（车辆工程专业论文）燃料电池电动汽车动力系统参数匹配与优化研究.pdf

摘要 开发燃料电池电动汽车是解决当前能源短缺与环境污染问题的切实有效的 技术途径之一。以提高动力系统的效率为目标，研究多能源动力系统参数优化方 法，构建由燃料电池与辅助动力源组成的电一电混合动力系统，已成为燃料电池 汽车开发的关键技术。本文以燃料电池电动汽车动力系统设计为研究对象，以燃 料电池电动汽车的电电混合动力系统参数优化方法为重点，对某轻型燃料电池客 车动力系统进行了参数匹配与优化研究，主要的研究过程与成果如下： ( 1 ) 首先，综述了燃料电池电动汽车动力系统参数匹配与优化研究的内容， 主要概括了混合动力参数匹配和优化方法，指出加强燃料电池电动汽车电电混合 动力系统匹配与优化研究是提高动力系统效率的有效途径。 ( 2 ) 对比分析了燃料电池电动汽车动力系统的构型，得出间接燃料电池混合 动力系统结构更适合燃料电池电动汽车。在混合动力系统配置优化的基本原则 下，对两种间接燃料电池混合动力系统结构( f c + b ，f c + b + c ) 进行了重点分析。基 于对几种典型车用动力源特性和燃料电池混合动力系统技术要点的分析，结合某 中巴车原车型的技术参数，确定了燃料电池系统和磷酸铁锂电池组的混合动力系 统方案。 ( 3 ) 针对燃料电池混合动力系统的参数设计问题，文中提出了电电混合动力 系统的混合度的概念，并以汽车动力学理论为基础，将混合动力系统参数设计问 题转化为混合度的设计问题，得到了燃料电池混合动力系统的混合度设计方法， 并基于混合度对燃料电池电动汽车的动力系统进行特性参数设计，确定了动力源 总功率、混合度边值以及电机的特性参数。 ( 4 ) 根据燃料电池混合动力系统参数优化问题，建立了以汽车动力性为约束， 以燃料经济性为优化目标的非线性数学模型，确定了优化目标、优化变量和优化 约束。同时针对基本遗传算法不足之处，采用改进的混合遗传算法对优化问题进 行求解。该优化结果较优化前有明显改善，验证了混合遗传算法的有效性。文中 也分析了混合度、s o c 值对优化目标的影响。 ， 综上所述，文中对燃料电池电动汽车的动力系统构型优化、动力系统参数匹 配与优化的研究，为进一步的动力总成实验与样车设计提供了理论依据，对燃料 电池电动汽车的开发具有一定的参考意义；尤其是基于混合度的电电混合动力系 统参数设计方法和混合遗传算法在混合动力系统优化中的应用，对其他型混合动 力系统参数匹配与优化也具有一定的参考价值。 关键词：燃料电池电动汽车电电混合动力系统参数匹配与优化混合度混合遗 传算法 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ff u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) i so n eo ft h em o s t e f f i c i e n tt e c h n o l o g i e st os o l v et h ep r o b l e m sw h i c hw e r ec a u s e db yt h el i m i to fe n e r g y s o u r c e sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ri st h ek e yt e c h n o l o g yf o rf c e vt oc o m p o s e e l e c t r i c - e l e c t r i ch y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e mo ff u e lc e l la n da u x i l i a r yp o w e rs o u r c e ，a n d s t u d yo nm u l t i e n e r g yp o w e rs y s t e mp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n , a i m i n ga ti m p r o v i n g e f f i c i e n c yo f t h eo v e r a l lh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e m t h i sa r t i c l et a k ep o w e r t r a i ns y s t e m d e s i g no 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 go b j e c t ，f o c u so np a r a m e t e rm a t c h i n g a n do p t i m i z a t i o no fp o w e r t r a i ns y s t e mf o rf c e v , a n dm a k e sp a r a m e t e rm a t c h i n ga n d o p t i m i z a t i o no fp o w e r t r a i ns y s t e mf o rs o m ef u e lc e l le l e c t r i cb u s t h em a i nr e s e a r c h p r o c e s sa n dp r o d u c t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s to fa l l ，s u m m a r i z et h er e s e a r c hc o m e n t so fp a r a m e t e rm a t c h i n ga n d o p t i m i z a t i o n o ff c e vp o w e r t r a i n s y s t e m ，c o n c l u d ep a r a m e t e rm a t c h i n g a n d o p t i m i z a t i o nm e t h o df o rt h eh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e m ，a n dp o i n to u tt h es t u d yo n m a t c h i n ga n do p t i m i z a t i o no ff c e vp o w e r t r a i ns y s t e mi sae f f e c t i v ew a y t oi m p r o v e s y s t e me f f i c i e n c y ( 2 ) c o m p a r a t i o na n da n a l y s i so ff c e vp o w e r t r a i ns y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，o b t a i n t h a ti n d i r e c tf u e lc e l lh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e ms t r u c t u r ei sm o r es u i t a b l ef o rf c e v a tt h es a m et i m e ，t w oi n d i r e c tf u e lc e l lh y b r i dp o w c r t t a i ns y s t e ms t r u c t u r e s ( f c + b ，f c + b + c ) a r ef o c u s l l ya n a l y z e db a s e d o nb a s i cp r i n c i p l eo fh y b r i dp o w e r t r a i n s y s t e mc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n ，a n da n a l y z ec h a r a c t e r so ft y p i c a lp o w e rs o u r c e s a n dt e c h n o l o g i e so ff u e lc e l lh y b r i dp o w 删ns y s t e m , a n df i n a l l yd e t e r m i n et h e s t r u c t u r eo ff u e lc e l ls y s t e ma n dl i f e p o 4b a t t e r yp a c ko nc o n s i d e r a t i o no fd o n g f e n g b u sd e s i g nf e a t u r e s ( 3 ) f o rt h ep a r a m e t e rd e s i g no ff u e l c e l lh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e m ，t h ep a p e r p r o p o s et h ec o n c e p to fd e g r e eo fh y b r i d z a t i o n ( d o h ) f o re l e c t r i c e l e c t r i ch y b r i d p o w e r t r a i ns y s t e m t h ep r o b l e mo fp a r a m e t e rd e s i g nf o rh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e mi s c o n v e r s e da sd o hd e s i g no nf o u n d a t i o no fv e h i c l ed y n a m i c st h e o r y , a n dt h e n p r o d u c et h em e t h o do fd o hf o rf u e lc e l lh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e m t o t a lp o w e r , b o u n d a r yv a l u eo fd o h a n dt m o t o rp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db a s e do nd o h d e s i g nf o r p a r a m e t e r sd e s i g nf o rf c e vp o w e r t r a i ns y s t e m ( 4 ) o nt h eb a s i so fi n t r o d u c t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h ma n dh y b r i da l g o r i t h m ，a n d a c c o r d i n gt op a r a m e t e r so p t i m i z a t i o np r o b l e mo ff u e lc e l lh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e m ， i i b u i l tan o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hv e h i c l ed y n a m i cc o n s t r a i n ta n do p t i m a l f u e le c o n o m yt a r g e t ，a n db r i n gu p o p t i m a lt a r g e t ，o p t i m a lv a r i a b l e sa n dc o n s t r a i n t f u n c t i o n m e a n w h i l eh y b r i d g e n e t i ca l g o r i t h mi sa d o p t e dt o s o l v eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m sc o n s i d e r i n gi n a d e q u a c i e so ft h eb a s i cg e n e t i ca l g o r i t h m ，a n do p t i m i z a t i o n r e s u l t sa r es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dc o m p a r e l l y , v e r i f i n ge f f e c t i v e n e s so fh y b r i dg e n e t i c a l g o r i t h m a tl a s t ，t h ei m p a c to fd o ha n ds o c v a l u eo no p t i m i z a t i o no b j e c t i v e si s a n a l y z e d t os u mu p ，t h i st h e s i s s s t u d yo nc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n ，p a r a m e t e r s m a t c h i n ga n do p t i m i z a t i o n f o rf c e vp o w e r t r a i ns y s t e mp r o v i d e sat h e o r e t i c a l g u i d a n c ef o rt h en e x tp h y s i c a le x p e r i m e n ta n dr e a lv e h i c l ed e v e l o p m e n tw i t hc e r t a i n s e n s eo fr e a l i t y i np a r t i c u l a r , p a r a m e t e r sd e s i g nb a s e do nd o hf o rf c e vp o w e r t r a i n s y s t e m ，a n da p p l i c a t i o no fh y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o ni nh y b r i dp o w e r t r a i n s y s t e mo f f e rc e r t a i nr e f e r e n c ef o rp a r a m e t e r sm a t c h i n ga n do p t i m i z a t i o nf o ro t h e r s i m i l a rh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e m k e y w o r d s ：f c e v , 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 t m ，p a r a m e t e rm a t c h i n g a n do p t i m i z i n g ，d e g r e eo fh y b r i d z a t i o n ，h y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m i i i 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。 签名：靼日期：剖出一 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： 晒躲7 眇慨渺_ y 乡 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题的目的及意义 第1 章绪论 在饱受全球金融危机影响下的汽车业，新能源汽车无疑成了各汽车集团乃至 各国政府振兴汽车业的一剂良药。目前世界各国都纷纷出台了支持新能源汽车的 相关政策，我国也在去年出台了汽车业振兴规划细则，大力支持新能源汽车 的开发和使用，燃料电池汽车也以其节能环保的前瞻性位列其中，并将离人们的 生活越来越近。 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。由 于化学反应过程中的能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率可达 6 0 - - - 7 0 ，其实际使用效率则是普通内燃机的2 倍左右【i 】。能量转换效率高是燃 料电池的主要特点之一。而质子交换膜燃料电池( p 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 ，p e m f c ) 具有无污染、高效率、适用广、低噪声、可快速补充能量、 具有模块化结构等特点，是燃料电池中替代传统内燃机的最理想的动力源，很适 合作为车辆的动力源，顺应了新能源汽车的技术要求。 因此，在节能和环保已成为现代汽车工业发展的主题之际，燃料电池电动汽 车成为新能源汽车战略中最具挑战性和前瞻性的汽车技术，不仅得到世界各大汽 车的重视，花大量资金进行研发和产业化研究，而且也被提升到国家能源战略的 高度。 目前在燃料电池汽车的研发及产业化中，其主要制约因素是燃料电池成本太 高，动态性能差；同时，对燃料电池、动力电池、超级电容、电机等各动力元件 的性能及其耦合的认识和研究不够深入全面，对个动力部件的建模、控制研究、 系统匹配及优化研究较为片面，缺乏系统的研究方法和有效的研究手段。 针对目前燃料电池的技术不足和高成本，燃料电池与蓄电池、超级电容等辅 助动力源组成的电电混合动力系统技术成了燃料电池电动汽车研发的热点。目前 燃料电池混合动力系统动力源的组合方式主要有：燃料电池与蓄电池混合动力系 统、燃料电池和超级电容混合动力系统、燃料电池、蓄电池和超高速飞轮混合动 力系统和燃料电池、蓄电池和超级电容混合动力系统等。在电电混合动力系统中， 燃料电池主要提供汽车正常行驶所需能量，辅助动力源提供汽车加速、爬坡所需 额外能量，并吸收汽车再生制动产生的电能。 燃料电池电动汽车混合动力系统区别于传统的单能源的燃料电池电动汽车 主要是其动力系统不同，其动力系统的构型、参数匹配和控制策略的研究是燃料 电池电动汽车研发的重要内容。 武汉理工大学硕士学位论文 燃料电池混合动力系统是一个由多元件构成的复杂系统，其各元件间性能特 点各异，耦合关系复杂，同时整车工况多变，混合动力系统的控制复杂。在对燃 料电池电动汽车混合动力系统进行设计时，不仅要保证整车动力性要求，同时要 合理匹配各动力元件及控制系统参数，这样不仅可以提高系统整体的运行效率和 经济性，还能实现整车的最大设计效益。 因此，燃料电池电动汽车电电混合动力系统匹配与优化研究也成为了一个极 有意义的课题。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 并实现最佳经济性的问题，其研究内容主要包括以下几项： ( 1 ) 混合动力的构型优化研究，即动力系统结构优化： ( 2 ) 动力系统参数匹配优化； ( 3 ) 系统控制策略及控制参数优化。 1 2 燃料电池电动汽车动力系统参数匹配优化的研究现状 与方法 燃料电池电动汽车的动力性及燃料经济性在很大程度上取决于电电混合动 力系统及其控制系统参数的合理匹配程度。研究表吲2 5 l ，对燃料电池电动汽车 的混合动力系统参数及其控制系统参数进行优化匹配，能有效地提高性能，使其 优越性得到更加充分的发挥。同时，这种参数优化不仅与动力元件参数有关，还 取决于控制策略及其相关参数。 目前国外主要集中于能量管理和分配策略的研究上，论述匹配优化的文献不 多；国内也就此展开了研究，但匹配优化理论侧重点各不相同，主要集中在对电 电混合动力系统的参数匹配和优化研究方面。 在动力系统的参数匹配方面，本文在查阅了现有的燃料电池电动汽车动力系 统参数匹配研究的相关文献资料的基础上，总结出了燃料电池电动汽车动力系统 参数匹配的几种方法及它们的局限性。 ( 1 ) 根据给定的整车参数和性能指标要求，运用汽车理论的相关公式计算各 部件的特性参数。 ( 2 ) 工况分析法：对车辆的运行工况进行分析，获得车辆在特定工况下运行 的动力和能量需求，然后在满足工况需求的基础上对各部件进行参数匹配设计。 ( 3 ) 仿真分析法：以a d v i s o r 、c r u i s e 等仿真软件为平台，针对混合动力总 成的各部件，编制相应的程序并且将数据输入文件，通过仿真研究确定各部件的 参数对整车性能的影响。 以上三种方法对动力系统的参数匹配均有一定的局限性，主要表现在： 1 ) 在设计各部件的特性参数时，仅考虑了每一个部件的参数，而忽略了混合 2 武汉理工大学硕士学位论文 动力系统的功率合理分配及其复杂的耦合关系； 2 ) 在对动力系统进行参数设计时，对于控制策略和控制参数的影响没有合理 的评估和分析，将导致其系统效率低下。 3 ) 在运用仿真分析时，没有合理的设计区域，设计过程繁琐，且易陷入盲区， 难以求得最优解。 在动力系统的参数优化研究方面，由于优化方法的进步，各种多目标优化算 法在工程中的成熟表现，使得混合动力系统的参数优化研究手段多样化。 目前应用于混合动力系统的优化方法主要有：正交优化、基于m a t l a b 优化 工具箱的f m i n c o n 函数优化、v i s u a l o o c 算法、d i r e c t 算法以及非梯度算法一粒 子群算法( p s o ) 、遗传算法( g a ) 等。 1 2 1 混合动力系统参数正交优化l o ，j 正交试验方法( o r t h o p l a n ) 是利用正交表( o r t h o g o n a l t a b l e ) 科学地安排和 分析多因素试验的方法。它的优化原理是选择对混合动力系统性能影响大的因素 作为正交试验的因素，并确定各因素的水平数。其中，因数水平数指的是因素在 试验中所处的各种状态或所取的不同值。 混合动力系统优化包括动力系统参数优化及其控制系统优化两个部分。正交 优化首先要确定混合动力系统参数基本正交优化和综合正交优化流程，建立混合 正交试验表，最后通过模拟试验和极差分析来确定一组最佳的混合动力系统参 数，其优化流程如图卜1 所示。 开始- ， 黻设计目标矿 分析混合动力 戮绒孽鑫掏“ 二二工二二 分析结构多数确 定正交魄化园鬻 二二工二 设一计一 正交试验襄矿 二二王二二 正交试验并z 寸络 果澄行穷麓分帮话 二二工二 多 桥王狻因囊， 初步礴l 定结擒爹 敬优化方嚣m 一 析控制系统参数， 确定正交优化因素- ， 设计籀的正交试验表一 正交忧眈试验，对绣 霆避行方夔分析一 二二二 二 分手斤生浚因票。确定 最优组台方察一 ，桫 曩雾求p 是| 南缡囊一j 图1 - 1 混合动力系统参数正交优化过程 3 武汉理工大学硕士学位论文 文献 3 - 5 对正交优化设计方法在混合动力多参数优化匹配和设计进行了较 为深入的研究并进行了实例仿真分析。研究课题主要是在保证整车动力性要求的 前提下，以最小燃油消耗为设计目标，根据正交设计理论，确定各因素即优化参 数的水平数主要包括：混合度鼠电池容量厌主减速比厶和电压等级v 等， 对混合动力系统进行优化，并确定一组满足优化目标的最优混合动力系统参数， 为混合动力系统改进提供了重要理论支持。 1 2 2 基于m a t l a b 优化工具箱的f m i n c o n 函数优化j 针对目标多变量优化问题，m a t l a b 优化工具箱提供了的典型优化算法 f m i n c o n 函数，它基于序列二次规划方法( s q p ) 的响应计算梯度，主要解决非 线性约束和边界优化问题。文献8 中应用f m i n c o n 优化算法对混合动力系统参数 优化，以百公里油耗为优化目标，对逻辑门限值控制策略的设计变量进行了优化， 优化目标函数为： r必 jm i n q 2 g ( f ) n _ 1 、 l 9 0 、上工， ig ( f ) = 厂( z ( f ) ，n a t ) ) 其中，g 一采样点t 时刻的燃油消耗率( g s ) ；a 一仿真步长；，一以采 样点t 时刻的转矩、转速为变量的函数；乃( f ) 一采样点t 时刻的发动机转矩；吃( f ) 一采样点t 时刻的发动机转速。 选取的优化变量：s o c 的上下限值，发动机启动转速l a u n c h s p d 和发动机 开关扭矩系数o f ft r q f r a c ；优化程序包括三个部分：目标函数、约束函数和 主函数。目标函数的作用是调用整车仿真模型，对选定循环工况进行仿真，最后 返回优化目标值和约束值到工作空间；约束函数的作用是对加速、爬坡工况进行 仿真分析并返回约束值到工作空间；主函数的作用是设置优化变量、约束变量限 值和优化选项并调用优化函数，最后保存优化结果。其优化过程为：首先由优化 模块即主函数向a d v i s o r 模块传递优化问题的初始值、目标函数和约束函数的输 入参数，a d v i s o r 模块计算出相应的目标函数和约束函数值；然后判断约束条件 是否成立，如果不成立，则更新初始值，循环上面的计算过程；如果成立，则优 化计算结束。其算法优化过程如图卜2 所示。 4 武汉理工大学硕士学位论文 函数的输出参数 图1 - 2 控制器参数优化流程图 1 2 3 基于a d v i s o r 的v i s u a i d o c 工具箱优化1 9 1 该算法提供了直接梯度优化( d g 0 ) 和响应表面近似( r s a ) 两种程序，d g o 采用 序列二次规划方法计算梯度以决定优化值的搜索方向；r s a 执行实验设计( d o e ) ， 为这些数据点建立基于响应的第二顺序值。基于表面响应，程序可以估计优化设 计点，评价这一点的函数值，更新基于实际值的近似值，并反复寻找最优设计点， 直到条件满足。 文献 9 采用了v is u a ld o c 工具箱优化对某燃料电池混合动力客车的能源配 置优化问题进行了研究，其具体方法是基于a d v i s o l 仿真平台运行元件自动选 型程序进行配置，以现有的元件技术参数为基础，以最小化系统配置为优化目标， 以燃料电池功率、蓄电池模块数和电机功率为优化变量，以车辆的动力性能设计 目标为约束条件，通过优化程序得到满足动力性能设计目标的最小系统配置。 优化前的元件技术参数须满足车辆的性能指标，在优化过程中，通过对基准 元件进行功率比例调节来选择配置元件功率。该优化过程仅以车辆的动力性要求 作为约束条件，忽略了车辆续驶里程要求，因此在选择优化配置时要进行仿真验 证。 研究中首先根据配置车辆确定了基准元件，包括燃料电池发动机的功率、 电池容量和模块数、电机功率等，选择v is u a l d o c 为优化工具箱，优化过程为： 1 ) 调节燃料电池的比例满足车辆爬坡性能要求，并保证电机能提供其峰值 功率；调节蓄电池的模块数满足车辆加速性能要求，并保证电机能提供其峰值功 率；若电池的c s h i s o c ( 蓄电池最小荷电状态) 为设计变量，试着调节电池的模 块数；若c s 一1 0 一s o c ( 蓄电池最大荷电状态) 为设计变量，对蓄电池特性调节其为 充电和放电最好的s o c 的平均值；若电池的c s h is o c 为设计变量，试着降低其 值的大小；若电机尺寸作为设计变量，试着降低电机尺寸。 2 ) 如果燃料电池和蓄电池数量发生变化要验证相应的爬坡性能和加速性 能。 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 重复以上操作直到系统趋于稳定。 该优化方法的优点是可以借助系统提供的大量试验数据和整车仿真模型，易 于实现模块化修改，程序操作简单；局限性是由于采用系统的稳态模型，忽略了 行驶车辆功率动态特性对系统效率的影响，且优化过程复杂。 1 2 4 其他优化算法1 1 0 , 1 1 l 1 ) d i r e c t 算法：该算法的原理是基于指定域的目标函数将目标区域有序的 分成多个小的组成部分，逐步搜寻理想区域，直到保证找到理想区域的最优点。 其算法优点是可以重新计算，让设计者在经过一定的设计循环后停止优化，查看 结果，继续分析。 2 ) 粒子群算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) ：该算法受鸟类动物的 迁徙活动启发，是一套较新的进化计算方法。其原理是每个单体根据自身以及相 邻同伴的飞行信息进行动态调整，即通过群体之间的信息共享以及对自身经验的 总结来修正个体行为，从而形成了整个群体寻优的正反馈机制，最终求得优化问 题的解。在该算法中，每个单体记录自己在多维空间的坐标痕迹，并且记录下到 当前时刻为止的最佳值，并以式( 1 - 2 ) 进行迭代。 = 哆。- f c i 。r a n d ( ) ( 一x i d ) + c 2 r a n d o ( p g d 一) x i d5x 谴+ v 谴 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 其中，d 是优化变量的第d 维( j 刁h ，共n 维) ；i 表示整个群体中的第f 个单体；c j ，c e 为两个正值常数；r a n d ( ) 为 0 ，1 之间的随机数；w 为第f 个单体 的权重系数；既是第i 个单体的最优解的第d 维分量值：p 耐是整个群体的全局 最优解的第d 维分量值；屹是第i 个单体的第d 维分量速度；嘞是第f 个单体的 第d 维分量值。 3 ) 遗传算法( g a ) ：广泛应用于多目标多变量的全局优化方法，将在第四章 节中具体介绍。 1 3 本文主要研究内容 本文从燃料电池电动汽车的电电混合动力系统结构入手，重点讨论了以混合 度设计为核心的参数匹配方法，并基于a d v i s o r 平台采用合理的优化算法对动力 系统进行了优化。其具体的研究内容分为以下几个方面： ( 1 ) 介绍了选题的目的和意义，分析了目前在混合动力系统参数匹配与优化 方面的研究现状，为后面章节的研究方向和研究手段提供参考。 ( 2 ) 燃料电池电动汽车动力系统的构型分析与优化。通过对电电混合动力系 6 武汉理工大学硕士学位论文 统典型的拓扑结构进行分析和比较，并对车用动力源特性分析，结合具体车型确 定了燃料电池系统和锂电池组两种能源组合的混合动力系统结构方案。 ( 3 ) 基于混合度的燃料电池电动汽车电一电混合动力系统参数匹配设计。本 文在提出电电混合动力系统的混合度概念的基础上，以混合度为核心对燃料电池 电动汽车混合动力系统进行特性参数设计，确定了动力源总功率一定情况下的混 合度边值和相关部件的特性参数。 ( 4 ) 基于混合度的电一电混合动力系统参数优化。本文在以整车燃料经济性 最佳为优化目标，以整车动力性设计目标和电量平衡为约束条件，采用基于模拟 退火的混合遗传算法对以混合度为核心的动力系统参数及控制参数进行同时优 化，并分析了混合度与优化目标的关系。 ( 5 ) 全文总结与展望。对课题的研究作了总结，并针对存在的不足，提出了 将来研究工作的建议和设想。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章燃料电池电动汽车动力系统构型分析与优化 燃料电池与辅助动力源共同构成燃料电池电动汽车电一电混合动力系统已成 为燃料电池汽车开发的技术趋势。而选择合适的辅助动力源及合理的能源混合拓 扑结构成为整个动力系统优化的首要问题。本章对不同构型的燃料电池电动汽车 动力系统结构进行了分析，并基于对几种典型车用动力源特性分析和燃料电池混 合动力系统的技术要点，确定了燃料电池系统和磷酸铁锂电池组的能源混合动力 系统方案。 2 1 燃料电池电动汽车动力系统拓扑结构 2 1 1 典型混合拓扑结构分析 早期的燃料电池电动汽车都是以燃料电池系统作为唯一的动力源，但多数研 究表明这种单一的动力系统结构存在诸多缺陷：电池功率不足，启动和加速较慢， 动态响应差，总体运行效率低等。而燃料电池电动汽车混合动力系统技术则较好 地解决了上述问题，如图2 1 ，燃料电池系统作为动力系统的主动力源，而辅助 动力源( 蓄电池、超级电容器或蓄电池十超级电容器) 通过电力辅助系统与燃料电 池并网，共同作为汽车的动力源。通常情况下，燃料电池系统用于提供车辆常规 速度行驶时所需的平均功率，而辅助动力源用来提供峰值功率以补充车辆在加速 或爬坡时燃料电池系统输出功率能力的不足。因此电一电混合动力系统一方面增 强了动力系统的动力性，另一方面避免了燃料电池动态响应差的不足，运行状态 比较稳定，因而明显改善了总体运行效率【1 2 l 。 图2 一l 中的电力辅助系统部分主要包括d c d c 变换器和电机控制器等，而 d c d c 变换器和电机控制器之间布置不同会导致燃料电池和电机驱动系统之间 连接形式的不同。根据其不同的连接形式可将动力系统结构分为两类【1 3 】： a 直接燃料电池混合动力系统，其结构特点为燃料电池系统与系统总线直接 相连，无d c d c 变换器过渡； b 间接燃料电池混合动力系统，其结构特点为燃料电池系统与系统总线通过 d c d c 变换器间接相连的。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 燃料电池汽车混合动力系统一般结构型式 2 1 2 直接燃料电池混合动力系统 如图2 - 2 所示，直接燃料电池混合动力系统结构中的电辅助系统为电机控制 器，燃料电池系统和辅助动力源都直接并入系统总线。在此动力系统中，由于辅 助动力源的增加，动力系统的能量容量扩大，车辆一次加氢后的续驶里程也增加， 系统的功率范围也扩大，燃料电池系统的功率要求将降低。同时，辅助动力源的 存在使得系统具备了回收制动能量的能力，也增加了系统运行的可靠性。燃料电 池系统和辅助动力源之间对负载功率的合理分配还可以提高燃料电池系统的总 体运行效率。 图2 2 直接燃料电池汽车混合动力系统结构一 与图2 2 比较，图2 - 3 给出的动力系统结构中，辅助动力源通过一个双向 d c d c 变换器并入总线。该变换器的存在降低了动力系统对辅助动力源电压等级 的要求，从而使得辅助动力源的电压不必再与母线电压等级相吻合，易于实现辅 助动力源的优化设计。另外，d c d c 变换器也是系统控制策略的执行部件，对辅 助动力源充放电的控制更加灵活、易于实现参数化控制。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 直接燃料电池汽车混合动力系统结构二 直接燃料电池混合动力系统虽然解决了燃料电池系统作为唯一动力源的动 力系统的一些问题，但燃料电池系统和电机系统由于其电压和功率特性的差异存 在匹配问题。图2 - 4 则显示了燃料电池系统和电机系统在电压一功率特性方面的 差异，这两条曲线是根据实际的台架试验结果而绘制的【1 2 1 。 从图2 4 可以看出，对直接燃料电池混合动力系统而言，燃料电池系统和电 机系统的电压匹配存在矛盾：当母线电压过低时，电机系统的功率输出能力差， 进而影响了燃料电池最大功率输出能力的发挥：而母线电压比较高时，电机的最 大功率输出能力很好，而燃料电池则由于电压太高而输出功率较小。 莲 镊 蠡 图2 - 4 燃料电池系统和电机系统的电压一功率特性 2 1 3 间接并联式燃料电池混合动力系统 图2 5 为一种典型的间接燃料电池混合动力系统结构。燃料电池系统通过一 个单向d c d c 变换器并入系统总线，燃料电池系统的端电压就可以通过d c d c 变换器的升压或降压与系统直流母线的电压等级进行匹配，从而使得燃料电池系 统功率输出与系统直流母线的电压之间就不再有藕合关系；同时d c d c 变换器也 可将直流母线的电压维持在最适宜电机系统工作的电压点( 或范围) ，提高系统效 率。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 间接燃料电池汽车混合动力系统结构 2 2 电动汽车车用动力源特性分析与比较 2 2 1 质子交换膜燃料电池特性分析 如图2 - 6 所示为燃料电池带负载后的输出电压一电流特性曲线。由图可知， 燃料电池在加负载的初始阶段，电压下降很快，当随着负载的增加，电流( 功率) 增大，输出电压也随着曲线以比普通蓄电池大得多的斜率( r ) 下降，即燃料电池 的输出特性相对较软【1 4 1 。 玩 ， 、一 曛 露 薯 蒜 碧 翟 静 静 鬟 图2 - 6 燃料电池电流电压特性曲线图 作为单一的车用动力源，燃料电池相对较软的输出特性对于波动的系统功率 需求有以下不利的影响： ( 1 ) 波动的功率需求会使燃料电池的输出效率降低，从而影响其性能； ( 2 ) 当系统需求功率增加时，燃料电池输出功率增加，而系统母线电压下降， 不利于驱动电机发挥功率。 因此，燃料电池作为车用动力源，其电能输出时需要稳压装置，即燃料电池 串联d c d c 变换器共同组成供电系统对外供电，从而稳定输出电压；同时有必要 引入辅助动力源来覆盖功率波动，提高峰值功率，以改善燃料电池输出功率瞬态 武汉理工大学硕士学位论文 特性，降低燃料电池成本。 燃料电池与辅助动力源组成混合动力系统是燃料电池电动汽车动力系统技 术的必趋势，其主要基于以下几个方面考虑【1 5 。1 7 1 ( 1 ) 动力系统的动态响应性能 燃料电池在负载突变过程中动态响应速度较慢，一般在几百毫秒到数秒之 间，而功率变换器的响应速度一般为微秒级，这个差额单靠功率变换器本身动态 响应性能的提高是无法有效改善的。因此需要选用辅助能源系统提供或吸收部分 的波动能量，从而平衡掉这个差额，使得整个动力系统在负载突变过程中动态性 能良好。 ( 2 ) 从动力系统的过载运行能力方面考虑 燃料电池作为电动汽车的动力源，对于短时大功率的情况( 如空调等非线性 负载的启动、汽车爬陡坡等) ，负载的功率需求可能超过额定功率的两三倍以上。 考虑到体积、成本、寿命等因素，燃料电池的设计很难满足此时的功率等级，选 用辅助动力源来提供这部分功率可有效解决此问题，降低燃料电池的功率等级和 成本。 ( 3 ) 吸收驱动电机回馈能量 电动汽车的驱动电机在车辆减速n 动运行时，将工作在发电机模式，从而 产生回馈能量。燃料电池不适宜加载反向电压( 反向充电将影响燃料电池的化学 反应甚至危害燃料电池) 的，因此引入辅助动力源吸收电机产生的回馈能量，以 保证燃料电池始终工作在正向发电状态，保障燃料电池系统的工作安全性。 ( 4 ) 保证整个动力系统启动供电 在电动汽车启动过程中燃料电池的输出尚未稳定，动力系统及整车各子系统 中的控制、检测等电路需要电能，这部分能量的来源需要依赖于辅助动力源系统 提供。 综上所述，燃料电池不适合作为动力系统的单一动力源，需选用辅助动力源 合理补充驱动电动汽车所需的能量，覆盖功率波动，提高峰值功率，吸收回馈能 量，改善燃料电池输出功率的瞬态特性。 2 2 2 车用动力电池特性分析 车用动力电池作为燃料电池电动汽车的辅助动力源，其主要性能指标有：比 能量( w h k g ) ，比功率( w k g ) 和使用寿命等。对于车载辅助动力电池，有以下要 求【1 8 1 9 1 ： a 比能量高，这是保证电动汽车能够达到合理续驶里程的重要性能； b 比功率大，这是涉及电动汽车的加速特性和爬坡能力； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 c 连续充放电率高、自放电率低； d 安全性好，成本合理； e 寿命长，免维护，循环使用寿命不低于1 0 0 0 次； f 良好的环保性，易于回收处理和再生处理。 目前用于电动汽车的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等， 表2 - 1 给出了三种典型蓄电池的性能指标。 表2 - 1 电动汽车用蓄电池性能指标比较 电池踅量比能壁体积比能量循环寿命每月自 类型( w l v h om w 劲 ( 次) 放电率 锻酸电池 3 秘5 06 0 - 9 03 0 5 0 0各5 镰氯电池舡8 0 1 5 0 2 2 05 0 0 l o 2 弘2 5 铿离子电池 l i 良1 9 02 5 m 5 5 2 | o o o 1 0 0 0 8 0 8 比能量 1 0 5 w h k g 赫 曼， 驺 硒 曩3 q 轴 敬 童 l234 5 罗 i l l经口 春重 i 图2 7 磷酸铁锂电池放电曲线组图 妊 獬翻瞳鞠憾瞩柚7 冁慨l 螨 图2 8 磷酸铁锂电池充电曲线组图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 车用超级电容器特性分析 超级电容器是一种介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能元 件，其储能方式与传统电解质电容不同，它依据静电型能量储存方式而工作，充 放电过程是由电解液中的离子运动而实现，为完全可逆的物理反应。因而超级电 容器具有功率密度大、充电时间短、使用寿命长、充放电效率高等优异特性。 尽管超级电容器能量密度较其他储能元件要小得多，但是这种能量的储存方 式具有极好的动态特性，即相同尺寸的超级电容器在功率及动态输出能力上却远 比蓄电池要强，其有以下优点 2 0 l ： ( 1 ) 电容量大，目前单体超级电容器的最大电容量可达5 0 0 0 f , ( 2 ) 充放电寿命长，可达5 0 0 0 0 0 次，或9 0 0 0 0 小时； ( 3 ) 可提供很高的放电电流； ( 4 ) 可以数十秒到数分钟内快速充电； ( 5 ) 能在其允许电压范围中的任何电压值下充电，并且能够完全放电； ( 6 ) 正常工作的温度范围很宽( - 4 0 + 7 0 ) ； ( 7 ) 超级电容器可以任意并联使用来增加电容量。 近年来，超级电容器在电动汽车领域的研究与应用成为了热点，主要在混合 动力汽车