（车辆工程专业论文）燃料电池城市客车动力系统关键技术研究.pdf

燃料电池城市客车动力系统关键技术研究 摘要 燃料电池城市客车是以燃料电池发动机辅以超级电容或蓄电池作为能量 源，以电动机驱动传动系行驶的车辆。它与传统汽车的主要区别在于其动力系 统主要由电气部件组成，由于其环保和节能特性，将来有着广阔的发展应用前 景。本文对燃料电池城市客车动力系统的若干关键技术进行了分析和研究。 论文介绍了燃料电池城市客车的结构、氢能的特点、安全性及车载氢能利 用设备，讨论了几种不同的以燃料电池与超级电容混合为动力源的城市客车 佃c b ) 的动力系统结构方式的利弊及对汽车性能的影响。设计了f c b 动力系统 结构的控制策略，以汽车设定工况下的动力性能要求和车子行驶的功率需求为 根据，提出了动力系统参数的匹配设计方法。在理论计算和工程分析的基础上， 对燃料电池、超级电容、电动机以及传动系传动比等关键参数进行了匹配。 论文根据整车通信中的不同需求，基于c a n 总线和l i n 总线技术设计了燃 料电池城市客车的整车控制网络，较好地实现汽车各部件之间的通信连接，制 定了通信协议和相关报文的内容，采用根据i d 优先级分配发送时间周期的应答 式机制。设计和分析了c a n 总线的丌发与测试系统，在开发整车通信网络过程 中模拟各个节点的通信功能，检验通信效果，验证基于c a n 总线的通信网络设 计方案，从而为燃料电池城市客车整车控制器网络的安装和调试提供依据。 论证了整车控制系统的功能，提出了整车控制系统的多能源功率分配策略。 对在各种刁i 同工况下燃料电池城市客车动力系统的工作模式选择和功率分配进 行了分析，对燃料电池发动机和超级电容的能量流进行合理、有效的分配。阐 述了基于v 型开发模式开发燃料电池城市客车整车控制系统的流程以及基于快 速控制原型技术和硬件在环仿真技术研究控制系统的方法。设计了燃料电池城 市客车动力系统硬件在环仿真试验的平台及控制方案，为验证整车控制系统控 制算法、开发整车控制系统打下基础。 运用电动汽车仿真软件a d v i s o r 对动力系统参数匹配方案进行了仿真研 究，结果表明，动力性和经济性较好地符合了f c b 设计要求，实现了其动力性 能和系统效率的目标。对燃料电池和驱动电机进行了实验研究。燃料电池电流、 电压及功率特性很好地满足了整车功率需求。驱动电机的转速一扭矩特性、功 率效率特性及肩动特性都较好地满足燃料电池城市客车的动力性能。 进行了燃荆电池城市客车整车性能试验。结果表明，其最高车速和加速时 问都满足和超过了设计要求。对整车燃料经济性进行理论计算和实验验证，对 于准确估算汽车续驶罩程、合理使用有限的车载氢燃料有一定的指导意义。 关键词：燃料电池客车，动力系统，参数匹配，c a n 总线，控制策略，仿真， 实验研究 s t u d yo nk e yt e c h n o l o g yo f t h ep o w e r t r a i ns y s t e mi nf u e lc e l l b u s a b s t r a c t f u e lc e l lb u si sd r i v e nb ye l e c t r i cm o t o ru s i n gf u e l c e l la sm a i np o w e rs o u r c e a n du l t r a c a p a c i t o ro rb a t t e r ya sa s s i s t a n tp o w e r w h a tf c bd i f f e r sf r o mt r a d i t i o n a l b u si si t sp o w e rs o u r c e sa n dp o w e r t r a i na r em a i n l yc o m p o s e do fe l e c t r i cc o m p o n e n t s c o n c e r n i n ge n v i r o m n e n tp r o t e c t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o n ，f u e lc e l lb u s e sh a v e l o n gt e r mp o t e n t i a lf o rf u t u r em a i ns t r e a mb u s e s t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e da n d a n a l y z e ds o m eo ft h ek e yt e c h n o l o g yo fp o w e r t r a i ns y s t e mi nf u e lc e l lb u s t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h ec o n f o r m a t i o no ff c b ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d s a f e t yq u a l i t yo fh y d r o g e ne n e r g ya n dt h eh y d r o g e nu t i l i z a t i o ne q u i p m e n t o nv e h i c l e i ta l s od i s c u s s e ds e v e r a lp o w e rt r a i nf r a m e w o r k so ft h r e em o d e l si nf u e le e l lb u s w h i c hc o m b i n e sf u e lc e l lw i t hu l t r a c a p a c i t o ra st h ep o w e rs o u r c e s ，a n da n a l y z e dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tm o d e l s t h ec o n t r o ls t r a t e g y o ft h e p o w e r t r a i nw a sd e s i g n e d a c c o r d i n ga st h ed y n a m i cp e r f o n n a n c er e q u i r e m e n t sa n d t h ep o w e rd e m a n do ft h ed e s i g n e dd r i v ec y c l e s ，t h ep a r a m e t e r sm a t c h i n g p h i l o s o p h i e so fp o w e r t r a i nw a sp u tf o r w a r d t h er e l a t e dp a r a m e t e r so ff u e lc e l l ， m o t o r ，u l t r a c a p a c i t o ra n dt h eg e a rr a t i oo fd r i v e l i n ew e r ed e s i g n e do nt h eb a s i so f t h e o r yd e d u c t i o na n de n g i n e e r i n ga n a l y s i s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sf o rc o m m u n i c a t i o ni nt h ev e h i c l e ，v e h i c l e c o n t r o ln e t w o r kw a sb u i l tu pb a s e do nc a nb u sa n dl i nb u st e c h n o l o g y t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dm e s s a g e sc o n t e n to ft h ev c uw e r ed e s i g n e d m e s s a g e a c k n o w l e d g m e n tm e c h a n i s mb a s e do nt h ep r io fi dw a sp u tf o r w a r dt om e e tt h e v e h i c l ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t t h ed e v e l o p m e n ta n dt e s t i n gs y s t e mo fv e h i c l e c a nb u sn e t w o r kw a sd e s i g n e da n da n a l y z e di tc o u l ds i m u l a t et h ef u n c t i o no ft h e v e h i c l en e t w o r ka n dp e r f o r me x p e r i m e n t st o t e s tt h eb a u dr a t eo fn e t w o r ka n d c o r r e c t n e s sa n dv e r a c i t yo fm e s s a g e st ov a l i d a t et h ed e s i g n t h es i m u l a t i o nm o d e l c o u l d b em o d i f i e da n do p t i m i z e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so fc a n c o m m u n i c a t i o n i to f f e r st h eg i s tf o rt h ei n s t a l l a t i o na n dd e b u go ft h ec a nn e t w o r k i uf u e lc e l lb u s t h ef u n c t i o n o ft h ev e h i c l ec o n t r o lu n i tw a sd i s c u s s e da n dt h ee n e r g yf l o w c o n t r o ls t r a t e g yo ft h ep o w e r t r a i ns y s t e mw a sp r e s e n t e d t h ew o r k i n gm o d ea n d p o w e ra s s i g n m e n to f t h ep o w e r t r a i ns y s t e mu n d e rd i f f e r e n td u t yc y c l ew e r ea n a l y z e d t h ee n e r g yf l o wa m o n gt h ef h e lc e l le n g i n e ，t h eu l t r a c a p a c i t o ra n dt h ee l e c t r i cm o t o r w a sd e s i g n e d t h ed i s s e r t a t i o n e x p o u n d st h ep h i l o s o p h yo ft h e vm o d ef o r d e v e l o p i n g t h ec o n t r o l s y s t e mo ft h e f c bp o w e r t r a i n s y s t e m r a p i dc o n t r o l p r o t o t y p et e c h n o l o g y a n d h a r d w a r e - i n - l o o p s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya r ea l s o d i s c u s s e d t h et e s tb e n c ha n dc o n t r o im e t i t o do ft h e h a r d w a r e i n l o o p s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sf o rt h ep o w e rt r a i no ft h ef c bw a sd e s i g n e d i tm a k e sf o u n d a t i o nf o r t h er & do f t h ev c u s i m u l a t i o no ft h ep o w e rt r a i ns y s t e mw a sc a r r i e do u ti na d v i s o r t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt h ef u e l e c o n o m yf u l f i l l t h ed e s i g n e d r e q u i r e m e n t sf o rt h ef c ba n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e rt r a i ni ss a t i s f i e d 1 h e p a r a m e t e rm a t c h i n g m e t h o di sd e m o n s t r a t e dt ob ef e a s i b l ea n dv a l i d t h e e x p e r i m e n t so bt h ef u e lc e l la n dt h ee l e c t r i cm o t o rw e r ep e r f o r m e d t h ep r o p e r t yo f t h ec u r r e n t ，v o l t a g ea n dp o w e ro ft h ef u e lc e l lm e e tt h ev e h i c l ep o w e r r e q u i r e m e n t t h es p e e d - t o r q u ep r o p e r t ya n dp o w e r - e f f i c i e n c yp r o p e r t yo f t h ee l e c t r i cm o t o rf u l f i l l t h ed y n a m i cr e q u i r e m e n to ft h ef c b t h ev e h i c l ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t so nt h ef c bw e r ec a r r i e do u tt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u ms p e e da n da c c e l e r a t i o nt i m ea c h i e v eo re x c e e dt h e r e q u i r e di n d e x o nb a s i so ft h ea n a l y s i so fw o r k i n gp r i n c i p l ei nf u e lc e l l ，t h e t h e o r e t i c a lm e t h o da n de x p e r i m e n t a lm e t h o do ft h ef u e le c o n o m yi nf u e lc e l lb u s w a sd i s c u s s e d i ti su s e f u lf o rt h ea n a l y s i sa n de s t i m a t i o no ft h em i l e a g eo ff c b m a dh e l pt oi m p r o v ef o e le c o n o m y k e yw o r d s ：f u e lc e l lb u s e s ，p o w e rt r a i ns y s t e m ，p a r a m e t e rm a t c h i n g ，c a nb u s c o n t r o ls t r a t e g y ，s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n ts t u d y 插图清单 图卜i “十一五”期间“三纵三横”研发布局4 图2 - i 燃料电池客车示意图9 图2 2 燃料电池客车关键总成布置示意图1 0 图2 - 3 车载供氢系统1 2 图2 - 4 储氢瓶口电磁阀及管路1 2 图2 - 5 简易加氢站1 3 图2 - 6 燃料电池客车氢安全报警处理系统1 4 图2 7 燃料电池直接并联超级电容1 5 图2 8 超级电容通过d c d c 接入母线1 5 图2 - 9 双d c d c 动力系统结构1 6 图2 1 0 燃料电池功率效率图1 9 图2 “超级电容通过双向d c d c 接入动力母线2 l 图2 1 2b o o s t 工作方式示意图2 2 图2 1 3b o o s t 方式的两个步骤2 2 图2 1 4b u c k 工作方式的等效电路2 2 图2 1 5b u c k 方式的两个步骤2 3 图2 1 6 牵引电机的扭矩转速特性2 4 图2 1 7 电机效率及连续转速特性2 4 图2 1 8 不同f 时的汽车功率平衡图2 5 图3 1 总线位的数值表示2 8 图3 - 2c a n 的i s 0 0 s i 参考模型的分层结构3 9 图3 3c a n 报文的数据帧结构d omwg i g 3 0 图3 - 4 数据帧标准格式的仲裁域结构3 l 图3 5 数据帧扩展格式的仲裁域结构3 l 图3 - 6 控制域结构3 2 图3 - 7 循环冗余码域3 3 图3 - 8 应答域3 4 图3 - 9 整车通信网络结构图3 8 图3 一1 0 每帧报文占时5 0 0 p s 4 l 图3 - 1 ic a n s t a r t e r - i i 系统4 2 图3 - 1 2c a n 节点硬件连接图4 3 图3 1 3 通信流程图4 3 图3 - 1 4c a n 通信系统实验开发和测试平台4 4 图3 1 55 0 m s 通信周期4 4 v 图3 1 单帧报文占时5 0 0 p s 4 5 图3 1 7 总线上差分电平的显性位与隐性位4 5 图4 一l 燃料电池客车分层结构控制系统4 8 图4 - 2 模糊逻辑控制策略4 9 图4 3 控制系统v 型开发模式5 1 图4 4 燃料电池混合动力系统试验5 3 图4 5f c b 动力系统硬件在环实验控制系统示意图5 4 图5 - 1 燃料电池城市客车的s i m u l i n k 模型o ooo qqoo oo oo o 6 0 图5 2 燃料电池汽车动力系统结构示意图6 0 图5 3 燃料电池客车参数输入界面6 1 图5 - 4 四种工况下超级电容s 0 c 的变化过程6 4 图5 5 燃料电池实际工作功率一效率图6 5 图5 - 6 电机输出功率6 5 图5 7u d d s7 - 况下f c e b 的车速6 6 图5 8 超级电容s o c 变化6 6 图5 - 9 车速与超级电容s o c 变化6 6 图5 - 1 0 燃料电池组6 7 图5 - 1 1 燃料电池净输出伏安特性曲线6 7 图5 1 2 燃料电池输出功率与电流6 8 图5 - 1 3 燃料电池输出功率与电压6 8 图5 1 4 电机实验示意图6 9 图5 - 1 5 不同油门开度下等功率特性7 0 图5 - 1 6 电机转速一扭矩特性曲线7 0 图5 一1 7 不同油门开度下电机功率特性7 1 图5 1 8 不同油门开度下电机效率特性7 1 图5 - 1 9 燃料电池客车整装待发7 2 v i 表格清单 表i - 1 国外燃料电池汽车厂家2 表2 1f c b 整车相关参数1 6 表2 2 超级电容主要技术参数2 0 表3 一l 数据帧长度代码d l c 3 2 表3 - 2c a n 2 0 的标准和扩展格式及j 1 9 3 9 协议所定义的格式3 4 表3 - 3j 1 9 3 9 协议报文单元的具体格式3 5 表3 - 4c a n 网络报文i d 结构3 9 表3 - 5c a n 总线网络报文结构3 9 表3 - 6c a n 网络地址分配表4 0 表3 7 整车控制器报文1 4 1 表3 - 8 整车控制器报文2 4 2 表5 - 1 四种典型循环数据表6 2 表5 - 2f c e b 的仿真结果6 5 表5 - 3 最高车速实验数据7 3 表5 - 4 加速时间实验数据7 3 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注利致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得垒8 1 些叁茔或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任伺贡献均已在论文中作了明确的说明 f 表示谢意。 学位论文作者签名 抹呵 签字日期如 年；月；f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒e 工些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目b 工些盍堂可咀将学位论文的仝部或部分内容编入有关数据厍进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权 s ) 学位论文作者签名 米巧 签字日期0 1 年3 月印 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 一谚坼 签字日期 7 i f7 月伽 致谢 本论文是在导师赵韩教授的精心指导下顺利完成的，在此谨向赵老师致以最衷 心的感谢和最真挚的敬意! 时间过得真快，转眼间两年多硕士阶段的生活已经接近 尾声。2 0 0 4 年9 月入学以来，赵老师无论在学业还是在生活上都给了我悉心的指 导和关怀。开学伊始，赵老师就为我刨造了良好的科研条件和学习环境，让我能够 很快地进入到硕士生的科研生活。而正是这几年的硕士生活拓展了我的知识面，提 升了我的理论水平，同时锻炼了我的科研实践能力，我所取得的每一点进步都浸注 了赵老师的心血和汗水。赵老师治学严谨、诲人不倦、平易近人的作风，宽广的知 识面、活跃开阔的思维，对问题敏锐的洞察力，对学科前沿的把握，对汽车产业高 瞻远瞩的认识以及忘我的敬业精神每时每刻都激励者学生不断地开拓和进取。 同时，衷心感谢师母张辉老师多年来在生活方面给予的关心和照顾。 衷心感谢张炳力老师多年以来对我的关心和帮助。尤其是在研究生阶段，张老 师积极负责、身先士卒的工作态度和作风使我受益匪浅、终生难忘。 衷心感谢机械与汽车工程学院车辆工程教研室的王启瑞老师、张代胜老 师、王其东老师、钱立军老师、尹安东老师、孙骏老师、江吴老师、王希珍 老师多年来在学习、工作上对我的无私指导和帮助。 衷心感谢钱德猛、朱凌云等师兄师姐，张冰战、陈兴玉、邰丽君、许肇 云、柳吉庆、武照云、黄方毅等同窗好友，许铁娟、代康伟，张平平、徐德 胜、师东升、叶先军、胡先锋等师弟师妹在学习和生活上对我热情帮助。 衷心感谢机械与汽车工程学院数字化设计实验室董玉德老师、车辆实验 室李良初老师对我的无私指导和帮助。 衷心感谢机械与汽车工程学院郑学慧书记在我本科学习、留校工作和读 研究生阶段的大力指导和帮助。 衷心感谢我的辅导员李军鹏老师和黄辉老师对我的指导和帮助。 衷心感谢机械与汽车工程学院学生工作办公室刘峰书记、钟军老师、朱 衍飞老师在工作时对我的支持。 衷心感谢吴磊、陈鹏、转茂根、张文祥等好朋友，是你们让我多年来的 生活充满欢乐。 感谢含辛茹苦培养我的父母、家人。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学、朋友们。 感谢合肥工业大学，在这罩我度过了人生中最美好的八年半时光。 谨以此文献给我最爱的人! 作者：朱可 2 0 0 6 年3 月 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 自第一辆汽车问世以来，汽车就成为人类的重要交通工具，为人类的进步 做出了巨大贡献。随着全球汽车工业的发展，汽车的产销量和保有量逐年增加， 也带来了能源消耗、环境污染等许多负面影响。传统汽车对石油资源的需求， 对生态环境的影响也越来越大。更糟糕的是，汽车排放的尾气中二氧化碳对气 候变暖有着很大的影响；汽车排放物中氮氧化合物、一氧化碳、未燃碳氢化合 物和颗粒排放物等有害物质，对人类的生态环境产生不利的影响。每年汽车排 放有害气体约2 亿吨以上，约占大气污染总量的6 0 ，是公认的大气污染的“头 号杀手”。为此，各国制定了一系列十分严格的排放法规，要求汽车生产厂家设 法减少汽车排放，开发无污染和超低污染汽车。 来自能源问题和环境污染的压力促使全球各国都竞相寻求新型城市交通工 具动力装置。燃料电池【1 】【2 】是一种将氢和氧的化学能通过电极化学反应直接转化 为电能的装置。其最大的特点是由于反应过程不涉及到燃烧和热机做功，因此 能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率最高可达到6 0 - 7 0 ， 实际使用效率则是普通内燃机的2 倍左右。除此之外，燃料电池反应生成物只 有水，清洁无污染；同时兼备振动噪声小、结构简单易维护、燃料不依赖石油 资源等优点，尤其适合作为城市交通工具的动力源。燃料电池城市客车( f u e l c e l lb u s ，f c b ) 被公认为是未来电动公交车的主澍“。 世界各国纷纷投入大量人力物力进行燃料电池汽车的研究。为了使发展中 国家的大城市公共交通车辆改变能源结构，降低有害物和二氧化碳温室气体排 放，联合国发展计划署( u n i t e dn a t i o n sd e v e l o p m e n tp r o g r a m m e ，u n d p ) 和全球 环境基金会( g l o b a le n v i r o n m e n t a lf a c i l i t i e s ，g e f ) 资助巴西的圣保罗、墨西 哥的墨西哥城、中国的北京和上海等大城市开展燃料电池公交客车的示范运行 工程，其目的在于促进燃料电池客车的尽快商业化。在北京，首条燃料电池公 交车路线已经有三辆燃料电池大客车于2 0 0 5 年1 1 月投入示范运行【4 j 。 我国的传统汽车工业还落后于当代世界先进水平。同时我国的石油资源比 较匮乏，仅居世界第十位，从1 9 9 3 年开始我国已经从石油净出口国转变为石油 进口国，2 0 0 5 年的石油进口量突破1 亿吨。目前发展我国的汽车工业，应当顺 应当今科技发展的趋势，把握时机，在汽车的高新技术、尤其是以后发展的关 键技术方面努力和发达国家保持一致。电动汽车，特别是代表未来方向的燃料 电池汽车是实现我国汽车工业跨越式发展的战略选择。资源和环境压力使燃料 电池汽车在全球范围内成为研究热点，因此，充分利用现有条件，整合研究、 设计、制造力量，解决燃料电池汽车的各种关键技术，积极推进电动汽车产业 化，其影响广泛而深远。 1 2 燃料电池汽车国内外发展概况 世界各发达国家政府及各大汽车公司都非常重视燃料电池汽车的研究开 发，已开发出多种型号的概念车，并且已经有进入商业化示范运行的成功范例， 下面介绍一下当前世界各国研制燃料电池汽车的技术发展状况。 1 2 1 国外发展概况 北美、欧洲及日本的各大汽车公司纷纷投入力量进行燃料电池客车的研发 5 - n 。表卜l 列出了一些汽车公司的燃料电池汽车研发项目。 表1 - 1国外燃料电池汽车厂家 品牌型号公司 动力系统能源 奥迪 a 2奥迪燃料电池氢气 梅塞德 f c e l l a - c l a s s戴姆勒一克莱斯燃料电池氢气 斯勒 米其林 h y l i g h th i c h e l i n p s i 燃料电池氢气 福特 f o c u s福特燃料电池氢气 现代 s a n t af e现代燃料电池氢气 丰田 t o y o t o 丰田燃料电池氢气 日产 x - t r a i l f c v 日产燃料电池氢气 大众 t o u r a n 大众燃料电池氢气 通用h y - w i r e通用汽车燃料电池氢气 欧宝 z a f i r a通用汽车燃料电池液氢 福特 f o c u sw a g o n福特 ( 氢电) 混氢气电 石 能 ( 1 ) 美国 美国政府及汽车企业对燃料电池汽车的研制开发和推广应用非常重视。美 国通用汽车公司早在1 9 6 6 年就推出了世界上第一个可驾驶的燃料电池示范 车”e l e c t r o v a n ”，该车使用液态氢作为燃料，纯氧作为氧化剂，行驶里程为2 4 0 k i n ， 最高车速l1 2 k m h 。而福特、巴拉德和戴姆勒，克莱斯勒三家公司密切合作开发 燃料电池发动机和电驱动系统。早在1 9 8 7 年，美国能源部( d o e ) 、交通部( d o t ) 和城市公共交通管理局( u w t a ) 等单位就已发起开发燃料电池汽车的计划 5 】。 1 9 9 1 年美国的比林公司研制出世界上最早的燃料电池概念车l a s e rc e l lt m 。 2 1 9 9 3 年9 月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共 同提出了美国“新一代汽车合作伙伴计划”( 简称p n g v 计划) ，旨在开发新一 代高效节能汽车。燃料电池电动汽车开发计划是1 9 9 7 年底美国重新确定的 p n g v 计划4 个重点领域之一，计划2 0 0 5 年前选定大批量生产燃料电池汽车的 技术、车型及相应的平台，2 0 0 8 年燃料电池汽车正式投入批量生产。此外2 0 0 2 年美国政府实施的“f r e e d o m c a r ( f r e e d o mc o o p e r a t i v ea u t o m o t i v er e s e a r c h ) ” 计划，在2 0 1 0 年燃料电池电动汽车达到市场份额2 5 ，2 0 1 5 - - 2 0 2 0 年燃料电 池电动汽车和氢燃料的加注基础设施将一切准备就绪。2 0 0 3 年2 月美国总统乔 治布什发表公开讲话时指出，“我要国会花费1 2 亿美元的国家投资，给氢燃料 电池小客车项目，使它能够从实验室走向售车展示厅。” 2 0 0 0 年“加州燃料电池伙伴计划“于加州w e s ts a c r a m e n t o 的核心试验基 地揭幕。在揭幕仪式上，燃料电池驱动的大客车正式进行了示范运行【l o l 。在此 之后的几年时间里，有超过2 0 辆的燃料电池大客车在进行示范运行，这也是目 前世界上规模最大的燃料电池汽车集中示范基地。 ( 2 ) 欧洲 欧盟正在推行欧洲清洁城市运输系统和欧洲生态城市运输系统，这是两大 规模的燃料电池巴士示范性合作试验计划【1 l 】。从2 0 0 2 年6 月到2 0 0 6 年7 月长 期进行证实性产品生命周期分析和对氢燃料供应设施建设的运用验证，预计应 用多种不同的氢加注装置，为今后动态地实用化作准备。目前欧洲清洁城市运 输系统( c u r e ) 中，2 7 辆燃料电池巴士正行驶在欧洲七国九个城市里。 戴姆勒克莱斯勒是巴拉德的股东和福特的合作伙伴。该公司开发的n e e a r 系列燃料电池汽车目前已经研发到第五代，n e c a r - 1 于1 9 9 4 年展出，它是在一 个运输车辆的基础上进行改造的，一次加满压缩氢气的续驶里程达到l o o k m 。 而n e b u s 是该公司制造的一辆燃料电池城市客车。它使用1 0 个峰值功率为2 5 k w 的燃料电池。燃料电池发动机系统置于原来放置内燃机和齿轮箱的位置。n e b u s 的输出功率为1 5 0 k w ，可以与现有的柴油驱动的传统大巴媲美。燃料供给系统、 驱动系统和冷却系统都安装在地板下方，不影响乘坐的舒适性。它装载了7 个 1 5 0 l 的压缩氢气燃料罐，有长达2 5 0 k m 的续驶里程。 ( 3 ) 日本 日本政府对燃料电池汽车的研究开发和推广应用也表示了极大的关注，为 了促进燃料电池汽车的商业化，由中央和地方政府共同资助在大阪、京都、东 京等城市建立加氢站。日本经济产业省已组成“燃料项目小组”进行燃料电池应 用的普及和推广工作，在2 0 1 0 年前，将燃料电池电动汽车的价格降低到传统汽 车相等的水平。日本目标是在2 0 2 0 年燃料电池电动汽车的社会保有量达5 0 0 万 辆以上，建设3 8 0 0 个氢加注站。各大汽车制造商都加紧燃料电池电动汽车的研 发工作。2 0 0 3 年丰田公司的燃料电池客车就已在日本东京投入营业性运行。 日本丰田汽车公司在2 0 0 1 年第4 届丰田环境论坛上，公布了日野汽车公司 研制的燃料电池公交车f c h v - b u s l ，该车采用低地板设计，燃料采用高压氢气， 动力系统采用“燃料电池+ 电池”的混合动力系统，燃料电池功率9 0 k w ，可载 客6 3 人。2 0 0 2 年，对f c h v - b u s l 进行了多项改进，并在此基础上开发出 f c h v - b u s 2 ，其主要特点是燃料电池增加到2 个，从而将燃料电池的输出功率 增加到1 8 0 k w 。驱动系统采用双电机驱动方式。最高车速达到8 0 k m h ，续驶里 程为2 5 0 k m 。 1 2 2 国内发展概况 我国政府也非常重视燃料电池汽车关键技术的研究，“九五”期间，国家科 技部将燃料电池关键技术研究列入国家攻关计划。“十五”期间，燃料电池汽车 及其关键技术的研究和样车的研制开发被列入国家“8 6 3 ”电动汽车重大专项中， 给与重点资助。其中燃料电池城市客车整车项目由北京清华新能源汽车工程中 心承担，首辆1 l m 样车已经于2 0 0 2 年底研制成功。上海汽车工业集团公司、 同济大学、上海神力科技公司等单位承担了燃料电池轿车的研发任务，并且已 经成功开发三代燃料电池轿车。安凯客车有限公司、合肥工业大学等单位开发 的燃料电池城市客车也已经于2 0 0 6 年5 月通过验收。国家计划于2 0 0 5 年开始， 在两年内将3 6 辆燃料电池巴士投入示范运行。 各类整车产品 燃料电池汽车y混合动力汽车y纯电动汽车 动力系统技术平入动力系统技术平台又。动力系统技术平 燃料电池发动机、动力蓄电池、超级电容一一 动电机、 电机传动系总成、发动机一 新材料、新器件、麸性技术，基础设施相关技术 图卜1 “十一五”提出的电动汽车“三纵三横”研发布局 国家“十五”8 6 3 计划节能与新能源汽车重大项目于2 0 0 6 年底正式开 始实施。其中提出建立以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车动力系统 技术平台为“三纵”；以燃料电池和动力蓄电池技术，电驱动系统技术，以及共 性基础技术为“三横”的电动汽车“三纵三横”的研发布局【1 2 1 ，如图1 1 所示。 4 团囝圆圈团 “十一五”期间，国家将大力推迸燃料电池汽车研发和示范运行，进一步 扩大燃料电池汽车的应用领域。同时促进燃料电池汽车的产业政策、法规和相 关标准的研究与制定，完善相关检测评价能力，形成知识产权保护和投融资服 务体系，构建燃料电池汽车产业联盟。我国汽车行业应把握交通能源动力系统 转型的重大机遇，建立以企业为主体的产学研结合的自主研发创新体系，实现 产业化技术的跨越发展，为我国汽车工业可持续发展奠定坚实的基础。 我国的燃料电池城市客车研发应当根据市场应用需求，研发各具特色的示 范样车，并形成一定规模的燃料电池示范样车制造能力。通过降低成本、提高 整车的可靠性、耐久性、舒适性和安全性，打造具有竞争力的产品。利用北京 2 0 0 8 奥运会和上海2 0 1 0 年世博会等重大活动的时机，实现燃料电池汽车商业 化示范产品的初期市场导入。 燃料电池城市客车的主要性能指标与基于动力系统技术平台的基本型样车 相当，燃料电池客车商业化示范样车的技术经济指标为：示范样车在几十辆级 批量时单车成本不超过3 5 0 万元，百公里氢燃料消耗率8 5 公斤。 目前燃料电池电动汽车的价格很高，国外燃料电池小客车的价格大约为1 0 0 万美元辆，大客车价格为2 0 0 万3 0 0 万美元屑两。价格是阻碍燃料电池电动汽 车的研发及产业化的主要问题。而降低燃料电池的氢燃料制取、储存和车载成 本是我国实现燃料电池电动汽车产业化、商业化的关键。随着燃料电池的体积 功率和质量功率的逐步提高，生产成本的不断降低，以燃料电池作动力的电动 汽车将会得到广泛使用，有望成为2 1 世纪的重要交通工具。 1 3 燃料电池城市客车关键技术。“” 燃料电池城市客车是汽车、电力拖动、功率电子、自动控制、化学电源、 计算机、新能源及新材料等高新技术集成的产物。研制和开发的关键技术主要 有燃料电池技术，电动机及其控制技术，控制策略和算法设计技术，多能源管 理技术，分布式控制系统和网络通讯技术，动力系统平台的集成设计技术，整 车电气安全和氢安全系统技术，整车的匹配、标定、优化和试验技术以及车身 和底盘设计技术等。 1 ，3 1 燃料电池及氢能利用技术 燃料电池是燃料电池电动汽车的动力源，对燃料电池的基本要求是：高 的比能量和比功率：安全性好且成本低：对环境无危害，可回收性好。 迄今已研发多种类型的燃料电池，如碱性燃料电池( 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 ) 及质子交换 膜燃料电池( p e m f c ) 等，其中以质子交换膜作为电解质的质子交换膜燃料电池 ( p e m f c ) ，被认为是最适合于汽车的燃料电池。但目前采用的氢为燃料的燃料电 池存在成本高、氢的储存、保管、充加、随带困难等缺点因此在研发和产业化 过程中，急需在以下主要方面进行技术改进和提甜“。 ( 1 ) 尽量减少昂贵的催化剂铂的用量，并寻找新的价格较低的非贵金属催 化剂，从而降低制造成本。 ( 2 ) 利用重整技术，采用改质型燃料电池( 如甲醇燃料电池等) ，以提高燃 料的储存、保管、充加、随带的方便性和安全性。 ( 3 ) 减少燃料电池系统技术设施的体积和质量，以提高燃料电池的比能量 等。 燃料电池汽车以氢能作为燃料，通过燃料电池发动机输出电能。这与传统 的石油燃料发动机系统有着本质的区别，因此合理的设计氢能系统，计算分析 氢燃料的经济性，趋