电动汽车用燃料电池与锂电池复合电源参数设计与仿真开题报告
2020-02-20 09:02
1. 研究目的与意义（文献综述）
随着汽车工业迅猛发展，全球汽车保有量快速增长引起石油资源消耗递增和环境污染问题亟待解决，因此降低燃油消耗、减少温室气体排放的新能源汽车已成为汽车行业发展的主流方向。
燃料电池汽车是电动汽车的一种，燃料电池发出的电经逆变器、控制器等装置给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶,燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2-3倍。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物 ,因此燃料电池车辆是无污染汽车。
2. 研究的基本内容与方案
4.电动汽车结构及基本参数选择
4.1燃料电池复合电源电动汽车的基本结构
本课题所研究的燃料电池汽车主要包括燃料电池系统、直流/直流（DC-DC）变换器、电机驱动系统、动力电池及其管理系统等，如图3所示。
图3.燃料电池汽车基本结构图
燃料电池系统主要由燃料电池堆、燃料供给与循环系统、氧化剂（）供给系统、水热管理系统及控制系统组成。实现电能的产生和主要功率输出功能。
DC/DC变换器主要由单片机、脉宽调制、主电路等部件组成。实现燃料电池输出电压与压力总线电压匹配及控制能量输出功能，如图4所示。
图4.DC/DC变换器控制结构框图
驱动电机及其控制系统主要由电动机和控制器组成，是燃料电池汽车的心脏，使电能转换为机械能，并通过传动系统驱动车辆行驶。控制器用来控制电机，是一个电能变换装置，主要由直流电机驱动、异步电机驱动、同步电机驱动和开关磁阻电机驱动等几种方式。
4.2 ADVISOR仿真软件介绍及仿真过程
ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator，高级汽车仿真器)是由美国国家可再生能源实验室NREL(National RenewableEnergy Laboratory)在MATLAB/Simulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件。该软件从1994年1月开始使用，可以对传统车辆、混合动力车辆和纯电动车辆各种性能的仿真分析。ADVISOR仿真软件中关于混合动力汽车的模型包括驱动电机模型、蓄电池组模型、变速器和主减速器模型、车轮/车轴模型、车辆动力学模型等。其后台程序由模型化的MATLAB/Simulink语言编写而成，还提供了多种可供选择的开源电动汽车电力系统部件模型，而且ADVISOR为用户提供了良好的人机操作平台，使仿真分析简便易行。ADVISOR中燃料电池与锂电池复合电源仿真原理图如图6
所示。
图6. ADVISOR中燃料电池与锂电池复合电源电动汽车仿真原理图
ADVISOR仿真软件仿真过程大致分为三部分：第一部分是ADVISOR整车参数设置，如图5所示，主要包括车辆类型、动力传输方式、汽车基本参数、燃料发动机功率大小等。第二部分为仿真参数输入界面， ADVISOR提供上百种工况，自行选择需要的工况，自行设置仿真次数。第三部分为仿真结果输出。
图5. ADVISOR仿真软件燃料电池与锂电池复合电源电动汽车参数设置界面
燃料电池与锂电池复合电源电动汽车Simulink仿真模型图如图7所示，仿真框图
如图8所示
图7.燃料电池与锂电池复合电源电动汽车Simulink仿真模型图
图8. 燃料电池与锂电池复合电源电动汽车仿真框图
4.3燃料电池复合电源电动汽车参数初步设置
本文研究的燃料电池汽车结构参数如表1所示，燃料电池汽车性能设计指标如表2所示。
表1. 燃料电池复合电源电动汽车参数结构
| 结构参数 | 数值 |
| 整车质量 （kg） | 1500 |
| 满载质量 （kg） | 1800 |
| 轮胎滚动半径 （m） | 0.288 |
| 整车尺寸 | 4630*1720*1523 |
| 轴距（m） 前轮胎规格 后轮胎规格 | 2.660 195/60 R14 195/60 R14 |
表2. 燃料电池复合电源电动汽车性能设计指标
| 结构参数 | 数值 |
| 0-100km/h加速时间（s） | lt;10 |
| 最大爬坡能力（°） | 20（约25km/h） 3（约100km/h） |
| 最高车速（km/h） | 约140 |
4.3.1驱动电机参数初步设置
对于电机参数来说，只需要确定其中三个参数，即额定功率、峰值功率以及最大转矩。其中最高车速虽然只是汽车动力性能的一个指标，但是它实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能力。
燃料电池汽车以最高车速行驶时发动机输出的功率，以恒定车速25km/h爬坡发电机输出的功率，在水平路面加速行驶输出的功率，电动机最大输出功率:
gt;{,,}
经估算可得，电动机最大输出功率为90-100kw。
4.3.2燃料电池选择及参数初步设置
燃料电池是一种复杂的发电装置，他可以将氢能和氧化剂中的化学能直接转化为电能，其基本结构是以氢为燃料电池阳极，氧为燃料电池阴极，通过两电极与外电路链接。燃料电池主要可以分为：碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC），固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC），熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell，MCFC）磷酸型燃料电池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）和质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）。不同电解质燃料电池性能如表3所示。
表3. 多种燃料电池复性能指标
| 燃料电池种类 | 常用电解质 | 工作温度 | 燃料 | 效率 | 优点 | 缺点 |
| 碱性燃料电池(AFC) | 氢氧化钾 | 80℃左右 | 纯氢气 | 60%-70% | 启动温度低，效率高 | 电解质有腐蚀性，连续工作时间短 |
| 固体氧化物燃料电池(SOFC) | 氧化锆、陶瓷 | 800℃-1000℃ | 氢气、甲烷、煤气等 | 50%-65% | 高效、清洁功率密度高 | 启动时间长、工艺要求高 |
| 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) | 碳酸盐 | 600℃-1000℃ | 氢气、天然气、煤气等 | gt;50% | 高效、低噪、肺热可利用 | 启动时间长，电解质腐蚀性挥发性 |
| 磷酸型燃料电池(PAFC) | 液体磷酸 | 150℃-200℃ | 天然气、甲烷等燃料气体或城市煤气 | 40%左右 | 低污染低噪，技术成熟 | 价格较高，效率相对较低，易造成CO中毒 |
| 质子交换膜燃料电池(PEMFC) | 高分子质子交换膜 | 80℃-110℃ | 氢气、甲醇、天然气 | 43%-58% | 低污染、低噪、启动快、低热辐射、输出功率可调 | 造价昂贵，存储氢气技术不理想 |
质子交换膜燃料电池相对于其他燃料电池来说有以下优点：（1）其工作温度较低，只有80℃左右；（2）该电池采用的电解质为固体有机膜，电池工作可靠性高；（3）电解质不含酸碱性物质，无腐蚀作用；（4）能量密度高，可以保证里程足够；（5）该电池使用过程中只生成水，无污染；（6）原料为氢气，取材范围广；（7）质子交换膜结构简单，制造方便。综合考虑各种燃料电池的优缺点，本文选用质子交换膜燃料电池作为电动汽车的动力源。
对于燃料电池输出功率的确定，按照最高车速平衡方程可得：
带入数值得出最高速行驶时燃料电池输出功率，考虑到燃料电池自身损耗以及保留一定的余量，故取最大输出功率为50kw。
4.3.3动力电池参数初步设置
锂离子电池是目前最被人所熟知的一类蓄电池，同时也是现代高性能电池的代表。目前对于绝大多数锂离子电池采用的是磷酸锂作为电池的正极材料，通常其一般总反应方程式可表示为：
作为现代高性能电池的代表，锂离子电池在容量、功率等方面相较于其他种类电池具有较大的优势，电池本身具有工作电压高，能量高，无记忆效应、体积小、质量轻，能够快速充电、无污染而且循环使用寿命长等显著特点，被誉为21世纪发展的理想能源。但是锂离子也存在许多自身的不足，一是锂金属价格高昂，而是电池内阻较高，当电流较大时，易造成电池过热甚至引起爆炸，因此通常需要配备额外的保护电路，增加了复杂性且提高使用成本。
综合考虑锂离子电池和其他种类蓄电池，本课题选择比功率大，能量密度高并且技术成熟的锂离子电池作为燃料电池汽车的辅助能源。
按照汽车功率分配，燃料电池和锂离子电池共同为燃料电池汽车提供能量，因此动力电池最大功率应大于电动机最大功率与燃料电池最大功率的差值，即
式中：为动力电池最大功率，kW。由上文可知，电动机输出功率为90-100kw，燃料电池最大输出功率为50kw，因此锂电池最大输出功率应为50kw。因此我们选择国产燃料电池12V/20Ah锂电池30节。
5.能量管理策略
通过燃料电池系统输出效率和锂离子电池安全性和耐久性的分析，设计自适应控制策略。燃料电池最大输出功率定义为；蓄电池充放电功率限值为和；锂电池SOC的高低限值定义为(90%)和(50%)；发动机需求功率。
根据蓄电池的SOC状态，将蓄电池分为三大类工作区间：（1）高SOC（SOCgt;90%）；（2）低SOC（SOClt;50%）；（3）中SOC（50%lt;SOClt;90%）。
1.低SOC区间
此时，蓄电池的SOC已经到达较低数值，持续放电会使蓄电池出现放电过度现象。因此结合电动机的功率需求，使蓄电池在不放电的情况下，尽量提高燃料电池的输出功率，并且在电动机功率需求较低时对锂离子蓄电池进行充电至70%。
2.高SOC区间
此时，SOC达到了较高的一个值，继续回收能量会使蓄电池能量达到饱和。因此结合电动机具功率需求，增加蓄电池输出功率，并适当减少燃料电池输出功率。在蓄电池持续放电的同时，逐渐增加燃料电池功率输出，使之在蓄电池放电到70%左右达到正常工作状态。
3.中SOC区间
此时，蓄电池保持在合适的数值，燃料电池一直工作在高效区，同时结合具体负载功率需求和SOC数值，是蓄电池SOC达到平衡状态，使蓄电池工作在中SOC区间。
高中低SOC区间细分可以分为十一个能量管理小区间，如图9所示。其中(1)(4)(7)为高SOC区间，(2)(5)(8)为中SOC区间，(3)(6)(9)为低SOC区间
图9. 燃料电池与锂电池复合电源电动汽车能量管理策略
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电动机功率需求小于锂电池最大输出功率，此时锂电池处于高SOC区间，燃料电池汽车在（1）状态区间内，锂电池为燃料电池汽车提供动力，燃料电池不工作。
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电动机功率需求小于锂电池最大输出功率，此时锂电池处于中SOC区间，燃料电池汽车在（2）状态区间内，锂电池和燃料电池一起为汽车提供动力。
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电动机功率需求小于锂电池最大输出功率，此时锂电池处于低SOC区间，燃料电池汽车在（3）状态区间内，锂电池不工作，燃料电池为汽车提供动力，并给锂电池充电。
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电动机功率需求大于锂电池最大输出功率，小于燃料电池最大输出功率，锂电池处于高SOC区间，燃料电池汽车在（4）状态区间内，燃料电池和锂电池一起为汽车提供动力，锂电池输出功率为90%最大输出功率，其余需求功率由燃料电池提供。
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电动机功率需求大于锂电池最大输出功率，小于燃料电池最大输出功率，锂电池处于中SOC区间，燃料电池汽车在（5）状态区间内，主要由锂电池为汽车提供动力，锂电池接近不工作状态。
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电动机功率需求大于锂电池最大输出功率，小于燃料电池最大输出功率，锂电池处于低SOC区间，燃料电池汽车在（6）状态区间内，由燃料电池为汽车提供动力，锂电池不工作，燃料电池给锂电池进行充电。
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电动机功率需求大于燃料电池最大输出功率，锂电池处于高SOC区间，燃料电池汽车在（7）状态区间内，燃料电池和锂电池一起为汽车提供动力，锂电池输出功率为90%最大功率，其余需求功率由燃料电池提供。
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电动机功率需求大于燃料电池最大输出功率，锂电池处于中SOC区间，燃料电池汽车在（8）状态区间内，燃料电池和锂电池一起为汽车提供动力，燃料电池汽车达到最大输出功率，其余需求功率由锂电池提供。
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电动机功率需求大于燃料电池最大输出功率，锂电池处于低SOC区间，燃料电池汽车在（9）状态区间内，燃料电池和锂电池一起为汽车提供动力，燃料电池汽车达到最大输出功率，其余需求功率由锂电池提供，并且提醒驾驶员适当减速。
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电动机功率需求大于电动机最大需求功率，燃料电池和锂电池一起为汽车提供动力，燃料电池汽车电动机转速大于最大限定转速，管理系统向驾驶员报警，车辆动力不足。
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电动机功率为负，即燃料电池汽车减速时回收能量，回收的能量向锂电池充电，超过锂电池最大充电功率的能量以热能形式释放。
6.技术路线图
图10.燃料电池与锂电池复合电源电动汽车技术路线
3. 研究计划与安排
| 时间 | 研究计划 |
| 2.18-3.8 | 撰写开题报告并完成英文文献翻译 |
| 3.11-3.17 | 深化、细化技术方案 |
| 3.18-4.7 | 采用matlab及advisor软件搭建模块进行仿真理论 |
| 4.8-4.28 | 根据结果进行分析，提出改进思路和方法 |
| 3.29-5.26 | 撰写论文正文 |
| 5.27-6.2 | 修改、完善论文 |
| 6.3-6.9 | 打印论文，答辩 |
4. 参考文献（12篇以上）
[1]徐贤,高海宇.燃料电池汽车动力系统结构与控制相关性研究综述[j].科技视界,2018(16):205 214.
[2]干频.燃料电池电动汽车动力传动系统技术研究[j].传动技术,2010,24(03):14-19.
[3]倪红军,吕帅帅,陈青青,裴一.氢电混合燃料电池汽车动力系统研究进展[j].电源技术,2015,39(04):855-856.
