（光学工程专业论文）燃料电池混合动力叉车驱动系统建模与仿真.pdf

独创性声明 一_-_-_-_-一 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，论文中不包含其他人 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。 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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：丝! ! ：至塾 摘要 随着物流行业的不断发展，叉车这种物流主要机械车辆的社会生产量、保有 量和需求量将会越来越高。但是石油的保有量在不断的减少，价格也在连年攀升， 内燃叉车废气污染也非常的严重。内燃叉车的发展必然遭受不断的打击，进而影 响物流行业的发展。燃料电池技术，作为一种高效、清洁、优质的动力源，已经 引起了世界各国物流行业的广泛重视。 燃料电池混合动力叉车，以燃料电池作为主要动力源，它将氢气与氧气化学 反应的化学能直接转变为电能，通过驱动电机驱动叉车工作。它克服了内燃叉车 的排放问题以及以蓄电池作为动力源的电动叉车续使里程短的缺点。与传统的内 燃叉车比较，燃料电池混合动力叉车没有热机过程，也不受卡诺循环的限制，具 有较高燃烧效率、无废气排放和无废料丢弃，以及无工作噪声的特点。同时也能 保持传统内燃叉车的工作性能。与电动叉车相比，没有必要花几个小时为电池充 电，只需要花几分钟的时间填补压缩氢气体就可储存很大的能量。 文章对几种燃料电池电动车辆的基本结构进行逐一分析，确定一种燃料电池 电动叉车驱动系统基本结构，并选定驱动模式。详细介绍了燃料电池的内部结构 及其子系统工作机理。在整车能量控制策略上对比了开关控制和功率跟随控制的 优缺点，根据实际需要建立了功率跟随控制策略作为本文叉车的控制系统。并在 a d v i s o r 软件仿真平台上建立叉车驱动系统仿真模型。对a d v i s o r 软件中的 燃料电池混合动力叉车驱动系统的各主要部件模型的结构和工作原理作了简单 介绍。 燃料电池混合动力叉车驱动系统的参数匹配是燃料电池混合动力叉车研究 的主要工作。本文根据该车提出的各项动力性能指标，对叉车驱动系统的各主要 部件( 燃料电池、蓄电池组、电动机) 进行选型。通过对各个燃料电池驱动系统 的比较分析，本文建立以f c + b 的燃料电池混合动力驱动系统机械叉车，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，确定了一个合理 的匹配结果。 关键字：叉车，燃料电池，a d v i s o r a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h el o g i s t i c si n d u s t r y ，l o g i s t i c sm a j o r m e c h a n i c a lf o r k l i f tv e h i c l e st h a ts o c i a lp r o d u c t i o n ，a n dd e m a n dw i l lk e e pg r o w i n g h o w e v e r ，t h eo w n e r s h i po f0 i lc o n t i n u e st od e c r e a s e ，p r i c e sa r eu py e a ra f t e ry e a r , i n t e r n a lc o m b u s t i o nf o r k l i f th a sv e r ys e r i o u sa i rp o l l u t i o n t h ed e v e l o p m e n to f i n t e r n a lc o m b u s t i o nf o r k l i f t sc o n t i n u et os u f f e rt h ei n e v i t a b l eb l o w ，t h e r e b ya f f e c t i n g t h el o g i s t i c si n d u s t r y f u e lc e l lt e c h n o l o g ya sa l le f f i c i e n t ，c l e a na n dh i g hq u a l i t y p o w e rs o u r c e ，h a sa t t r a c t e dw o r l dw i d ea t t e n t i o nt ot h el o g i s t i c si n d u s t r y f u e lc e l lh y b r i dt r u c k s ，t of u e lc e l l sa st h em a i np o w e rs o u r c e ，i tw i l lb et h e c h e m i c a lr e a c t i o no fh y d r o g e na n do x y g e nc h e m i c a le n e r g yd i r e c t l yi n t oe l e c t r i c i t y , t h r o u g ht h ed r i v em o t o rd r i v e rf o r k l i f tj o b i to v e r c o m e st h ep r o b l e mo fe m i s s i o n s f r o mi n t e r n a lc o m b u s t i o nf o r k l i f tb a t t e r i e sa sap o w e rs o u r c ea sw e l la se l e c t r i c f o r k l i f tc o n t i n u e dt om a k es h o r t - d i s t a n c e d i s a d v a n t a g e c o m p a r e d w i t ht h e c o n v e n t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o nf o r k l i f t s ，f u e lc e l lh y b r i df o r k l i f td o e sn o th e a tt h e p r o c e s s ，t h er e s t r i c t i o n sa r en o ts u b j e c tt oc a r n o tc y c l e ，w i t hh i g hc o m b u s t i o n e f f i c i e n c y ，n oe m i s s i o n sa n dn ow a s t ed i s p o s a l ，a n dn ow o r kn o i s ec h a r a c t e r i s t i c s w h i l ea l s om a i n t a i n i n gt 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 nf o r k l i f tp e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t he l e c t r i cf o r k l i f t s ，n on e e dt os p e n daf e wh o u r st oc h a r g et h eb a t t e r y ， o n l yt a k e sa f e wm i n u t e st of i l lt h es t o r a g eo fc o m p r e s s e dh y d r o g e ng a sc a nb ea g r e a t e n e r g y a r t i c l e so ns e v e r a lf u e l c e l le l e c t r i cv e h i c l e st oa n a l y z et h eb a s i cs t r u c t u r e ，t o d e f i n eaf u e lc e l ls y s t e m ，t h eb a s i cs t r u c t u r eo fe l e c t r i cf o r k l i f td r i v e r ，a n dt h es e l e c t e d d r i v em o d e d e s c r i b e di nd e t a i lt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h ef u e lc e l la n di t s s u b - w o r k i n gm e c h a n i s m e n e r g yc o n t r o ls t r a t e g yi nt h ev e h i c l es w i t c h e st oc o n t r o l a n dc o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ep o w e rt r a c k i n gc o n t r o l ， a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e df o rt h ep o w e rc o n t r o ls t r a t e g ya st h ef o l l o w i n ga r t i c l e f o r k l i f tc o n t r o ls y s t e m a d v i s o rs o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r mi nt h ee s t a b l i s h m e n t o ft r u c kd r i v es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l a d v i s o rs o f t w a r ef o rh y b r i df u e lc e l l f o r k l i f td r i v es y s t e mm o d e lo ft h em a j o rp a r t so ft h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ei s b r i e f l yi n t r o d u c e d f o r k l i f tf u e lc e l lh y b r i dd r i v es y s t e mp a r a m e t e r sm a t c ht h ef u e lc e l lh y b r i dt r u c k s o nt h em a i nj o b a c c o r d i n gt ot h ec a r sd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h ed r i v es y s t e mo nt h e t r u c ka l lt h em a j o rc o m p o n e n t s ( f u e lc e l l ，b a t t e r y ，m o t o r ) f o rs e l e c t i o n t h r o u g ht h e v a r i o u sf u e lc e l ld r i v es y s t e mo ft h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ef c + bi se s t a b l i s h e d f u e lc e uh y b r i dd r i v es y s t e mm e c h a n i c a lf o r k l i f t ，t h eu s eo fa d v i s o r f o rp o w e r ， f u e le c o n o m ys i m u l a t i o ns t u d yt oc o m p a r et h es i m u l a t i o nr e s u l t st od e t e r m i n ea r e a s o n a b l em a t c h i n gr e s u l t s k e y w o r d s ：f o r k l i f t ，f u e lc e l l ，a d v i s o r i i i 2 3 第3 章 3 1 3 2 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 目录 绪论1 背景和意义“1 国外发展现状2 国内发展现状3 本文研究内容”4 本章小节5 燃料电池驱动系统的结构6 弓i 言6 燃料电池系统的选型及原理6 2 2 1 纯燃料电池驱动( p f c ) 6 2 2 2 燃料电池和超级电容混合驱动( f c + c ) 7 2 2 3 燃料电池蓄电池电池加超级电容混合驱动( f c + b + c ) ”7 2 2 4 燃料电池和辅助蓄电池混合驱动( f c + b ) 8 燃料电池和辅助蓄电池混合驱动( f c + b ) 的分类8 2 3 i 能量混合型燃料电池电动车8 2 3 2 功率混合型燃料电池电动车辆9 a d v i s o r 仿真软件的基本结构和仿真原理1 0 基于a d v i s o r 软件的燃料电池电叉车仿真原理1 0 a d v i s o r 仿真过程介绍1 1 燃料电池混合动力叉车主要部件及仿真1 5 燃料电池的分类1 5 质子交换膜燃料电池系统构成和工作原理1 7 4 2 1 质子交换膜燃料电池系统构成”1 7 4 2 2 工作原理”1 8 燃料电池系统模型的建立1 9 4 3 1 模型建立的理论基础“2 0 4 3 2 燃料电池模型的分析”2 0 建立电机的工作原理和模型2 2 4 4 1 车辆使用的电机分类2 2 4 4 2 电机的工作原理2 3 4 4 3 建模中常用的电动机基本参数2 4 电机模型的建立和分析2 5 4 5 1电机模型的建立2 5 4 5 2 电动机模型分析”2 5 4 5 3电机的控制策略模块”2 7 蓄电池的工作原理和模型的建立“2 8 4 6 1 蓄电池的充放电原理2 8 4 6 2 蓄电池子系统模型的建立2 8 燃料电池车辆的控制策略研究3 2 4 7 1 开关模式3 3 4 7 2 功率跟随模式3 4 本章小结”3 7 i v 章j 2 3 4 5 章j 2 1 1 1 1 1 2 2 1 2 第 第 v 厂二二二= 一二二一 第1 早- - , , , r - 1绪论t 弟早箔化 1 1 背景和意义 。内燃机叉车，和普通道路交通用机动车辆一样，目前在使用中面临着两大严 峻的现实问题：第一，石油资源日益紧缺，供不应求，油价不断攀升，以石油为 能源的各种机械的工作成本必然会相应的升高。石油资源储备同样令人担心的， 目前已被探明的石油量可供人类使用不至1 1 4 0 年，煤大约2 0 0 年，天然气不到7 0 年。 在2 0 0 4 年，联合国国际能源局指出，目前已探明的石油储量可以毫无疑问地开采 至t j 2 0 2 0 年。新技术的利用加上不断开采油田，我们暂时能维持石油的使用。但是， 石油是一种不可再生的资源，用多少就少多少，人类总有一天会把地球上的石油 资源消耗完的。据专家统计，按照目前的消耗石油资源的速度，全世界使用已探 明的石油资源只能够维持到到2 0 4 0 至2 0 5 0 年。因次解决机动车动力研发的关键技 术问题的方法，就是寻求代用燃料或者减少燃油消耗量，叉车当然不能例外l l j 。 第二，越来越严重的环境污染现象。目前约全球4 7 的石油制品被机动车辆 消耗了，所产生的废气对环境造成巨大的污染。据专家分析，内燃发动机平均燃 烧1 0 0 千克燃料，有1 7 千克尾气将会被排出。废气的颗粒排放物、一氧化碳、氮 氧化合物和未燃碳氢化合物等有害物质，严重的破坏了大气臭氧层，已对人类的 健康造成了严重影响。据世界卫生组织发布的材料显示：肺病发病率在中国过去 的三十年翻了一倍。中国严重的废气污染问题已引起了发达国家的密切关注并作 出反应，比如美国国务院就出台了在中国某些城市不允许家庭成员中有哮喘病患 者的外交官任职的政策【2 l 。污染治理的费用也越来越巨大，例如北京市：北京现 在每年要花费1 0 0 亿元人民币在大气治理上，据专家预测至今年年底总共要花费 近1 0 0 0 亿元人民币，其中用于以内燃机为动力的机械上的机车尾气治理的支出 就有几百亿。把全国的尾气治理费用算起来，那将是一个巨大的数字。 采用新材料、新工艺和新技术等方法来使叉车燃油经济性提高，叉车废气的 排放量降低。但不能彻底解决内燃机叉车的问题，越来越多的厂商把目光投向于 新能源叉车的新天地。其中的“绿色叉车 有混合动力叉车、替代燃料叉车、新 内燃机叉车、纯电动叉车和燃料电池电动叉车1 3 j 。 纯电动叉车在使用过程中是排放的是纯净的水和无污染的废热量，几乎不产 生污染。电动叉车不仅对人体的辐射较低，而且具有低噪声、易维护和易操纵等 优点。但是，但是现阶段蓄电池的工作性能一直不能满足纯电动叉车的工作状况， 并且纯电动叉车的造价大大超过一般使用者的接受能力范围。蓄电池的比能量较 武汉理工大学硕士学位论文 小，所以大功率的需求时需要较大质量的蓄电池。而且蓄电池所能提供的续使里 程较小。电池组充电时间太长，循环寿命有限，价格昂贵，频繁更换电池也是难 以接受的。 采用电机和内燃机混合驱动的混合动力叉车，通过合理的控制策略可以改善 叉车的工作性能。虽然这种系统的叉车具有以上的优势，但是混合动力叉车的主 动力源根本上还是内燃机，内燃机的缺陷它还改变不了的，从本质上讲它是内燃 机叉车的一个过渡产品。并且成本要比传统内燃机叉车要高。结构复杂，维修比 较麻烦p j 。 现在，在叉车领域比较看好的是燃料电池电动叉车。燃料电池具有无可比拟 的优势：维修性好、无污染、电能转化效率高、系统稳定、振动声音小等优点。 燃料电池系统是发生内部燃料的化学反应，不会出现内燃机的不完全燃烧的现 象，能量利用率高，是最佳的“环保叉车。燃料电池的种类有固体氧化物燃料 电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池和碱性燃料电池等，其中质子交换膜 燃料电池具有较低的工作温度，是现在最常用的燃料电池。而且，在燃料电池电 动车辆上用氢液体燃料，一次完全的燃烧量能行驶4 0 0 公里左右，连续工作里程 比一般的内燃叉车要多的多。而且燃料补充时间跟内燃机加油时间一样，只要几 分钟而已。比起蓄电池叉车更加省时省力【6 j 。 我国传统叉车工业与发达国家先进水平相比有二十年的差距。石油资源的匮 乏、人口众多、环境污染等一些问题使我们不得不寻找新的突破口，走以先进科 技技术为依托的叉车发展道路。我们将把燃料电池电动叉车作为未来的叉车发展 的方向之一。 1 2 国外发展现状 燃料电池技术在车辆上的应用是现在的热门话题，物流行业有希望成为这一 技术的应用行业之一。在燃料电池领域，国外的叉车制造水平已经迅速发展。叉 车制造商与燃料电池供应商一起联合开发氢燃料电池，进而研制出燃料消耗较低 和维护保养方便的燃料电池叉车【7 。 以燃料电池驱动的拖板车美国p l u gp o w e r 公司在“h y d r o g e ne x p ou s ”展 览会上推出了燃料电池驱动的叉车( p a l l e tt r u c k ) 产品。该车的动力系统配备了 该公司的燃料电池系统“g e n d r i v e ”。美国c r o w ne q u i p m e n t 公司制造叉车。该燃 料电池系统的重量约为2 6 8 k g ，长宽高约为3 3 c m x 7 9 c r n x 9 8 c m 。氢燃料的燃料罐 可贮藏0 8 k g 的氢气。燃料罐、d c d c 转换器和充电电池等设备全部内置于燃料 电池系统中。p l u gp o w e r 公司介绍，因为向叉车马达供电可以通过名为 “s b l 7 5 ”的通用规格连接器连接，所以可轻松地把老式的铅蓄电池叉车的电源改 2 武汉理工大学硕士学位论文 换成燃料电池单元。制动时电流的再生最大可达到5 0 0 a 。 林德公司是一直以领先的叉车技术而闻名的叉车公司，并且已经成功研制出 燃料电池叉车，而且在2 0 0 8 年的德国汉诺威工业博览会上展出了该燃料电池叉 车。由林德公司开发的燃料电池叉车，氢气在燃料电池化学中发生反应产生电能， 驱动叉车的电动机，作业时排放物是干净的水，不会对环境产生任何污染，比传 统叉车效率提高了3 0 5 0 。林德物料搬运公司( l i n d em a t e r i a lh a n d l i n g ) 在2 0 1 0 年2 月正式使用燃料电池叉车，氢燃料电池叉车的使用标志着林德物料搬运公司 实现了在创新性驱动技术上一次飞越。目前，l i n d em h 的正式产品系列里有燃 料电池叉车，可标准型和定制式生产燃料电池叉车，得到c e 机构的认证，并 且能够行驶在公路上。 德国永恒力公司在2 0 0 8 年汉诺威国际物流展上，推出直接用甲醇燃料作为燃 料电池动力一款e c e 概念叉车。该公司报告指出，预计至u 2 0 1 2 年将克服所有技 术和成本障碍，公开向市场投放此款叉车。与电瓶叉车相比，该款叉车的操作 者只需在耗尽叉车的电能时补给一桶甲醇就可以继续工作，操作过程只需要几分 钟，不需要花费较多精力和时间对电瓶进行更换，甲醇燃料电池所储存的电能相 是传统电瓶的储能量的两倍多，成本、相关配套设施和技术上都没有问题，市场 化的前景非常乐观。 科朗是全球领先的叉车制造商之一，它已经实现了燃料电池技术在叉车上的 实际运用。科朗设备公司已开始投入使用整合可替代燃料技术。在罗宾斯空军基 地的国防配给仓库，2 0 辆科朗座驾式氢动力燃料电池平衡重叉车已经投入使用和 升级。 j f e 、力至优和三菱联合开发特制的燃料电池叉车一j f e 容器公司、日本 输送机株式会社( 力至优) 和三菱重工联合开发了一种燃料电池叉车，该产品配 备了供应氢能源的便携式供应盒。 丰田公司首次在c e m a t 上展出燃料电池混合动力原型的叉车，这种首批大 规模生产的混合动力车辆普锐斯只是在这个方向上走出的第一步，它是由电能和 汽油联合提供驱动功率。目前最接近最终环保轿车的车辆是在美国和日本和限量 推出的f c h v 轿车。在叉车中采用这种技术正是丰田工业公司( 1 i c o ) 。 由此看出国外一流的叉车制造商都不约而同的发展燃料电池叉车并开发出 了新产品。 1 3 国内发展现状 长久以来，在中国的叉车市场，内燃机叉车一直保持着8 0 的占有率，而并 且环保的电动叉车只占有2 0 的份额，欧洲市场有7 0 ，全球市场的比例是5 0 ， 3 武汉理工大学硕士学位论文 与两者相比较而言都有很大压力。而且在国内以国有品牌为主的内燃叉车，价格 低，技术含量更低。从2 0 0 7 年开始在欧洲，欧洲第三阶段排放标准已经在叉车 上开始强制执行，在中国执行第二阶段排放是2 0 1 0 年1 0 月，执行第三阶段标准 时间看来是遥遥无期，但是它必将是以后国内叉车发展的主要限制因素。因此， 随着人们的节能减排意识的加强，电动叉车及新能源叉车必将代替内燃机叉车 【8 l o 中国的燃料电池技术：1 9 9 8 年，中国第一辆燃料电池汽车由清华大学研制 出，北京富源燃料电池公司提供的燃料电池；1 9 9 9 年，北京富源燃料电池公司 与清华大学合作成功开发出燃料电池驱动系统的乘用车；2 0 0 1 年，北京率能公 司与北京工业学院和清华大学合作，开发出以燃料电池为动力的客车、出租车和 1 2 个座位的公共汽车；2 0 0 4 年，长治正式启动国家甲醇燃料电池汽车示范工程 并通过了国家验收；2 0 0 5 年，由上海神力科技有限公司研制出总行驶里程达1 2 万公里的绿色燃料电池游览车，并投入试运，有达2 0 0 0 小时无故障运行时间； 2 0 0 6 年“超越三号燃料电池轿车在第八届“比比登清洁能源汽车挑战赛中表 现抢眼，它是由同济大学等单位共同研发，各项比赛评分获得a ，并且取得了两 个单项比赛的第一名。燃料电池在车辆上的应用已由发展的初期逐渐进入到成熟 期了。目前国内有1 0 0 多万辆左右叉车的保有量，预计有1 0 左右年增长率。但 是国内暂时没有生产燃料电池叉车的厂家。但是随着燃料电池汽车技术的繁荣发 展以及国家倡导绿色环保汽车，燃料电池系统在叉车上的应用将成为未来的主要 发展方向之一例。 1 4 本文研究内容 本文首先对燃料电池叉车的背景和意义进行了简单的介绍，然后介绍了燃料 电池系统的的分类和结构。经过对各种驱动系统的分析比较后，采用燃料电池与 动力蓄电池混合型驱动系统，即f c + b 系统。动力蓄电池不仅能够及时补充叉车 启动、加速和爬坡等大功率需求工况，而且还能吸收再生制动能量。燃料电池则 提供叉车稳定工作状态下的能量需求，并给蓄电池充电。这样不仅提高系统的效 率而且减轻了燃料电池的负担。本文在分析比较燃料电池混合动力叉车驱动系统 中的各个主要部件后，确定了动力蓄电池电池、燃料电池、电机的类型。与此同 时，本文采用功率跟随控制策略，它是以蓄电池s o c 值和叉车功率需求为控制 参数来满足叉车的实际工作需要。在m a t l a b 软件中采用后向仿真的方法建立 叉车模型，控制蓄电池和燃料电池组成的混合能源系统功率输出，匹配叉车的模 型参数，在a d v i s o r 软件的基础上对混合动力系统叉车进行传动系统仿真分 析。在仿真研究时，可以设定仿真工况，得出合理工况下的仿真结剁h 儿。通过 4 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章燃料电池驱动系统的结构 现在全球的各大汽车制造商所开发的燃料电池系类的车用驱动系统有多种 形式，根据其驱动方式可分为燃料电池混合动力驱动车用驱动系统和纯燃料电池 驱动车用驱动系统：根据其燃料的不同可分为燃料重整燃料电池车用驱动系统和 车载纯氢燃料车用驱动系统。因为燃料电池驱动系统技术正处于开发的初期阶 段，所以各种新技术都在燃料电池驱动系统上得到应用【1 1 j 。以下是按其驱动形 式对燃料电池电驱动系统作简单的介绍，对各种驱动形式的优点和缺点进行比较 分析，从而为叉车选用合适的燃料电池叉车驱动系统。 2 2 燃料电池系统的选型及原理 燃料电池叉车按照驱动方式主要可分为四种：纯燃料电池、燃料电池与辅助 电池和超级电容混合型、燃料电池和超级电容混合型、燃料电池和辅助蓄电池混 合型。 2 2 1 纯燃料电池驱动( p f c ) 纯燃料电池电动叉车驱动系统结构如图2 _ 1 所示。 图2 1 纯燃料电池驱动结构图 这种驱动系统结构最直接最容易。但是满足所有行驶工况的要求的燃料电池 的功率需求的数值有时候会很大，并且在制造方面，大功率的燃料电池很难开发 出来，因此采用纯燃料电池驱动的车用系统慢慢退出实际使用市场i l 到。 这种结构的优势是：整备质量降低，超载能力得到了改善；控制策略比 较简单。同时这种系统也存在一些缺陷：对燃料电池的功率要求很大，大功率 燃料电池的价格昂贵，而且系统重量大，进而导致能量利用率降低；虽然燃料 电池的系统效率较高，但是氢气的价格还是不低的，从而导致成本上升；纯燃 料电池系统的瞬时响应较低并且稳定性较差；该系统没有再生制动能量回收系 统。 6 武汉理工大学硕士学位论文 为了解决这个系统的缺陷，目前的燃料电池车用驱动系统主要采用的是混合 驱动形式，就是增加了辅助电源系统，可以是蓄电池或超级电容作为第- - i i 量源。 2 2 2 燃料电池和超级电容混合驱动( f c + c ) 这种形式的驱动系统主要靠燃料电池来驱动车辆保持稳定行驶。超级电容器 则是短暂的能量存储设备，在大功率需求时，它输出能量。系统结构简图如下图 所示。 图2 2f c + c 驱动系统结构图 这种结构的优势在于：超级电容器既能迅速地充电又能快速地放电，再生 能量系统所反馈的能量能够高效的被它吸收，而且它能迅速地提供能量；超级 电容可以平摊系统对燃料电池需求的功率，降低电流大小，提高燃料电池的工作 寿命和能量利用率，同时使整个系统的价格降低。f c + c 控制策略简单易操作， 在车辆启动、加速和爬坡快速需求大功率的工作状态下，超级电容的优势得到充 分的发挥。但是，超级电容器内的能量存储不够多，即能量密度较低，只能持续 提供车辆一分钟的大功率需求【1 3 。 2 2 3 燃料电池蓄电池电池加超级电容混合驱动( f c + b + c ) 在这样的驱动传动系统中，燃料电池可以单独提供车辆稳定工作状态下的功 率要求，也可以与蓄电池一起来提供这部分能量。而在大功率需求( 启动、爬坡 和加速) 状态下，可以由蓄电池单独提供能量或者与超级电容器一起提供这部分 能量。能量利用率大大得到提高，经济型增强。系统结构如图2 3 所示。 图2 3f c + b + c 驱动系统结构图 这种驱动系统的优点有三个：不需要较大功率的蓄电池或者燃料电池，从 而减轻了驱动系统的成本；在寒冷的天气里，整车起动时需要较大的电流，蓄 7 武汉理工大学硕士学位论文 电池不能提供，但是它可以小电流充电超级电容器，从而使超级电容器拥有足够 的能量提供整车起动时所需的功率，蓄电池的数量和单个电池的容量可以减少， 减少了蓄电池的负担；再生制动时接收回馈能量时，它能被超级电容快速的接 收，从而减轻了蓄电池充放电次数的压力，提高了蓄电池的工作循环寿命。但是 这个系统工作过程复杂，整车的控制系统不稳定性，并且控制策略比较复刹1 4 l 。 2 2 4 燃料电池和辅助蓄电池混合驱动( f c + b ) 现在比较实用的驱动系统结构是燃料电池和辅助电池混合驱动。在这种结构 里主动力源是燃料电池，蓄电池能够回收制动时产生的能量，并且蓄电池提供整 车起动、加速、爬坡的过程中的额外能量。这种驱动结构由于有蓄电池组也可以 提供功率从而减轻了整车对燃料电池系统的压力，整车对燃料电池成本和功率密 度的要求比纯燃料电池驱动( p f c ) 结构低。该驱动结构如图2 4 所示。 图2 4f c + b 驱动系统结构图 此结构的主要优点在于：减轻了燃料电池系统的压力；燃料电池系统起 动整车比较容易；系统的可靠性得到了，比如燃料电池系统出现了故障，蓄电 池仍可供应整车的工作；蓄电池能够吸收再生制动系统产生的反馈能量【1 5 j 。 通过对以上几种驱动结构的比较，本文结合叉车的实际工作情况及成本选择 f c + b 的结构模式，在动态建模和控制策略两个方向来的提高整车工作性能【1 6 1 。 2 3 燃料电池和辅助蓄电池混合驱动( f c + b ) 的分类 根据燃料电池和蓄电池所提供的功率在整车总需求功率的比例的不同，燃料 电池电动车 c + b ) 又可分为功率混合型与能量混合型两种。 2 3 1 能量混合型燃料电池电动车 在开发燃料电池电动汽车的早期，由于技术开发能力有限，只能生产出功率 较小的燃料电池，不足以供应车辆的大功率需要。燃料电池只能提供车辆行驶工 程中整车需求功率的一部分，蓄电池提供剩下的功率需求，这种驱动结构的车辆 就是能量混合型燃料电池电动车辆。能量混合型燃料电池电动汽车不能满足车辆 8 武汉理工大学硕士学位论文 功率要求，较大容量的蓄电池组往往装载在车辆上，从而导致整车的整备质量进 而导致动力性变差【1 7 1 。同时蓄电池需要占用大量的车辆空间，从而导致其他器 件空间布置局促。这种类型的燃料电池叉车能量利用率较高，可以保持高效的工 作。但是在添加燃料的同时需要为蓄电池补充能量【1 8 】。 2 3 2 功率混合型燃料电池电动车辆 燃料电池技术逐渐成熟，加上燃料电池性能的逐渐改善，燃料电池的功率 提供比例越来越大，因而蓄电池的容量需求减少，从而车重减少、动力性提高。 但是为了更好的回收制动时产生的能量，蓄电池的数量还需增加。总体来说，燃 料电池主要提供车辆正常行驶时所需的能量。蓄电池提供的功率很小，般是在 大功率需求的情况下输出能量，它还能吸收再生制动系统反馈的能量。燃料电池 还能把多余的能量给蓄电池充电。这种驱动系统就是功率混合型系统1 1 9 1 。， 本章主要介绍了燃料电池驱动系统的分类，根据各个驱动方式的特点和实际 情况选择燃料电池和辅助蓄电池混合驱动( f c + b ) 作为叉车的驱动系统。并且 介绍f c + b 驱动系统的分类。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章 a d vis o r 仿真软件的基本结构和仿真原理 a d v i s o r 软件可以对整车性能进行仿真。首先对各个子系统进行建模，然 后输入相关数据，选择模拟的行驶工况下就能对整车的性能进行仿真测试。针对 不同的车型，选择合理的行驶工况的仿真，a d v i s o r 软件就会在仿真结束后得 到详细的仿真测试结果。仿真测试的结果包含：能量的使用情况，动力性仿真结 果，经济性仿真结果，整车各个子系统的性能评价和工作状态等i 驯。 燃料电池混合动力驱动系统的仿真是基于整车仿真结果中对各动力系统部 件运行状态的描述。a d v i s o r 在仿真结果能够比较详细的得出包括燃料电池， 电机和控制器，蓄电池在仿真运行情况以及相关数据。本章将具体的介绍 a d v i d o r 仿真软件的基本构成以及仿真原理。理解a d v i s o r 仿真软件的原理， 进而可以理解动力驱动系统部件数学建模的思路以及这些数学模型在整车性能 仿真当中起到的作用1 2 。 3 1 基于a d v i s o r 软件的燃料电池电叉车仿真原理 a d v i s o r 里有车辆前向和后向仿真。后向仿真是解决这样的问题：车辆在 符合工况循环情况下，那么车辆各部件该怎样的运行。这种模式的仿真模型没有 驾驶员模型，车辆在所选择的工况下反复运行来仿真车辆的运行情况。前向仿真 里有驾驶员模型，这个模型可以控制制动和加速踏板来实现仿真循环。加速踏板 的参数值可成扭矩值，这个值被传递到驱动系统表示驱动力，经过计算可以测出 车速。带有驾驶员模型的仿真可以更好的反应车辆的工作性能，但是有时间限制， 当仿真时间超过十分钟的工况运行的时候，仿真速度就会变得很慢旧j 。 a d v i s o r 是运用一种集后向和前向混合的仿真软件。在这种仿真形式中， 各个部件按照功率能量流的下游部件对其的功率需求，供给响应的力矩、车速和 功率等参数，从而实现仿真工况。在部件边缘界限能力上，a d v i s o r 运用后向 流程计算方式和前向流程计算方式混合计算，构成其特有的计算方法方法。 a d v i s o r 的集前向和后向仿真的模式是基于以下两条为基础条件： ( 1 ) 驱动系统的部件只能获得与其相连的上游部件可以使用的最大限度的力矩 和功率，不能超过它。所有的零部件只能获得并不能超过能量流上方所提供的最 大参数值( 车速、力矩和功率等等) 。 ( 2 ) 在前向计算和后向计算时部件的效率都是一样的。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1a d v i s o r 的串联式f c e v 的顶层模块结构图 图3 1 显示了用a d v i s o r 仿真的串联式燃料电池混合动力叉车的顶层建模 结构。模型结构图是在m a t l a b 和s i m u l i n k 的图形化编程环境下开发的。数据 流向用箭头表示，数据处理的元素或元素组用箱型图表示。比如齿轮箱模块，它 包含的数据处理元素就有“总和 和“乘积”模块以及查表图，它们在建立车辆 单速或变速齿轮箱的模型中是必不可少的。数据传输方向依据箭头方向从左至 右，例如从电机控制器模块指向能量集中器模块的箭头，是组成基于后向仿真 的模型的重要部件，力矩，速度，以及功率需求通过这个箭头给上层动力传输系 统。数据从右至左传递的回向箭头，例如由电机控制器模块指向齿轮箱模块的 箭头是组成前向仿真模型的一部分，它通过动力传输系统传递可提供的速度，力， 力矩及电功率。每一个模块都是基于m a t l a b 的数据，例如损失和效率表等等， 这些都是对对应的部件性能的描述1 2 3 1 。 基于a d v i s o r 软件的仿真过程可以简单理解成数据由模拟行驶工况出发， 依照能量传递路线从上游部件模型传递到下游部件模型的过程。经过各部件的数 据，将按照各部件的工作过程得到各种处理结果。处理过数据有部分还将送回到 上游部件模型中去，修正下一时刻数据。各子系统的输出数据将构成最终的仿真 结果。然后处理这些输出数据，便得到各种包括零部件运行状态、经济性和动力 性等的仿真结果。a d v i s o r 正是基于这种包括前向和后向的仿真模式，在建立 完毕的各部件系统的模型平台上对仿真整车性甜州。 3 2a d v i s o r 仿真过程介绍 a d v i s o r 软件实际上是一个基于s i m u l i n k 模块，由m a t l a b 数据文件提 供整车配置，性能以及控制参数等数据的仿真软件组。a d v i s o r 软件和其他车 辆仿真软件不一样的地方在于，其它的仿真软件是由可执行代码组成，而 a d v i s o r 软件的m 文件的数据是依据真实的工作状态的各子系统。并且 武汉理工大学硕士学位论文 a d v i s o r 操作界面是图形化的，各子系统模型也是相互独立的，因此修改和完 善车辆各部件模型结构是非常容易的。a d v i s o r 的车辆图形化参数输入界面如 图3 2 所示： y i l *l d l t l h t th d ， v e h i c l ei n p u t o 喇憎_ 晴附s 鲥t i o n 瞄5 磊硼匠丽二i 1 f _ c i 删m - 0 ， l - m c w t m t ) 岫h h h i - - h y o f u c 钢r 翻 图3 2a d v i s o r 的车辆参数输入图形化界面 a d v i s o r 内的驱动模式有很多种，包括传统的内燃机驱动，串、并联混合 动力驱动，纯电动以及燃料电池的混合驱动。如上图所示，本文所建立的燃料电 池叉车模型为串联式混合动力电动叉车( 蓄电池和燃料电池提供混合动力，燃料 电池与电机串联) p j 。 对于燃料电池电动叉车的驱动系统模型来说整车模型由以下八个子系统构 成：叉车的参数子系统，能量储存系统，燃料电池系统，传动系，电机控制器， 车载附件，车轮，系统控制策略。整车模型建立过程即为确定以上的各个子系统 的参数的过程。对于各子系统的建模又可分成对结构建模和对数据建模两部分。 1 ) 结构建模的模型是以s i m u l i n k 的图形化编程为基础的。s i m u l i n k 通过若干 用数学等式表示的模块来完成各子系统中数据的计算。同时，子系统当中数据的 流向时用各子模块之间的连线表示。s i m u l i n k 的图形化编程的特点在于，能够简 单清晰地描述各动力系统的结构。并且已定义的变量或者对变量的数学处理都在 每个子模块中，因此，使用者通过分析会很容易的辨别出整个车辆系统的输入、 输出，便于了解车辆系统的组织结构，更方便使用者了解对应动力系统的工作原 理。s i m u l i n k 图形化编程的另一个特点就是方便使用者改进和完善车辆系统，在 原有的车辆模型结构的基础上进行改变。这个操作只需双击进入其模块，然后对 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 变量名或者相关公式进行修改即可。通过双击a d v i s o r 初始化面板上的“v i e w b l o c kd i a g r a m ( 见模块结构图) 可以查看结构模型。