燃料电池混合动力电动车的系统设计及控制策略研究

摘要

近年来，经济发展与环境污染和能源短缺之间的矛盾日益尖锐，燃料电池以氢气作为燃料，具有能量密度高、无污染等特点，被认为是有发展前景的车用能量源。燃料电池的工作特性决定了其无法单独用于驱动汽车，由燃料电池和蓄电池驱动的混合动力电动车，以燃料电池作为能量蓄能器，以蓄电池作为功率缓冲器，可充分发挥两者的优点，提高能源利用率和燃料经济性。　　本文针对燃料电池混合动力电动车，设计了燃料电池+蓄电池混合动力系统，并搭建了样车作为实验平台，提出了功率分配控制策略，通过仿真和实车实验验证了其可行性。本文主要研究内容如下：　　（1）通过分析几种混合动力系统拓扑结构的优缺点，确定了燃料电池混合动力电动车的拓扑结构，并对质子交换膜燃料电池、锂离子电池及升压型DC/DC变换器等关键部件的参数进行匹配。　　（2）设计了基于NI的信号采集和控制系统，实现对电气信号的采集和滤波处理。在此基础上，对燃料电池、锂电池及DC/DC变换器进行性能试验，并对混合动力系统的功率分配功能进行了测试，以确保搭建的电动车的功能完善。　　（3）针对混合动力系统，提出了基于规则的功率分配控制策略和等效耗燃料消耗最小策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy，ECMS）。　　（4）对基于规则的控制策略和ECMS策略进行仿真分析和实车实验，结果显示，两种策略均可实时对混合动力系统的总功率进行分配，与基于规则的策略相比，ECMS策略可有效提高燃料电池及燃料电池和DC/DC变换器支路的效率，减少氢气的消耗，提高了燃料经济性。

目录

声明

1 绪论

1.1研究的背景和意义

1.2 燃料电池电动车的发展现状

1.3 燃料电池混合动力电动车控制策略的研究现状

1.4 本文研究内容

2 燃料电池混合动力电动车系统设计

2.1 混合动力系统拓扑结构

2.2 混合动力电动车各部件选型与参数匹配

2.2.1 总功率的确定与电机选型

2.2.2 燃料电池选型与参数匹配

2.2.3 蓄电池的选型与参数匹配

2.2.4 DC/DC变换器的选型与参数匹配

2.3 信号采集和控制系统设计

2.4 混合动力电动车搭建

2.5 本章小结

3 燃料电池混合动力电动车各部件性能试验及系统测试

3.1 信号的处理

3.2 燃料电池的性能试验

3.3 锂电池的性能试验及SOC的估计

3.3.1 锂电池的建模和性能试验

3.3.2 锂电池SOC的估计

3.4 DC/DC变换器的性能试验

3.4.1 DC/DC变换器的开环控制

3.4.2 DC/DC变换器的闭环控制

3.4.3 DC/DC变换器的效率

3.5 混合动力系统的测试

3.6 本章小结

4 燃料电池混合动力电动车控制策略的设计和验证

4.1 混合动力系统控制策略的基本原则

4.2 基于规则的功率分配控制策略

4.3 ECMS功率分配控制策略

4.3.1 ECMS功率分配控制策略的基本原理

4.3.2 等效系数的确定

4.4 两种控制策略的对比及实验验证

4.4.1 两种策略的仿真结果

4.4.2 两种策略的实验验证

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果