（车辆工程专业论文）基于多模型控制的燃料电池汽车混合动力系统优化研究.pdf

摘要 内燃机动力体现了整整一个世纪人类智慧的精华，但它致命的弱点是造成环 境污染，而且世界的石油资源已日益枯竭，内燃机很难从根本上摆脱这一被动的 不利局面。开发电动汽车，在能源环保形式日益严峻的情况下倍受瞩目。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 ) 是2 0 世纪7 0 年代产生而最近l0 年兴起开发的一种高效、清洁、零污染的车型。以质子交换膜燃料电池为动力源 的汽车称为燃料电池电动汽车，而整车的动力系统结构及能量管理策略则是整个 燃料电池电动汽车研究的热点及关键技术。 本文正是以开发研究燃料电池电动汽车为背景，以燃料电池电动汽车动力系 统为研究对象，从燃料电池电动汽车的电电混合动力系统结构入手，基于a d v i s o r 平台建立了电电混合动力系统的基本模型，并提出基于多模型切换控制的动力系 统能量管理策略，仿真计算结果证明了该控制策略的有效性。本文主要研究成果 如下： ( 1 ) 提出了一种燃料电池电动汽车三能源电电混合动力系统的结构，即采用 燃料电池系统、磷酸铁锂电池组及超级电容器组共同构成混合动力系统，在分析 各能源特性及动力系统构型的基础上优化了电电混合动力系统的结构，并设计和 确定了整车基本性能指标及动力系统关键参数；基于a d v i s o r 平台，以模块化的 方式对动力系统每个子部件进行建模，在整车车辆模型研究的基础上，建立了整 个电电混合动力系统的仿真模型。 ( 2 ) 针对难以用一个单一模型及控制方法来描述整个动力系统行为的问题， 提出基于多模型切换控制的动力系统能量管理优化策略。通过对电电混合动力系 统在不同工作模式( 启动模式、加速爬坡模式、巡航模式及减速制动模式) 下的能 量管理模式及功率分配关系进行研究，设计了基于模糊监督规则的动力系统能量 流多模型切换控制策略。 ( 3 ) 由于燃料电池系统动态响应偏软的特性将导致整车动力性不足，故在建 立的动力系统能量流多模型基础上，提出了动力系统能量管理与燃料电池系统控 制综合优化方案，即在加速爬坡模式下，有针对性的设计了燃料电池系统输出功 率神经网络预测控制策略，提高了整车的动力性能。 ( 4 ) 对燃料电池电动汽车动力系统常用能量管理策略及本文提出的基于多 模型切换控制的能量管理策略进行了分析比较，仿真结果表明，嵌入基于多模型 切换控制的动力系统能量管理策略后，整车燃料经济性指标相比嵌入功率跟随模 式控制策略的经济性指标降低了3 3 。提出燃料电池电动汽车动力系统混合度 的概念，并对不同结构及混合度的动力系统进行了仿真计算，基于仿真结果对整 车动力系统结构及混合度做了进一步优化。 综上所述，本文以燃料电池电动汽车电电混合动力系统结构及能量管理策略 为优化对象，提出了一种三能源混合的动力系统结构，并采用基于多模型切换控 制的动力系统能量流管理策略，仿真计算结果证明了该策略的有效性，这为燃料 电池电动汽车动力系统的结构设计，配置选型以及系统优化控制方面提供了一种 思路和参考。 关键词：电电混合动力系统；多模型切换控制；模糊监督规则；神经网络预 测；混合度优化 i i a b s t r a c t i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n ei n c a r n a t e st h ed i s t i l l a t eo fh u m a nw i s d o mi nt h ef u l l c e n t u r y , b u tt h ef a t a lw e a k n e s so f i ti st oc a u s ep o l l u t i o n a st h ep e t r o l e u mr e s o u r c ei n t h ew o r l dh a sd r i e du pd a yb yd a y , i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ec a nh a r d l yb r e a k s a w a yf r o mt h ep a s s i v ec o m p l e x i o n i n c o n s i d e r a t i o no fe n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t o d e v e l o pe l e c t r i cv e h i c l ei si n d i s p e n s a b l e f u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l ei sak i n do fh i g h e f f i c i e n t ，c l e a na n dn o n e m i s s i o na u t o m o b i l e s ， w h i c ho r i g i n a t e di nt h e19 7 0 s ，a n db e c a m et h er e s e a r c hf o c u si nr e c e n tt e ny e a r s t h e m a i np o w e re n e r g ys o u r c eo ff u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l ei sp r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e f u e lc e l l ，a n dp o w e rs y s t e ms t r u c t u r ea n de n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yi st h ef o c u s t e c h n o l o g yo f t h ee n t i r er e s e a r c hf i e l do ff u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e t h i sa r t i c l et o o kt h ep o w e rs y s t e mo ff u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l ea sr e s e a r c h i n g o b j e c tu n d e rt h eb a c k g r o u n do fd e v e l o p i n gf u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e a n a l y s i so f e l e c t r i c - e l e c t r i ch y b r i dp o w e rs y s t e ms t r u c t u r eo ff u e lc e l lv e h i c l e ，t h eb a s i cm o d e l o fh y b r i dp o w e rs y s t e mw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea d v i s o rp l a t f o r m t h ep o w e r s y s t e me n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yb a s e do nm u l t i p l em o d e ls w i t c hc o n t r o lw a s b r o u g h tf o r w a r da n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw o u l dp r o v et h a tt h es t r a t e g yw a sv e r y e f f e c t i v et ot h ew h o l es y s t e m t h em a i nr e s e a r c hp r o d u c t i o na n di n n o v a t i o np o i n ta l e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee l e c t r i c - e l e c t r i ch y b r i dp o w e rs y s t e ms t r u c t u r eo ff u e lc e l lv e h i c l ew a s d e s i g n e d ，t h a ti s ，t h ew h o l ep o w e rs y s t e mi n c l u d e dt h ef u e lc e l ls y s t e m , t h el i f e p o 一4 b a t t e r yp a c ka n dt h e u l t r ac a p a c i t o rp a c k a n a l y s i so fe v e r ye n e r g ys o u r c e c h a r a c t e r i s t i ca n dc o n f i g u r a t i o no fp o w e rs y s t e m , t h ee l e c t r i c - e l e c t r i ch y b r i dp o w e r s y s t e ms t r u c t u r ew a so p t i m i z e d ，a n dt h ev e h i c l e sb a s i cp e r f o r m a n c ei n d e xa n dp o w e r s y s t e mc r u c i a lp a r a m e t e rw a sd e s i g n e d b a s e do nt h ea d v i s o rp l a t f o r m ，t h ee a c h c o m p o n e n t sm o d e lo fp o w e rs y s t e mw a se s t a b l i s h e db yt h em o d u l a rw a y , i n c l u d i n g t h e f u e lc e l ls y s t e m , t h el i f e p o 4b a t t e r yp a c k , t h eu l t r ac a p a c i t o rs y s t e m , t h e d c d cc o n v e r t e ra n dt h ed cb r u s h l e s sm o t o r b a s e do nt h ea d v i s o rp l a t f o r m ，t h e b a s i cm o d e lo fe l e c t r i c - e l e c t r i ch y b r i dp o w e rs y s t e mw a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so f r e s e a r c h i n gv e h i c l e sb o d ym o d e l ( 2 ) b e c a u s et h e r ew e r en o to n es i n g l em o d e la n dc o n t r o lm e t h o dw h i c hc o u l d d e s c r i b et h ew h o l ep o w e rs y s t e m ，t h ep o w e rs y s t e me n e r g ym a n a g e m e n to p t i m i z a t i o n s t r a t e g yb a s e do nm u l t i p l em o d e ls w i t c hc o n t r o lw a sd e s i g n e d t h e r ew e r ev a r i o u s m w o r k i n gm o d e st ot h ee l e c t r i c e l e c t r i ch y b r i dp o w e rs y s t e m ，w h i c hi n c l u d e ds t a r t - u p m o d e ，a c c e l e r a t i n go rc l i m b i n gm o d e ，c r u i s i n gm o d ea n db r a k i n gm o d e ，a n dt h e e n e r g ym a n a g e m e n tt a r g e ta n dp o w e rd i s t r i b u t i o nm e t h o do fr e s p e c t i v ew o r k i n gm o d e w a sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d b ya p p l y i n gt h ef u z z ys u p e r v i s e dr u l e ，t h ep o w e r s y s t e me n e r g yf l o wm a n a g e m e n ts t r a t e g yb a s e do nm u l t i p l em o d e ls w i t c hc o n t r o lw a s d e s i g n e d ( 3 ) t h ed y n a m i cr e s p o n s es 0 1 f ic h a r a c t e r i s t i co ff u e lc e l ls y s t e mw i l lr e s u l ti n p o o rd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，s ot h ei n t e g r a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o d sc o m b i n i n gp o w e r s y s t e me n e r g ym a n a g e m e n ta n df u e lc e l ls y s t e mc o n t r o lw e r eb r o u g h tf o r w a r d i nt h e a c c e l e r a t i n gm o d e ，t h en e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yo ff u e lc e l ls y s t e m o u t p u tp o w e rw a sa d o p t e d ，a n dt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a t t h es y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c ec o u l db ei m p r o v e db yt h e p r e d i c t i v ec o n t r o l s t r a t e g y ( 4 ) t oc o m p a r eo t h e re n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yo ff u e lc e l lv e h i c l ep o w e r s y s t e mw i t he n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yb a s e do nm u l t i p l em o d e ls w i t c hc o n t r o l p r o p o s e do nt h i sa r t i c l e ，t h es i m u l a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t sw e r cp r e s e n t e d ，w h i c hi n d i c a t e d s h o w e dt h a tv e h i c l ef u e l e c o n o m yi n d e xd e c r e a s e d3 3 c o m p a r e dw i t hp o w e rf o l l o w i n gc o n t r o ls t r a t e g yb y a p p l y i n gt h ep o w e rs y s t e me n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yb a s e do nm u l t i p l em o d e l c o n t r 0 1 t h ec o n c e p to fh y b r i dr a t i o na b o u tp o w e rs y s t e mw a sp r o p o s e d ，a n dt h e p o w e rs y s t e ms t r u c t u r ea n dh y b r i dr a t i ow a sf u r t h e ro p t i m i z e do nt h eb a s i so f s i m u l a t i o no f p o w e rs y s t e mw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r ea n dh y b r i dr a t i o i na w o r d ，t h i sa r t i c l et o o kt h ee l e c t r i c - e l e c t r i ch y b r i dp o w e rs y s t e ms t r u c t u r ea n d e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yo ff u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l ea so p t i m i z a t i o no b j e c t , a n d p r o p o s e do n ek i n do ft h r e ee n e r g ys o u r c eh y b r i dp o w e rs y s t e ms t r u c t u r e , a n da d o p t e d p o w e rs y s t e me n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yb a s e do nm u l t i p l em o d e ls w i t c hc o n t r 0 1 i nt h ee n d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a di n d i c a t e dt h i ss t r a t e g y sv a l i d i t y , w h i c hc o u l d p r o v i d ea k i n do fr o a d w a ya n dr e f e r e n c eo nt h ea s p e c to fo p t i m i z i n gp o w e rs y s t e m s t r u c t u r eo ff u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：e l e c t r i c - e l e c t r i ch y b r i dp o w e rs y s t e m ；m u l t i p l em o d e ls w i t c h c o n t r o l ；f u z z ys u p e r v i s e dr u l e ；n e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o n ；h y b r i dr a t i oo p t i m i z a t i o n i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：性导师签毖日期：一 武汉理工大学博十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 1 1 1 燃料电池及燃料电池电动汽车 不用再去加油站排队加油了，不用再为昂贵的油费心疼，也不用再闻到污浊 的汽车尾气了，在家里就可以给汽车加足马力，只要将汽车连上电源充电一这就 是电动汽车。随着全球能源和环境形势的同益严峻，新能源汽车尤其是电动汽车 逐步成为全球汽车工业的研究热点n 吲。 中国工程院院士、世界电动车协会创办人陈清泉先生说，新能源机制不是说 可有可无，而是汽车工业必经的道路。如果不出新能源汽车，汽车就不能做到可 持续发展h 1 。 “汽车交通已经发展到了需要进行变革的阶段。 w w f 报告电动汽车：石 油时代的终结的作者肯道尔博士( d r g a r yk e n d a l l ) 说：“对于能源供应多样化， 能源效率高，与可持续可再生能源未来相兼容的各类汽车，我们都需要加快商业 化进程。交通电气化是我们实现这个目标的最佳选择之一。 跚 无可置疑，现在全世界都把目光聚焦在了新能源汽车领域。有关专家分析认 为，以石油为主要能源的汽车产业，必将在不久的将来转变为以新能源为支撑的 新型汽车产业。届时，谁掌握了新能源，谁就掌握了车市未来嘲。 按照中国汽车工业咨询委员会委员陈光祖的定义，现代电动汽车由纯电动汽 车、混合动力汽车和燃料电池汽车三大车种构成口1 。 具体来说，纯电动汽车作为特小型汽车进入家庭在社区有限地带、作为非上 路车辆为某一专门业务服务等，都是非常适合的。但是纯电动车的问题在于车载 蓄电池至今仍未达到理想的程度，故内燃机与电动机相结合的混合动力电动汽车 将会有更大的发展。国际汽车界人士认为，混合动力电动汽车是当代最佳的电动 汽车。但它仍是一种过渡性的产品，仍存在内燃机低效率、高排放的缺点，各种 混合动力车辆性能有待进一步提高，而最终混合动力汽车将被氢燃料电池汽车所 替代嘲。 至于污染排放量几乎为零的未来终极新能源的杰出代表氢动力燃料电池车， 正掀起全世界顶级汽车企业及科研机构研究的热潮。燃料电池以其特有的燃料效 率高、质量能量大、功率大、供电时间长、使用寿命长、可靠性高、噪声低及不 产生有害排放物n 0 2 等优点正在引起世界各国的注意嘲。如图l 所示，与内燃机 汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少9 9 ，c o 。的生成量减少 武议理t 人学博i 学位论文 7 5 ，电池能量转换效率约为内燃机效率的25 倍；与纯电动汽车及混台动力汽 车相比，燃料电池汽车的排放与纯电动汽车相当，但其能量效率则更高，综合来 看，燃料电池将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一“。 标准 1 2 倍 上 2 3 倍蛐r i 睥 c 晴雌 图1 - 1 内燃机车与电动汽车燃料效率及排放对比图 近年来一些厂家，如戴姆勒一克莱斯勒、丰田、通用、本田、日产、福特等 公司都开发了自己的燃料电池电动汽车( f c e v ) 。汽车界人士认为f c e v 是汽车 工业的一大革命，是2 1 世纪真正的纯绿色环保车，是最具实际意义的环保车种。 燃料电池按燃料状态分为液体型和气体型2 种；按工作温度分为低温型( 低 于2 0 0 ) 、中温型( 2 0 0 7 5 0 ) 和高温型( 高于7 5 0 ) ；按电解质类型不同分， 常有这几种：碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸燃料电池( p a f c ) 、熔融碳酸盐燃料电 池( m c f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 、质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 等“。 由于汽车是移动式交通工具，因此要求车用燃料电池具有较高的能量密度以 及作为车辆所必需的快速起动和动态响应的能力，同时，具有成本低、安全性好、 寿命长等特点。从能量密度、操作温度、耐c 0 2 能力以及耐振动冲击能力等来 看，质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 最适合用作电动汽车的动力能源，它与电动 机结合后，成为一种新概念的动力机，是内燃机最强有力的竞争者。 1 12 燃料电池电动汽车多能源电电混合动力系统 作为新能源汽车的概念虽然众多，但是简单来说无外乎蓄电池车、天然气车、 太阳能车、混合动力车、氢燃料电池车等几种。其中最被众多人看成是终极解决 方案的应该是氢燃料电池作为动力的汽车“”。氢燃料电池汽车的实质含义就是 利用氢和氧( 或空气) 直接经化学反应产生电能转换为动能的的汽车。 2 武汉理t 大学博上学位论文 目前，燃料电池汽车也是多样化的，最初的一类是纯燃料电池汽车，即整车 驱动功率都由燃料电池来承担，由于整车功率输出波动性非常大，故纯燃料电池 汽车的动力源燃料电池一般配置大功率等级电池，而整车正常工作时燃料电池一 般仅输出其最大功率的4 0 左右。 鉴于目前纯燃料电池汽车存在许多自身无法解决的问题，如汽车的起动，瞬 态响应特性，燃料电池系统带来的成本等，世界各大汽车厂商开始把重点转向燃 料电池电电混合动力汽车n 钔。 综合来说，在目前的燃料电池电动汽车中，往往采用蓄电池( 如铅酸、镍氢 以及锂离子电池等) 或超级电容器作为辅助能源与燃料电池并联组合共同作为动 力源，称为燃料电池汽车多能源电电混合动力系统。一旦辅助能源( 蓄电池或超 级电容器) 与燃料电池形成混合型燃料电池汽车，则可以适当降低燃料电池的输 出功率，并提高整车的动态性能及经济性。当然，燃料电池辅助能源混合动力 电动汽车动力匹配的研究是一个新的课题，它是为解决多能源动力系统最佳工作 条件与车辆行驶条件相适应的问题。根据汽车的行驶条件和使用要求，合理选择 动力系统各参数诸( 如燃料电池类型、功率，辅助能源类型、容量，电动机类型、 额定功率、电压、转速，功率变换器型式、容量、电压等) 和动力系统的控制策 略，以达到整车动力性和经济性的最佳，这正是本文研究的重点。 1 2 研究背景及意义 1 2 1 课题来源 本学位论文的研究主要得到如下两个项目的资助： ( 1 ) 国家自然科学基金项目( 6 0 7 0 5 0 3 2 f 0 3 0 6 0 5 ，燃料电池机器人动力系统 的多模型自适应预测控制研究) ( 2 ) 国家8 6 3 重大项目( 2 0 0 6 a a l l a l 3 3 ，基于c c m 技术的车用燃料电池发 动机研发) 1 2 2 论文研究背景 内燃机动力体现了整整一个世纪人类智慧的精华，主宰了汽车动力几十年， 但它致命的弱点是造成环境污染，而且世界的石油资源只够再开采大约5 0 年， 内燃机很难从根本上摆脱这一被动的不利局面。蓄电池虽然无排放、无噪声，但 是其能量密度偏小导致整车续驶里程不够，且蓄电池充电时间太长也是目前难以 逾越的障碍。因此，蓄电池纯电动汽车在替代内燃机汽车的道路上仍存在许多技 术上的难题，目前只能扮演辅助能源和有限范围内运输工具的角色。2 0 世纪9 0 年代兴起的混合动力车是当今阶段一种过渡形式的车，不能彻底解决汽车尾气污 3 武汉理1 = 大学博士学位论文 染的问题。 治理汽车尾气排放，改善人类生存环境，发展“清洁汽车，遏止大气状况 恶化成为汽车工业可持续发展面临的首要难题。研究表明，造成大气污染的气体 主要有非烷有机物、氮氧化合物和一氧化碳。据统计口5 | ，在美国有4 3 的非甲烷 有机物、5 7 的氮氧化合物和8 2 的一氧化碳都是通过汽车排放产生的，而全世 界2 0 的一氧化碳排放量来源于汽车废气。在过去的1 0 0 年中，氮氧化合物在 空气中的含量上升了1 5 。另外，汽车尾气也是产生酸雨、光化学烟雾等致使环 境恶化的重要因素。近年来，温室效应问题受到全世界的广泛关注。在人为因素 产生的温室气体中( 主要是二氧化碳) 有2 5 是由交通运输业带来的，每加仑汽油 从生产、销售到用于驱动汽车大约要产生2 5 磅二氧化碳。 能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展重要战略物 资。我国人口众多，人均能源资源占有量不到世界平均水平的1 2 ，石油仅为1 1 0 。 中国未来能源供需缺口将越来越大。石油进口依存度( 净进口与消费量之比) 由 1 9 9 5 年的6 6 上升为2 0 0 0 年的2 0 ，预计2 0 1 0 年将上升为2 3 。在新的世 界石油危机面前，我国能源供应的安全性必将受到威胁。根据国际上通行的能源 预测数据，石油将在4 0 年内枯竭，天然气将在6 0 年内用光，煤炭也只能用到 2 2 2 0 年。寻找新型能源和可替代能源已成为人社会发展的必经之路。 近几十年来，世界各国政府和学术界以及工业界一直致力于研究开发和推广 使用各种低排放或零排放汽车，以解决空气污染问题。与6 0 年代的汽车相比， 如今燃油汽车的非甲烷有机物和一氧化碳的排放量减少了7 6 。尽管取得了如此 大的进步，但由于汽车总量和行驶里程的不断增加，汽车仍是造成大气污染的主 要污染源。1 9 9 3 年9 月，联邦政府和美国汽车联合会( 包括克莱斯勒、福特、 通用) 进行了历史性的合作，提出汽车是人类文明的象征与产物，与人类社会文 明进程息息相关，毫无疑问，汽车的发展脱离不了可持续发展的轨道。 2 0 世纪末国际上已形成一个质子交换膜燃料电池汽车开发的热潮。目前世 界各国政府以及各大汽车公司纷纷投入巨资进行质子交换膜燃料电池车的研究 与开发。科技部也将质子交换膜燃料电池混合动力汽车列为国家十五8 6 3 计划 电动汽车重大专项的主要攻关技术之一。美国政府计划在2 0 2 0 年燃料电池汽车 进入商业化。日本政府目标燃料电池2 0 2 0 年达到5 0 0 万辆，2 0 3 0 年达到1 5 0 0 万辆。欧盟国2 0 0 3 年已共计推出3 3 辆燃料电池巴士，在欧盟8 个国家1 0 个主 要城市示范运营，2 0 0 6 年3 月有3 辆燃料电池巴士在北京试运营，获得了宝贵 的实测数据。欧盟计划燃料电池汽车在2 0 2 0 年进入商业化应用的起飞阶段。我 国作为汽车大国向汽车强国转折时期，也承担发展燃料电池汽车的研发和应用。 在2 0 0 8 年奥运会上，我国成功地展示了电动汽车的研发和制造成果，并在全国 4 武汉理t 大学博卜学位论文 1 0 大城市开展“十城千辆”的新能源汽车计划，而对于燃料电池汽车的研发科 技部持续投入经费支持，并计划实现2 0 1 5 年达到燃料电池汽车万辆级水平n 砌。 2 0 0 8 年的北京奥运会，是我国电动汽车产业建设的新里程。奥运会上一批 新能源汽车( 纯电动服务车、混合动力专线巴士、燃料电池马拉松引导车等) 展现 在全世界人民的眼前，显示出我国自主品牌电动汽车的靓丽风采。汽车产业无论 是过去还是未来都是全球化程度发展形式最一致的产业，我国汽车产业发展路线 图符合国际电动汽车产业发展的程序，也符合中国国情，目标是建设一个具有国 际一流水平，自主的电动汽车产业。 专家指出，在电动汽车领域，我国和发达国家处在同一起跑线上，某些方面 甚至还处于世界领先水平，这为我国汽车工业技术实现跨越式发展提供了一次历 史性的机遇。更重要的是我国还有后发优势。有关分析认为，电动汽车之所以在 西方没有快速发展起来，表面原因是成本没有降到可以与燃油汽车相竞争的水 平，但更深层次的原因是传统汽车工业强大的惯性，因为生产电动汽车不仅仅是 燃油发动机的更改，而且是设计、制造、材料、电气、控制和整个社会服务体系 的全面变革n 7 1 。这就意味着以传统汽车工业为基础的国家，整个工业体系面临巨 大调整，代价难以承受。这实际上为我国提供了一个机会，我国传统汽车工业和 西方相比，相当弱小，没有结构调整的沉重包袱，这便是可以充分利用的后发优 势。 此外，我们还可以通过开发自己的电动汽车，申请专利，制定相关技术标准， 有力狙击跨国公司在中国的“跑马圈地，保护自己的汽车工业。发达国家一般 靠标准，这是产业界的游戏规则，已成为各国谋取自身利益的得力武器。如欧洲 已经制定了欧洲1 、2 、3 号尾气的排放标准，不够标准的汽车就被排斥在外。更 典型的例子是，通用汽车为“自主魔力 概念车申请了2 4 项专利，范围涉及商 业模式、技术和制造等方面。也就是说，通用汽车制定了该类产品的行业标准。 如果我国在电动汽车的发展上取得了成功，就可以制定汽车尾气的零排放标准， 以保护本国的合法权益n 引。 目前电动汽车分为三种：纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽 车。由于燃料电池具有能量转化率高，燃料多样化，环境污染小、噪音低、可靠 性强、维修性好等优点，因此开发燃料电池电动汽车，在能源环保形式日益严峻 的情况下倍受瞩目n 蝴】。 电动汽车承载着我国汽车工业太多的希望，因此，科技部在把它确定为“十 五”8 6 3 重大科技专项时，明确提出要在体制上进行创新，选择“官、产、学、 研 联合攻关的研发模式，整合社会资源，研制具有自主知识产权的电动汽车嘲。 本文正是在国际国内展开燃料电池电动汽车研发热潮的大形势下进行研究工作 5 武汉理t 大学博卜学位论文 的，同时得到了国家8 6 3 重大项目、湖北省科技攻关和东风汽车公司的联合支持， 旨在燃料电池电动汽车动力系统构型、配置及控制策略等研究领域进行细致深入 的优化工作。 1 2 3 课题研究意义 能源、环保与安全是未来汽车技术可持续发展的三大主题。如果说上世纪关 注的是汽车的节能、排放和安全技术，那么本世纪初已经更多的将目光转向汽车 的新能源和环保技术。如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业，将会给燃 油的需求和环境保护造成巨大的压力。研制开发更节能、更环保、使用替代能源 的新型汽车成为各大汽车公司的必经之路，燃料电池电动汽车就是完全零污染的 新能源汽车。 现在制约燃料电池电动汽车产业化的重要因素就是成本高、动态性能差。人 们对燃料电池、蓄电池、超级电容、电机等各部件的认识还不全面，对各部件间 的耦合、总成机理、建模及控制研究还不够充分。燃料电池不支持能量的双向流 动，不能吸收汽车制动过程中产生的电能，因此，燃料电池与蓄电池、超级电容 等辅助能量装置配合使用还要持续很长时间，它们共同构成燃料电池电动汽车的 多能源电电混合动力系统。燃料电池动态特性随负荷变化幅度大，具有显著的非 线性特性，主要提供汽车正常行驶所需能量，辅助能量装置提供汽车加速、爬坡 所需额外能量，并吸收汽车再生制动产生的电能。所以研究燃料电池、蓄电池或 超级电容间的能量动态特性、合理控制能量流向是降低成本、提高整车动态性能 和整车效率的关键，具有重要的社会意义及经济效益。 总的来说，燃料电池电动汽车的关键技术一在于燃料电池，二在于多能源动 力系统智能控制及能量分配策略，所以加大对燃料电池电动车控制技术的研究力 度是非常必要的，这对提高自主创新能力，掌握燃料电池电动汽车核心技术具有 重要意义。 燃料电池辅助能源电电混合电动汽车动力匹配的研究是一个新的课题，它 是为解决双能源动力系统最佳工作条件与车辆行驶条件相适应的问题。燃料电池 辅助能源双能源电动汽车动力系统的合理匹配，就是根据汽车的行驶条件和使用 要求，合理选择动力系统各参数( 诸如燃料电池类型、功率，辅助能源类型、容 量，电动机类型、额定功率、电压、转速，功率变换器型式、容量、电压等) 和 动力系统的控制策略，以达到整车动力性和经济性的最佳。 燃料电池辅助能源电电混合双能源电动汽车区别于传统单能源电动汽车主 要是其动力系统的不同，而动力系统的结构选型、参数匹配和控制策略的研究在 双能源电动汽车开发中处于关键地位。运用电动汽车建模和仿真技术对于加快双 能源电动汽车动力系统的开发进度、提高开发水平，无疑具有重要价值啪1 。要实 6 武汉理t 大学博十学位论文 现对燃料电池电动汽车电电混合动力系统的合理高效控制，就必须建立燃料电 池、辅助能源等部件的模型，并研究多能源动力系统的结构形式和能量管理目标， 进行能量管理的综合控制妇引。 国内外已有研究成果考虑的往往是基于简化模型的能量流，而未考虑燃料电 池、蓄电池或超级电容问能量的动态优化分配问题，控制策略的制定往往仅根据 车辆本身的情况来定的，并未考虑到不同路况和驾驶趋势下车辆行驶的特点，而 采取单一的控制规则；或者采取多个模糊控制单元，使系统结构复杂化，增加了 各控制单元之间协调性的问题。全世界尚未形成一套燃料电池电动汽车混合动力 智能控制及能量合理分配的标准策略及算法，都处在一个不断实践不断摸索的过 程中。 本文研究的燃料电池电动汽车动力系统是一个典型的多输入多输出、非线性 强耦合复杂系统，具有启动、加速、爬坡、巡航行驶、减速制动等多个状态，难 以用一个模型来描述系统行为。因此本文提出基于多模型切换控制的动力系统能 量管理策略来对系统进行优化。 1 3 国内外研究现状分析 1 3 1 燃料电池电动汽车研究现状分析 作为燃料电池电动汽车的主动力能源质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 是一种 将氢和氧的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。这种装置的最大特点是 由于反应过程不涉及燃烧和热机做功，因此能量转换效率不受“卡诺循环”的限 制，大部分类型的燃料电池的效率高达5 0 - 6 0 ，通过对余热的二次利用， 总效率可高达8 0 - - 8 5 。作为动力源，其实际能源利用效率是普通内燃机的 2 - - 3 倍。此外燃料电池的特点还包括啮3 ： ( 1 ) 无污染，可实现零排放。工作过程的唯一产物是水。 ( 2 ) 效率高，随输出变化的特性好。部分功率下运行效率可达6 0 ，短时过 载能力可达到2 0 0 的额定功率。 ( 3 ) 运行噪声低，可靠性高。无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。 ( 4 ) 构造简单，便于维护保养。模块化结构，组装和维护方便；没有运动部 件，磨损之类故障少。 ( 5 ) 燃料( 氢气) 来源广泛。制备方法多样，可通过石油、甲醇等重整制氢， 也可通过电解水、生物制氢、可再生能源( 太阳能、风能) 制氢等方法获取氢气。 ( 6 ) 燃料补充方便。可以采用甲醇等液体为燃料，利用现有的加油站系统， 采用与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充。 7 武汉理工大学博士学位论文 ( 7 ) 环境适应性强。它的功率密度高、过载能力大、可不依赖空气，因此可 两栖使用，适应多种环境及气候条件。 加拿大巴拉德( b a l l a r d ) 汽车公司是p e m f c 燃料电池技术领域中的世界先驱 公司，自1 9 8 3 年以来，b a l l a r d 公司一直从事开发和制造燃料电池。1 9 9 2 年巴拉 德公司在政府的支持下，为运输车研制了8 8 k w 的p e m f c 动力系统，以p e m f c 为动力做试验车进行演示。1 9 9 3 年巴拉德公司推出了世界上第一辆燃料电池电 动公共汽车样车，装备1 0 5 k w 级p e m f c 燃料电池组，能载客2 0 人，对于一般 城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态氢气即可连续运行4 8 0 k m 呦3 。 目前，世界上各大知名汽车公司都在进行燃料电池汽车的研究，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、以液态氢为燃料的质于交换膜燃料电池车，时速可达1 4 4 8 k m h 。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) 的质子交换膜燃料电池车。福特汽车公司在1 9 9 8 年1 月北美底特律国际汽车展 土展出了p 2 0 0 0 燃料电池概念车，使用了d b b 公司生产的燃料电池堆，时速可 达1 4 4 8 k m h 。1 9 9 4 年起，戴克公司推出了5 种不同的燃料电池车。1 9 9 3 年3 月，推出n e c a r 4 燃料电池车，以液氢为燃料，时速可达1 4 4k m h 。2 0 0 0 年1 1 月，戴克公司展出了n e c a r 5 燃料电池车，采用了巴拉德公司“m a r k9 0 0 最 新一代燃料电池堆，最高车速为1 5 0k m h 。1 9 9 6 年，丰田汽车公司研制了使用 纯氢的r a v 4 燃料电池。本田公司在2 0 0 0 年北京国际汽车展览会上推出了f c x 燃料电池概念车，采用了甲醇重整制氢的质子交换膜燃料电池瞳们。然而这些都是 以燃料电池为唯一动力的单能源电动汽车。 由于目前纯燃料电池汽车存在许多自身无法解决的问题，如汽车的起动，瞬 态响应特性，燃料电池系统带来的成本等，世界各大汽车厂商开始把重点转向燃 料电池电电混合动力汽车。本田于2 0 0 1 年9 月4 日在以传媒为对象举行的 “2 0 0 1 本田会议 上宣布开发出了新型燃料电池混合动力汽车“f c x - v 4 ”。 燃料电池组采用的是加拿大b a l l a r