燃料电池电动汽车自适应能量管理系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 lI 页目录第l 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 ．1 课题研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1、1 ．2 国内外研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21 ．2 ．1F H E V 的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21 ．2 ．2F H E V 能量管理研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 ．3 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4第2 章F H E V 能量管理系统分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62 ．1 燃料电池系统分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62 ．1 ．1 燃料电池的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62 ．1 ．2 燃料电池的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62 ．1 ．3P E M F C 特性及系统结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．72 ．2 辅助电源系统分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92 ．2 ．1 辅助电源的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92 ．2 ．2 超级电容的性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 12 ．2 ．3 超级电容在电动汽车上的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．132 ．3F H E V 能量管理系统结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 42 - 3 ．1P E M F C 控制子系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯1 42 ．3 ．2 能量控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 52 ．4F H E v 能量管理系统参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 62 ．4 ．1 牵引电机额定功率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 72 ．4 ．2 发电机l ／P E M F C 额定功率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 72 ．4 ．3 辅助电源的功率和能量容量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8第3 章F H E V 能量管理系统控制策略与算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 03 ．1F H E V 能量管理目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．213 ．2 常用控制策略比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1．3 ．2 ．1 开关控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 13 ．2 ．2 功率跟随控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 23 ．2 ．3 自适应能量管理策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。

2 33 ．3 自适应能量管理策略的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 33 ．3 ．1P E M F C 的保护控制规则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 43 ．3 ．2 超级电容充放电控制规则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 53 ．3 ．3 自适应能量分配算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6第4 章F H E V 能量管理系统建模与仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 04 ．1P E M F C 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 04 ．1 ．1P E M F C 动态模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0西南交通大学硕士研究生学位论文第1 V 页4 ．1 ．2P E M F C 输出控制模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 64 ．2 超级电容模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 94 ．3D C ／D C 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 04 ．4 电机驱动模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 44 ．5 能量管理控制模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 44 ．6 仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6第5 章F H E V 能量管理系统硬件设计与实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 05 ．1P E M F C 控制模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 05 ．1 ．1P E M F C 控铝0 器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 05 ．1 ．2 启动电源控制模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 15 ．1 ．3 温度检测及温控电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 15 ．1 ．4 气压检测及气体流量控制电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯o ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。

5 25 ．2 能量管理控制模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 35 ．2 ．1 超级电容充放电控制电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 35 ．2 ．2 能量管理控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 45 ．3 软件实现流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 55 ．3 ．1 燃料电池控制软件流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 55 ．3 ．2 能量管理控制软件流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 55 4 实验结果分析⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 65 ．4 ．1 平坦路面测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 75 ．4 ．2 爬坡性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0致谢⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．⋯⋯．．．．⋯．6 ：!参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页1 ．1 课题研究的背景及意义第1 章绪论1 ．1 ．1 课题研究的背景汽车是现代人类社会不可缺少的交通工具，汽车产业作为当今世界最大、最重要的工业部门之一，成为许多国家的支柱产业，极大地推动了人类社会经济和社会生产力的发展。

然而随着汽车使用数量的大幅度增加，汽车给人类带来巨大便利的同时，也对石油资源的需求急剧增加；汽车在运行的时候排出大量的有害气体，二氧化碳、硫化物、氮氧化物、氟氯烃等使温室效应加剧、臭氧层破坏并带来酸雨等问题，严重危害了人类赖以生存的自然环境，给人类生存造成了严重的危害能源和环境是人类赖以生存的基础，能源短缺和环境污染一直是困扰各国经济发展的重要因素从可持续发展的角度出发，人类应采取措施减少石油、天然气等资源的消耗，并且积极研究使用环保的可再生能源为解决这些问题，世界各国在研究和开发车用新能源方面加快了步伐燃料电池作为一种新型、清洁、高效的能源越来越受世界各国的关注，燃料电池混合动力电动汽车( F u e l ．c e l lH y b r i dE l e c t r i cY e h i c l e ，F H E V ) 也因其能有效降低尾气排放量，改善大气污染程度，成为汽车技术发展的新方向和世界各国研究的热点质子交换膜燃料电池( P r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ，P E M F C ) 是继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的第五代燃料电池。

2 0 世纪8 0 年代中期，由于P E M F C 制备材料和技术取得突破性进展，使P E M F C 的性能大幅度提高，实用化前景大好，·从而又掀起了P E M F C 研发新阶段P E M F C 实际使用效率是传统内燃机的2 倍以上，是公认的“绿色高效”能源，尤其是它的工作温度低，可以在室温下快速启动，是代替传统发动机的最佳能量源目前世界各国政府及各大汽车厂商都纷纷投入巨资进行燃料电池电动车的研究与开发，其中影响最大的开发项目有两个【l J ：’一是由美国能源部组织的国家P E M F C 研究计划；二是以巴拉德动力系统公司的技术为依托，由戴姆勒一克莱斯勒、福特汽车公司等跨国公司投资合作的P E M F C 电动汽车项目我国也非常重视对燃料电池电动汽车关键技术的研究，“九五’’期间，国家科技部将对燃料电池关键技术研究列入国家攻关计划十五”期间，燃料电池电动汽车关键技术研究及其样车的研制开发，被列入国家“8 6 3 “ 电动汽车重大专项中【2 】十一五”期间，国家大力推进燃料电池汽车研发和示范运行，进一步扩大代用燃料汽车的推广西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页应用，促进节能与新能源汽车产业政策、法规和相关标准的研究与制定，构建节能与新能源汽车公共服务平台，建立我国节能与新能源汽车产业联盟【3 l 。

1 ．1 ．2 课题研究的意义燃料电池在电动汽车上应用时，为适应在不同路况下的正常行驶，如：爬坡、加速、减速、启动、制动等，车辆在运行时需要有较强的动态响应能力，这样驱动功率不可避免的会产生较大的波动但由于P E M F C 启动时间较长，动态特性较差，不支持能量的双向流动等特点，使其作为动力源完全独立的为车辆行驶提供动力还不完善；另一方面，若输出功率频繁的大幅度波动也会大幅度降低燃料电池的寿命因此，从系统启动供电，动态响应能力，过载运行能力，再生制动回收能量等方面考虑，将传统的电动汽车中采用的能量存储设备与现代的燃料电池结合起来，构成多能源混合动力系统成为目前可行的方案1 4 j 通过这种混合，实现了多能源的优势互补燃料电池提供电动车行驶的基本功率，辅助能源在加速等瞬态工况起辅助动力作用，同时进行再生制动能量的回收，这样能使燃料电池发挥其供电时间长、效率高，辅助电源发挥其响应快、能量回馈容易等优势，从而使车辆性能得到大幅度提升由于混合动力系统中各种辅助能量装置的电器特性存在很大差异，将不同形式能源混合后，如何进行合理的能量分配和优化控制，确保混合动力系统稳定、可靠、高效的工作，将成为提高燃料电池混合动力电动汽车性能的关键问题。

能量分配控制是F H E V 的关键技术和核心工作，这一问题如果能得到完善的解决，将大大提高F H E V 的经济效益，推动F H E V 的发展和应用，这也是研究混合动力系统能量管理的意义所在1 ．2 国内外研究进展1 ．2 ．1F H E V 的发展美国能源部开发高效率、低污染或零污染的燃料电池车辆，2 0 0 0 年前验证燃料电池发动机系统，2 0 0 4 年可以用氢气、甲醇、乙醇、天然气和汽油作为燃料运行美国政府还制定了F r e e d o mC A R 计划，此计划集中于实用技术研究，采用P E M F C 作为发动机，以不损害汽车使用、选择汽车等自由，不增加使用成本，同时不损害安全性、灵活性和汽车选购的自主性为目标该计划到2 0 0 8 年已经实现的部分技术目标有1 5 J ：( 1 ) 燃料电池动力系统与传统内燃机自动变速系统成本具有可比性 2 ) 提高氢的能量转换效率，扩展氢燃料的适用范围，保持现有车辆的特定功能 3 ) 材料和制造技术可满足汽车大量生产的要求，降低整车和子系统质量，以及生产成本和销售价格，增加可再生材料、可循环使用材料的应用等西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页美国通用公司于2 0 0 0 年在悉尼夏季奥运会上展示了燃料电池电动车“。