（机械电子工程专业论文）燃料电池电动汽车能量流控制系统研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 以氢为燃料的燃料电池电动汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，简称f c e v ) 作为电动 汽车的三大车型之一，以其突出的优点成为当今研究的热点，而作为关键技术之一的 能量流控制系统已成为研究燃料电池电动汽车的重要课题。本学位论文围绕燃料电池 电动汽车能量流控制系统展开研究与开发，主要内容和成果包括： 首先，在广泛阅读和全面深入总结国内外相关文献资料的基础上，了解了电动汽 车的一些关键技术和发展现状，分析了燃料电池电动汽车的技术特点和能量消耗结构， 明确了其能量系统的控制要求，提出了能量流控制系统的框架模型。 然后，以模块化设计的思想进行了能量流控制系统的总体结构设计，详细分析了 每个重要功能模块的功能和实现方法，设计和开发了系统的硬件和软件。硬件电路主 要分析了基于d s p 的控制电路、d c d c 变换器电路和高压执行电路：软件系统重点分 析了控制思想和程序执行流程。在软件程序和硬件电路中，都采取了一些抗干扰措施， 以提高系统的可靠性。 接着，提出了合适的能量流控制策略，并进行了控制算法设计。先进的控制算法 和优化的控制策略，提高了燃料电池电动汽车能量利用的效率。 最后，针对本文所设计和开发出的能量流控制系统进行了仿真和实验研究，一方 面验证了总体方案、控制算法和控制策略的正确性，另一方面对研究手段进行了新的 尝试和实践，对研究燃料电池电动汽车能量流控制系统有一定的借鉴意义。 本文就燃料电池电动汽车能量流控制系统作了一些研究与实践，为在当前技术发 展水平上开发性能优良且价格能为市场所接受的商品化用车进行了有益的探索。 关键词：燃料电池电动汽车能量流控制策略 数字p i d 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a s o m o f t h e 岫腑t t h r e et y p e so f e l e c t r i cv e h i c l e s0 s v ) ，t h e f u d 蜘e l e c t r i c v d - 曲e ( a x v ) w i t hh y d r o g e nf u e lh a sb e c o m et h ef o c u so f r 暇m r c hf o ri t s 呻a d v a n t a g e s t h ee n e r g yf l o w c o n t r o ls y s t e m ，o n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e s o ff c e v ，i ss t u d i e da n d d e v e l o p e d i nt h i sp a p e r ， a n dt h er e l a t e da c h i e v e m e n t sa r es h o w na sf o l l o w s f i r s t l y ，b a s e do n t h es y s t e m a t i cs t u d ya n ds y n t h e t i ca n a l y s i so ft h er e l a t i v el i t e r a t u r e s ， i nt h i sp a p e r ，k e yt e c h n o l o g i e sa n d d e v e l o p i n gt e n d e n c yo f e v sa r ei n t r o d u c e d ，t h et e c h n i c a l f e a t u r e sa n dt h e e n e r g yc o n s u m p t i v e c h a r a c t e r i s t i c so ff c e va r e a n a l y z e d a l s o ，a s y s t e m a t i c f r a m e w o r ki se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e i rc o n t r o lr e q u e s t sa n dc h a r a c t e r i s t i c s s e c o n d l y ，t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h ee n e r g yf l o wc o n t r o ls y s t e mw i t ht w ok i n d so f p o w e ru n i t s ( t h eb a t t e r ya n d t h ef u e lc e l l ) i sd e s i g n e di nm o d u l e s ，t h ef u n c t i o n sa n d r e a l i z i n g m e t h o do fd i f f e r e n tm o d u l ea r ed e s c d b e di nd e t a i l ，a n da l s ot h er e l a t e dh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea r cd e v e l o p e d f u r t h e r m o r e ，i nt h i sp a p e r ，t h ed s p b a s e dc o n t r o lc i r c u i t ，t h e d c d cc o n v e r t o ra n di m p l e m e n tc i r c u i to fh j 蛐v o l t a g ea r ca n a l y z e df o rt h eh a r d w a r e s y s t e mo ff c e v ，a n dt h ec o n t r o li d e aa n dt h ef l o wc h a r ta r ca n a l y z e df o rt h es o f t w a r e s y s t e m s o m e a n t i - i n t e r f e r e n c em e t h o d sa r eu s e dt oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo f w h o l e s y s t e m t h i r d l y ，t og u a r a n t e et h ep e r f o r m a n c e sa n dt h ee f f i c i e n c yo ff c e v , a no p t i m a l c o n t r o l s t r a t e g yi sp r o p o s e df o rd i s t r i b u t i n gt h ee n e r g yb e t w e e n t h ef u e lc e l la n dt h eb a t t e r y a l s o ，a r e l a t e dc o n t r o la l g o r i t h mf o rf c e vi sp u tf o r w a r d f i n a l l y ，s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s a r cm a d e r e s p e c t i v e l y o nt h ee n e r g yf l o wc o n t r o l s y s t e mt op r o v et h ev a l i d i t y o ft h et o t a ls c h e m e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ec o n t r o l a l g o d t h m f u r t h e r m o r e ，s o m en e wa t t e m p t s a r ec a r r i e do u tf o rt h ee n e r g yf l o wc o n t r o l s y s t e m o ff c e v i nt h i sp a p e r , a 1 1t h er e s e a r c h e sa n dp r a c t i c e sf o rt h ed e v e l o p m e n to fa ne n e r g yf l o w c o n t r o ls y s t e mo ff c e vw i l lb e n e f i tt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m e r c i a le v s w i t hg o o d p e r f o r m a n c e a n d a p p r o p r i a t ep r i c e k e y w o r d s ：f u e lc e l l c o n t r 0 1s t r a t e g y e l e c t r i cv e h i c l e e n e r g y h o w d i g i t a lp i d u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文巾已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做f f 贡献的个人和集休，均已舀：文f f i 以明确方式标 弼。本 人完令意识到木声纠的法律结果i l i 木人承批。 学位论文作者签名：呈稿掣王 日期：了。口峰# 中月砧日 学位论文版权使用授权二辂 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使j j 学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部f 、j 或机构送交论文的复印件和电子 敝，允矿f ：论文被查阅和借阅。木人授权1 h f t 引技火学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆索，川以聚川影印、缩e i ：j 或扫揣等复制下段保存和汇编本学位 仑文。 保密口，i ，r ! 一 卜解密后适”j 木授权阻 本论文属于 不保密面。 ( 请在以f ：方框内打“寸，) 学位论文作者签名：吴傣丘 日期：训悔中月彤f 1 指导教师签名：占( 二一砂弋一 门期：) 曾邺年月工g 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 , 1 1 课题来源 1 绪论 在东风汽车公司与武汉理工大学、华中科技大学重大合作项目“新世纪新型电动 汽车”、国家8 6 3 计划项目( 2 0 0 2 a a 4 2 3 1 2 0 ) 、湖北省自然科学基金( 2 0 0 2 a b 0 2 6 ) 的 支持下，本学位论文围绕燃料电池电动汽车j e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，简称f c e v ) 能量 流控制系统展开研究。 1 1 2 研究背景 自1 8 8 6 年人类发明汽车以来，汽车极大地改变了人们的生活。随着社会的进步和 科学的发展，汽车已成为人们最常见的交通工具。汽车工业也成为一个国家现代化水 平的重要标志之一。同时，汽车工业的发展带来的对石油资源的急剧增加和对环境严 重的负面影响日益引起了人们的关注。为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学 术界、工业界正在加大对电动汽车开发投入的力度，加速电动汽车的商品化步伐。2 0 世纪9 0 年代以来，电动汽车已成为世界各国研究的熟点【1 】a 今后5 0 年，世界人口将由6 0 亿增加到1 0 0 亿，汽车数量将由7 千万增加到2 亿5 千万。 如果这些车辆都采用燃油的内燃机车，那么所需的燃油从何而来? 丽其排出的废气又 如何处理? 那样我们的天空将永远是灰色的而不是蓝色的f 2 j 。因此，必须开发出高效、 清洁、智能化的交通车辆，才能使2 l 世纪的交通实现可持续发展。 燃油汽车排放出的废气主要有一氧化碳( c o ) ，二氧化碳( c 0 2 ) ，氮氧化合物( n o x ) ， 炭氢化合物( h c ) ，二氧化硫( s 0 2 ) ，铅化物，臭气和光化学烟雾等，这些有害物质严重 的破坏了生态环境，损害了人们的身体健康，而电动汽车则无类似污染物排放。噪声 污染也是燃油车排放的另一种污染，一个城市的噪声污染中有8 0 是由燃油车造成的， 而这其中发动机的噪声又占了主要部分：一般轿车的车外加速行驶噪声中，发动机噪 声约占5 5 ：大中型汽车的车外加速噪声中，发动机噪声约占6 5 。因此使用电动汽 车f 电动机的噪声比内燃机低很多) 代替燃油车是减少城市污染的一个重要途径【2 卅。 电动汽车有着广泛的能量来源。电能可以从包括矿物、水力、核能、风力、太阳 能、地热能、潮能及海浪能等丰富的原始能源中产生，并且电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ， 简称e v ) 的能效比天然气汽车( g 及汽油内燃汽车( i g e ) 分别高出1 5 和3 0 。在制 动过程中电动机可以自动转化成发动机，反过来给蓄电池充电，实现能量的回收利用。 华中科技大学硕士学位论文 此外，电动汽车在结构上比燃油汽车简单，运动部件少，大大降低了日常维修保养， 驾驶操作也更加方便。近几十年来，随着科学技术的发展，特别是电子技术和通信技 术的长足进步，人们不断的将最新的信息和控制技术应用于汽车工业之中，以实现汽 车的智能化和信息化如防撞击的智能驾驶系统、雷达系统及全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ，简称g p s ) 等都可用来提高汽车驾驶的安全性和智能化。电动汽车比 普通汽车的智能化程度更高，能更好的满足人们对汽车智能化的需求【5 1 。 由此可见，节能、环保和智能化是新世纪人们对汽车提出的更高要求。而电动汽 车以其卓越的性能，代表了汽车未来发展的趋势，从而成为世界各国研究的热点。电 动汽车具有低噪声、零排放、综合利用能源等突出的特点，正是当今汽车工业解决能 源环保等问题的重要途径。而要实现这些性能，就必须为其配备相应的高性能电动汽 车能量管理系统。 本学位论文针对燃料电池电动轿车，对电动汽车的关键技术之一“能量流控制系 统”进行了较为深入的研究，提出了燃料电池电动汽车能量管理系统的解决方案并予 以实现，而且在试验运行阶段该套系统运行良好。 1 1 3 研究目的和意义 由于燃料电池具有清洁无污染、效率高、功率大、供电时间长、寿命长、可靠性 高等优点受到了世界各大汽车厂家的关注，纷纷将它作为2 1 世纪最有竞争力的清洁燃 料汽车【6 l 。在近十几年的时间里，燃料电池汽车有了飞跃性的发展，各大汽车厂商包 括日本的丰田、本田和三菱，德国的夯驰，美国的通用、福特和戴姆勒克莱斯勒等都 推出了其f c e v t 羊车。目前，燃料电池汽车已步入道路行驶试验阶段，预计2 3 年后有 望作为商品进入用户家中1 2 j 。 燃料电池汽车的核心部件是燃料电池，其存在两个方面的不足1 7 1 ：1 输出特性相对 较软，即随着负载的增加，电流( 功率) 增大，输出电压以比普通电池大得多的斜率 ( 速度) 下降：2 输h q 功率的波动会导致燃料电池效率n 的下降。然而，作为一种交通 工具，燃料电池汽车也必须具有很强的机动性，以适应不同的路况正常行驶，如：上 坡、下坡、加速、减速、起停、制动等等。因此，f c e v 能量流控制系统必须改善燃 料电池的软输出特性，稳定输出电压，覆盖功率波动，提高峰值功率，以适应汽车驱 动功率需在较大范围内波动的要求，提高电动汽车的机动性和燃料电池的效率，并尽 可能的吸收减速或制动过程中所产生的再生能量( 不降低f c e v 行驶的安全性和舒适 性1 ，提高系统的能源利用率，充分发挥f c e v 节能和环保的突出优点，本文正是围绕 这个问题展开研究的， 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 电动汽车的发展历程 电动汽车历史悠久，早在内燃机汽车诞生之前就出现了电动汽车。1 8 3 4 年，t h o m a s d a v e n p o r t 带1 造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动，但只行驶了一小 段距离。四年后r o b e r td a v i d s o n 也制造出了辆用干电池驱动的电动汽车。1 8 8 1 年， 法国工程1 ) i 口g u s t a v e t r o u v e 制造了一辆以铅酸电池为动力的电动汽车，这是世界上第 一辆可充电电动汽车b 。1 8 8 6 年，f r a n k s p r a g u e 设计并生产出了有轨电车。从此，电 动汽车才慢慢开始发展起来，成为人们重要的交通工具之一。 在2 0 世纪初，蒸汽车、电动汽车和内燃机汽车基本上是三足鼎立的局面：在汽车 保有量中，蒸汽车占4 0 ，电动汽车占3 8 ，而内燃机汽车仅占2 2 。美国是最早使 用电动汽车作为运输车辆的国家之一，1 9 1 5 年美国电动汽车的产量曾经达到年产量 5 0 0 0 量的高峰，有很多电动汽车一直到第二次世界大战期间仍在使用。但内燃机汽车 后来居上，因其在性能、机动性、重量、续驶里程、使用成本等指标上远远超过了电 动汽车，逐渐将电动汽车挤出了市场。电动汽车在2 0 世纪2 0 年代达到鼎盛时期后就一 蹶不振，成为“电瓶车”式的辅助车辆，到2 0 世纪3 0 年代，电动汽车则几乎消失了i 。 2 0 世纪7 0 年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得了生机。1 9 7 3 年，中东 战争引起世界性的石油危机，中东各产油大国控制着世界石油的生产量，西方发达国 家不得不在国民经济的各个领域减少其对石油的依赖。纷纷开展电动汽车和混合电动 汽车的研究，掀起了开发电动汽车的热潮。在2 0 世纪7 0 年代后期，世界上许多国家和 地区，如美国、英国、法国、德国、日本、澳大利亚、意大利、加拿大和前苏联等都 开始研究和生产电动汽车，但随后由于石油价格开始下跌，在电动汽车的商业化产品 发展起来之前，能源危机和石油短缺问题已不再严重。因而电动汽车的商业化又失去 了推动力，电动汽车的发展又开始停滞不前，走入低谷 2 , 9 - 1 u j 。 在2 0 世纪8 0 年代，由于空气质量和温室效应所产生的影响备受人们关注，各国的 排放法规也日趋严格，于是电动汽车的优点便又显现出来，同时由于高新技术的应用 和蓄电池技术的发展，使得研制新型高效电动汽车成为可能，电动汽车又一次迎来了 新的高潮。 近三十年，电动汽车融合汽车、电力拖动、电子、智能控制、化学、计算机、新 能源、新材料等领域的最新技术成果，得到了极大的发展，世界各大汽车制造商也纷 纷推出了自己的产品，使电动汽车逐渐走向商业化。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 现代电动汽车的技术现状 电动汽车与普通“汽车”的主要区别在于所使用的动力源的不同。目前出现的电 动汽车主要有三种类型【4 ，1 1 】：蓄电池电动汽车( e l e c t r i c v e h i c l e ，简称e v ) 、燃料电池电 动汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，简称f c e v ) 、混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，简称h e v ) 。 ( 1 ) e v 采用蓄电池一电动机系统，使用可反复充电的蓄电池作动力源，它所需的电 能可由水能、风能、太阳能或核能转化而来，是最理想的“零污染”、“零排放”或 者“超低污染”的车辆，它具有无噪声和振动、操作性能好、效率高等突出优点，明 显地优于内燃机汽车，特别是蓄电池电动汽车可利用夜间用电低谷时充电，从而进一 步解决了夜间电能浪费的问题，被认为是取代内燃枫汽车的首先车型。世界上各大知 名汽车制造商如美国的通用、福特、克莱斯勒汽车公司，德国的奔驰，法国的雪铁龙 一标致、雷诺汽车公司，日本的丰田、本田、日产汽车公司等都竟相投入e v 车的研究 和开发，并陆续推出自己的e v 产品。但是目前电池技术依然是制约e v 的瓶颈，并使 得e v i 匠年来的发展速度有所减慢。 ( 2 ) f c e v 采用燃料电池发动机一电动机系统，采用燃料电池作电源。燃料电池是把 燃料中的化学能直接转化为电能的能源装置，具有效率高、功率大、供电时间长、使 用寿命长、可靠性高、噪声低、无污染等优点。世界各大汽车公司正在进行新一轮f c e v 的激烈竞争，竟相开发和研制多种形式和型号的燃料电池。如美国三大汽车公司按美 国能源部的分工，通用公司在甲醇重整的f c e v 领域，福特公司在车载储氢的f c e v 领 域，而克莱斯勒公司则在汽油重整的f c e v 领域，纷纷投入巨大的人力和物力进行研究 开发。日本以及欧洲各大汽车公司也研究开发出了各自的车型。特别是戴姆勒奔 驰公司在柏林向公众展示了世界上第一辆“无有害排放物”的f c e v ，其驱动装置不再 是传统的内燃机，而是通过氢氧控制反应生成的电能进行驱动，它向空气中排放的废 气仅仅是水蒸气，是当前世晃上对环境影响最小的汽车。经过多年的探索，最有望用 于汽车的燃料电池是质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 。我国的燃料电池研制工作在上世 纪末停顿了约2 0 年，因此落后于一些先进的国家。但从“九五”期间，国家对燃料 电池研制工作做了重点安排，使我国的燃料电池研究水平又逐渐跟上了国际的步伐。 燃料电池虽然有许多优点，被认为是未来汽车的理想动力源。但受价格、铂资源、 氢源、服务配套系统和在以空气为氧化剂的条件下燃料电池性能有待进一步提高等制 约因素，燃料电池车的推广应用和商业化不是近期能实现的，还要相当一段时间，目 前主要处予研究阶段。 r 3 ) h e v 采用混合动力的发动机发电机和电动机系统，是介于内燃机汽车和电动 4 华中科技大学硕士学位论文 汽车之间的一种车型，它是由内燃机汽车向e v “过渡”型的车辆，同时也是一种“独 立”型车辆。在h e v 上保留了发动机( 主要为内燃机) 和发动机的电子控制系统，但 所采用的发动机功率一般要比同级别的内燃机汽车小，燃料消耗量和废气排放的污染 也有更高的要求。h e v 除了采取各种现代最新技术使发动机经常处于高效率状态下运 转外，充分发挥电动机的低速大转矩的特点，使发动机避开在起动、加速和爬坡时燃 料消耗量大和废气排放多的不利工况。混合动力电动汽车有三种类型：串联式混合动 力汽车( s e r i e s h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ，简称s h e v ) ，并联式混合动力电动汽车( p a r a l l e l h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ，简称p h e v ) 和混联式( 串、并联) 混合动力电动汽车( s p l i t h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，简称p s h e v ) 。 s h e v 用发动机一发电机和电动机采用“串联”的方式组成驱动系统，用发动机一 发电机均衡的发电，电能供应给驱动电动机或动力电池组，使s h e v 的行驶里程得到 延长，发动机不直接参与s h e v 的驱动。s h e 硼嚣动系统的结构比较简单，在热能一 电能一 机械能之间的转换过程中，总效率低于内燃机，且三大动力总成的体积较大， 质量也较重，还有庞大的动力电池组，使得在中小型汽车上布置有一定的困难，一般 适合于大型客车采用。 p h e v 用发动机、电动发电机或者驱动电动机采用“并联”的方式组成驱动系统， 发动机和电动机均可以单独驱动车辆行驶，动力流经两条独立的路径，发动机是驱动 车辆的主动力源，电动机则是辅助动力源。由于一般采用较小功率的发动机和驱动电 动机，使得整个动力总成的尺寸较小。质量较轻，造价也较低，可以应用在中小型的 p h e v 上。 p s h e v 是综合s 呱v 和p h e v 结构特点组成的，由发动机、电动发动机和驱动电动 机三大动力总成组成，可以组合成多种模式驱动车辆行驶。 串联式混合电动汽车的最大特点是能够在长途行驶中提高燃油效率、减少排放并 提高行驶距离，从而全面提高汽车的性能。而并联式混合电动汽车被称为是“性能、 清洁、乐趣”三位一体的最佳典范。混联式则兼有串联式和并联式的优点。可以组合 成更多形式的驱动模式，在动力性能方面接近和达到内燃机汽车的水平，而有害气体 的排放更少。 1 2 3 现代电动汽车的关键技术 电动汽车关键技术涵盖了汽车、电气、电子、信息和化学等多个领域，其中电源 技术最为关键，但车身设计、电力驱动、能量管理系统和系统优化也同样非常重要， 事实上，所有这些领域技术上的集成才是电动汽车成功的关键t 2 , 1 2 - 1 4 1 。 ( 1 ) 车身设计 华中科技大学硕士学位论文 生产电动汽车有两种基本方法，一种是专门设计，另一种就是在现有车型上的改 装。对于后者，燃油车中原来安装发动机以及相关组件的部位被电动机、功率转换器 和电池取代，由于可采用现成的汽车底盘，对于样车试制或者小批量生产而言，比较 经济，但存在自重较大、重心较高以及质量分配不合理等缺点；对于前者，工程师可 以为一些特定的目的进行专门设计，可以灵活调整和整合各种子系统，提高整车工作 效率。在车身设计过程中，还需要对影响整车性能的参数( 如续驶里程、爬坡能力、 加速能力和最高车速等) 进一步优化改进，比如减轻整车质量、降低风阻系数和减小 滚动阻力等。 ( 2 ) 电力驱动 电力驱动子系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车克服空气阻力、滚动 阻力和加速阻力前进。电力驱动系统由电气系统、变速装置和车轮等组成，其中变速 装置不是必须的，可根据具体应用场合选用。电气系统由电动机、功率变换器和电子 控制器等组成，是电力驱动系统的关键。随着先进的电动机、功率电子、微电子技术 以及控制技术的发展，现在越来越多的电动机可用于电动汽车。如矢量控制的感应电 动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m ) 等， 其中s r m 在电动汽车上的应用前途比较看好，因为它自身的结构和相应的功率转换器 的结构都非常简单可靠，且它的转速范围宽、散热能力强，能在各种恶劣环境下工作， 再生制动的能量回收效率高，但转矩脉动和噪音问题有待解决。 ( 3 ) 能源系统 目前影响电动汽车推广的主要障碍是一次充电的续驶里程和初始价格，这主要是 由能源系统引起的。电动汽车的能源系统将是今后电动汽车能否实现市场化的关键。 电动汽车对能源系统要求如下：a ) 比能量和能量密度高：b ) 比功率和功率密度高；c ) 快充和深放电能力；d ) 寿命长；e ) 自放电率小、充电效率高；d 安全性好且价格便宜； g ) 免维修：h ) 对环境无危害，可回收性好。目前还没有一种能源能完全满足上述要求， 相对而言，铅酸电池具有成本低和比功率高的优点，但它的寿命短且比能量低；镍氢 电池的比能量高，但价格昂贵；锂基电池如锂离子电池和锂聚合物电池在现代电动汽 车中的应用将会有比较好的前景；超级电容和超高速飞轮由于有较高的比功率，也可 应用于电动汽车。耳前燃料电池被公认为电动汽车最重要的新能源之一，9 从根本上 解决电动汽车续驶里程短的问题，若能降低其初始成本，将会得到更为广泛的应用。 为解决一种能源不能同时提供足够高的比能量和比功率的矛盾，人们常常采用多能源 供电系统：一个能源具有较高的比能量，而另一个具有较高的比功率。 ( 4 ) 能量管理系统 由于电动汽车的车载能量有限，其行驶里程远远达不到燃油车的水平，能量管理 6 华中科技大学硕士学位论文 系统的目的就是要晟大限度的利用有限的车载能量，增加行驶里程。能量管理系统能 实现下面一些基本功能： 优化系统的能量分配 预测电动汽车电源的剩余量和还能继续行驶的里程数 提供最佳的驾驶模式 再生制动时，合理的回收再生能量 能量管理系统还可以与电动汽车的导航系统相结合，实现智能化，驾驶员通过查 询导航系统，可以根据当时的交通情况制定最节能的行驶路线，充分利用有限的车载 能量。 ( 5 ) 系统优化 电动汽车系统是一个涉及多学科技术的复杂系统，其性能受多学科相关因素的影 响，通过系统优化技术来改进电动汽车的性能并降低成本。其中计算机仿真是一项很 重要的系统优化技术，有利于制造商缩短开发时间、降低成本，并能迅速进行概念评 价。由于整车有不同的机械系统、电气系统、控制系统以及热系统等不同子系统相互 联系和相互作用，所以仿真应该在混合信号的概念上进行。 1 2 4 现代电动汽车的发展趋势 在未来3 0 年里，蓄电池电动汽车和混合电动汽车都将会市场化，并且会逐渐占有 自己的市场份额。蓄电池电动汽车适合于特定的市场，如社区交通、电价便宜、使用 方便的地区和零排放管制的城市；而混合动力车则适合于长途运输。他们的市场化速 度将主要取决于它们各自的价格。由于燃料电池车在续驶里程和性能方面能与燃油车 相媲美，在未来2 0 年内，燃料电池车的商业化速度也会加快。总之，纯电动汽车和混 合动力车将会并存，而能源、环境和经济性将是电动汽车商业化的主要推动力i t 5 - 1 6 1 1 3 本文的主要研究工作 能量管理系统是电动汽车的关键技术之，本文结合东风汽车公司与武汉理工大 学、华中科技大学重大合作项目“新世纪新型电动汽车”一一燃料电池电动汽车项目， 着眼于燃料电池车双能源结构的能量管理系统的研究与实现，主要从事了以下几个方 面的工作： ( 1 ) 针对燃料电池的特性，提出了燃料电池一蓄电池组双能源解决方案。从能量流 ( 功率) 的角度分析了整车能量控制系统的原理，并在此基础完成了整车能量系 统的结构设计。 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = ! = = ；= = = = = = = = = 一! = = ( 2 ) 结合c a n 总线技术，深入探讨了基于c a n 光纤网的能量流控制系统的设计 原理，分析了其软、硬件设计方法。 ( 3 ) 设计并开发了基于d s p 技术的整车能量控制e c u ，无论是在模拟试验平台上 还是最后的装车试验，均运行稳定、可靠。 ( 4 ) 在保证驾驶舒适性和设备安全性的基础上，制定了整车能量流控制策略，合理 分配能量并吸收再生能量，提高系统能量利用的效率。 ( 5 ) 用c 和汇编混合编程语言开发了能量控制系统的d s p 软件系统，完成了各种 控制策略的实现和能量系统的管理、优化。 ( 6 ) 在s i m u l i n k 仿真环境下建立了f c e v 能量控制系统模型，以较短的时间和 较低的成本模拟了f c e v 的工作环境和控制规律，完成了不同工况下能量流控 制的仿真工作。 ( 7 ) 根据f c e v 能量系统模型用实验的手段构造了整车能量流控制系统的简化模 型一一模拟实验平台，通过模型实验可以了解汽车上的一些主要用电设备的能 量分配规律，并能进行一些简单的控制策略的研究。 完成了整车软件、硬件系统的调试工作，包括模拟试验平台上的调试和晟终整 车的轮毅试验及驾驶试验调试。 本文第一章对课题的背景、研究目的和意义、国内外研究现状、关键技术和发展 趋势进行了概况地论述，提出了本课题研究的主要内容。第二章在分析燃料电池特性 的基础上，讨论了燃料电池电动汽车的技术特点，分析了f c e v 能量传递和消耗模式， 介绍了f c e v 动力性能的一些主要指标及其计算方法，并在此基础上提出了燃料电池 电动汽车的能量流控制系统模型。第三章介绍了f c e v 能量控制系统的基本原理，进 行了f c e v 能量流控制系统的总体结构设计。完成了能量控制系统的软、硬件设计和 开发，并从软、硬件两个方面进行了的一些抗干扰设计。第四章主要完成f c e v 能量 控制系统的控制算法和控制策略设计。第五章介绍系统仿真和实验研究情况，为f c e v 能量控制系统的研究手段进行了新的尝试和实践。第六章对全文进行总结，并对f c e v 走向商品化的技术研究提出了展望。 8 华中科技大学硕士学位论文 2f c e v 及其能量流控制系统 当前世界各国和各大汽车公司正在进行着新一轮f c e v 的竞争，竟相开展多种形 式和型号燃料电池的开发和研制工作，一些小型化的燃料电池和燃料电池发动机系统 已成功的应用于电动轿车。国外有些公司研制的燃料电池电动轿车f 1 弘瑚，如福特公司 的p 2 0 0 0 和戴姆勒一奔驰公司的n e c a r3 等已经实用化并投入了小批量的生产； 国内也在加紧这方面的研究开发工作，并有样车研制出来。 2 1f c e v 电源系统 电源是能量流控制系统的最重要的控制对象，也是电动汽车的关键设备之一，本 系统中采用燃料电池一镍氢蓄电池组双能源结构。 2 1 1 燃料电池口，1 蝴1 1 主能源 燃料电池( f u e lc e l l ，简称f c ) 是一种不经过燃烧把燃料氧化的化学能直接转换 为电能的“发电装置”，是2 1 世纪全新、高效、节能和环保的发电方式之一，是继水力、 火力和核能发电之后的第四类发电技术。 燃料电池的能量转换方式是燃料的化学能直接转换为电能，燃料电池能够使用多 种燃料，可以是石油燃料，也可以是包括再生燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。 燃料转化为氢后，再以氢作为燃料电池的燃料，其能量转换不受卡诺循环规律的限制， 热效率要高得多，可达到3 4 4 0 左右。同普通电池相比，燃料电池是一个能量生成 装置，并且能一直产生能量直至燃料耗尽。从理论上讲，只要连续供给燃料与氧化剂， f c 便能连续发电，是电动汽车的理想能量源。 由于氢气具有比任何其他燃料都要高的单位比能量，且反应后的生成物为纯净的 水，被认为是燃料电池理想的无污染燃料。不过氢气不是初级燃料，通常要从初级燃 料如碳氢化合物( c i - 1 4 c l o h 2 2 ) 、甲醇和煤等通过进气前处理的办法来获得。 燃料电池种类繁多，根据电解液类型的不同，有酸性( p a v c ) 、碱性( a f c ) 、熔 铸铁( m c f c ) 、固态氧化物( s o f c ) 和质子交换膜( p e m f c ) 等不同的类型。现代 燃料电池技术，尤其是质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 已经取得了重大进展，并不断 的朝着小型化和轻量化的方向发展，目前在电动大客车和电动轿车上已得到了应用。 本系统中的p e m f c 燃料电池是目前最有前途的电动汽车动力源，与其他几种燃 料电池相比主要有以下几个方面的突出优点：1 ) 功率密度高，是前面几种燃料电池中 功率密度最高的一种，因此在同样的功率情况下可以减小体积，非常适合于电动汽车 9 华中科技大学硕士学位论文 使用；2 ) 采用固体电解质，不会出现电解液的变形、移动、蒸发等问题；3 ) 工作温 度低，启动迅速，适合于电动汽车使用；4 ) 对空气中的二氧化碳( c 0 2 ) 不敏感；5 ) p e m f c q b 唯一的液体是水，腐蚀性相对较小；6 ) 电池间隙小，有利于燃料电池本体 的高电压设计。同p a f c 一样，p e m f c 的主要缺点是需要使用贵重金属铂( p t ) 作为 电极反应催化剂。 燃料电池带负载后的输出电压一一电流特性曲线如图2 1 所示。从图中可以看出， 燃料电沲在加负载的起始阶段，电压u f c 下降很快，并且随着负载的增加，电流( 功 率) 增大，输出电压也随着曲线以比普通电池太得多的斜率( r ) 下降，即是说燃料 电池的输出特性相对较软，这显然不能满足电动汽车的使用要求。此外，输出功率频 繁的波动还会导致燃料电池效率1 1 的下降。 图2 1 燃料电池输出电压电流曲线 燃料电池汽车作为一种交通工具，必须具有较强的机动性，以适应不同的路况正 常行驶，如：上坡、下坡、加速、减速、转弯、起停、制动等等。这样燃料电池汽车 的驱动功率就不可避免的会产生波动这与燃料电池的输出特性是相矛盾的；另一 方面，若输出功率频繁波动会大大降低燃料电池的效率，反过来又影响其机动性。 从上面的分析可以看出，燃料电池不太适合作为单一的直接驱动电源，需要在燃 料电池与汽车驱动之间加入稳压装置，一般使用d c d c 变换器，让燃料电池和d c d c 变换器( 见第三章) 共同组成供电装置对外供电，从而稳定输出电压。此外还有必要 引入超级电容或者其他方法( 本文采用蓄电池组辅助电源方案) 来覆盖功率波动，提 高峰值功率，以改善燃料电池输出功率瞬态特性，降低燃料电池成本。 2 1 2n i m h 电池组辅助能源 在系统中，燃料电池是主能源，整车用电( 包括给n i m h 电池组充电) 几乎全部 由它产生：n i m h 电池组为辅助能源在燃料电池正常发出电能之前，能量流控制器 通过控制接入开关闭合，由n i m h 电池组直接向燃料电池控制系统和其他用电设备 华中科技大学硕士学位论文 ( 如车灯等) 供电，待燃料电池正常起动完成并发出电能之后，切断直接供电回路， 改由燃料电池经直流母线向外供电。在负载较轻时，根据镍氢电池组的s o c ( s t a t eo f c h a r g e ，简称s o c ) 值大小，选择合适的控制策略给电池组充电；在加速或者爬坡等 重载情况下，镍氢电池组补充峰值功率，与燃料电池一起向母线上的负载供电；在电 机制动时，回馈的能量可以按控制策略所设定的回馈深度经母线向蓄电池充电，实现 能量的充分利用。可见燃料电池和镍氢电池组的组合结构，既可以让燃料电池长时间、 高效、稳定向外供电，又能发挥镍氢电池组响应快、能量回馈容易的特点，以弥补燃 料电池由于成本和体积等因素导致最大功率难以提高的不足和无法实现再生能量回收 的缺陷。 目前。n i m h 电池的单体额定电压为1 2 v ，有圆筒型和方形两种结构。圆筒型是 由片状的正极板和负极板夹上隔板卷绕后，装入容器中而成；方型是由中间夹有隔板 的正极板和负极板叠加后，装入容器中而成。本系统中采用的是方型电池，体积小， 有利于车上安装。 为了确保镍氢电池工作的可靠性，在电池的顶端，一般都装有排气阀。当电池内 部压力达到一定程度时，就向外排气，避免电池在使用不当( 如以过大电流充、放电等) 时发生爆裂。在使用n i m h 电池时，需注意以下两点：一是要确保电池和所连接的整 机安全；二是要注意合理地进行充、放电，以获得高于电池额定值的可靠性和充放电 寿命，尤其要防止过充电，通常采用检测和控制充电状态的方法防止电池过充电。 由于n i m h 蓄电池具有较高的比能量( 6 0 - 7 0 w h k g ) 、较高的比功率( 1 5 0 2 5 0 w h k g ) 、寿命长( 5 0 0 1 0 0 0 次循环) 、材料来源丰富( 特别是我国的稀土资源丰 富) 、环保特性( 无镉) 、放电曲线平坦( 与n i c a 电池类似) 和快速充电性能( 与n i c d 电池类c a ) 等优点，被认为能满足电动汽车使用的近期目标1 2 , 2 2 氆】。但目前阻碍其应 用的一个重要问题是初始成本高，而且有记忆效应和充电发热严重等同题。 2 2f c e v 的技术特点 2 2 1 优点 燃料电池电动汽车的主要优点有【4 ，2 4 1 ： ( 1 ) 热效率高 内燃机汽车的发动机将燃料的化学能转化为机械能，然后通过传动装置驱动汽车， 其综合效率只有约1 1 ；而碳氢化合物燃料经重整，由燃料电池转化为电能，再由电 动机和驱动系统驱动汽车，其综合效率可达3 4 ，为内燃机汽车的三倍，因此比起内 燃机汽车，f c e v 更加节能。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) “零污染”或者“超低污染” 对于采用氢气为燃料的f c e v ，排放的产物只有水，属于“零污染”排放：对于采 用甲醇或者汽油重整技术的汽车，排放物中也只有少量的c o 、碳氢化合物和n o x 等 有害气体，属于“超低污染”；此外，f c e v 因为没有运动件和运动副的摩擦损耗，大 大降低了噪声，符合2 1 世纪人们对环保的更加严格的要求。 f 3 、在宽广的范围内保持高效率运行且过载能力强 在额定功率下运行对，燃料电池组的效率可达6 0 左右；在部分功率下运行时， 效率可达7 0 左右；而在过载功率下运行时，效率可达5 0 5 5 。燃料电池的功率 范围宽，效率高且效率受负载的影响小，过载能力强，在短时间内的过载能力可达到 2 0 0 ，可以很好的提高f c e v 的动力性能和加速性能。 2 2 1 缺点 燃料电池电动汽车的主要缺斟4 t2 4 】有： ( 1 ) 辅助设备复杂，且质量和体积较大 在以甲醇或者汽油为燃料的f c e v 中，经重整器出来的“粗氢气”含有使催化剂“中 毒”失效的少量有害气体，必须采用相应的净化装置进行处理，增加了结构和工艺的复 杂性，并使系统变得笨重；而目前普遍采用的氢气燃料的f c e v ，因需要高压、低温 和防护的特种储存罐，导致体积庞大，给f c e v 带来了许多不便。 ( 2 ) 起动时间长，系统抗振能力有待进一步提高 采用氢气为燃料的f c e v 起动时间一般需要3 分多钟，而采用甲醇或者汽油重整 技术的f c e v 则长达1 0 多分钟，比起内燃机汽车起动的时间长缛多，影响其机动性能。 此外，在f c e v 受到振动或者冲击时，各种管道的连接和密封的可靠性需要进一步的 提高，以防止泄漏，降低效率，严重时引发安全事故。 2 3f c e v 的动力性麓 2 3 1f c e v 的能量传递和能量损耗 f c e v 的动力系统主要由燃料电池发动机和驱动电动机组成。燃料电池发动机提 供直流电源，经过动力d c d c 转换器、电流控制器、逆变器等电子控制装置，转换成 三相交流电来驱动电动机，然后通过减速器、驱动桥和车轮等驱动系统驱动汽车行驶。 燃料电池不存在蓄电池的电能转换为化学能的“充电”过程，也不存在蓄电池内阻的能 量损耗。f c e