基于advisor的燃料電池汽車動力系統(tǒng)仿真

1、 （研究生課程論文）汽車動力學(xué)論文題目：基于advisor的燃料電池汽車動力系 統(tǒng)仿真課程老師：喬維高學(xué)院班級：汽研1402班學(xué)生姓名：王璇學(xué) 號：1049721402257 2014年 12月摘要本文首先研究了氫燃料電池汽車五種動力系統(tǒng)以及兩種能量控制策略,通過詳細(xì)比較及分析其中的優(yōu)缺點(diǎn),選定燃料電池和蓄電池(FC+B型)作為驅(qū)動車輛行駛的能量來源,并選定功率跟隨式控制策略作為該車的控制策略。對某轎車改型的氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。其次,在分析燃料電池、動力蓄電池以及驅(qū)動電機(jī)的工作原理的基礎(chǔ)上,選定低溫質(zhì)子交換膜燃料電池作為氫燃料電池汽車的主動力源,鋰離子電池作為車輛的輔助動力源

2、,異步交流電機(jī)作為車輛的驅(qū)動電機(jī)。根據(jù)車輛性能設(shè)計(jì)指標(biāo)和整車性能參數(shù),運(yùn)用相關(guān)的理論知識確定了動力系統(tǒng)各部件相關(guān)參數(shù)。再次，結(jié)合中國城市工況和UDDS典型城市工況,運(yùn)用ADVISOR軟件對整車進(jìn)行模擬測試,測試結(jié)果顯示,氫燃料電池汽車在動力性、燃料經(jīng)濟(jì)性以及百公里加速時(shí)間等各方面都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)定的性能指標(biāo),說明動力系統(tǒng)參數(shù)選擇以及控制策略的選擇符合氫燃料電池汽車的要求。同時(shí)設(shè)置多循環(huán)測試工況,測試動力系統(tǒng)部件運(yùn)行的狀況,測試結(jié)果顯示,動力系統(tǒng)的各部件都運(yùn)行在各自的高效率區(qū)。關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車；動力系統(tǒng)；仿真；設(shè)計(jì)1燃料電池汽車的發(fā)展燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的

3、裝置。由于化學(xué)反應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60-70，其實(shí)際使用效率則是普通內(nèi)燃機(jī)的2倍左右。能量轉(zhuǎn)換效率高是燃料電池的主要特點(diǎn)之一。而質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有無污染、高效率、適用廣、低噪聲、可快速補(bǔ)充能量、 具有模塊化結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，是燃料電池中替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的最理想的動力源，很適合作為車輛的動力源，順應(yīng)了新能源汽車的技術(shù)要求。針對目前燃料電池的技術(shù)不足和高成本，燃料電池與蓄電池、超級電容等輔助動力源組成的電電混合動力系統(tǒng)技術(shù)成了燃料電池電動汽車研發(fā)的熱點(diǎn)。目前燃料電池混合動力系

4、統(tǒng)動力源的組合方式主要有：燃料電池與蓄電池混合動力系統(tǒng)、燃料電池和超級電容混合動力系統(tǒng)、燃料電池、蓄電池和超高速飛輪混合動力系統(tǒng)和燃料電池、蓄電池和超級電容混合動力系統(tǒng)等。在電電混合動力系統(tǒng)中，燃料電池主要提供汽車正常行駛所需能量，輔助動力源提供汽車加速、爬坡所需額外能量，并吸收汽車再生制動產(chǎn)生的電能。燃料電池電動汽車混合動力系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的單能源的燃料電池電動汽車主要是其動力系統(tǒng)不同，其動力系統(tǒng)的構(gòu)型、參數(shù)匹配和控制策略的研究是燃料電池電動汽車研發(fā)的重要內(nèi)容。 2 燃料電池汽車動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略2.1 純?nèi)剂想姵仳?qū)動的FCEV純?nèi)剂想姵仉妱悠囍挥腥剂想姵匾粋€動力源，汽車的所有功率負(fù)

5、荷都由燃料電池承擔(dān)。純?nèi)剂想姵仉妱悠嚨膭恿ο到y(tǒng)如圖2.1所示。圖2.1 純?nèi)剂想姵仳?qū)動形式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖燃料電池系統(tǒng)將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的電能通過總線傳給驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再傳給傳動系，從而驅(qū)動汽車前進(jìn)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和整體布置。（2）系統(tǒng)部件少，有利于整車的輕量化。（3）較少的部件使得整體的能量傳遞效率高，從而提高整車的燃料經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)有：（1）燃料電池功率大，成本高。（2）對燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求。（3）不能進(jìn)行制動能量回收。因此，為了有效解決上述問題，必須使用輔助能量存儲系統(tǒng)作為燃料電池系統(tǒng)的輔助動

6、力源和燃料電池聯(lián)合工作，組成混合驅(qū)動系統(tǒng)共同驅(qū)動汽車。從本質(zhì)上來講，這種結(jié)構(gòu)的燃料電池電動汽車采用的是混合動力結(jié)構(gòu)。它與傳統(tǒng)意義上的混合動力結(jié)構(gòu)的差別僅在于發(fā)動機(jī)是燃料電池而不是內(nèi)燃機(jī)。在燃料電池混合動力結(jié)構(gòu)中，燃料電池和輔助能量存儲裝置共同向電動機(jī)提供電能，通過變速機(jī)構(gòu)來驅(qū)動汽車行駛。2.2 燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動（FC+B）的FCEV燃料電池+輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動的燃料電池電動汽車的動力系統(tǒng)如圖2.2所示。該結(jié)構(gòu)為一典型的串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)。在該動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池和蓄電池一起為驅(qū)動電機(jī)提供能量，驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳給傳動系，從而驅(qū)動汽車前進(jìn)。在汽車制動時(shí)，燃料電池的能量輸

7、出變化較為平緩，隨時(shí)間變化波動較小，而能量需求變化的高頻部分由蓄電池分擔(dān)。圖2.2 燃料電池+輔助蓄電池形式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：（1）由于增加了比功率價(jià)格相對低廉得多的蓄電池組，系統(tǒng)對燃料電池系統(tǒng)的功率要求較純?nèi)剂想姵亟Y(jié)構(gòu)形式有很大的降低，從而大大地降低了整車成本。（2）燃料電池可以在比較好的設(shè)定的工作條件下工作，工作時(shí)燃料電池的效率較高。（3）系統(tǒng)對燃料電池動態(tài)響應(yīng)性能要求降低。（4）汽車的冷啟動性能較好。（5）制動能量回饋的采用可以回收汽車制動時(shí)的部分動能，該措施可能會增加正常的能量效率。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：(1)蓄電池的使用使得整車質(zhì)量的增加，動力性和經(jīng)濟(jì)性受到影響，這一點(diǎn)在能量復(fù)

8、合型混合動力汽車上表現(xiàn)得更為明顯。(2)蓄電池充放電過程會有能量損耗。(3)系統(tǒng)變得復(fù)雜，系統(tǒng)控制和整體布置難度增加。2.3 燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動（FC+C）的FCEV這種結(jié)構(gòu)與燃料電池+蓄電池結(jié)構(gòu)相似，只是把蓄電池?fù)Q成了超級電容。相對于蓄電池，超級電容充放電效率高，能量損失小，比蓄電池功率密度大，在回收制動能量方面比蓄電池有優(yōu)勢，循環(huán)壽命長，但是超級電容的能量密度小。隨著超級電容技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種結(jié)構(gòu)將成為重要的研究課題及發(fā)展方向。2.4燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動（FC+B+C）的FCEV燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動的電動汽車的動力系統(tǒng)如圖2.3所示，該結(jié)構(gòu)也為

9、串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)。在該動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池、蓄電池、和超級電容一起為驅(qū)動電機(jī)提供能量，驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳給傳動系，從而驅(qū)動汽車前進(jìn)；在汽車制動時(shí)，驅(qū)動電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，蓄電池和超級電容將儲存回饋的能量。在采用燃料電池、蓄電池和超級電容聯(lián)合供能時(shí)，燃料電池的能量輸出較為平緩，隨時(shí)間變化波動較小，而能量需求變化的低頻部分由蓄電池承擔(dān)，能量需求變化的高頻部分由超級電容承擔(dān)。在這種結(jié)構(gòu)中，各自動力源的分工更加明細(xì)，因此它們的優(yōu)勢也得到了更好的發(fā)揮。圖2.3 燃料電池+蓄電池+超級電容形式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)相比燃料電池+蓄電池的結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)更加明顯，尤其是在部件效率、動態(tài)特性、

10、制動能量回饋等方面更有優(yōu)勢。而其缺點(diǎn)也一樣更加明顯：（1）增加了超級電容，整個系統(tǒng)的質(zhì)量將可能增加。（2）系統(tǒng)更加復(fù)雜化，系統(tǒng)控制和整體布置的難度也隨之增大?？偟膩碚f，如果能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行很好的匹配和優(yōu)化，這種結(jié)構(gòu)在給汽車帶來良好的性能方面具有很大的吸引力。3 氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)建模與仿真3.1 仿真車型建模本文所研究的氫燃料電池汽車是基于速騰轎車的平臺改型而來，如表3.4所示為該品牌整車性能參數(shù)，表3.5為所設(shè)計(jì)的氫燃料電池汽車性能參數(shù)指標(biāo)。表3.4速騰轎車整車結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)值整車整備質(zhì)量m（kg）1350迎風(fēng)面積A（m）2.635空氣阻力系數(shù)C032滾動阻力系數(shù)f0015輪胎滾動半徑r

11、（m）0316汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)104整車尺寸（長*寬*高）（mm）4644*1778*1482滿載質(zhì)量（kg）1840前軸載荷質(zhì)量（kg）760軸距（m）2651最大功率（KW/rpm）96/5000最大扭矩（Nm/rpm）220/1750-3500表3.5 氫燃料電池汽車性能設(shè)計(jì)指標(biāo)性能指標(biāo)值純電動行駛續(xù)駛距離（km）40（汽車處于滿載狀態(tài)，并且車速為u=60km/h，蓄電池80%放電情況下）汽車的爬坡能力（%）20（汽車處于滿載狀態(tài)，車速為30km/h）0-100km/h加速時(shí)間（s）17（汽車處于滿載狀態(tài)）汽車最高車速u（km/h）130（同上）利用汽車功率方程，根據(jù)已知汽車參數(shù)及性

12、能，可求出汽車動力系統(tǒng)參數(shù)。并初選各動力元件。如表3.6。表3.6 所選擇的動力系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)取值氫燃料電池系統(tǒng)氫燃料電池最大輸出功率（kW）40驅(qū)動電機(jī)最大功率（kW）90額定功率（kW）40最大轉(zhuǎn)速（r/min）8000額定轉(zhuǎn)速（r/min）4500最大轉(zhuǎn)矩（Nm）200額定轉(zhuǎn)矩（Nm）90動力蓄電池鋰離子電池容量（Ah）26鋰離子電池最大放電功率（kW）503.2 ADVISOR仿真分析ADVISOR軟件是基于Matlab/simulink平臺開發(fā)的二次開發(fā)軟件，通過三個GUI(圖形用戶界面)完成整個仿真過程中的整車及部件參數(shù)輸入、測試循環(huán)工況的輸入及仿真結(jié)果分析。3.2.1 整車仿真參數(shù)

13、輸入界面圖4.3為整車仿真的模型參數(shù)輸入界面,界面左側(cè)中的vehicle input是車輛輸入模型,只是一張圖片,雙擊每個固定的區(qū)域都會有響應(yīng),例如雙擊燃料電池部分,界面將會打幵燃料電池模型數(shù)據(jù)文件選擇的GUI界面。圖形右側(cè)為整車各部件的參數(shù)輸入,用戶可以通過下拉框的形式進(jìn)行部件的選型及相關(guān)參數(shù)的修改,其中包括整車、燃料轉(zhuǎn)換器(燃料電池、內(nèi)燃機(jī)以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)燃機(jī))、排放后處理器、能量儲存器(動力蓄電池和超級電容)、驅(qū)動電機(jī)、傳動系統(tǒng)、扭矩耦合器、車軸/車輪以及配件等仿真模型。對于每個模型,可以通過下拉框來選擇版本、類型及修改相應(yīng)M文件中參數(shù)值。圖形左下方為動力系統(tǒng)不同部件(內(nèi)燃機(jī)/燃料電

14、池、電機(jī)、能量存儲器等)的特性圖,如燃料電池的效率圖等。圖形中Load File是選擇軟件內(nèi)部已有的整車數(shù)據(jù)M文件,Drivetrain Config代表動力系統(tǒng)的類型,另外用戶還可以對定義好的部件參數(shù)進(jìn)行修改,便于用戶對整車性能參數(shù)的設(shè)置。設(shè)置好車輛所有相關(guān)部件的參數(shù)后,點(diǎn)擊continue按鈕,進(jìn)入工況選擇和仿真性能要求設(shè)置的界面。圖4.3 整車仿真輸入界面3.2.2 仿真循環(huán)工況設(shè)置界面第二個GUI如圖4.4所示為仿真工況設(shè)置界面,界面的左半邊為所選的循環(huán)工況的時(shí)間與速度曲線,左側(cè)下面為該循環(huán)工況的一些特性參數(shù)值,主要包含該循環(huán)工況的運(yùn)行時(shí)間、行駛距離、最高車速等特征。界面的右側(cè)為循環(huán)工

15、況的輸入設(shè)置,ADVISOR軟件提供了多種循環(huán)工況來仿真測試車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性以及燃料消耗等,主要包含:Drive cycle (道路循環(huán))、Multiple Cycles(多重道路循環(huán))以及Test Procedure(測試循環(huán)過程)。Drive cycle包含UDDS、HWFET、EUDC在內(nèi)的56種國外標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán),用戶還可以根據(jù)自己的需要添加測試循環(huán)工況,另外Drive cycle還提供了 Trip Builder (工況設(shè)計(jì)器),可以將不同的循環(huán)工況(最多八種)隨意組合在一起,綜合仿真車輛性能。仿真循環(huán)工況設(shè)置界面右下方,ADVISOR軟件還提供參數(shù)研究功能;選擇部件參數(shù)(最多三個

16、,在圖上用不同的顏色表示不同的數(shù)值),來模擬仿真這些參數(shù)的變化對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和排放物等性能的影響。圖4.4 仿真循環(huán)工況設(shè)置界面另外,ADVISOR在界面中還提供了加速性能測試(AccelerationTest)以及爬坡性能測試(Gradeability Test)。如圖4。5所示為加速性能測試的界面,加速性能測試主要包括:(1)換擋延遲時(shí)間通常設(shè)置為0.2s; (2)對于動力驅(qū)動系統(tǒng),可以選擇燃料轉(zhuǎn)化器(內(nèi)燃機(jī)或燃料電池)和動力蓄電池共同提供動力,也可以選擇任意其中一個單獨(dú)提供動力;(3)加速時(shí)整車質(zhì)量的設(shè)置,可以根據(jù)實(shí)際需要添加相應(yīng)的測試質(zhì)量,可以選擇當(dāng)前質(zhì)量;(4)對于測試車輛性能仿真

17、結(jié)果,可以測試的結(jié)果有:1)車輛從任意初速度加速到末速度(最多三組)所需最短時(shí)間;2)車輛能夠行駛的最大距離(在某一時(shí)間段內(nèi));3)車輛行駛某段距離所花費(fèi)的最短時(shí)間;4)車輛的最大加速度;5)車輛的最高車速。圖4.5 加速性能測試界面爬坡性能測試界面為圖4.6,主要設(shè)置包括:(1)按照車輛爬坡性能的指標(biāo)要求,設(shè)置坡度最高值、爬坡時(shí)車輛的速度、爬坡持續(xù)時(shí)間以及爬坡的檔位等相關(guān)參數(shù)。例如圖中速度(Speed)、持續(xù)時(shí)間(Duration)及檔位(Gear Number)均勾選,代表在20km/h (12.428mile/h)速度下,在一檔時(shí)能通過的最大坡度;如果坡度(Grade)也勾選代表在該車速

18、下,對該爬坡度的驗(yàn)證。(2)對于驅(qū)動動力源的選擇,可以選擇燃料轉(zhuǎn)換器和動力蓄電池共同驅(qū)動,也可以選擇其中任意一個單獨(dú)驅(qū)動;(3)爬坡時(shí)整車質(zhì)量的設(shè)置,可以根據(jù)實(shí)際需要添加相應(yīng)的測試質(zhì)量,可以選擇當(dāng)前質(zhì)量;(4)對其他爬坡約束條件設(shè)置,主要包括:最低坡度邊界、最高坡度邊界、坡度誤差、速度誤差以及最大迭代次數(shù)等。圖4.6 爬坡性能測試界面3.2.3 仿真結(jié)果輸出界面仿真結(jié)果輸出界面為圖4.7,在界面的左側(cè)為仿真結(jié)果的參數(shù)圖(用曲線表示),顯示任意四組車輛動力系統(tǒng)部件相關(guān)參數(shù)隨著工況仿真時(shí)間的變化情況。右側(cè)顯示車輛在循環(huán)工況中的燃油消耗量、排放性能、加速性能以及爬坡性能等。在Energy Use F

19、igure (能量消耗圖)中,能夠顯示車輛各部件在動力模式以及制動能量再生模式下的能量輸入、能量輸出、能量損失以及效率。另外OutputCheck Plots能夠同時(shí)打開八個有關(guān)氫燃料電池、驅(qū)動電機(jī)以及蓄電池的仿真結(jié)果和測試數(shù)據(jù)。4.7 仿真結(jié)果輸出界面3.2.4 仿真結(jié)果分析（1）動力性測試對于加速性能測試結(jié)果可以從圖4.7中得出，測試結(jié)果均在車輛滿載狀態(tài)：0-100km/h的最快加速時(shí)間：9.6s車輛最大加速度：5m/s車輛行駛最高車速：157km/h通過的最大爬坡度（20km/h時(shí)）：44.1%（2）燃油經(jīng)濟(jì)性測試從仿真結(jié)果中可以看出，氫燃料電池汽車在UDDS循環(huán)工況下百公里耗氫氣量為7

20、6.8升，等效傳統(tǒng)汽車燃油消耗為5.2升，工況總運(yùn)行距離為12km。（3）UDDS城市公路駕駛循環(huán)工況過程中各部件的能量消耗情況見圖4.10圖4.10 循環(huán)工況UDDS中部件能量消耗3.2.5 整車動力性、經(jīng)濟(jì)性結(jié)果比較表4.1 速騰轎車性能指標(biāo)性能指標(biāo)值0-100km/h加速時(shí)間9.9s最高車速（km/h）200爬坡度（%）30油耗8.4將該車型在兩個工況的測試結(jié)果動力性以及燃油經(jīng)濟(jì)性與原車型相比較，可知，該車型仿真結(jié)果基本滿足設(shè)定的指標(biāo)，并且具有較好的燃料經(jīng)濟(jì)性，故本文設(shè)計(jì)的動力系統(tǒng)符合要求第五章 總結(jié)與展望本文將某款傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車改型為氫燃料電池汽車,并對其動力系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)、動力系統(tǒng)部件選型以及參數(shù)設(shè)計(jì)等,運(yùn)用MATLAB/SIMULINK對確定好相關(guān)參數(shù)的動力系統(tǒng)部件進(jìn)行建模,并結(jié)合中國城市工況以及UDDS典型城市工況對設(shè)計(jì)的動力系統(tǒng)進(jìn)行整車動力性以及燃油經(jīng)濟(jì)性仿真,并與設(shè)定的車輛性能指標(biāo)比較,結(jié)果顯示能夠完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。本文開展的主要工作研究與得到的結(jié)論具體如下:（1）本文詳細(xì)研究