燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配研究課件

1、臨沂大學(xué)2013屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2013屆 分 類 號(hào)： 單位代碼：10452 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配研究姓 名 祝 煌 學(xué) 號(hào) 200903130109 年 級(jí) 2009 專 業(yè) 汽車學(xué)院 系（院） 車輛工程 指導(dǎo)教師 高永強(qiáng) 2013年 4月 18日25摘 要隨著世界環(huán)境污染和能源危機(jī)問題的目益凸顯，內(nèi)燃機(jī)汽車在經(jīng)過百年發(fā)展后，雖然在安全、節(jié)能、環(huán)保和舒適等方面取得了重大的進(jìn)展，但其不得不面臨石油資源日益枯竭的現(xiàn)狀。面臨可持續(xù)發(fā)展，大氣環(huán)保和地球溫室效應(yīng)的挑戰(zhàn)，以及噪聲方面的限制。低排放、無污染的清潔汽車倍受各汽車生產(chǎn)大國(guó)的關(guān)注。純電動(dòng)、混合動(dòng)力汽車應(yīng)運(yùn)而生。燃料

2、電池汽車以其接近零排放、能量轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高、噪聲小的等特點(diǎn)，成為了各大汽車公司研究的熱點(diǎn)之一。開發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車是解決當(dāng)前能源短缺與環(huán)境污染問題的切實(shí)有效的技術(shù)途徑之一。以提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率為目標(biāo)，研究多能源動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法，構(gòu)建由燃料電池與輔助動(dòng)力源組成的電一電混合動(dòng)力系統(tǒng)，已成為燃料電池汽車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。本文首先介紹燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)及分類。分析各類型的優(yōu)缺點(diǎn)后，選定燃料電池與蓄電池組成的混合動(dòng)力汽車(FC+B)為研究對(duì)象。在行駛過程中，蓄電池可以長(zhǎng)時(shí)間提供足夠的輔助能量，特別在汽車制動(dòng)能量回收的過程中，回收回饋功率，進(jìn)而延長(zhǎng)系統(tǒng)使用時(shí)間，提高汽車動(dòng)力系統(tǒng)的效率。本文在對(duì)燃料電池

3、混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主要部件分別進(jìn)行比較后，確定了燃料電池、動(dòng)力電池、電機(jī)的類型。針對(duì)燃料電池混合動(dòng)力汽車車用動(dòng)力源的特性要求進(jìn)行了質(zhì)子交換膜燃料電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的試驗(yàn)研究。綜上所述，文章論述了燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化研究的內(nèi)容，主要概括了混合動(dòng)力參數(shù)匹配和優(yōu)化方法，指出加強(qiáng)燃料電池電動(dòng)汽車電電混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配與優(yōu)化研究是提高動(dòng)力系統(tǒng)效率的有效途徑。對(duì)其他型混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化也具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：燃料電池電動(dòng)汽車 電電混合動(dòng)力系統(tǒng)；動(dòng)力匹配優(yōu)化 AbstractThe environment pollution and energy crisis are bec

4、oming increasingly acuteThe traditional internal combustion engine has been developed for 100 yearsAlthough it makes a great progress in terms of safety, energy conservation，and environmental protection，and comfortable， it also had to face the increasing depletion of the oilFace with the strategy of

5、 sustainable development，environmental protection and the greenhouse effect，as well as noise restrictionsThe low emissions，no-pollution vehicle draw more and more attentionPure electric，hybrid electric vehicle are availableBecause of zero emissions，high efficiency of energy conversion，low noise，and

6、other features，the fuel cell vehicle has become a searching spotThe development of Fuel Cell Electric Vehicle(FCEV)is one of the most efficient technologies to solve the problems which were caused by the limit of energy sources and environment pollutionIt is the key technology for FCEV to compose el

7、ectric-electric hybrid powertrain system of fuel cell and auxiliary power source，and study on multienergy power system parameter optimization, aiming at improving efficiency of the overall hybrid powertrain systemThe structure and classification of fuel cell vehicle were firstly introduced in this t

8、hesisThis article analysis the advantages and disadvantages of each type，a fuel cell hybrid consisting of a fuel cell and a pack of batteries was chose to researchWhen the vehicle is runing，batteries can provide long-time energyEspecially in the breaking process，they can regenerate the energySo that

9、 to extend the life time and improve efficiencyIn this article，the main components of fuel cell hybrid electric vehicle drive system were comparedAnd then the fuel cell，battery and motor were determinateThe experiments of the proton exchange membrane fuel cell and motor were carried out to prove tha

10、t it meet the power requirementsIn order to decrease of fuel consumption，fuzzy control strategy is used in the fuel cell vehicleThis strategy based on vehicle battery power requirement and SOC control parametersTo sum up，this thesiss summarize the research coments of parameter matching and optimizat

11、ion of FCEV powertrain system，conclude parameter matching and optimization method for the hybrid powertrain system，and point out the study on matching and optimization of FCEV powertrain system is a effective way to improve system efficiencyIt offer certain reference for parameters matching and opti

12、mization for other similar hybrid powertrain systemKEY WORDS：FCEV；Electric-electric hybrid power systetm；Power parameter matching and optimizing目錄1 緒論11.1選題意義，研究現(xiàn)狀及可行性分析11.2國(guó)內(nèi)外燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀21.1.1國(guó)外燃料電池電動(dòng)車發(fā)展情況21.1.2國(guó)內(nèi)燃料電池電動(dòng)車發(fā)展情況41.3燃料電池電動(dòng)汽車分類的特點(diǎn)分析41.4本文主要研究?jī)?nèi)容62 燃料電池電動(dòng)汽車FCEV混合能源動(dòng)力性分析72.1燃料電池72.1.1燃料電池

13、工作原理，分類及特點(diǎn)分析72.1.2燃料電池電池分類及其特性分析82.2質(zhì)子交換膜電池特性分析及實(shí)驗(yàn)研究102.2.1質(zhì)子交換膜電池特性分析102.2.2質(zhì)子交換膜電池性能分析112.3燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)152.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力性分析172.5本章小結(jié)183 燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置和參數(shù)優(yōu)化問題183.1燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)構(gòu)配置優(yōu)化183.2燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化193.2.1優(yōu)化目標(biāo)193.2.2優(yōu)化變量的選取202.2.3優(yōu)化約束213.3本章小結(jié)214 全文總結(jié)與展望21參考文獻(xiàn)22致 謝23第一章 緒論燃料電池電動(dòng)汽車(Fuel Cell Electric

14、 Vehicle，F(xiàn)CEV)，興起于20世紀(jì)70年代末。以燃料電池作為動(dòng)力源，通過氫氧反應(yīng)產(chǎn)生電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛行駛。由于該車型的排放物為水，氫氧利用率較高。普遍認(rèn)為是一種新型、高效、清潔的環(huán)保車型。1.1選題意義、研究現(xiàn)狀及可行性分析20世紀(jì)人類發(fā)展的歷史，可以看到汽車扮演了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要媒介，它的出現(xiàn)極大地改變了人們的生活。科技的高速發(fā)展加快了交通工具的使用頻率和更新?lián)Q代的速度。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，我們?cè)谙硎芷噹Ыo人們方便、快捷和舒適的現(xiàn)代生活的同時(shí)，它也帶來了日益增多的問題：環(huán)境污染和過度使用能源。 伴隨著世界環(huán)境污染和能源危機(jī)問題的日益凸顯，內(nèi)燃機(jī)汽車在經(jīng)過百年

15、發(fā)展后，雖然在安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適和價(jià)廉等方面取得了重大的進(jìn)展，但其不得不面臨石油資源日益枯竭的現(xiàn)狀。上世紀(jì)70年代，全球三次石油危機(jī)爆發(fā)后，節(jié)能、環(huán)保、新能源等字眼越來越緊密地與汽車聯(lián)系在一起。據(jù)權(quán)威組織預(yù)測(cè)，地球上已探明的石油儲(chǔ)量在50年內(nèi)將耗盡，尋找新型能源已經(jīng)成為人類社會(huì)發(fā)展的必經(jīng)之路。面臨可持續(xù)發(fā)展，大氣環(huán)保和地球溫室效應(yīng)的挑戰(zhàn)，以及噪聲方面的限制，低排放、無污染的清潔汽車倍受各汽車生產(chǎn)大國(guó)的關(guān)注。研制開發(fā)更節(jié)能、更環(huán)保、使用替代能源的新型汽車，成為各大汽車公司的當(dāng)務(wù)之急，各跨國(guó)汽車公司開始研發(fā)各種類型的新能源汽車。當(dāng)前，各國(guó)政府、專家及大企業(yè)集團(tuán)均看好的是燃料電池電動(dòng)汽車(Fue

16、l Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV)。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視燃料電池汽車的研制。燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化率高、燃料多樣化、環(huán)境污染小、噪音低、可靠性強(qiáng)、維修性好的優(yōu)點(diǎn)。其反應(yīng)過程不涉及到燃燒，能量轉(zhuǎn)化率可高達(dá)80，實(shí)際使用效率是普通內(nèi)燃機(jī)的2倍以上，成為公認(rèn)的“綠色汽車”首選。燃料電池包括堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等，其中質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度比較低，被認(rèn)為是代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳能量源。此外，燃料電池電動(dòng)汽車使用液體氫氣，一次充氣可以行駛400km以上，行駛里程比傳統(tǒng)汽車要長(zhǎng)得多。充氣或更換氣瓶 僅需要幾分鐘，與傳統(tǒng)汽車加油的時(shí)間

17、相同。比普通電動(dòng)汽車充電時(shí)間短得多。截止到目前，燃料電池汽車的研制和開發(fā)“已接近歷史性突破的邊緣”，燃料電池電動(dòng)汽車將成為各大汽車廠家和發(fā)達(dá)國(guó)家汽車發(fā)展的研究方向。我國(guó)車用燃料電池研究已經(jīng)有了良好的開端。“九五期間，燃料電池技術(shù)被列為國(guó)家重大發(fā)展項(xiàng)目，其中用于電動(dòng)汽車的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)研發(fā)已經(jīng)進(jìn)展到可以裝車的水平。由于我國(guó)傳統(tǒng)汽車工業(yè)落后當(dāng)代世界先進(jìn)水平20年，石油資源的匱乏、密集人口、擔(dān)憂的環(huán)境情況要求我國(guó)未來的汽車工業(yè)發(fā)展不能跟在別人的后面，必須探求新的思路，走中國(guó)特色的汽車工業(yè)發(fā)展道路，而燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)這類新能源汽車無疑是我國(guó)未來汽車工業(yè)乃至世界汽車工業(yè)發(fā)展方向。我們

18、需要抓住這個(gè)難得的發(fā)展機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)革命的突破！1.2國(guó)內(nèi)外燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀世界各國(guó)著名的汽車廠商都在加緊研制各類燃料電池電動(dòng)汽車，并且取得了一些方面的進(jìn)展和突破。 1.2.1國(guó)外發(fā)展情況歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視燃料電池汽車的研制。截止到目前，燃料電池汽車的研制和開發(fā)“已接近歷史性突破的邊緣”，燃料電池電動(dòng)汽車將成為各大汽車廠家和發(fā)達(dá)國(guó)家汽車發(fā)展的研究方向。下面分別對(duì)北美、歐洲、日本燃料電池汽車發(fā)展情況進(jìn)行介紹。美國(guó)是最先研究燃料電池的國(guó)家，在上世紀(jì)60年代為了“阿波羅飛船登月計(jì)劃”，美國(guó)通用電氣公司協(xié)助美國(guó)航空航天局利用英國(guó)物理學(xué)家威廉·格拉夫爵士的“電解水的逆反應(yīng)產(chǎn)生

19、電流"理論研制的第一代燃料電池，并將其用在航天飛機(jī)的動(dòng)力源中，隨后又用于潛艇和汽車中。加拿大的巴拉德(Ballard) 公司是世界上最早從事燃料電池技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)，也是燃料電池研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的領(lǐng)航者。產(chǎn)品先進(jìn)成熟，遍布燃料電池發(fā)電機(jī)、備用電源、原材料處理、公交車、轎車等多個(gè)領(lǐng)域。各大汽車廠家研發(fā)的燃料電池電動(dòng)汽車所使用的電池電堆大多為巴拉德公司的產(chǎn)品。2006年洛杉磯國(guó)際車展上福特公司推出以氧燃料電池為動(dòng)力的全新探索者Explorer燃料電池汽車(見圖1.1)，行使里程可以達(dá)到580km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其它以燃料電池為動(dòng)力的車型，被號(hào)稱為耐力王。圖1.1 福特Explorer燃料電池車通

20、用公司也一直從事FCEV的開發(fā)。1968年推出Electrovan是世界上第一輛FCEV。1998年推出了小型箱式車Zalira，2000年推出了HydroGen l，到2003年已發(fā)展到HydroGen 3，該車型裝載94kW的質(zhì)子變換膜燃料電池(PEMFC)，使用液氫為燃料，一次填充燃料可行駛400km，最高車速160kmh。戴姆勒公司在FCEV領(lǐng)域一直是世界領(lǐng)先的制造商。公司旗下的戴姆勒奔馳公司從1990年開始研究燃料電池技術(shù)，1994年戴姆物一奔馳公司與Ballard合作推出了第輛FCEV車型Neear-1。Necar-1采用MBl90廂式車體，裝載Ballard 生產(chǎn)的50kW質(zhì)子交

21、換膜燃料電池，一次填充燃料續(xù)駛里程為130krn，最高車速90kmh。1996年推出了Necar-2，1997年研制成Neea-3，到目前為止已經(jīng)研制成Necar-5車型。德國(guó)大眾汽車集團(tuán)在環(huán)保驅(qū)動(dòng)投術(shù)的研發(fā)方面一直不遺余力在減少然料消耗和尾氣排放方面不僅僅重視短期的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更有中長(zhǎng)期規(guī)劃。2005年，大眾公司推出了“途安HyMotion”（圖1.3）燃料電池電動(dòng)汽車。該車使用80kW電動(dòng)機(jī)，核心原件為燃料電池，它為汽車提供必要的動(dòng)力。此外，途安HyMotion的另一個(gè)動(dòng)力來源-可以利用燃料電池或制動(dòng)能量進(jìn)行充電的鎳金屬混臺(tái)動(dòng)力電池，還將為其提供額外的動(dòng)力。這個(gè)氫動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)是大眾汽車集

22、團(tuán)整個(gè)驅(qū)動(dòng)和燃料戰(zhàn)略中的一個(gè)里程碑。圖1.2戴姆勒Necar 圖1.3途安HyMotion普銳斯PRIUS Hybrid（圖1.4）是日本豐田汽車于1997年所推出世界上第一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的混合動(dòng)力車輛車款，也是豐田汽車在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域的代表作，量產(chǎn)及市場(chǎng)推廣做得極其成功的車型。在2001年銷往全世界40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，至2009初為止，豐田總共賣了超過350萬輛普銳斯。在人們?nèi)找骊P(guān)注環(huán)保的今天，普銳斯Prius因革命性地降低了車輛燃耗和尾氣排放，其劃時(shí)代之意義與先進(jìn)性得到了全世界的高度評(píng)價(jià)。作為世界首款量產(chǎn)的混合動(dòng)力車，普銳斯改變了人們基于傳統(tǒng)汽車的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。通過TOYOTA油電混合動(dòng)力系統(tǒng)

23、將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)進(jìn)行組合，在達(dá)成高水平的燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了出色的動(dòng)力性。在城市工況下，排量為1.5L的PRIUS普銳斯達(dá)到了相當(dāng)于2.0L傳統(tǒng)車型的動(dòng)力性能；而油耗僅相當(dāng)于1.0L的傳統(tǒng)車型。圖1.4豐田普銳斯prius及動(dòng)力系統(tǒng)本田公司非常重視產(chǎn)品的研發(fā)應(yīng)用，開發(fā)出先進(jìn)的燃料電池汽車HondaFCX系列。該車裝有86kW的質(zhì)子交換膜燃料電池，是唯一通過美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)和加州空氣資源部(CARB)鑒定的零排放燃料電池汽車。2008年7月，本田推出FCX Clarity燃料電池車型，該車作為燃料電池專用車從零開始設(shè)計(jì)，以獨(dú)創(chuàng)的VFlow(垂直系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu))的燃料電池

24、堆技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)了終極清潔性。1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況中國(guó)車用燃料電池研究已經(jīng)有了良好的開端?！熬盼濉逼陂g，燃料電池技術(shù)被列為國(guó)家重大發(fā)展項(xiàng)目，其中用于電動(dòng)汽車的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)研發(fā)已經(jīng)進(jìn)展到可以裝車的水平?！笆濉逼陂g，電動(dòng)汽車在國(guó)家“863"計(jì)劃中列項(xiàng)，并被確定為國(guó)家12個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。在“十五"計(jì)劃的五年中，中國(guó)在燃料電池領(lǐng)域的投資預(yù)計(jì)為9億元人民幣。中國(guó)已與全球環(huán)境基金聯(lián)合國(guó)發(fā)展計(jì)劃署建立燃料電池合作項(xiàng)目。經(jīng)過科技攻關(guān)，目前己研制出幾十個(gè)100kW級(jí)以上的燃料電池，對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)起到積極的推動(dòng)作用。汽車燃料電池項(xiàng)目的發(fā)展目標(biāo)是到2008年能夠有小批量

25、的燃料電池汽車投入使用。在國(guó)內(nèi)新能源電動(dòng)汽車的自主品牌企業(yè)中，比亞迪公司憑借其在電池和半導(dǎo)體等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車以及混合動(dòng)力汽車方面一直走在市場(chǎng)前列，2010年9月，比亞迪向市場(chǎng)上退出F3DM（圖1.5）雙模混合動(dòng)力汽車，車輛可以在純電動(dòng)(EV)和混合動(dòng)力(HEV)這兩種模式之間自由切換。純電動(dòng)模式下即實(shí)現(xiàn)了零排放，混合動(dòng)力的排放標(biāo)準(zhǔn)也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于歐標(biāo)準(zhǔn)。而且F3DM是全球第一款上市的不依賴專業(yè)充電站的雙模電動(dòng)車。2011年5月，比亞迪又推出E6（圖1.6）純電動(dòng)汽車，并在深圳作為出租車做新能源汽車市場(chǎng)推廣試點(diǎn)，并取得良好表現(xiàn)。圖1.5 比亞迪F3DM 圖1.6比亞迪E61.3燃料電池電動(dòng)汽

26、車分類及特點(diǎn)分析燃料電池汽車的基本結(jié)構(gòu)各有不同。按照驅(qū)動(dòng)型式不同，可分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)兩種”。純?nèi)剂想姵仄?FC型)有且只有個(gè)動(dòng)力源一燃料電池，汽車的所有功率負(fù)荷都由其來承擔(dān)。其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與純電動(dòng)車有相似之處。其主要缺點(diǎn)有：燃料電池的功率大，成本昂貴；對(duì)燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求：不能進(jìn)行制動(dòng)能量回收?；谶@些不利因素，日前的燃料電池汽車主要采用的是混合驅(qū)動(dòng)型式，即在燃料電池的基礎(chǔ)上，增加了組電池或超級(jí)電容作為另一個(gè)動(dòng)力源。（圖1.7）是采用“燃料電池+蓄電池”(FC+B)混臺(tái)驅(qū)動(dòng)型式的燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖?？紤]到目前燃科電池系統(tǒng)自身的一些特殊要

27、求，例如：在啟動(dòng)時(shí)空壓機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)需要供電，電堆需要加熱，氫氣和空氣需要加濕等，同時(shí)也為了能夠回收制動(dòng)能量因而將蓄電池和燃料電池系統(tǒng)組臺(tái)起來形成混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)降低了對(duì)燃料電池的功率和動(dòng)態(tài)特性的要求，同時(shí)也降低了燃料電池系統(tǒng)的成本，也增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的重量、體積和復(fù)雜性增加了電池的維護(hù)、更換費(fèi)用。圖1.7“FC+B”型混合驅(qū)動(dòng)型式的燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根本上看，“FC+B"型燃料電池電動(dòng)汽車采用的是混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。它與傳統(tǒng)意義上的混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的差別僅在于發(fā)動(dòng)機(jī)是燃料電池而不是內(nèi)燃機(jī)。在燃料電池混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)汽車中，燃料電池和輔助能量存儲(chǔ)裝置共同向電動(dòng)機(jī)提供電能，通過變速機(jī)構(gòu)來

28、驅(qū)動(dòng)汽車。目前，各大研究機(jī)構(gòu)普遍研究的是“FC+B”型混合驅(qū)動(dòng)形式，“FC+B”混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的較多的主要原因是它具有以下特點(diǎn)：(1)燃料電池單獨(dú)或與動(dòng)力電池共同提供持續(xù)功率，而且在車輛起動(dòng)、爬坡和加速等峰值功率需求時(shí)，動(dòng)力電池提供峰值功率；(2)在車輛起步的時(shí)候和功率需求量不大的時(shí)候，蓄電池可單獨(dú)輸出能量；(3)蓄電池技術(shù)比較成熟，可以在一定程度上彌補(bǔ)燃料電池技術(shù)上的不足。可用于電動(dòng)汽車的蓄電池，包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳鋅電池、鎳基電池、鋅空氣電池、鋁空氣電池、鈉硫電池、鈉鎳氯化物電池、鋰聚合物電池和鋰離子電池等多種類型。此外也可以用超級(jí)電容器(UC)和超高速飛輪(FW)等代替蓄電池。目

29、前，燃料電池和輔助動(dòng)力源混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型式還有以下幾種：燃料電池+超級(jí)電容(FC+UC)、燃料電池+超高速飛輪(FC+FW)、燃料電池+蓄電池+超級(jí)電容(FC+B+UC)和燃料電池+蓄電池+超高速飛輪(FC+B+FW)。但均有欠缺之處，F(xiàn)C+UC型混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量比較??；FC+FW型混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是燃料電池作為主能量源，超高速飛輪作為輔助動(dòng)力源，動(dòng)力系統(tǒng)主要體現(xiàn)燃料電池特性，動(dòng)力性不是很好；FC+B+UC型混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略比較復(fù)雜；FC+B+FW型混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)存在問題，超高速飛輪成本很高，應(yīng)用較少。根據(jù)燃料電池所提供的功率占整車總需求功率的比例不同，燃料電池混合

30、動(dòng)力汽車可分為能量混合型和功率混合型兩大類。在燃料電池汽車開發(fā)的早期，由于技術(shù)水平的限制，燃料電池的功率較小，還難以滿足車輛的功率需求。在車輛行駛過程中燃料電池只能提供整車功率需求的一部分，不足的部分還需要其它動(dòng)力源(如電池)來提供，采用這種混合驅(qū)動(dòng)型式的汽車即為能量混合型燃料電池汽車。能量混合型燃料電池汽車為了滿足一定的性能指標(biāo)，往往需要配備較大容量的電池組，從而導(dǎo)致整車的自重增加、動(dòng)力性變差、空間布置緊張。能量混合性燃料電池汽車的燃料電池經(jīng)常在系統(tǒng)效率較高的區(qū)域內(nèi)工作。但每次運(yùn)行結(jié)束后，除了要加注氫燃料外，還需要用地面電源為電池充電。隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟，燃料電池性能逐漸提高，燃料電

31、池所提供的功率比例越來越大，這樣就可以減少電池的容量，從而減輕車重、提高動(dòng)力性等。但為了回收能量，還需要一定數(shù)量的電池，但電池只提供整車所需功率中很小的一部分。燃料電池作為主動(dòng)力源，電池作為輔助動(dòng)力源，車輛所需的功率主要由燃料電池提供，電池只是在燃料電池汽車啟動(dòng)、汽車爬坡和加速時(shí)提供功率，在汽車制動(dòng)時(shí)回收能量。采用這種混合驅(qū)動(dòng)型式的汽車即為功率混合型燃料電池汽車。1.4本文主要研究?jī)?nèi)容在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)于燃料電池電動(dòng)汽車的文獻(xiàn)資料、綜述了該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀和進(jìn)展的基礎(chǔ)上，通過對(duì)各種類型的燃料電池汽車結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)類型、組成部分的分析后，將燃料電池和蓄電池混合驅(qū)動(dòng)(FC+B)的汽車作為主要研究對(duì)象，這種

32、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)慢，啟動(dòng)、急加速和爬陡坡時(shí)燃料電池的輸出特性無法滿足車輛的行使要求的缺點(diǎn)。在驅(qū)動(dòng)過程中，蓄電池可以長(zhǎng)時(shí)間提供足夠的輔助能量，特別在汽車制動(dòng)能量回收的過程中，回收回饋功率，進(jìn)而延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命，提高汽車動(dòng)力系統(tǒng)的效率。并在采用燃料電池和蓄電池混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種邏輯的控制策略，基于以上，使用軟件建立相關(guān)整車、零部件和控制策略的模型，進(jìn)行研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)對(duì)燃料電池汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步探討，分析優(yōu)缺點(diǎn)。(2)通過試驗(yàn)研究，分析燃料電池、電動(dòng)機(jī)和鋰離子蓄電池動(dòng)力部件的特性。進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池性能試驗(yàn)，針對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車的各種基本

33、行駛工況，測(cè)試燃料電池的輸出性能，測(cè)試不同參數(shù)變化對(duì)燃料電池性能的影響。(3)提出模糊控制策略并建立控制策略仿真模型，對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車混合動(dòng)力總成的能量控制策略進(jìn)行研究。(4)對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車進(jìn)行性能仿真。在設(shè)定的模糊控制策略和特殊的循環(huán)工況下，對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車進(jìn)行動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真研究。通過比較，說明該車完全滿足預(yù)定的動(dòng)力要求，與國(guó)外汽車廠家研究的燃料電池電動(dòng)汽車性能相當(dāng)。第二章 燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV) 混合能源動(dòng)力性分析2.1燃料電池混合能源動(dòng)力性燃料電池汽車采用“燃料電池+電動(dòng)機(jī)”來代替?zhèn)鹘y(tǒng)車的“心臟"一發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)。車輛在行駛時(shí)，燃料電池是主要的動(dòng)力來源，

34、蓄電池為輔助能量來源。汽車需要的功率主要由燃料電池提供?？梢哉f，車用燃料電池的選取，對(duì)于燃料電池汽車的性能至關(guān)重要。2.1.1燃料電池工作原理燃料電池實(shí)質(zhì)上是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生器。燃料電池的反應(yīng)機(jī)理是將燃料中的化學(xué)能不經(jīng)燃燒而直接轉(zhuǎn)化為電能。氫氧燃料電池實(shí)際上就是一個(gè)電解水的逆過程，通過氫氧的化學(xué)反應(yīng)生成水并釋放電能。氫氣和氧氣分別是燃料電池在電化反應(yīng)過程中的燃料和氧化劑。圖21是燃料電池裝置的原理簡(jiǎn)圖。其反應(yīng)過程如下：圖21燃料電池基本原理示意圖其反應(yīng)過程如下：在陽極一側(cè)輸入易被氧化的燃料(如氫氣)，陰極一側(cè)輸入氧化劑(氧氣、空氣)，接通外電路，便有電流流過負(fù)載。電池中發(fā)生的反應(yīng)為：陽極反應(yīng)：2

35、H+4e (1)陰極反應(yīng)：4e+O2HO (2)綜合反應(yīng)：2H+ O 2HO (3) 即兩個(gè)氫分子在陽極表面變成4個(gè)氫離子，并釋放出4個(gè)電子。電子由陽極導(dǎo)出，外氫離子則通過電解液到達(dá)陰極與電子及氧結(jié)合生成水。應(yīng)當(dāng)指當(dāng)，燃料電池與蓄電池都有將化學(xué)能用電化學(xué)方式直接轉(zhuǎn)換成電能的功能，但燃料電池本質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，只在外界有物質(zhì)(能量)輸入時(shí)才有能量輸出。而蓄電池則是一種能源存儲(chǔ)裝置，向外輸出的能量來源于存儲(chǔ)在裝置內(nèi)部的反應(yīng)物質(zhì)，工作時(shí)不輸入能量。2.1.2燃料電池分類及特性分析1分類燃料電池的種類繁多，通常燃料電池可以依據(jù)工作溫度、燃料種類、電解質(zhì)類型進(jìn)行分類。燃料電池按照工作溫度來劃分，有

36、低溫、中溫、高溫和超高溫燃料電池。按照電解質(zhì)來劃分，大致上可分為以下五類：堿性燃料電池(Alkaline fuel cell，AFC)；磷酸燃料電池(Phosphoric Acid fuel cell，PAFC)；固體氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell，SOFC)；熔融碳酸鹽燃料電池(Molten carbonate fuel cell，MCFC)；質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)。目前，燃料電池汽車大多采用質(zhì)子交換膜燃料電池作為動(dòng)力源。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的最大優(yōu)越性體現(xiàn)在工作溫度低，其

37、最佳工作溫度為80左右，但在室溫也能正常工作，適宜于較頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合，而且啟動(dòng)快，具有比其它類型的燃料電池更高的功率密度以及比蓄電池電動(dòng)車連續(xù)行駛更長(zhǎng)的距離等優(yōu)點(diǎn)。它可在較大電流密度下工作，既可用作固定電站又可作為移動(dòng)運(yùn)輸工具的電源。采用氫氣和空氣作為反應(yīng)氣體。氣體來源廣泛。質(zhì)子交換膜燃料電池具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、比功率大、無腐蝕性、不受二氧化碳影響的優(yōu)點(diǎn)，有望成為取代目前汽車動(dòng)力的最有競(jìng)爭(zhēng)力的動(dòng)力源。2特性對(duì)比分析燃料電池的優(yōu)點(diǎn)：1高效率；2可靠性高；3環(huán)境效益好；4良好的操作性能。五類燃料電池的燃料均為氫氣，氧化劑為氧氣，發(fā)生的反應(yīng)主要是氫和氧結(jié)合生成水。其中MCFC和SOFC還有

38、一定量的二氧化碳生成。AFC是最成熟的燃料電池技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域主要在空間技術(shù)方面。在歐洲，AFC在陸地上的應(yīng)用研究一直在進(jìn)行。n心C試驗(yàn)電廠已研制成功，但成本相對(duì)較高。普遍認(rèn)為MCFC和SOFC最適合熱電聯(lián)供的發(fā)電，效率可達(dá)80左右。MCFC試驗(yàn)電廠的功率達(dá)到MW級(jí)，幾十至幾百kW工作電站接近商業(yè)化。SOFC的研究開發(fā)處于起步階段，功率小于100kW。PEMFC的研究在90年代開始成為關(guān)注的重點(diǎn)，特別是作為便攜式電源和車輛上使用的動(dòng)力電源的研究進(jìn)展迅速。目前PEMFC的主要缺點(diǎn)是成本略高。表21為其主要特征對(duì)比。表21五種燃料電池的主要特征比較類型項(xiàng)目堿性燃料電池酸性燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池

39、固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介AFC第一代PAFC第二代MCFC第三代SOFC第四代PEMFC第五代典型電解質(zhì)苛性鉀液體磷酸液體碳酸鋰 碳酸鉀液體氧化鋯陶瓷材料固體氟系列高分子固體工作溫度材料60120氫氣170210氫氣60650氫氣、天然氣1000氫氣80氫氣氧化劑純氧空氣空氣空氣空氣或純氧特征高效率對(duì)二氧化碳敏感有腐蝕效率較低有腐蝕效率高控制復(fù)雜有腐蝕效率高運(yùn)行溫度高有腐蝕比功率高運(yùn)行靈活無腐蝕比功率3535-1050.1120-1800.230-400.315-201-2340-1500效率%60-7040-50>60>60>60啟動(dòng)時(shí)間幾分鐘2-4h>

40、;10>10幾分鐘主要領(lǐng)域航天、軍事大客車、中小電廠、固定式途大型電廠大型電廠、熱戰(zhàn)航天、軍事、汽車、固定式用途2.2質(zhì)子交換膜電池特性分析及實(shí)驗(yàn)研究2.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池特性分析如圖2.2所示為燃料電池帶負(fù)載后的輸出電壓一電流特性曲線。由圖可知，燃料電池在加負(fù)載的初始階段，電壓下降很快，當(dāng)隨著負(fù)載的增加，電流(功率)增大，輸出電壓也隨著曲線以比普通蓄電池大得多的斜率(R)下降，即燃料電池的輸出特性相對(duì)較軟。圖2.2 燃料電池電流電壓特性曲線圖作為單一的車用動(dòng)力源，燃料電池相對(duì)較軟的輸出特性對(duì)于波動(dòng)的系統(tǒng)功率需求有以下不利的影響：(1)波動(dòng)的功率需求會(huì)使燃料電池的輸出效率降低，從而

41、影響其性能；(2)當(dāng)系統(tǒng)需求功率增加時(shí)，燃料電池輸出功率增加，而系統(tǒng)母線電壓下降，不利于驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)揮功率。因此，燃料電池作為車用動(dòng)力源，其電能輸出時(shí)需要穩(wěn)壓裝置，即燃料電池串聯(lián)DC/DC變換器共同組成供電系統(tǒng)對(duì)外供電，從而穩(wěn)定輸出電壓；同時(shí)有必要引入輔助動(dòng)力源來覆蓋功率波動(dòng)，提高峰值功率，以改善燃料電池輸出功率瞬態(tài)特性，降低燃料電池成本。燃料電池與輔助動(dòng)力源組成混合動(dòng)力系統(tǒng)是燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)的必趨勢(shì)，其主要基于以下幾個(gè)方面考慮：(1)動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能燃料電池在負(fù)載突變過程中動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，一般在幾百毫秒到數(shù)秒之間，而功率變換器的響應(yīng)速度一般為微秒級(jí)，這個(gè)差額單靠功率變換器本

42、身動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的提高是無法有效改善的。因此需要選用輔助能源系統(tǒng)提供或吸收部分的波動(dòng)能量，從而平衡掉這個(gè)差額，使得整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)在負(fù)載突變過程中動(dòng)態(tài)性能良好。(2)從動(dòng)力系統(tǒng)的過載運(yùn)行能力方面考慮燃料電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，對(duì)于短時(shí)大功率的情況(如空調(diào)等非線性負(fù)載的啟動(dòng)、汽車爬陡坡等)，負(fù)載的功率需求可能超過額定功率的兩三倍以上?？紤]到體積、成本、壽命等因素，燃料電池的設(shè)計(jì)很難滿足此時(shí)的功率等級(jí)，選用輔助動(dòng)力源來提供這部分功率可有效解決此問題，降低燃料電池的功率等級(jí)和成本。(3)吸收驅(qū)動(dòng)電機(jī)回饋能量電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在車輛減速運(yùn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，將工作在發(fā)電機(jī)模式，從而產(chǎn)生回饋能量。燃料電池不適宜加載反

43、向電壓（反向充電將影響燃料電池的化學(xué)反應(yīng)甚至危害燃料電池）的，因此引入輔助動(dòng)力源吸收電機(jī)產(chǎn)生的回饋能量，以保證燃料電池始終工作在正向發(fā)電狀態(tài)，保障燃料電池系統(tǒng)的工作安全性。(4)保證整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)供電在電動(dòng)汽車啟動(dòng)過程中燃料電池的輸出尚未穩(wěn)定，動(dòng)力系統(tǒng)及整車各子系統(tǒng)中的控制、檢測(cè)等電路需要電能，這部分能量的來源需要依賴于輔助動(dòng)力源系統(tǒng)提供。綜上所述，燃料電池不適合作為動(dòng)力系統(tǒng)的單一動(dòng)力源，需選用輔助動(dòng)力源合理補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車所需的能量，覆蓋功率波動(dòng)，提高峰值功率，吸收回饋能量，改善燃料電池輸出功率的瞬態(tài)特性。2 .2 .2質(zhì)子交換膜燃料電池性能試驗(yàn)研究1試驗(yàn)?zāi)康娜剂想姵匮b備在車輛上，是否可以

44、滿足車輛的性能要求。汽車在起步、加速和爬坡時(shí)燃料電池是否可以持續(xù)輸出動(dòng)力？基于以上原因，我們進(jìn)行了燃料電池電堆的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究包括測(cè)試燃料電池的基本性能參數(shù)，以電子負(fù)載模擬燃料電池電動(dòng)汽車的功率需求，測(cè)試燃料電池輸出性能能行滿足要求。測(cè)試溫度等參數(shù)變化對(duì)燃料電池性能的影響，同時(shí)測(cè)試燃料電池對(duì)載荷突變的響應(yīng)及其高負(fù)荷持續(xù)放電特件。2試驗(yàn)設(shè)備本次試驗(yàn)中包括SunSeries FCATS5000燃料電池自動(dòng)控制測(cè)試平臺(tái)、500W低壓氫空質(zhì)子交換膜燃料電池堆（十片裝石墨雙極板）、日本菊水燃料電池電子負(fù)載、FCATS燃料電池巡檢儀。附屬設(shè)備包括：氫氣瓶、氮?dú)馄俊⒖諝鈮嚎s機(jī)、空氣儲(chǔ)氣罐、空氣穩(wěn)壓閥、氣

45、體減壓器、阻火閥、水泵、電磁閥、分水器、加濕罐、燃?xì)鈭?bào)警器、工控機(jī)以及各種管件和閥件?？諝鈮嚎s機(jī)將空氣壓入儲(chǔ)氣罐中，壓縮空氣經(jīng)減壓閥減壓后，進(jìn)入燃料電池測(cè)試平臺(tái)的增濕罐中進(jìn)行增濕，空氣經(jīng)過增濕、增溫后進(jìn)入燃料電池；氫氣經(jīng)減壓器減壓、穩(wěn)壓后直接進(jìn)入燃料電池，與陰極空氣中的氧氣反應(yīng)生成電能與水。反應(yīng)剩余的空氣與氫氣通過測(cè)試系統(tǒng)的排氣管路排出，通過調(diào)節(jié)電子負(fù)載中滑動(dòng)變阻器的大小來調(diào)節(jié)燃料電池的載荷，測(cè)量電池輸出電流與電壓?？諝庠鰸衿鳌⑺涞臏囟瓤梢杂蓽y(cè)試平臺(tái)設(shè)定并自動(dòng)調(diào)節(jié)。3試驗(yàn)內(nèi)容通過研究，可從以下幾個(gè)方面對(duì)燃料電池進(jìn)行試驗(yàn)研究：(1)燃料電池的極化曲線特性極化曲線是表征燃料電池性能的基本曲線，在

46、定的溫度和進(jìn)氣壓力下，測(cè)量不同點(diǎn)的燃料電池輸出電壓、電流，繪制電壓、電流曲線和效率曲線。試驗(yàn)方法：開啟燃料電池測(cè)試平臺(tái)，設(shè)定氫氣入口壓力為0.05MPa(相對(duì)壓力，下同)，空氣入口壓力為0.06MPa空氣增濕溫度為45，電堆溫度為50。待燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行后，開啟電子負(fù)載，負(fù)載電流從0A開始，每隔10A記錄一次電壓數(shù)據(jù)，每個(gè)電流段持續(xù)時(shí)問10秒，直至最大電流100A，總共測(cè)量100個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。計(jì)算每個(gè)點(diǎn)燃料電池的輸出功率，繪制極化曲線。(2)不同工作溫度下的燃料電池輸出特性燃料電池工作溫度對(duì)其性能有十分顯著的影響。質(zhì)子交換膜燃料電池的溫度特性是由其電解質(zhì)質(zhì)子交換膜所決定的。試驗(yàn)所使用質(zhì)子交換膜，最

47、佳工作溫度為7080。試驗(yàn)方法：開啟燃料電池測(cè)試平臺(tái)，設(shè)定氫氣入口壓力為0.05MPa，空氣入口壓力為0.06MPa，空氣增濕溫度為45。待燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行后，開啟電子負(fù)載，分別測(cè)量電堆溫度為40、50和80時(shí)燃料電池的輸出特性，每個(gè)溫度點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)l的操作，總共測(cè)量30個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。結(jié)合試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，對(duì)比燃料電池在不同工作溫度下輸出性能的差異。(3)載荷突變時(shí)燃料電池的輸出特性在大幅度變載（對(duì)應(yīng)電動(dòng)車加、減速尤其是加速）時(shí)要求燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)足夠快，同時(shí)輸出電壓變化應(yīng)在允許值之內(nèi)。試驗(yàn)方法：開啟燃料電池測(cè)試平臺(tái)，設(shè)定氫氣入口壓力為0.05MPa，空氣入口壓力為0.06MPa，空氣增濕溫度為45，

48、電堆溫度為50。待燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行后，開啟電子負(fù)載，初始負(fù)載電流為0A，在短時(shí)間內(nèi)改變負(fù)載電流至20A，之后每隔0.5秒記錄一次燃料電池輸出電壓和電流數(shù)據(jù)，直至燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行，并記錄從瞬時(shí)加載到電池穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間。重復(fù)以上步驟，進(jìn)行0A-50A、0A-70A和0A-100A時(shí)載荷突變的測(cè)量。(4)高負(fù)荷持續(xù)放電特性燃料電池電動(dòng)汽車在高負(fù)荷運(yùn)行(如高速行駛、爬長(zhǎng)坡)時(shí)要求燃料電池輸出電壓及電流保持穩(wěn)定，以滿足汽車的行駛要求試驗(yàn)方法：開啟燃料電池測(cè)試平臺(tái)，設(shè)定氫氣入口壓力為0.05MPa，空氣入口壓力為0.06Mpa，空氣增濕溫度為45，電堆溫度為50。待燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行后，開啟電子負(fù)載，設(shè)定負(fù)

49、載電流為100A，在此負(fù)載電流下連續(xù)運(yùn)行2分鐘，每隔1秒鐘記錄一次電池輸出電壓電流數(shù)據(jù)，測(cè)試燃料電池在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的輸出穩(wěn)定性。4試驗(yàn)結(jié)果分析(1)燃料電池的極化曲線燃料電池的極化曲線如圖2.3所示。從圖中可以看出燃料電池在開始加載時(shí)電壓較開路電壓有較大幅度的下降，這主要是由電池的活化極化造成的。隨著電流強(qiáng)度的增大，電壓緩慢下降，功率平穩(wěn)升高，電池性能表現(xiàn)穩(wěn)定。試驗(yàn)中最大加載電流設(shè)定為100A，如果繼續(xù)加大電流，電池電壓會(huì)有急劇的下降，功率也隨之下降，這對(duì)電池的性能與壽命有一定的損害，因此為了保護(hù)燃料電池，沒有進(jìn)行更大電流的試驗(yàn)。圖2.3電壓、功率極化曲線圖由圖2.3可以看出，隨著電堆電流的增

50、加，電堆的電壓降低，在電堆剛開始加載電流時(shí)，電堆電壓變化明顯，隨后變化較為緩慢。功率隨電流的變大逐漸增加。(2)不同工作溫度下的燃料電池輸出特性燃料電池在不同工作溫度下的輸出特性如圖2.4所示。圖2.4不同工作溫度下電堆輸出特性圖從圖2.4的數(shù)據(jù)中可以看出，燃料電池的輸出電壓與功率在相同電流強(qiáng)度時(shí)，隨工作溫度升高而提高，工作溫度為80"0時(shí)燃料電池的最大輸出功率比40時(shí)提高了20，提高燃料電池的工作溫度可以改善燃料電池的輸出性能。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾點(diǎn)：(1)溫度升高使得電極催化劑Pt的活性提高，電極反應(yīng)速率加快；(2)溫度升高使得質(zhì)子交換膜內(nèi)水?dāng)U散系數(shù)增加，從而使質(zhì)子交換

51、膜內(nèi)水分布均勻，同時(shí)質(zhì)子傳遞速度也加快，膜電阻將減小，電導(dǎo)率增大；(3)溫度高時(shí)，有利于陰極反應(yīng)生成水的排出，電極淹沒問題不會(huì)出現(xiàn)；(4)溫度升高使得氫氣、空氣擴(kuò)散系數(shù)加大，電極內(nèi)氣體傳導(dǎo)得到改善。質(zhì)子交換膜燃料電池的溫度特性是由其電解質(zhì)和質(zhì)子交換膜所決定的，本次試驗(yàn)使用的質(zhì)子交換膜，它的最佳工作溫度為70-80。如果工作溫度高于80，電池性能將下降，而且會(huì)對(duì)電池造成損害，因此燃料電池的工作溫度一般不超過80。(3）高負(fù)荷持續(xù)放電特性燃料電池在高負(fù)荷持續(xù)放電時(shí)的輸出特性如圖2.5所示，電流強(qiáng)度100A，從圖中可以看出，在放電電流為100A、放電時(shí)間為2min，燃料電池的輸比電壓隨管時(shí)間的推移在

52、平均值6.2V附近上下波動(dòng)，最高電壓為6.37V，最低電壓為6.10V，上下波動(dòng)幅度小于5，燃料電池在高負(fù)荷放電時(shí)輸出性能表現(xiàn)穩(wěn)定。圖2.5高負(fù)荷放電時(shí)電堆輸出特性圖綜合以上試驗(yàn)可知，燃料電池的輸出性能隨電池工作溫度的升高而提高；燃料電池在載荷突變時(shí)響應(yīng)迅速；在高負(fù)荷放電時(shí)燃料電池輸出性能表現(xiàn)穩(wěn)定?？偟膩碚f質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出特性可以滿足汽車的使用要求。2.3燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)(1)能量和功率動(dòng)力系統(tǒng)中能量源的容量對(duì)車輛一次加氫后的續(xù)駛里程有直接影響。而燃料電池的能量容量取決于車載儲(chǔ)氫裝置的體積大小，其能量容量越大，儲(chǔ)氫裝置越笨重；因此，燃料電池系統(tǒng)的能量容量并不是越大越好，而

53、應(yīng)根據(jù)車輛運(yùn)行的工況和設(shè)計(jì)目標(biāo)來合理地確定。對(duì)于輔助動(dòng)力源，蓄電池相對(duì)超級(jí)電容器能為系統(tǒng)提供更充足持續(xù)的能量補(bǔ)充，而從功率輔助效果的角度考慮，超級(jí)電容器則是更為理想的選擇，因?yàn)樗哂写箅娏餮杆俪?、放電的?yōu)良性能。此外，變換器功率范圍必須能夠完全覆蓋燃料電池和輔助動(dòng)力源的功率范圍，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也必須有足夠的能力輸出動(dòng)力源的最大總功率。(2)系統(tǒng)效率燃料電池對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)總體運(yùn)行效率的影響最大。圖2.6顯示了一個(gè)燃料電池堆的效率一功率曲線。由圖可知，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，能量分配策略必須使燃料電池盡可能工作在高效率區(qū)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求功率很小時(shí)，燃料電池可在滿足驅(qū)動(dòng)電動(dòng)系統(tǒng)的功率同時(shí)向輔助動(dòng)力源

54、充電的方式來避免低功率輸出的低效運(yùn)行；而當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求功率過高時(shí)，則使輔助動(dòng)力源釋放它的功率以幫助燃料電池避開高功率輸出的低效區(qū)。圖2.6燃料電池堆的效率一功率曲線(3)母線電壓動(dòng)力系統(tǒng)的直流母線電壓必須適應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性。電機(jī)的外特性一般會(huì)隨著直流母線電壓情況而變化，基本上當(dāng)母線輸入電壓越高，電機(jī)的工作范圍越大，因此電力母線的電壓必須足夠高以確保電機(jī)能提供汽車需要的扭矩。(4)DC/DC變換器燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)中的DC/DC變換器包括雙向DC/DC變換器和升壓DC/DC變換器兩種。雙向DC/DC變換器用于控制從輔助動(dòng)力源到電力母線的能量輸出，其功率容量要與輔助動(dòng)力源相適合，同時(shí)必

55、須有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。升壓DC/Dc變換器用于間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)中，控制從燃料電池到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力源的功率流，因此它要具備足夠的容量來轉(zhuǎn)換燃料電池堆的最大功率。在這兩類動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，DC/DC變換器的一個(gè)最重要的功能就是分配燃料電池和輔助動(dòng)力源之間的功率流。變換器在系統(tǒng)中的位置決定了燃料電池還是輔助動(dòng)力源為主要的控制對(duì)象，變換器是系統(tǒng)中關(guān)鍵的控制單元。目前對(duì)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)中起電一電耦合作用的DC/DC變換器的控制方式主要有兩種：電壓控制方式和電流控制方式。電流控制對(duì)功率分配控制策略的執(zhí)行方式比較直接，控制效果要優(yōu)于電壓控制方式。2.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)及動(dòng)力性分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其

56、控制系統(tǒng)是燃料電池汽車的心臟，它的主要功能是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并通過傳動(dòng)系統(tǒng)將能量傳遞到車輪驅(qū)動(dòng)車輛行駛?；緲?gòu)成有兩部分：電機(jī)和控制器。電機(jī)由控制器控制，是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的裝置?？刂破鞯淖饔檬菍?dòng)力源的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于電機(jī)運(yùn)行的另一種形式的電能，所以控制器本質(zhì)上是一個(gè)電能的轉(zhuǎn)換控制裝置。目前，燃料電池車可以采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器對(duì)于電動(dòng)車用電機(jī)，其要求是：電機(jī)的過載能力強(qiáng)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。此外，還要求電機(jī)具有一定的防塵、防水能力。目前，電動(dòng)汽車常用的電機(jī)有：直流有刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、稀土永磁電機(jī)及開關(guān)磁阻電機(jī)等。燃料電池電動(dòng)汽車多采用感應(yīng)電機(jī)及稀土永磁無刷電機(jī)。1直流電機(jī)直流電機(jī)具有控制簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、控制器成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常在中、小功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)中得到應(yīng)用。最常使用的直流電機(jī)是串勵(lì)電機(jī)（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大）及稀土永磁直流電機(jī)（效率較高）。但是，由于直流電機(jī)含有換向器及電刷等部件，因此，其最高轉(zhuǎn)速較低，體積大，功率密度低，成本高，需要定期維護(hù)，在大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)中應(yīng)用較少。另外，直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，還易產(chǎn)生火花，這對(duì)于以氫氣為燃料的燃料電池汽車來說，存在安全隱患。2感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電