几百瓦、千瓦、5 千瓦级的质子交换膜燃料 电池；其中5 千瓦的质子交换膜燃料电池的质量比能量为l o o k w l ；开创了具有 武汉理工大学硕上学位论文 我国特色的碳( c ) 铂( p t ) 电催化剂、电极、电极一膜一电极三合一组件、电池双极 板等尖端技术。 1 同济大学的“超越一、二、三号”系列燃料电池轿车 “超越二号”燃料电池轿车采用桑塔纳3 0 0 0 为原型车装配而成，它的每百公 里氢消耗量从“超越一号”的1 39 千克下降到1 03 千克。与“超越一号”相比， “超越二号”的加速时间有较大的提高，从起步加速到10o 公罩只需26 7 秒， 比“超越一号”整整缩短了约20 秒，最高时速ll8 公旱，续驶里程达到197 公里。“超越三号”的持续行驶罩程已达到2 0 0 公里，其中重量较超越二号减轻 8 5 千克：输出功率达到每小时5 0 千瓦，比超越二号提高了1 0 千瓦：燃料效率 由4 0 提高到4 5 。超越系列燃料电池轿车均采用上海神力科技公司生产的燃 料电池发动机。 2 清华大学的“清能一号”、“清能三号”燃料电池城市客车 “清能一号”、“清能三号”是燃料电池城市客车，长宽高为 1 1 ，0 2 0 x 2 ，4 9 0 x 3 ，4 2 0 m m 总车重1 5 ，5 0 0 k ，乘员3 8 人，最大速度为6 5 k m h ，最 大爬坡度1 5 ，装备了上海神力科技公司的第二代城市客车用燃料电池发动机。 “清能一号”、“清能三号”行驶里程自2 0 0 5 年运行以来已分别突破1 2 0 0 0 公里和 7 0 0 0 公里，燃料电池发动机性能依旧稳定。 3 武汉理工大学的“楚天号” 2 0 0 4 年8 月武汉理工大学与东风汽车公司联手，成功研制出以2 5 千瓦氢燃 料电池作为动力的轿车“楚天一号”。 1 4 本文研究内容 本文主要研究内容是对燃料电池电动汽车的驱动系统进行设计。该车是 个单人驾驶器，即只承载一名驾驶员。该车采用燃料电池和蓄电池组作为动力 源，它主要用于城市范围内日常上下班，由于现在城市机动车辆数量多，平均 行驶速度低，所以该车对动力性的要求和功率需求以及能量要求都不会太高， 本文主要设计该车的驱动系统。 本文研究的主要问题是针对该车提出的动力性指标和续驶里程的要求，进 行驱动系统各主要部件即燃料电池系统、蓄电池组和电动机的选型及部件的参 数匹配，为验证所选参数是否合理，需要使用仿真软件a d v i s o r 进行研究。其 中研究的核心内容是燃料电池系统与蓄电池组的匹配问题，即如何确定何种动 力为主动力源，何种动力为辅助动力源，以及确定合理的混合度。本文还研究 了燃料电池的转换效率、车辆的总质量、滚动阻力系数、风阻系数埘车辆的能 6 武汉理工大学顿士学位论文 量经济性和动力性影响程度。 本文的研究为燃料电池电动汽车驱动系统的初步设计提供了较为科学的方 案，可以为熬车设计缩短研究周期，节约设计成本，同时可以为汽车产品翻主 开发提供借鉴的方法。 1 5 本章小结 本章首先介绍了燃料电池汽车开发的时代背景和燃料电池汽车的技术优 势，然后简要介绍了国内外对燃料电池汽车的研究现状嗣水平，最后简要地说 明了本学位论文的研究内容。 武汉理1 = 大学硕十学位论文 第2 章燃料电池电动汽车的结构 目前国际上各大汽车厂商研究的燃料电池电动汽车的基本结构有多种形 式，按照其能量来源可分为车载纯氢燃料电池电动汽车和燃料重整燃料电池电 动汽车，按其驱动型式可分为纯燃料电池驱动和燃料电池混合驱动。由于燃料 电池电动汽车正处在研究的初期阶段，所以各种技术竞相试用。下面的内容是 按其驱动型式对燃料电池电动汽车的基本类型、主要部件和能量管理策略作简 要的介绍。 2 1 燃料电池电动汽车的基本类型 燃料电池电动汽车按照驱动型式主要可分为：纯燃料电池( p f c ) 、燃料电 池和辅助蓄电池联合驱动( f c + b ) 、燃料电池和超级电容联合驱动( f c + c ) 、 燃料电池加辅助电池加超级电容联合驱动( f c + b + c ) 四种结构。 2 1 1 纯燃料电池驱动( p f c ) 纯燃料电池电动汽车驱动系统结构如图2 1 所示。 2 1 纯燃料电池驱动结构图 这种系统结构最简单，由于燃料电池的功率需要满足所有行驶工况的要求， 其数值会很大，而大功率的燃料电池在制造方面存在较大难度，所以采用单一 燃料电池结构的燃料电池电动汽车逐渐减少。 这种结构有如下优点；可改善超载能力；控制方案简单。它主要存在 这样儿个的问题：由于燃料电池的功率很大，导致燃料电池制造成本上升及 整车质量增加，引起整车消耗的能量和功率增加：尽管燃料电池系统效率较 高，但燃料电池系统的氢气消耗量会增加，进而增加整车单位里程消耗的燃料， 增加使用成本；燃料电池系统的动态响应和可靠性难以满足车辆的要求； 系统无法实现制动能量的回收。 2 1 2 燃料电池和超级电容联合驱动( f c + c ) 这种混合驱动结构应用燃料电池作为主动力源提供持续功率，超级电容器 作为辅助动力源提供峰值功率，系统结构如图2 2 所示。 8 武汉理工大学硕十学位论文 图2 2f c + c 驱动系统结构图 这种结构的优点在于：由于超级电容器既能快速充电又能快速放电，所 以可以利用超级电容迅速高效地回收制动时产生的再生能量；超级电容有负 载均衡作用，放电电流得到减少从而使电池的利用能量、循环寿命得到提高， 降低了使用成本。f c + c 结构控制简单，解决汽车冷启动和加速爬坡的问题， 能充分发挥超级电容的优势。但是，超级电容器存储的能量有限，即比能量极 低，只可以提供持续大约1 r a i n 的峰值功率。 2 1 3 燃料电池加辅助电池加超级电容联合驱动( f c + b + c ) 在这种结构中，可以由燃料电池单独或与蓄电池共同提供持续功率，而且 在车辆起动、爬坡和加速等工况需求峰值功率时，蓄电池和超级电容器可以单 独或共同提供这部分功率，使能量分配更趋合理。系统结构如图2 3 所示。 图2 3f c + b + c 驱动系统结构图 这种结构主要有三个方面的优点：可以进一步降低对燃料电池和蓄电池 的功率要求；在寒冷的季节里，蓄电池不能产生足够大的电流起动车辆时， 蓄电池可以对超级电容器进行小电流充电，由超级电容器提供足够的起动功率， 这样可以减少蓄电池的数量和单个电池的容量，减轻蓄电池的负担；再生制 动时，超级电容器接收回馈能量，减少蓄电池的充放电次数，延长蓄电池的使 用寿命。但这种结构最复杂，整车控制难度也最大的，它的控制策略比较复杂。 2 1 4 燃料电池和辅助蓄电池联合驱动( f c + b ) 燃料电池和辅助电池联合驱动是一种比较流行的结构。这种驱动结构由于 蓄电池组的存在减轻了燃料电池系统的压力，汽车对燃料电池功率密度和成本 的要求没有纯燃料电池驱动( p f c ) 结构高。该驱动结构如图2 4 所示。 9 武汉理i ：大学硕士学位论文 图2 4f c + b 驱动系统结构图 在这种结构里燃料电池作为主动力源提供持续功率，蓄电池组的功能是回 收汽车制动能量，在汽车启动、加速、爬坡的过程中提供补充能量。此结构的 主要优点在于：相对减小对燃料电池的功率需求；燃料电池系统启动容易； 假如燃料电池出现故障，蓄电池仍可工作，系统的可靠性高；可以回收制动 能量。 在上述的几种燃料电池电动汽车驱动型式中，除了纯燃料电池驱动( p f c ) 驱动型式外，其它的几种驱动型式都有两种或两种以上的储能器、能源或转换 器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能。根据燃料电池所提供的功率占整 车总需求功率的比例的不同，燃料电池电动汽车( f c + b ) 又可分为能量混合型 与功率混合型两大类。 2 1 5 能量混合型燃料电池电动汽车 在燃料电池电动汽车开发的早期，由于技术水平的限制，燃料电池的功率 较小，还难以满足车辆的功率需求。在车辆行驶过程中燃料电池只能提供整车 需求功率的一部分，不足的部分还需要其他动力源如蓄电池来提供，采用这种 驱动方式的汽车就即为能量混合型燃料电池电动汽车。能量混合型燃料电池电 动汽车为了满足一定的性能指标，往往需要配备较大容量的蓄电池组，从而导 致整车的自重增加、动力性变差、布置空间紧张。能量混合型燃料电池电动汽 车的燃料电池可以经常在系统效率较高的功率区域内工作，但每次运行结束后， 除了要加注燃料外，还需要用地面电源为蓄电池充电。 2 1 6 功率混合型燃料电池电动汽车 随着燃料电池技术的不断成熟、燃料电池性能的逐渐提高，燃料电池提供 的功率比例越来越大，这样就可以减少蓄电池的容量，从而减少车重、提高动 力性。但为了回收制动能量，还需要一定数量的蓄电池，但蓄电池只提供整车 所需要功率中很小的部分。燃料电池作为主动力源，蓄电池作为辅助动力源， 车辆需要的功率主要由燃料电池提供，蓄电池只是在燃料电池启动、汽车爬坡 和汽车加速时提供功率，在汽车制动时回收制动能量。采用这种驱动方式的汽 1 0 武汉理t 大学硕十学位论文 车就即为功率混合型燃料电池电动汽车。 2 2 燃料电池电动汽车( f c + b ) 的主要部件 现在已经开发出的燃料电池电动汽车，大都采用燃料电池和辅助电池的双 动力源结构( f c + b ) 。采用燃料电池和辅助电池的双动力源结构，= 三要基于以 下原因：当前燃料电池的动态性能欠佳，而汽车的工作状态总是在较大的范 围内动态变化，燃料电池不能随时满足汽车的功率需求，增加辅助电池可以起 到快速调节功率的作用；燃料电池最佳的负荷率在额定功率2 0 一4 0 的范 围内，为了实现整车能量效率最佳，增加辅助电池调节燃料电池的功率输出， 可使其工作点尽量保持在效率最佳的范围内。目前燃料电池的成本还很高， 从降低整车价格的方面来考虑，适当减小燃料电池的额定功率，用辅助电池来 弥补不足的功率输出，可以在一定程度上降低整车成本。下面就简要介绍这种 联合驱动型燃料电池电动汽车的主要部件。 2 2 1 燃料电池发动机 燃料电池发动机包括燃料电池系统、d c d c 变换器、驱动电机及其控制系 统。燃料电池发动机是能将氢燃料的化学能通过燃料电池系统、d c d c 变换器、 驱动电机及其控制系统直接转换为机械能而对外作功的系统。 1 - 作为车用的燃料电池发动机必须与车用的内燃机在以下性能方面构成可 竞争性。 ( 1 ) 重量比功率； ( 2 ) 体积比功率： ( 3 ) 安全、可靠性； ( 4 ) 续驶罩程，重新加补燃料的方便性； ( 5 ) 运行寿命。 2 对燃料电池发动机性能要求如下： ( 1 ) 燃料电池发动机满足各种冷念下的冷起动性能 在发动机未启动前处于0 c 5 0 。c 之间的温度状态下，可以在大约5 秒内输 出发动机额定功率的6 0 8 0 。 ( 2 ) 燃料电池发动机满足各种动力需求与响应 燃料电池发动机完全满足各种车用动力性能，包括动态响应特性；反复、快 速功率输出变化；以及长时间稳定的怠速特性。 2 对燃料电池发动机使用要求如下 武汉理j 二人学硕士学位沦文 ( 1 ) 燃料电池发动机的安全、可靠性 燃料电池发动机应采用c a n 通讯控制，保证燃料电池发动机的安全，包括： 安全、自动运行控制模式；安全监测；事故白诊断以及防范处理功能。 ( 2 ) 燃料电池发动机满足各种地域、天气、气候的运行、操作性 燃料电池发动机在外界温度为一1 0 。c + 5 0 、低湿度、高湿度、下雨、风沙 等天气下都可以正常运行。 ( 3 ) 燃料电池发动机的维护与维修 燃料电池发动机的维护与维修应简便，主要对其空气滤心器定期更换，以 及对其冷却液定期更换。燃料电池发动机的电堆与支持运行系统应均可以方便 拆装，更换电极、双极板或其他零部件。 2 2 1 i 燃料电池系统 燃料电池系统由燃料电池堆及其辅助系统组成，在外接氢源条件下可以正常 工作，直接对外提供电能。其中辅助系统包括氢气供给系统、空气供给系统、 水热管理系统、系统控制和安全保障系统等。现有的燃料电池电动汽车大多数 都采用质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池工作特性影响着整车性能， 而影响其工作特性的主要参数有：1 燃料电池的工作温度，燃料电池的工作温 度对燃料电池的输出特性的影响比较显著。随着温度的升高，燃料电池的内阻 减小。在相同电流密度条件下，燃料电池的工作温度越高，燃料电池的工作电 压随之增大。2 气体的工作压力，气体的工作压力对燃料电池堆的功率密度影 响比较明显，一般来说，工 乍压力越高，功率密度越大。 2 2 1 2d c d c 变换器 d c d c 变换器是燃料电池电动汽车系统中一个重要部分。它的主要功能是 把不可调的直流电源变为可调的直流电源。基于制造工艺和产品可靠性的考虑， 燃料电池系统的输出电压通常比较低，输出电压随着温度的升高而增大，而且 燃料电池的外特性( 电压随电流的变化) 比较软，随着输出电流的增加，电压 波动大，即下降幅度比较大。另一方面设计较高的电压等级可以提高驱动系统 的效率和减少驱动系统的体积及重量。燃料电池电动汽车蓄电池组的标称电压 一般要比其燃料电池系统的输出电压高，而且，蓄电池的充放电特性及其使用 安全性也要求电池的端电压在较小的范围变化。因此燃料电池难以直接与蓄电 池组并联使用。解决这一问题的方法是在燃料电池的输出端串接一个d c d c 变 换器，对燃料电池的输出电压进行电压变换及稳压调整，使d c d c 变换器的输 出电压与蓄电池组的工作电压相匹配。同时，d c d c 变换器可以对燃料电池的 1 2 武汉理1 人学硕士学位论文 最大输出电流和功率进行控制，起到保护燃料电池系统的目的。 2 2 1 3 驱动电机及其控制系统 驱动电机及其控制系统是燃料电池电动汽车的心脏，它的主要功能是使电能 转变成机械能，并通过传动系将能量传递到车轮驱动车辆行驶。其基本构成有： 电机和控制器。电机由控制器控制，它将电能转变成机械能。要使电动汽车有 良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、 质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。目前，电动汽车用电动机 主要有直流电动机( i ) c m ) 、交流感应电动机( i m ) 、开关磁阻电动机( s r m ) 和 无刷直流电动机( b l d c m ) 四种。控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于 电机运行的另一种形式的电能，是一个电能变换控制装置。 2 2 2 辅助蓄电池组及其管理系统 辅助蓄电池组可以在汽车起动、加速、爬坡等工况下需要的驱动功率大于 燃料电池系统可以提供的功率时，释放存储的电能，从而降低燃料电池的峰值 功率需求，使燃料电池工作在一个较稳定的工况下；而在汽车怠速、低速或减 速等工况下，燃料电池功率大于驱动功率时，存储富余的能量；在汽车制动时， 吸收存储再生制动能量，从而提高系统的能量效率。 辅助蓄电池管理系统是根据电