壳牌马拉松比赛纯燃料电池赛车动力系统设计与分析

摘要

氢能和质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane FuelCell，简称PEMFC）在电动车方面的应用是被广泛研究的热门课题，归因于其零排放、无污染的特点，但是目前在应用方面燃料电池还是面临较多的挑战。为了促进能源转化技术及在车辆方面的节能减排技术，由壳牌发起的一项专门针对大中学生的壳牌马拉松赛车比赛，是一项高效节能性比赛，其目的是让学生自主设计、制造并测试高效节能赛车，燃料电池赛车是其中一种类型。2018 年亚洲赛区的比赛已在新加坡樟宜展览中心举行，评选出比赛中最为节能高效的赛车。本文设计了一种高效能燃料电池动力系统，并将其集成到原型车中，用于参加2018亚洲壳牌马拉松赛车比赛。由于壳牌马拉松赛车比赛对燃料的利用率要求很高，因此研发高效能质子交换膜燃料电池动力系统和对样车测试验证为研究的重点，其主要内容如下：　　①建立赛车动力学模型进行仿真分析，得出赛车所需功率和能量。为赛车动力系统的设计提供准确可靠的模型依据。分析燃料电池和电机的特性，依据功率及高效性需求选择动力系统组件。建立燃料电池电压输出模型，模拟其动态响应，来反映PEMFC的工作特性。　　②通过仿真和实验验证制定行驶策略，继续提高燃料电池赛车的节能性，并进行动力系统的初步测试，验证是否满足动力性需求。配置赛车动力系统结构，包括燃料电池、电机及辅助电子器件，使之有效地运行。　　③对整车进行试验验证，定量分析测试结果。采集相关数据，计算并分析不同行驶策略下赛车的能耗，进行比较，验证行驶策略可行性，并计算赛车的tank-to-wheel氢能转换效率。　　在车辆动力学分析的基础上，最终选取额定功率为1000 W的高效能PEMFC电堆和1000 W的高性能直流无刷电机来组成赛车的动力系统。并制定了赛车的行驶策略，完成了赛车的测试实验。设计的这款燃料电池赛车在2018年亚洲赛区的比赛中获得了冠军。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 燃料电池汽车国内外发展状况

1.3 燃料电池汽车国内外研究现状

1.3.1 燃料电池汽车国外研究现状

1.3.2 燃料电池汽车国内研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 PEMFC基础及FCV动力系统拓扑结构

2.1概述

2.2 PEMFC概述

2.3.1 PEMFC输出电压

2.3.2 PEMFC效率

2.4 FCV动力系统结构

2.5 本章小结

3 燃料电池动力系统设计及行驶策略

3.1 概述

3.2 整车模型建立

3.3 所需功率和能量的估计

3.4 燃料电池测试及模型仿真

3.4.1 燃料电池测试

3.4.2 燃料电池建模仿真

3.5 电动机的选型

3.6 传动部件设计

3.7 动力系统初步测试

3.8 本章小结

4 动力系统的结构设计及样件制造

4.1 概述

4.2 动力系统结构布置

4.3 赛车样件设计及制造

4.4 本章小结

5 实验结果与分析

5.1 概述

5.2 赛车能耗测试

5.3 整车功率分流及效率分析

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本文的创新

6.3 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢