（光学工程专业论文）燃料电池电动车动力传输系统的布置、建模与仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 燃料电池电动车( f c e v ，f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 由燃料电池作为动 力源，它直接将燃料的化学能转变为电能，通过电能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。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 燃机汽车的加速性能、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。 燃料电池电动车与传统内燃机汽车的区别在于，其电机驱动及变速系 统、燃料电池系统以及蓄电池系统构成的动力传输系统替代了内燃机汽车的 发动机和传动装置。在当今燃料电池电动车研究开发的热潮当中，与动力传 输系统部件相关的关键技术的探讨和研究都是研发人员最关心的问题。因 此，对燃料电池电动车动力传输系统的结构、工作原理以及其性能对整车各 方面性能的影响的研究有着十分重要的意义。 本文以武汉理工大学和东风公司联合开发的燃料电池电动车为研究对 象，运用u n i g r p h i c s 三维设计软件对动力传输系统的零部件进行了三维建模， 通过虚拟装配技术确定了动力传输系统主要部件的安装位置和具体安装尺 寸。在布置方案确定后，通过a d v i s o r 软件对燃料电池电动车的动力传输 系统进行了建模与仿真。本文详细介绍了动力传输系统中，燃料电池，蓄电 池，电机和控制器系统数学模型的工作原理和建立过程。通过基于m a t l a b 语言的数学模型，在a d v i s o r 的仿真平台上对整车进行了性能仿真，得到 了详细的动力传输系统运行情况的仿真结果。同时，本文还针对燃料电池电 动车混合动力的特性，分析了在不同混合度下整车的燃料经济型和动力性的 差异，给出了适宜的混合度范围。 关键宇：燃料电池，动力传输系统，a d v i s o r 茎竖垄三奎兰堡主堂垡堡塞 a b s t r a c t f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) i s p o w e r e db yf u e lc e l l ，w h i c ht u r n s t h ec h e m i c a le n e r g yi n t oe l e c t r i c i t y , a n dd r i v e nb yt h em o t o ru s i n gt h ea b o v e e l e c t r i c i t y f c e vo v e r c o m e st h es h o r td r i v i n gd i s t a n c ed i s a d v a n t a g ef o rn o r m a l e v ，w h i c hp o w e r e do n l yb yb a t t e r y c o m p a r e d 、v i t l lt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n ev e h i c l e ( i c e v ) f c e vi sn o tr e s t r i c t e db yt h e r m a lm e c h a n i s ma n d c a r n o tc y c l ea n dh a sa h i g h e re n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dab e t t e rw o r k i n g c o n d i t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ef c e vc a na l s ok e e pt h es a m ed y n a m i c p e r f o r m a n c e ，t o ps p e e d ，l o n gd r i v i n gd i s t a n c e ，d r i v i n gs e c u r i t ya n dc o m f o r t i ti s c o n s i d e r e da st h ef i r s tc h o i c ea sak i n do f c l e a na n dh j 【曲e f f i c i e n tv e h i c l e t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef c e va n dt h ei c e vi st h a tt h ep o w e r t r a i no f f c e vi sc o m p o s e do fm o t o r , f u e lc e l la n db a t t e r y , w h i c hr e p l a c et h ei n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n ea n dt r a n s m i s s i o ni ni c ev i nt h ed e v e l o p m e n to ff c e v t h e k e yt e c h n o l o g i e sa b o u tt h ep o w e r t r a i na r et h em o s ti n t e r e s t i n gt a r g e tt om o s t r e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ou st om a k ead e e p r e s e a r c ha b o u tt 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 eo fp o w e r t r a i na n dh o wi t s p e r f o r m a n c ew i l la f f e c tt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e n l ef c e vi n t r o d u c e di nt h i st h e s i si sd e v e l o p e db yt h ew u h a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g ya n dd o n gf e n gm o t o rc o m p a n y , i nt h i st h e s i s ，t h eg e o m e t r i cm o d e l s o fp o w e r t r a i nc o m p o n e n t sa r ec o n s t r u c t e d + t h el o c a t i o no fe a c hc o m p o n e n ti s d e t e r m i n e db y a p p l y i n gv i r t u a la s s e m b l i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed e t a i l e df i x i n g d i m e n s i o ni s g i v e na c c o r d i n g t ot h e c o n f i g u r a t i o ns c h e m e a f t e rt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ep o w e r u a i nc o n f i g u r a t i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f m a i np o w e r t r a l nc o m p o n e n t sa r cc o n s t r u c t e db ya p p l y i n gs o f t w a r ea d v i s o ra n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fe a c hc o m p o n e n ta r eg i v e na c c o r d i n gt ot h ev e h i c l e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o nr e s u l t sb yu s i n gs o f t w a r ea d s o r i nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fp o w e r t r a i nc o m p o n e n t s ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n d m o d e l i n gp r o c e s so fe a c hc o m p o n e n ti sd i s c u s s e d b yt h ea p p l i c a t i o no ft h e m 武汉理工大学硕士学位论文 m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gb a s e do um a t l a bl a n g u a g ea n dt h ea d v i s o r s i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h ed e t a i l e dp r o w e r t r a i ns i m u l a t i o nr e s u l ti sg i v e n b a s e do n t h es i m u l a t i o nr e s u l t t h er e s e a r c ho ft h eh y b r i dp o w e rc h a r a c t e ro ft h ef c e vi s d i s c u s s e da n dt h ef u e le c o n o m ya n dd y n a m i c sp e r f o r m a n c ei n d i f f e r e n t h y b r i d i z a t i o na r ec o m p a r e d t h eb e n e f i c i a lr a n g eo ft h eh y b - r i d i z a t i o ni s t h e n g i v e nb a s e do nt h ec o m p a r i s i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：f u e lc e l l ，p o w e r t r a i n ，a d v i s o r i l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 时代背景 能源和环境是实现可持续发展的必要条件。随着社会的发展进步，传统汽 车( 主要以汽油和柴油为燃料) 保有量不断攀升，使得能源短缺和污染陷入了 恶性循环。一方面，汽车消耗了大量的石油和天然气资源；另一方面，汽车尾 气排放成为全球环境的重要污染源。温室效应、酸雨等无不与汽车尾气污染有 重要关系。 与2 0 世纪6 0 年代的汽车相比今天燃油汽车的非甲烷有机物和一氧化碳 的排放量已经减少了9 0 以上，氮氧化物的排放量也减少了近8 0 。尽管如 此，由于汽车保有总量和行驶里程的不断增加，汽车仍是大气的主要污染源。 为了彻底解决汽车废气排放问题，美国加利福尼亚州大气资源局( c a r b ) 在1 9 9 0 年1 0 月提出了世界上第一个限制汽车废气排放的“零排放”法案。在 美国的影响下，世界上的各个主要汽车生产和使用国纷纷制定了类似的政策或 法规，并投入巨资，开发研究新型零排放汽车。 美国联邦政府和美国企业界进行广泛合作，大力发展先进汽车技术，并于 1 9 9 3 年9 月成立了p n g v ( p a r t n e r s h i pf o ra n e wg e n e r a t i o no f v e h i c l e ) 。其一个 显著的目标就是：l o 年内，把汽车燃油经济性提高到原来的3 倍，排放达到超 低排放标推，并且不降低安全性和使用性能，同时保持汽车价格不变。第一批 样车将于2 0 0 4 年投产。为了实现这些目标，p n g v 把燃料电池技术作为优先 发展的技术。从而，掀起了世界范围研究车燃料电池电动车的高潮。 1 2 技术背景 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 ) 由燃料电池作为动 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。从环保角度 来看，燃料电池汽车属于第3 代环保汽车。第l 代环保汽车是电动汽车，其缺 陷就是蓄电池电量有限，续驶里程短，充电时间很长。第2 代环保汽车是混合 动力汽车，混合动力汽车利用内燃机发电，以电力或内燃机动力混合驱动汽车 行驶此时汽油充分燃烧，有利于保护环境，但仍然没有从根本上解决污染和 油耗问题。燃料电池汽车的特点是可以大量减少污染环境的氮氧化合物的产 第l 页 武汉理工大学硕士学位论文 生a 随着燃料电池技术的日趋成熟，这种新一代的环保型汽车正逐渐成为世界 汽车厂商研究开发的热点。燃料电池( f c ) 具有能量转化率高，燃料多样化， 环境污染小，噪音低，可靠性强，维修性好的优点，其反应过程不涉及到燃烧， 能量转化率可高达8 0 ，实际使用效率是普通内燃机的2 倍以上。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。 1 2 1 燃料电池的技术状况与发展趋势 近年来世界上主要汽车公司和有关研究机构在p e m ( 质子交换膜燃料 电池) 研究中取得了很大进步。1 9 9 3 年9 月，由美国能源部和三大汽车公司组 成的新一代汽车伙伴( p n g v ) 开始实施。p n g v 规定了燃料电池性能和成本目 标，如表1 一l 所示。 表l 一1 适用于p e m 燃料电池汽车技术的p n g v 目标 堆栈燃料处理器动力 功率密度比功率功率密度比功率冷启动比成本 k w 几 k w ，l ( g k w ，l k w & g m i n u t e s美元，k w 2 0 0 0 年0 3 5o 3 50 6 00 6 0l1 5 0 2 0 0 4 年0 50 50 7 5o 7 50 55 0 lp e m 堆栈技术 直到1 0 年前，使用空气和氢气的p e m 燃料电池提供的仅是实际汽车动力 系统所要求的功率密度的一小部分。例如，对于一个5 0 k w 燃料电池动力装置， 功率密度如小于o 1 k w 几，则堆栈就可能占据5 0 0 l 空间和5 0 0 k g 质量。但是 巴拉德公司1 9 9 7 年的p e m 堆栈能够提供相对于5 4 l 容积1 0 倍多的功率 ( 5 4 k w ) 。巴拉德公司堆栈的目标是1 4 k w 几。 在过去的几年内，影响汽车燃料电池堆栈技术发展的主要障碍已经被克 服。大批量生产可以满足汽车用燃料电池关键部件和堆栈的严格的成本目标要 求。 ( 1 ) 电催化剂 第2 页 武汉理工大学硕士学位论文 研究表明，采用小于0 1 m l c m 2 催化剂的电极，获得高的电池单元性能仍 是可能的。另一个重要进展是增加了正极催化剂对燃料处理器输出气体中一氧 化碳的允许度，从最初小于1 0 1 0 “到现在的1 0 0 x1 0 一。 ( 2 ) 分离板 分离板是燃料电池堆栈中的重要部件。固体密封的石墨板作为分离器已被 广泛的用于几种燃料电池中。 ( 3 ) p e m 膜片 n a t i o n 型号的质子交换膜片具有汽车用燃料电池所需要的基本性能和耐 久性，但其价格在6 0 0 - - 8 0 0 美元m 2 之间。 ( 4 ) 膜片一电极总成( m e a ) 目前m e a 性能已达到：在实用的单元电压( 如0 6 0 7 v ) 的情况下，电 流密度在6 0 0 1 4 0 0 m a c m 2 。 ( 5 ) p e m 单元和堆栈 巴拉德公司正在计划生产功率密度超过1 4 k w l 的堆栈。按照这个标准， 7 5 k w 堆栈的容积可减少到5 0 l 。 2 平衡装置 ( 1 ) 空气管理 大多数p e m 燃料电池发展商正在努力研究可在2 3 个大气压下工作的系 统，这样不仅使燃料动力装置的结构更加紧凑，而且还可以降低成本。 ( 2 ) 水和热管理 研制高效率、低成本的热管理部件及子系统，仍然是p e m 燃料电池的开 发面临的任务。 ( 3 ) 控制装置 为了确保燃料电池各系统在各种工况下安全、高效的工作，需要精确和可 靠的控制装置。可靠性和低成本要求决定燃料所选择的控制方法，适应将来的 燃料电池动力装置的控制系统仍有待研究开发。 3 系统集成 子系统适当的集成对于燃料电池装置的高效和可靠的运行是必要的a 最主要的集成问题包括：燃料电池堆栈和燃料电池处理器集成；减少燃料 电池处理器的质量和容积；完整的燃料电池动力装置包括所有的水和热管理的 第3 页 武汉理工大学硕士学位论文 。一- 一 集成。 1 2 2 燃料电池电动车的相关技术发展状况 1 排放 在燃料电池中燃料处理温度十分低，氮氧化合物没有形成，主要排放成分 为水和二氧化碳，而系统效率和化学过程又有助于限制二氧化碳的排放，并低 于相应的动力运输车辆排放水平。纯氢气燃料电池汽车，包括采用电方法制造 氢气过程，与汽油机相比，二氧化碳排放量仍减少5 0 。使用甲醇在车重整， 尾管二氧化碳排放量与直喷发动机相比约1 5 。 2 效率。 燃料电池，仅就一个单元使用低压泵输送氧气和氢气作为燃料，能够稳定 的保持大约6 0 的效率，燃料的6 0 的理论热值作为主要能量是可以实现的。 表l 一2 列出了按照新的欧洲循环工况在可预见的将来的不同燃料和动力传动 系的组合从油箱到轿车轮胎的效率。 表1 2 效率比较 方式效率( ) 汽油内燃机2 l 2 3 柴油，内燃机2 4 2 7 天然气液化气，内燃机2 l 2 3 氢气p e m 燃料电池+ 电传动 2 8 ，8 3 2 5 甲醇，p e m 燃料电池+ 电传动 2 8 3 5 甲醇，直接甲醇燃料电池+ 电传动2 4 7 3 l 汽油p e m 燃料电池+ 电传动2 1 5 2 6 6 3 行程 当装用液态碳氢燃料时，燃料电池汽车将具有与同样尺寸的内燃机汽车相 当的行程。 4 结构布置 原理上使用燃料电池动力装置，一辆燃料电池汽车仅需要电联接，布置方 便，而内燃机汽车则需要机械联接。5 0 k w 功率的燃料电池需要5 0 l 的矩形空 间，与类似尺寸的内燃机相比占据空闻很小。 第4 页 武汉理工大学硕士学位论文 5 迅速起动能力 燃料电池在冷天能够产生足够功率起动汽车以前，需要几分钟的时间。对 于汽油燃料电池，目前需要1 分钟的时间来暖机。解决这一问题的方法是利用 已储存在汽车中的能量来驱动汽车。 6 汽车质量 研究表明：一辆燃料电池汽车要比相同尺寸的汽油机汽车增加4 0 0 k g 质量。 7 燃料电池混合动力传动泵 目前大多数研究集中在使用甲醇作为氢气储存源，起动时提取氢气和电化 学过程意味着反应时间不能满足内燃机汽车标准的要求。奔驰公司声称n e c a r 3 型轿车在2 s 内可以达到9 0 的功率。采用一个辅助动力源可以提供迅速起动 的能力。 蓄电池和燃料电池组成的混合动力结构能够使燃料电池优化，以获得效率 和成本的利益，并可以储存汽车再生制动的能量。 9 氢气贮存 最简单的方法是采用直接氢气系统，即燃料电池直接使用来贮存装置中的 氢气，但目前尚缺少可供普遍使用的充装装鼍。这一障碍可以在一定的服务区 内的车队通过燃料集中贮存和制氢设旌来克服。 1 3 国内外燃料电池电动车研发现状 1 3 1 国内燃料电池电动车研发现状 我国燃料电池的研究和开发取得飞速的进展，中国科学院大连化学物理研 究所、燃料电池工程中心，在燃料电池的研究、开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1 0 0 k w l 。开创了具有我国 特色的碳( c ) 铂( p t ) 电催化剂、电极、电极一膜电极三合一组件、电池 双极板等尖端技术。燃料电池组热管理、燃料电池组的密封等技术申请了专利。 2 0 0 1 年在第三届北京电动汽车、清洁燃料汽车展览会上，北京市的大专院 校。研究所和飞驰绿能电源有限责任公司展出了一组“零污染”的以氢为燃料 的f c e v ，标准着我国f c e v 的研究和开发取得巨大的成成果，为发展我国 f c e v 提供了宝贵的经验。 第5 页 武汉理工大学硕士学位论文 1 “京零一号”f c e v 小型客车 “京零一号”f c e v 小型客车是由清华大学、北京飞驰绿能电源有限责任 公司联合开发的f c e v 小型客车。外形尺寸5 9 9 0 x 2 0 1 0 3 1 0 0 m m ，可乘坐1 3 名乘客。“京零一号”f c e v 设计时速8 0 k m h ，一次充气后续驶里程为3 0 0 k m 。 2 “绿能一号”f c e v 轿车 “绿能一号”f c e v 轿车是北京理工大学、北京科技大学、北京中华汽车 制造厂和北京飞驰绿色电源技术有限公司联合开发的f c e v 轿车，可乘载5 名 乘客设计时速8 0 k m h ，一次充气后续驶里程为1 5 0 k i n 。 采用飞驰绿色电源技术有限公司开发的燃料电池，功率为1 8 k w 。 3 “京绿一号”f c e v 微型轿车 “京绿一号”f c e v 微型轿车是由北京二汽绿色电动汽车研究所和北京 飞驰绿色电源技术有限公司联合开发的f c e v 微型轿车，可乘载5 名乘客，设 计时速2 5 k m h ，一次充氢气后续驶里程为8 0 k m 。 采用飞驰绿色电源技术有限公司开发的燃料电池，功率为6 5 k w 。 1 3 2 国外燃料电池电动车研发现状 1 通用汽车公司 2 0 0 0 年通用汽车公司开发了“氢动一号燃料电池”概念车，以欧宝赛飞利 紧凑型旅行车为基型车，以液态氢为燃料的p e m f c 燃料电池车，最高车速 1 4 0 k m h ，o - - - l o o k m h 加速时间为1 6 s ，续驶里程4 0 0 k m 。2 0 0 1 年通用汽车 公司又开发了一辆以雪佛兰s 一1 0 皮卡为基型车的汽油重整( 第三代) 的 p e m f c 燃料电池车。 2 福特汽车公司 1 9 9 8 年1 月在北美底特律国际汽车展上展出了p 2 0 0 0 燃料电池概念车。 该车使用了d b b 公司生产的燃料电池堆，最高车速为1 4 4 8 k m h ，续驶里程 1 6 0 9 k m ，o 一9 6 6 k m h 加速时间为1 4 s 。目前，福特汽车公司正在开发以福 克斯轿车为原型车，以高压氢为燃料的燃料电池车，还在研究以甲醇重整制氢 的燃料电池车。、 1 4 本课题主要研究内容 本课题主要的研究对象为燃料电池电动车的动力传输系统。根据本人参与 第6 页 武汉理工大学硕士学位论文 燃料电池电动车开发项目所作的研究工作，本课题的主要研究内容分别为动力 传输系统的布置，系统主要部件的建模与仿真，燃料电池电动车混合度的研究。 动力传输系统的布置是运用虚拟装配技术在u n i g r a p h i c s ( u g ) 三维软件 平台上完成的。在本课题中，本人通过动力传输系统的布置的过程，熟悉了 u g 软件在车身三维建模，零部件三维建模以及虚拟装配等技术上的应用。同 时，根据燃料电池电动车各系统之间的能量关系，以及有效利用布置空间的原 则，给出动力传输系统的布置方案。 动力传输系统的建模于仿真是在a d v i s o r 软件平台上完成的。动力传输 系统的主要部件为电机，蓄电池和燃料电池。在建模和仿真之前，必须对这三 个主要部件的结构，工作原理以及在整车运行当中所起的作用有深入的了解。 仿真软件a d v i s o r 是当前比较流行的电动车仿真软件，要对动力传输系统进 行正确的建模与仿真必须熟悉a d v i s o r 的建模原理，仿真原理和仿真结果的 使用和理解。本科题对a d v i s o r 软件进行的深入的分析，并结合课题的需要 通过使用此软件得到所需的仿真结果。 通过a d v i s o r 提供的仿真结果，本课题还对动力传输系统中的蓄电池和 燃料电池构成的混合动力进行了研究。通过对不同混合度配置的燃料电池电动 车的燃料经济性和动力性，得到了一个较优的混合度范围。 篇7 页 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章燃料电池电动车动力传输系统的布置 按照传统内燃机汽车的定义，般认为动力传输系统( p o w e r t r a i n ) 是由 发动机和传动装置组成。对于燃料电池电动车，这里认为动力传输系统是由提 供动力源的燃料电池，产生驱动力的电机以及电机控制器和同时具有储能、供 能功能的动力蓄电池组以及传动装置构成。跟传统内燃机汽车相比，燃料电池 电动车增加了电机驱动系统，动力电池组，燃料电池组，电力转换系统以及储 氢罐等，电机驱动系统替代了原有的发动机以及传动系统，储氢罐则替代了油 罐。由于增加的部件必须在原有车身发动机仓及行李箱下方占用大量空间，同 时，各系统之间的工作关系对这些部件的布置又提出了一定的要求，因此，对 动力传输系统的合理布置对燃料电池电动车的开发起着至关重要的作用。 虚拟装配是一种基于一定软件平台，面向装配的设计技术( d e s i g nf o r a s s e m b l y ，d f a ) 。在虚拟设计过程中，对设计出的产品，可以使用虚拟装配 的功能，对其总体各部件实施预装配工作，从而了解该产品的可装配性，从装 配的角度柬评价设计是否合理，装配不合理的设计均可现场修改，并再次评定 更改后的设计的优劣。虚拟装配技术用于燃料电池电动车的动力传输系统的布 置中，可以在三维软件平台上模拟整车的有效布置空间，通过对各动力传输系 统部件的三维建模，便可以在这些有效空间中，按照一定的布置原则，模拟各 部件的布置位置，确定其安装尺寸。本章主要论述基于虚拟装配技术的燃料电 池电动车动力传输系统的布置过程以及布置方案。 2 1 车身的数字化模型 2 1 1 车身的数字化模型建模原理 要实现对各动力传输系统部件的合理布置，必须真实的模拟、再现整车可 以提供的有效布置空间。因此必须对整车在一定的三维软件平台上进行数字化 建模。本文使用的三维软件平台为e d s 公司出品的u n i g r a p h i c sv 1 8 ( u g ) 。 u g 是个集c a d c a e c a m 一体化的三维参数化软件，是当今世界最先进的 计算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、 通用机械和电子等工业领域。利用它强大的混合式绘图结构，能够方便地绘制 第8 页 武汉理工大学硕士学位论文 出复杂的实体以及造型特征，同时u g 还具有强大的虚拟装配功能，使用 a s s e m b l i s 模块可以使零部件灵活地配对和定位，并保持关联性。 整车的数字化模型通过逆求过程得到。由于可以利用u g 的镜像功能，对 整车的车身三维建模只需选择一边进行。车身一侧的模型由以下部件构成( 见 表2 1 ) 。 表2 1 车身部件 1 ，右翼子板2 ，右前门3 右后门4 发动机罩5 右后围 6 ，右大灯7 ，前挡风玻璃8 ，后挡风玻璃9 ，行李箱盖及右后灯1 0 ，后保险杠 1 1 ，顶盖 1 2 ，前保险杠 1 3 ，发动机仓 通过对这些车身部件的三维坐标的测量，可以在一个统一的三维坐标系内 得到车身所有部件的确切空间位置。这样，就为整车车身的数字化建模作好了 准备工作。 2 1 2 车身数字化建模过程 车身部件的三维建模基于曲面建模的般过程：由点生成线，再由线生成 面。 利用u g 中m o d e l i n g 模块下的c u r v e 、e d i tc u r v e 、f r e ef r o mf e a t u r e 、e d i t f r e ef r o mf e a t u r e 子模块就可以完成汽车车身的曲面造型。首先，确定曲面上 的关键点，再利用着这些点生成光滑的曲线，接着用这些曲线扫出曲面，得到 的蓝面不一定正确，可以调节曲线的曲率使曲面趋近完美，最后将得到的一片 片曲面缝合、拼接起来得到所需的曲面，整个过程将是一个不断反复完善的过 程。曲面造型不仅适用于汽车外形，还适用于汽车内部空间的构造，运用同样 的方法可以精确描述汽车内部可装配空间的位置和大小。 由上述建模过程可以得到车身的数字化模型，如图2 1 所示： 第9 页 一一 亟堡垄三查堂堡主堂垡笙苎 图2 1 燃料电池电动车车身数字化模型 由整车车身的数字化模型可以得到比较准确的发动机仓和行李箱下方的 可利用空间。动力传输系统的布置就完全基于这些可利用的空间并通过虚拟装 配技术对各部件进行虚拟装配。 2 2 动力传输系统的布置 2 2 1 零部件三维建模及虚拟装配 动力传输系统主要部件以及相关部件见表2 - - 2 ： 表2 2 动力传输系统主要部件以及相关部件 部件 说明 l 镍氮蓄电池及支架2 4 组电池组，由支架托起 2d c 3 4 5 电机驱动系统电流转换设备 3d m o c 4 4 5 电机控制器 4 d c d c 7 5 0 燃料电池电流转换设备 5电机及减速器 一体化结构 6管线 7 燃料电池及控制装置 8 氢罐 第1 0 页 武汉理工大学硕士学位论文 在进行动力传输系统的布置之前，必须了解各部件之间以及动力传输系统 部件与其他系统部件之间的关系。这些部件之间的能量流包括高电压传输，低 电压传输，液路传输、气路传输和机械传动等。布景的原则必须满足方便各传 输路线上线路的安装简洁方便，无干涉和干扰。燃料电池电动车主要部件的系 统框图如图2 2 所示： 图2 2 燃料电池电动车主要部件系统框图 l 零部件的三维建模 动力传输系统的各个组成部件以及相关部件则可以通过m o d e l i n g 模块下 的f r o mf e a t u r e 、f e a t u r eo p e r a t i o n 、e d i tf e a t u r e 等子模块进行实体建模。运用 长方体、圆柱体、球体、圆锥体等基本形体通过布尔运算构造复杂的三维形体， 在此基础上对三维形体进行倒角、拔模、薄壳、攻丝等操作，得到精确的零部 件三维模型。 零部件三维建模的过程中，从构思到加工物料的制定是一个逐渐细化描述 的过程。这一过程中，频繁修改必然造成重复描述直至满足所有要求，而u g 第1 1 页 武汉理工大学硕士学位论文 提供了可变参数几何建模的参数化设计，利用u g 中的e d i tf e a t u r e 模块可以方 便地修改已建立模型的参数，而不用再次重新建模，节约设计人员大量的时间。 使用u g 建立可视化程度很高的三维数字模型，当需要各种绘图数据时，可以 快速、方便地从三维模型中提取，不需费时地从新输入数据。还可以将三维模 型转换为二维工程图，u g 中的d r a f t i n g 模块就能方便地实现此功能，生成投 影图、向视图、剖视图和局部放大图等，并且在三维模型修改后能自动更新。 由于u g 中的虚拟设计是三维实体设计，而且可以赋予各种材质，使用u g 中 的a n a l s i s 模块可进行简单的分析，可以直接从计算机中获得零部件的体积、 质量、质心、面积、截面惯性矩等参数信息。动力传输系统的布置就是将部件 的三维模型在u g 装配平台上进行虚拟装配，得到整套的布景方案。 2 虚拟装配 ( 1 ) 虚拟装配的层次性 在燃料电池汽车的车身外形确定后，动力传输系统的布置和装配所涉及 的零部件往往会很多，建立的零部件模型数量会很庞大，要将全部零部件模型 装配在一个模型空间中会很复杂。为此，在应用u g 进行虚拟装配时，要做好 零部件装配的规划建立装配的层次。一般先要确立装配的主模型，在主模型下 建立子装配，通过分级式树状图层结构方式，即按零部件间设计的逻辑依附关 系来确定各模型间的父子关系，从而实现装配的层次划分。例如将汽车的车身 模型设为主模型，其下设发动机舱、乘员舱、尾舱三个子装配，还可以在发动 机舱子装配下再设电机和减速器、电池组与均衡器、控制器子装配等。 ( 2 ) 零部件的虚拟装配 零部件装配时都要倒入到自己的主模型中，u g 提供了三种方式绝对定位 ( a b s o l u t e ) 、重新定位( r e p o s i t i o n ) 和配对定位( m a t e ) 。绝对定位可用于建 立主模型；重新定位可用于倒入较孤立的与其他零部件没有定位关系的零部 件；配对定位主要用于相互有约束关系零部件的装配。这一机制克服了自由建 模的无约束状态，能确保设计的模型间具有设计人员所定义的正确关系，如平 行、共轴或共面等。配对定位过程实际上就是对零部件的六个自由度进行约束 的过程。通过约束管理，可使汽车零部件装配过程中零部件模型特定的装配关 系或约束得以保存，而与对零部件模型所进行的修改无关。 ( 3 ) 干涉分析 第1 2 页 武汉理工大学硕士学位论文 零部件的装配完成后可以运用u g 的干涉分析( a s e m b l yc l e a r a n c e ) 进行 干涉检查( c h e c kc l e a r a n c e s ) ，若出现被装配零部件与其他零部件或装配环境 有干涉现象发生，及零部件间的最小间隙不足，则需要返回到零部件的建模， 修改原设计，由设计人员修改该零部件，或者修改与之干涉零部件。通过设计 人员键盘鼠标的操作可以实现零部件的计算机屏幕上的点到点( p o i n t t op i o n t ) 的装配仿真操作，对装配好的零部件进行拆卸，拆卸过程中可以记录拆卸的 路径及进行干涉分析检查零部件实际的可装配性。 ( 4 ) 装配中的修改 u g 装配过程实际上就是在装配中建立部件之间的链接关系的过程。它是 通过关联条件在部件间建立约束关系来确定部件在产品中位置的。在装配中， 零部件的模型是被装配引用，而不是复制到装配中，不管如何编辑部件和在何 处编辑部件，整个装配部件保持关联性，如果修改某部件，则引用它的装配部 件自动更新，反应部件的最新变化。这样可以在装配过程中进行零部件的设计 和编辑，随时发现问题随时解决。 ( 5 ) 构造关联件 先建立零部件的几何模型，再组合成装配的方法是自底向上装配，可是在 燃料电池车的零部件装配中不可能在开始就设计出所有的零部件，这就要结合 使用自顶向下装配的方法，由装配部件的顶级向下产生所需的零部件。u g 就 提供了混合装配的功能，可以在装配中依据已装配的零部件设计新的子装配或 零部件。特别适合构造燃料电池汽车中各独立部件与车身和其他部件的连接紧 固部件。 ( 6 ) 工程图与爆炸图 利用u g 生成的装配模型只是在计算机上专业人员才能完全理解，同样利 用u g 的d r a f t i n g 模块将三维装配模型转换为二维工程图，就得到了工程技术 人员都能读解的图纸。u g 还有一个功能可以生成爆炸图( e x p l o s i o n ) ，显示装 配拆开后的所有零部件，将其引入到装配工程图中，可以使装配结构更加清晰， 方便装配工程圈的阅读。同样在装配模型修改后能自动更新。 ( 7 ) 可视属性 u g 中进行虚拟装配，通过透视效果的处理，在视觉上能模拟出现实世界 的真实物体；通过键盘鼠标的操作，可以模拟在三维空间中对模型的移动旋转： 第1 3 页 武汉理工大学硕士学位论文 u g 是一个全三维、双精度系统，用它几乎可以精确描绘任何几何形状，并进 行装配，设计人员可以充分发挥自己的创造力。汽车装配时，零部件数量会很 庞大，不方便设计人员的操作tu g 的s u p p r e s s 和o b j e c td i s p l a y 可定义零部 件的可视属性：可视与否、透明度、颜色，在装配的零部件较多时，非常方便 设计人员的操作。 2 2 2 动力传输系统部件的布置 1 电机、电机控制器以及电流转换器的布置 驱动电机代替了原有的发动机和传动系统。a c 2 2 交流电机的减速器直接 安装在电机外壳内，形成“机电一体化”驱动传动系统，使传动系统更加紧凑， 簧载质量大大的减轻，有利的提高了车辆的平顺性，装配后，电机的输出轴直 接把扭矩输出给车轮半轴。由于电机和内燃机相比体积较小，而且形状规则， 呈“l “型结构，因此，在进行布置时，将电机水平布置，留给上方较大的剩 余空间。a c 2 2 电机一a t l 2 0 0 减速器驱动机组如2 3 图所示： 磷l 一 3 ：1 一- 一 一一一一一- h p a t e rm _ a l c 黑竺n 寥烹竺嚣一整j 哟g 鹏 图2 3a c 2 2 电机a t l 2 0 0 减速器驱动机组外观图 电机的驱动系统还包括电机控制器d m o c 4 4 5 、电流转换设备d c 3 4 5 。为 第1 4 页 武汉理工大学硕士学位论文 了使控制器和电流转换设备与电机间的接线尽可能的短，减小连线难度以及传 输线上的电压损失，同时为了给体积较大的动力电池组流下足够的安装空间和 散热空间，这些部件直接布置在电机上方。 电机驱动系统的布置方案如图2 4 所示： 图2 4 电机驱动系统的布置方案 2 蓄电池组的布置 蓄电池组是燃料电池电动车的辅助动力源和储能装置。由于要满足车辆在 起步、加速或者燃料电池不提供电能时不影响整车的动力性要求，燃料电池电 动车必须采用足够数量的蓄电池。 蓄电池组由多个蓄电池单元串联而成。本车使用了2 4 组镍氢电池构成动 力电池组。单个电池重3 k g ，尺寸为2 1 0 6 2 x1 0 3 m m z 。由于蓄电池组要布置 很多导线，导线布置要求方便，还需要装置电池管理系统的各种传感器和检测 装置的导线因此本车的电池组采取集中布置，通过方形铁架托起。并固定在 发动机舱最上层。动力电池组提供电能时温度将迅速上升，散热量较大，因此， 把电池组安装在发动机舱最上层便于电池组的教热和出现故障时能够及时检 修。蓄电池组的布置方案如图2 - - 5 所示： 第1 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 5 蓄电池组的布置方案 3 燃料电池系统的布置 同传统内燃机汽车相比，在燃料电池电动车上，主要装载了燃料电池发动 机系统的全套装置，而燃料电池组，储氢罐占据了车辆很大一部分有效空间。 燃料电池堆栈为方形结构，环绕燃料电池堆栈有压缩机、水泵、各种管道 与阀门、水处理器和热管理系统，还有各种各榉的导线等。为了便于固定，保 证燃料电池组的稳定运行，整个燃料电池系统用方形铁架从外部包裹。由于整 个燃料电池系统的体积较大，布置到行李舱，占用了较大部分的行李舱体积。 储氢罐的布霞则利用车后座后方的空间加以安装。由于燃料电池电动车没有了 油路系统，因此，燃料电池系统的控制器和电流转换器可以安装到原有的底盘 下方的油路位置。整个燃料电池系统的布置方案如图2 6 所示： 第1 6 页 武汉理工大学硕士学位论文 图2 6 燃料电池系统的布置方案 由上一节所述，使用爆炸图可以对整车的动力传输系统有一个直观的认 识。图2 7 为动力传输系统布置方案确定后的三维爆炸图。 图2 7 动力传输系统布置方案三维爆炸圉 第1 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章a d v is o r 仿真软件的基本结构和仿真原理 a d v i s o r 是针对整车性能的仿真软件。通过对各子系统的建模和相关参 数的输入，就可以在所选的模拟行驶工况下对整车进行仿真测试。通过特定行 驶工况的仿真，a d v i s o r 将在仿真结束后提供详细的仿真结果。仿真的结果 包括：经济性仿真结果，动力性仿真结果，能量的使用情况，各子系统的工作 状态和性能评价等。 燃料电池动力传输系统的仿真是基于整车仿真结果中对各动力传输系统 部件运行状态的描述。a d v i s o r 在仿真结果中比较详细的提供了包括燃料电 池，电机控制器，蓄电池在仿真运行当中的相关数据。本章将详细介绍 a d v i d o r 软件的基本结构和仿真原理。对a d v i s o r 仿真原理的理解，有助 于理解动力传输系统部件数学建模的原理以及这些数学模型在整车性能仿真 当中所起的作用。 3 1 基于a d vls o r 软件的燃料电池电动车仿真原理 a d v i s o r 是一个集车辆前向和后向的仿真软件。 后向的车辆仿真回答这样的问题：假设车辆符合工况循环的要求，那么车 辆各部件该如何工作? 基于这种模式的仿真程序，一般不包括驾驶员的模型， 它仅能通过反复循环预测车辆的最高性能。 前向车辆仿真包括驾驶员模型，它通过调节加速踏板和制动踏板的命令来 完成工况循环。加速踏板的信号转换成扭矩，扭矩信号传递给传动系继而最终 转换成一个推动力，这个力除以质量后再积分可以计算出车速。这种仿真程序 比较擅长于计算车辆的最佳性能，但是当计算超过1 0 分钟的行驶路程的时候， 仿真速度较慢。 a d v i s o r 运用一种集后向前向混合的仿真方式。在这种方式中，每一个 零部件按照能量流中下一个部件的需求提供尽可能多的力矩( 或力) ( 例如与 车轮临近的零部件安装车轮对力矩的需求提供相应的力矩) ，以此来满足特殊 的行驶循环要求。在处理部件性能极限方面，a d v i s o r 具有的后向流程计算 方式再加上简便的前向流程计算方式构成其特有的处