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设计外文翻译第1页共9页插电燃料电池/蓄电池混合动力汽车车载燃料处理的能量管理要点基于对模型为并联燃料电池/蓄电池汽车能量管理的模拟对车载氢燃料生产和存储处理器的最优化对HTPEMFC电化学模型性能曲线的测定对基于实时庞特里金最小值原则自适应控制器的设计同一类型传统系统汽车和混合动力汽车的结果对比摘要本文描述了对由燃料电池/插电蓄电池驱动的混合动力汽车传动系统中型汽车的能量管理控制器的设计，在实验中它被用为高温高分子电解质膜燃料电池模型。电源管理策略由庞特里金最小值原则应用程序导出，控制参数改编于使用过的反馈信息，它包括电荷状态以及根据过去的循环行驶速度相关的平均移动速度而预测的总行程长度。我们提出的策略的目的是实现控制燃料消耗最小值问题的次优解。汽车还装备了一个为了最小化氢缓冲区大小的自热重整改装器，它的控制算法受限于氢的最大缓冲水平。人们将一个提出的策略与最优策略进行了比较分析，并对结果进行了报告。这种情况下得到的燃料消耗也与由内燃机和插电式混合动力传动系统的同样的车型得出的燃料消耗作了比较。关键词能量管理，HTPEMFC，车载燃料处理器，庞特里金最小值原则，自适应控制器1介绍在当今，道路运输尤其是道路车辆被证明是污染物和全球温室气体排放的主要来源之一1。连同燃料价格上涨，这就使汽车行业努力地研究创新的解决办法，旨在降低燃料消耗和排放2。由于较短的可续驶里程和较长的充电时间，纯电动汽车还远不是解决燃料消耗问题的有效办法。被广泛提议和分析的未来的解决办法是插电混动汽车，它具有高的总体效率，短暂电压瞬变，长续驶里设计外文翻译第2页共9页程和低的道路负荷依赖性3,4。相同的优势也适用于燃料电池汽车，它普遍的利用了高分子电解质膜燃料电池，拥有长远的减少污染物排放的可能性，获得满意的续驶里程而不需要内燃机5。事实上，与内燃机驱动的汽车相比，传统的或者混合动力电动汽车、燃料电池汽车，局部上可以成为零排放车辆，原则上，如果氢燃料可从可再生能源中派生而来，这种车辆在全球层面可达到零污染物排放。因此，从长远来讲，对于交通运输可持续，这些车辆可做出有效的贡献，政府也会为这样的方法而努力6,7。尽管如此，即使是一个相对成熟的技术，仍然会有一些，与应用在车辆上燃料电池相关的缺点，比如高成本，低功率密度以及缺乏氢基础设施6。通过使用车辆燃料处理器直接从碳氢燃料制取氢气，可以使后者问题得到解决。因为氢浓缩燃料被直接使用在内燃机上，所以这个方案经常被研究8,9。早期直接用在车上的燃料处理器的模型是通过按比例缩小现有的工业技术而得到的。在这种情况下，汽油、乙醇和汽车燃料可以被成功处理，但是，这种模型所需要的体积和质量仍然不适用于汽车应用程序。2004年，在美国，这些问题和有着更成熟技术的竞争，比如汽油/蓄电池混合动力汽车，已说服美国能源部车载燃料处理决策团队终止对燃料电池汽车的车载燃料处理的研究10。在欧洲21世纪早期，DAIMLERCHRYSLER开始测试用在燃料电池汽车模型上的甲醇燃料处理器。基于奔驰A级车设计的NECAR5是最新推出的模型，它使用一个75千瓦的BALLARD燃料电池来展示令人印象深刻的表现11。在2004年，RENAULT/NUVERA提出了一个使用在车上足够小而能量充足的车载制氢燃料处理器的四年计划，但是这个项目由于没有取得长远的发展而在2008年被终止12。在这些早期的项目中，车载燃料处理曾经被认为燃料电池提供了100的车辆牵引力，但由于改装的大小和系统的成本让这种方案变得不值。后来，车载燃料处理因为伴随燃料电池被用作动力辅助单元而又一次被研究。事实上，当燃料电池被用作动力辅助单元，它的能量会减少，系统会更紧凑，并且也不需要氢存储单元。固体氧化物燃料作为动力辅助单元原材料的重烃燃料的技术特点和挑战总结了强调的好处在于部分氧化自热和蒸汽重组13。自热重整再次结合了固体氧化物燃料电池评估的尾气回收对系统整体效率的影响14。尽管效率低和燃料质量差，自热重整被公认为是交通应用程序的最佳解决方案15。这种反应被认为是热自我维持，因此不同于部分氧化或蒸设计外文翻译第3页共9页汽重整，他们不生产或使用外部热能。不过在汽车行业，高分子电解质膜燃料电池相比于固体氧化物燃料电池更可靠，瞬变更迅速，基于低温高分子电解质膜燃料电池的车载燃料处理的动力辅助单元已经被研究16。然而，这些设备被一氧化碳中毒影响15,1719，也需要高纯度氢，因此它需要多个水煤气转移单位和优先氧化反应器或者分离过滤膜。这样一个复杂和空间消耗系统相当不适合应用在小型或中型汽车。相反，高温高分子电解质膜燃料电池允许更多的一氧化碳，也可能应付合成气中增长的一氧化碳水平20，不需要水煤气转移单位和优先氧化反应器。高温高分子电解质膜燃料电池可以在没有外部气体加湿作用下工作，也就更长远的简化系统复杂性和管理，因此拥有更有效的散热的优点和更好的集成系统的热管理21。此外，由更高的操作温度产生的增长电极动力学允许使用替代催化剂电极，从而降低成本22。在系统的复杂性、规模和成本上，这个降低是很重要的，一项对基于动力辅助单元的高温高分子电解质膜燃料电池的评论因为柴油动力道路车辆而被发表，展示了其巨大的潜力。除去这些应用程序，在自热反应器方面，最近的发展正在证明恢复使用以燃料电池作为牵引动力的车载处理器的合理性23,24。特别的，正如以上所提到的，早期的项目失败了，因为科研人员把重点放在了车载燃料处理，为了让燃料电池提供全部的车载牵引动力。尽管如此，与能源存储系统的合作，就像一个蓄电池，因此可减小燃料电池的尺寸和改装的燃料电池的尺寸。燃料电池的大小可以通过一个插电方案进一步减小，这就为通过一个外部能源给蓄电池充电提供了可能，进而扩大了行驶里程。然而，这种解决方案的真正好处在于只能强调在所有车载能量源中的一种合理的能量管理25。对于燃料电池汽车，已经提出了多个能量管理控制策略，比如启发式策略2628，等价的消耗最小策略29,30，和基于最优控制理论的策略3135。尽管如此,这些分析都是应用于离线制氢和氢存储的燃料电池汽车,而车辆车载燃料处理的能源管理通常是基于燃料电池在恒功率下运行,源自独立优化ATR/FC系统效率。评估的基于甲醇改装的车载高温电解质膜燃料电池占系统效率的25123,而对有着自热重整由乙醇改装的燃料电池系统，获得的系统效率高达设计外文翻译第4页共9页4124。即使声称有使用车载系统的可能性，那些结果属于一个独立的系统。并且24，一个独立的氢制造单元模拟了车载的用途，它来自于改良的乙醇用LTPEMFC。有着车载处理器和可变燃料电池负载的燃料电池汽车的能量管理，对于这方面的研究没有依据。在这种情况下，能源管理中来自氢可用性的约束必须要考虑。文中提出了一项对有车载燃料处理器的并联燃料电池/蓄电池汽车的能量管理的控制器的设计。这个运用是一个装备了自热重整生产的来自异辛烷的合成气的车辆,把它考虑作为汽油的替代。AAPENPLUSTM已用于燃料处理器建模,为了找到转换效率和妥善评估合成气成分最大化的操作点。这个燃料电池是一种高温高分子电解质膜燃料电池，它的作为合成气组成的作用性能通过自制的半经验的代码已经仔细评估,已经由作者实现和发布37,38。燃料电池负载可以不同,氢燃料处理器不能满足实时需求,因此,在燃料电池和燃料处理器中间放置一个合成气缓冲区。来自于已经提出的对于燃料电池汽车的应用程序框架的策略，并且考虑了动态的合成气缓冲和来自氢可能性的限制。此外,在驾驶周期平均速度使用信息下，前面提出的算法适应法律也被提高了,平均的过去驾驶条件下,进行模式类型识别。为了证明算法的有效性,相比于最优化一项算法的比较分析进行了引导并且报导了主要结果。已经验证了和原来的普通汽车的燃料消耗模型比较结果,即雪佛兰迈锐宝,并且在过去的工作中在插电混合电动动力系统上实现相同的车辆底盘40。2车辆模型模拟器用于研究准静态前瞻性模拟器,在MATLAB中仿真开发和源于过去的一项研究40。驱动器模型基于一个PID控制器，比较车辆的实际速度这是由于平衡动力车轮和阻碍车辆运动两者的转矩得到的结果与所需的速度。如果车轮的扭矩是正值或者负值，那么模拟器就会选择第一或者第二，然后控制器输出油门或刹车踏板位置。实际车速是通过解决车辆纵向动力学计算出来的,这考设计外文翻译第5页共9页虑了所有的对车辆运动的抵抗,如轮胎滚动阻力、空气阻力和道路坡度。用于车辆动态计算的主要参数在表格1中已经给出。等价车辆质量是涉及考虑动力传动系统的所有部件的转动惯量,近似地估计增长10的总体汽车质量,评估来自主要部件质量和汽车外壳和框架。表1车辆动态计算主要参数整车整备质量迎风面积迎风阻力系数滚动阻力系数车轮半径1500KG2M2035001302M燃料电池汽车的动力传动系统简图见图1，传动系统包括HTPEMFC（高温高分子电解质膜燃料电池）、直流/直流转换器和105个锂离子2P电池组,它们和一个电动马达的DC/AC逆变器连接在一起。由于特定的效率图,电机可以直接链接到前轮没有任何传动比。燃料电池可以直接给电动机或者蓄电池提供能量，如果需要，蓄电池和燃料电池可以共同为前置马达提供能量。前置马达是一个型号为GVM210150的永磁电动机，它是通过效率图来建模的，效率图在图2中给出，其他的性能参数可从制造商那里获得41。图1车辆动力传动系统简图设计外文翻译第6页共9页图2电动机效率图41动力传动系统的技术参数列在表格2中。表2动力传动系统部件参数电动机蓄电池燃料电池H2缓冲区额定功率75KW能量容量13KWH额定功率21KW体积80L峰值扭矩270NM30004200RPM电压340V电池数量325H2存储质量1KG额定扭矩130NM05000RPM最大电流180A所用面积120CM2H2压力250BAR最小电流60A不同的是40,当燃料电池是LTPEMFC（低温高分子电解质燃料电池）,堆栈是由325个小电池串联而成,每一个有效面积120平方厘米。存储缓冲区被放置在自热重整和燃料电池堆栈,也就是当需要的时候，由自热重整制造的氢被用设计外文翻译第7页共9页作燃料电池的地方。这种方式,自热重整可以工作在一个固定的优化操作点。自热重整已经正确建模,以评估异辛烷衍生合成气成分和21节中描述的模型。之后,HTPEMFC的一个零维电化学模型,在22节中已被提出和简要的描述37,38,利用获得的合成气成分测定FC（燃料电池）栈的效率和单个电池的伏安密度曲线。21ATR模型本节的目的是定义操作条件,也就是最大化基于自热重整模式以异辛烷为原材料的燃料处理器的效率。为了找到最大化转换效率的操作点，ASPENPLUSTM已经被用于燃料处理器建模。普通的重整反应机理可以写成C8H18H2OO2377N2PRODUCTS（1）其中和分别是水和空气的化学计量系数。在（1）中唯一的总体反应生成物为H2、CO、CO2和CH4。为了获得最大量的制氢,重整反应分两步进行高温步骤重整反应异辛烷转化为氢气的气体混合物，一氧化碳、二氧化碳、甲烷、C（S）和未反应的水；低温步骤水煤气转移反应CO和H2O反应生成CO2和H2。反应过程中的主要部件在图3中，它们是自热重整反应器ATR重整反应器中异辛烷转化为氢气的气体混合物，CO、CO2和H2O。ATR是以异辛烷、蒸汽和氧气为原材料并保持在绝热条件下。水煤气转移反应堆WGSR水煤气转移反应堆低温水反应堆WGSR转变一氧化碳与水反应；H2和CO2被认为是生成物。热回收线由于燃料的热效率处理器单元强烈取决于反应物预热温度，正如报道的42，热回收线被定义为在两个热交换器冷却合成气流温度。特别地，水和蒸汽重整反应所需的异辛烷在HEX2加热冷却合成气流，然后加设计外文翻译第8页共9页热HEX1；氧气送到了升温到351摄氏度，自热重整6反应堆的膜分离过程需要压缩空气10个大气压，和压缩热氧。分离单元SEP1膜分离单元的纯氧。这里的空气被压缩了C1到10个大气压，然后通过去除效率为95的膜把氧从氮分离43。互动冷却压缩线IRCL合成气生产线的最后阶段。这是配备三个压缩机和两个热交换器和需要为了增加氢合成气压力的缓冲压力，即250个大气压，在图3表示IC压缩部分。图3自热重整反应器系统布局由于反应体系的复杂性，热力学平衡分析是由非化学
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