燃料电池电动汽车驱动系统建模与仿真

摘要

燃料电池电动汽车(FCEV，FuelCellElectricVehicle)以燃料电池作为动力源，通过电极反应将燃料的化学能转变为电能，由电能驱动电机使车辆运行。 燃料电池的最大特点就是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”限制，其效率高达60﹪～70﹪，实际使用效率则是普通内燃机的2倍左右。由于燃料电池电极反应的产物只有水，兼备无污染、高效率、低噪声及具有模块化结构等特点，因此燃料电池电动汽车被公认为是21世纪替代内燃机汽车的最理想的交通工具。 本文主要以某单位自主研发的燃料电池电动汽车为基础，从理论上建立整车驱动系统的仿真模型，通过ADVISOR仿真平台来验证其工作可靠性和稳定性。燃料电池作为动力源，其工作的稳定性对整车的性能影响较大，而其内部热平衡是影响燃料电池输出特性的一个重要因素。电极反应将燃料的化学能转变为电能过程中会产生较大热量，能否及时排除并加以利用这些热是燃料电池内部热管理的核心问题。鉴于此，本文重点分析了燃料电池内部热管理机理，结合燃料电池的物理结构建立其仿真模型。 文章对几种燃料电池电动汽车基本结构及其子系统匹配问题进行逐一分析，确定一种燃料电池电动汽车驱动系统基本结构，并选定驱动模式。详细介绍了燃料电池的内部结构及其子系统工作机理，重点介绍其热管理数学模型。并对燃料电池电动汽车驱动系统主要部件包括储能系统、DC／DC变换器、电机和部分控制器的工作原理及建模过程作了简要介绍。最后，在ADVISOR仿真平台上对整车进行性能仿真，得到了较为详细的驱动系统运行情况的仿真结果，通过仿真结果的分析提出下一步建立整车优化模型的改进设想。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1燃料电池电动汽车概述

1.1.1质子交换膜燃料电池技术发展概况

1.1.2燃料电池电动汽车国际国内发展概况

1.1.3燃料电池电动汽车发展存在的问题

1.2燃料电池电动汽车的仿真研究

1.3课题主要研究内容

1.4本章小节

第2章燃料电池电动汽车驱动系统结构分析

2.1引言

2.2驱动系统结构及工作原理

2.2.1 FC结构

2.2.2 FC+B结构

2.2.3 FC+C结构

2.2.4 FC+B+C结构

2.3驱动系统驱动模式及选型分析

第3章质子交换膜燃料电池系统基本结构和原理

3.1质子交换膜燃料电池(PEMFC)

3.1.1质子交换膜

3.1.2电催化剂

3.1.3电极(阴极和阳极)

3.1.4双极板

3.1.5质子交换膜燃料电池的性能特点

3.2质子交换膜燃料电池系统的基本结构组成

3.2.1氢气供给系统

3.2.2空气供给系统

3.2.3水/热管理系统

3.2.4控制系统

3.3本章小结

第4章燃料电池电动汽车驱动系统主要部件工作原理及工作特性分析

4.1引言

4.2 DC/DC变换器

4.2.1 DC/DC变换器的作用

4.2.2 DC/DC变换器主要类型及原理

4.2.3 DC/DC变换器的控制

4.3.能量存储系统

4.3.1燃料电池电动汽车对能量存储系统的特性要求

4.3.2储能系统的类型

4.3.3储能管理系统

4.4电机驱动系统

4.4.1燃料电池电动汽车对电机驱动系统的特性要求

4.4.2电机的类型

4.5本章小结

第5章燃料电池电动汽车驱动系统仿真模型建立及分析

5.1仿真软件ADVISOR介绍

5.2燃料电池电动汽车驱动系统仿真模型

5.3燃料电池模型

5.4电机模型

5.5蓄电池模型

5.5.1蓄电池性能介绍

5.5.2蓄电池子系统模型的建立和分析

5.6本章小结

第6章燃料电池电动汽车驱动系统仿真及结果分析

6.1仿真步骤及目标

6.1.1仿真步骤

6.1.2仿真目标

6.2子系统建模

6.3仿真行驶工况的描述

6.4整车仿真结果

6.5驱动系统主要部件仿真结果分析图

6.5.1燃料电池

6.5.2电机的输出特性

6.5.3蓄电池

6.6本章小结

第7章结论及展望

参考文献

致谢