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单位代码：10452
毕业论文（设计） 燃料电池电动汽车动力系统匹配研究 姓 名 祝 煌 学 号 [1**********]9 年 级 2009 专 业 汽车学院 系 （院） 车辆工程 指导教师 高永强 2013年 4月 18日
摘 要
随着世界环境污染和能源危机问题的目益凸显，内燃机汽车在经过百年发展后，虽然在安全、节能、环保和舒适等方面取得了重大的进展，但其不得不面临石油资源日益枯竭的现状。面临可持续发展，大气环保和地球温室效应的挑战，以及噪声方面的限制。低排放、无污染的清洁汽车倍受各汽车生产大国的关注。纯电动、混合动力汽车应运而生。燃料电池汽车以其接近零排放、能量转化效率相对较高、噪声小的等特点，成为了各大汽车公司研究的热点之一。开发燃料电池电动汽车是解决当前能源短缺与环境污染问题的切实有效的技术途径之一。以提高动力系统的效率为目标，研究多能源动力系统参数优化方法，构建由燃料电池与辅助动力源组成的电一电混合动力系统，已成为燃料电池汽车开发的关键技术。
本文首先介绍燃料电池汽车的结构及分类。分析各类型的优缺点后，选定燃料电池与蓄电池组成的混合动力汽车(FC+B)为研究对象。在行驶过程中，蓄电池可以长时间提供足够的辅助能量，特别在汽车制动能量回收的过程中，回收回馈功率，进而延长系统使用时间，提高汽车动力系统的效率。本文在对燃料电池混合动力汽车驱动系统中的主要部件分别进行比较后，确定了燃料电池、动力电池、电机的类型。针对燃料电池混合动力汽车车用动力源的特性要求进行了质子交换膜燃料电池、驱动电机的试验研究。
综上所述，文章论述了燃料电池电动汽车动力系统参数匹配与优化研究的内容，主要概括了混合动力参数匹配和优化方法，指出加强燃料电池电动汽车电电混合动力系统匹配与优化研究是提高动力系统效率的有效途径。对其他型混合动力系统参数匹配与优化也具有一定的参考价值。
关键词：燃料电池电动汽车 电电混合动力系统；动力匹配优化
Abstract
The environment pollution and energy crisis are becoming increasingly acute．The
traditional internal combustion engine has been developed for 100 years．Although it makes a great progress in terms of safety, energy conservation，and environmental protection，and comfortable ， it also had to face the increasing depletion of the oil．Face with the strategy of sustainable development，environmental protection and the greenhouse effect，as well as noise restrictions ．The low emissions，no-pollution vehicle draw more and more attention．Pure electric ，hybrid electric vehicle are available．Because of zero emissions，high efficiency of energy conversion，low noise，and other features，the fuel cell vehicle has become a searching spot ．The development of Fuel Cell Electric Vehicle(FCEV)is one of the most efficient technologies to solve the problems which were caused by the limit of energy sources and
environment pollution．It is the key technology for FCEV to compose electric-electric hybrid powertrain system of fuel cell and auxiliary power source，and study on multi—energy power system parameter optimization, aiming at improving efficiency of the overall hybrid
powertrain system．
The structure and classification of fuel cell vehicle were firstly introduced in this
thesis ．This article analysis the advantages and disadvantages of each type，a fuel cell hybrid consisting of a fuel cell and a pack of batteries was chose to research．When the vehicle is runing ，batteries can provide long-time energy．Especially in the breaking process，they can regenerate the energy．So that to extend the life time and improve efficiency．In this article，the main components of fuel cell hybrid electric vehicle drive system were compared．And then the fuel cell，battery and motor were determinate．The experiments of the proton exchange membrane fuel cell and motor were carried out to prove that it meet the power
requirements ．In order to decrease of fuel consumption，fuzzy control strategy is used in the fuel cell vehicle．This strategy based on vehicle battery power requirement and SOC control parameters ．
To sum up，this thesis’s summarize the research coments of parameter matching and
optimization of FCEV powertrain system，conclude parameter matching and optimization method for the hybrid powertrain system，and point out the study on matching and
optimization of FCEV powertrain system is a effective way to improve system efficiency．It offer certain reference for parameters matching and optimization for other similar hybrid powertrain system．
KEY WORDS：FCEV ；Electric-electric hybrid power systetm；Power parameter matching and optimizing
目 录
1 绪论 . ................................................................... 1
1.1选题意义，研究现状及可行性分析 ...................................... 1
1.2国内外燃料电池电动汽车的发展现状 .................................... 2
1.1.1国外燃料电池电动车发展情况 ...................................... 2
1.1.2国内燃料电池电动车发展情况 ...................................... 4
1.3燃料电池电动汽车分类的特点分析 ...................................... 4
1.4本文主要研究内容 ....................................................... 6
2 燃料电池电动汽车FCEV 混合能源动力性分析 . ................................ 7
2.1燃料电池 ............................................................ 7
2.1.1燃料电池工作原理，分类及特点分析 ................................ 7
2.1.2燃料电池电池分类及其特性分析 .................................... 8
2.2质子交换膜电池特性分析及实验研究 ................................... 10
2.2.1质子交换膜电池特性分析 ......................................... 10
2.2.2质子交换膜电池性能分析 ......................................... 11
2.3燃料电池混合动力系统 ............................................... 15
2.4驱动电机及动力性分析 ............................................... 17
2.5本章小结 ........................................................... 18
3 燃料电池电动汽车动力系统结构配置和参数优化问题 ........................ 18
3.1燃料电池电动汽车动力系统机构配置优化 ............................... 18
3.2燃料电池电动汽车动力系统参数优化 ................................... 19
3.2.1优化目标 ....................................................... 19
3.2.2优化变量的选取 ................................................. 20
2.2.3优化约束 ....................................................... 21
3.3本章小结 ........................................................... 21
4 全文总结与展望 . ........................................................ 21
参考文献 . ................................................................ 22
致 谢 . .................................................................. 23
第一章 绪论
燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV) ，兴起于20世纪70年代末。以燃料电池作为动力源，通过氢氧反应产生电能驱动电机来驱动车辆行驶。由于该车型的排放物为水，氢氧利用率较高。普遍认为是一种新型、高效、清洁的环保车型。
1.1选题意义、研究现状及可行性分析
20世纪人类发展的历史，可以看到汽车扮演了促进经济发展和社会进步的重要媒介，它的出现极大地改变了人们的生活。科技的高速发展加快了交通工具的使用频率和更新换代的速度。尤其是进入21世纪以来，我们在享受汽车带给人们方便、快捷和舒适的现代生活的同时，它也带来了日益增多的问题：环境污染和过度使用能源。 伴随着世界环境污染和能源危机问题的日益凸显，内燃机汽车在经过百年发展后，虽然在安全、节能、环保、舒适和价廉等方面取得了重大的进展，但其不得不面临石油资源日益枯竭的现状。上世纪70年代，全球三次石油危机爆发后，节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联系在一起。据权威组织预测，地球上已探明的石油储量在50年内将耗尽，寻找新型能源已经成为人类社会发展的必经之路。面临可持续发展，大气环保和地球温室效应的挑战，以及噪声方面的限制，低排放、无污染的清洁汽车倍受各汽车生产大国的关注。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急，各跨国汽车公司开始研发各种类型的新能源汽车。
当前，各国政府、专家及大企业集团均看好的是燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV) 。欧美等发达国家非常重视燃料电池汽车的研制。燃料电池具有能量转化率高、燃料多样化、环境污染小、噪音低、可靠性强、维修性好的优点。其反应过程不涉及到燃烧，能量转化率可高达80％，实际使用效率是普通内燃机的2倍以上，成为公认的“绿色汽车”首选。燃料电池包括碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池等，其中质子交换膜燃料电池的工作温度比较低，被认为是代替传统发动机的最佳能量源。此外，燃料电池电动汽车使用液体氢气，一次充气可以行驶400km 以上，行驶里程比传统汽车要长得多。充气或更换气瓶 仅需要几分钟，与传统汽车加油的时间相同。比普通电动汽车充电时间短得多。
截止到目前，燃料电池汽车的研制和开发“已接近历史性突破的边缘”，燃料电池电动汽车将成为各大汽车厂家和发达国家汽车发展的研究方向。我国车用燃料电池研究已经有了良好的开端。“九五期间，燃料电池技术被列为国家重大发展项目，其中用于电动汽车的质子交换膜燃料电池技术研发已经进展到可以装车的水平。由于我国传统汽车工业落后当代世界先进水平20年，石油资源的匮乏、密集人口、担忧的环境情况要求我国未来的汽车工业发展不能跟在别人的后面，必须探求新的思路，走中国特色的汽
车工业发展道路，而燃料电池电动汽车(FCEV)这类新能源汽车无疑是我国未来汽车工业乃至世界汽车工业发展方向。我们需要抓住这个难得的发展机遇，实现新的技术革命的突破！
1.2国内外燃料电池电动汽车的发展现状
世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类燃料电池电动汽车，并且取得了一些方面的进展和突破。
1.2.1国外发展情况
欧美等发达国家非常重视燃料电池汽车的研制。截止到目前，燃料电池汽车的研制和开发“已接近历史性突破的边缘”，燃料电池电动汽车将成为各大汽车厂家和发达国家汽车发展的研究方向。下面分别对北美、欧洲、日本燃料电池汽车发展情况进行介绍。
美国是最先研究燃料电池的国家，在上世纪60年代为了“阿波罗飞船登月计划”，美国通用电气公司协助美国航空航天局利用英国物理学家威廉·格拉夫爵士的“电解水的逆反应产生电流" 理论研制的第一代燃料电池，并将其用在航天飞机的动力源中，随后又用于潜艇和汽车中。加拿大的巴拉德(Ballard) 公司是世界上最早从事燃料电池技术研发机构，也是燃料电池研发、生产和销售的领航者。产品先进成熟，遍布燃料电池发电机、备用电源、原材料处理、公交车、轿车等多个领域。各大汽车厂家研发的燃料电池电动汽车所使用的电池电堆大多为巴拉德公司的产品。2006年洛杉矶国际车展上福特公司推出以氧燃料电池为动力的全新探索者Explorer 燃料电池汽车(见图1.1) ，行使里程可以达到580km ，远远超过了其它以燃料电池为动力的车型，被号称为耐力王。
图1.1 福特Explorer 燃料电池车
1998年推出了小型箱式车Zalira ，2000年推出了HydroGen l，到2003年已发展到 通用公司也一直从事FCEV 的开发。1968年推出Electrovan 是世界上第一辆FCEV 。
HydroGen 3，该车型装载94kW 的质子变换膜燃料电池(PEMFC)，使用液氢为燃料，一次填充燃料可行驶400km ，最高车速160km ／h 。
戴姆勒公司在FCEV 领域一直是世界领先的制造商。公司旗下的戴姆勒奔驰公司从1990年开始研究燃料电池技术，1994年戴姆物一奔驰公司与Ballard 合作推出了第辆FCEV 车型Neear-1。Necar-1采用MBl90厢式车体，装载Ballard 生产的50kW 质子交
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换膜燃料电池，一次填充燃料续驶里程为130krn ，最高车速90km ／h 。1996年推出了Necar-2，1997年研制成Neea-3，到目前为止已经研制成Necar-5车型。德国大众汽车集团在环保驱动投术的研发方面一直不遗余力．在减少然料消耗和尾气排放方面不仅仅重视短期的技术优势，更有中长期规划。
2005年，大众公司推出了“途安HyMotion ”（图1.3）燃料电池电动汽车。该车使用80kW 电动机，核心原件为燃料电池，它为汽车提供必要的动力。此外，途安HyMotion 的另一个动力来源--可以利用燃料电池或制动能量进行充电的镍金属混台动力电池，还将为其提供额外的动力。这个氢动力燃料电池系统是大众汽车集团整个驱动和燃料战略中的一个里程碑。
图1.2戴姆勒Necar 图1.3途安HyMotion
普锐斯PRIUS Hybrid（图1.4）是日本丰田汽车于1997年所推出世界上第一个大规模生产的混合动力车辆车款，也是丰田汽车在混合动力汽车领域的代表作，量产及市场推广做得极其成功的车型。在2001年销往全世界40多个国家和地区，至2009初为止，丰田总共卖了超过350万辆普锐斯。在人们日益关注环保的今天，普锐斯Prius 因革命性地降低了车辆燃耗和尾气排放，其划时代之意义与先进性得到了全世界的高度评价。作为世界首款量产的混合动力车，普锐斯改变了人们基于传统汽车的评判标准。通过TOYOTA 油电混合动力系统将汽油发动机与电动机进行组合，在达成高水平的燃油经济性和环保性能的前提下，实现了出色的动力性。在城市工况下，排量为1.5L 的PRIUS 普锐斯达到了相当于2.0L 传统车型的动力性能；而油耗仅相当于1.0L 的传统车型。
图1.4丰田普锐斯prius 及动力系统
本田公司非常重视产品的研发应用，开发出先进的燃料电池汽车Honda ．FCX 系列。该车装有86kW 的质子交换膜燃料电池，是唯一通过美国环境保护局(EPA)和加州空气资源部(CARB)鉴定的零排放燃料电池汽车。2008年7月，本田推出FCX Clarity燃料电池车型，该车作为燃料电池专用车从零开始设计，以独创的VFlow(垂直系统单元结构) 的燃料电池堆技术为核心，实现了终极清洁性。
1.2.2国内发展情况
中国车用燃料电池研究已经有了良好的开端。“九五”期间，燃料电池技术被列为国家重大发展项目，其中用于电动汽车的质子交换膜燃料电池技术研发已经进展到可以装车的水平。“十五”期间，电动汽车在国家“863" 计划中列项，并被确定为国家12个重大科技专项之一。在“十五" 计划的五年中，中国在燃料电池领域的投资预计为9亿元人民币。中国已与全球环境基金联合国发展计划署建立燃料电池合作项目。经过科技攻关，目前己研制出几十个100kW 级以上的燃料电池，对整车动力系统的改进起到积极的推动作用。汽车燃料电池项目的发展目标是到2008年能够有小批量的燃料电池汽车投入使用。
在国内新能源电动汽车的自主品牌企业中，比亚迪公司凭借其在电池和半导体等领域的优势，在电动汽车以及混合动力汽车方面一直走在市场前列，2010年9月，比亚迪向市场上退出F3DM （图1.5）双模混合动力汽车，车辆可以在纯电动(EV)和混合动力(HEV)这两种模式之间自由切换。纯电动模式下即实现了零排放，混合动力的排放标准也将远远优于欧Ⅳ标准。而且F3DM 是全球第一款上市的不依赖专业充电站的双模电动车。2011年5月，比亚迪又推出E6（图1.6）纯电动汽车，并在深圳作为出租车做新能源汽车市场推广试点，并取得良好表现。
图1.5 比亚迪F3DM 图1.6比亚迪E6
1.3燃料电池电动汽车分类及特点分析
燃料电池汽车的基本结构各有不同。按照驱动型式不同，可分为纯燃料电池驱动和混合驱动两种”。
纯燃料电池汽车(FC型) 有且只有个动力源一燃料电池，汽车的所有功率负荷都由其来承担。其优点是：结构简单，与纯电动车有相似之处。其主要缺点有：①燃料电池的
功率大，成本昂贵；②对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求：③不能进行制动能量回收。基于这些不利因素，日前的燃料电池汽车主要采用的是混合驱动型式，即在燃料电池的基础上，增加了组电池或超级电容作为另一个动力源。
（图1.7）是采用“燃料电池+蓄电池”(FC+B)混台驱动型式的燃料电池汽车的动力系统结构图。考虑到目前燃科电池系统自身的一些特殊要求，例如：在启动时空压机或鼓风机需要供电，电堆需要加热，氢气和空气需要加湿等，同时也为了能够回收制动能量．因而将蓄电池和燃料电池系统组台起来形成混合动力驱动系统。该系统降低了对燃料电池的功率和动态特性的要求，同时也降低了燃料电池系统的成本，也增加了传动系统的重量、体积和复杂性．增加了电池的维护、更换费用。
图1.7“FC+B”型混合驱动型式的燃料电池汽车的动力系统结构图
根本上看，“FC+B"型燃料电池电动汽车采用的是混合动力结构。它与传统
意义上的混合动力结构的差别仅在于发动机是燃料电池而不是内燃机。在燃料电池混合动力结构汽车中，燃料电池和辅助能量存储装置共同向电动机提供电能，通过变速机构来驱动汽车。
目前，各大研究机构普遍研究的是“FC+B”型混合驱动形式，“FC+B”混合驱动系统应用的较多的主要原因是它具有以下特点：
(1)燃料电池单独或与动力电池共同提供持续功率，而且在车辆起动、爬坡和加速等峰值功率需求时，动力电池提供峰值功率；
(2)在车辆起步的时候和功率需求量不大的时候，蓄电池可单独输出能量；
(3)蓄电池技术比较成熟，可以在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足。可用于电动汽车的蓄电池，包括铅酸电池、镍镉电池、镍锌电池、镍基电池、锌空气电池、铝空气电池、钠硫电池、钠镍氯化物电池、锂聚合物电池和锂离子电池等多种类型。
此外也可以用超级电容器(UC)和超高速飞轮(FW)等代替蓄电池。目前，燃料电池和辅助动力源混合驱动系统型式还有以下几种：燃料电池+超级电容(FC+UC)、燃料电池+超高速飞轮(FC+FW)、燃料电池+蓄电池+超级电容(FC+B+UC)和燃料电池+蓄电池+超高速飞轮(FC+B+FW)。但均有欠缺之处，FC+UC型混合驱动系统超级电容器存储的能量比较小；FC+FW型混合驱动系统的缺点是燃料电池作为主能量源，超高速飞轮作为辅助动力源，动力系统主要体现燃料电池特性，动力性不是很好；FC+B+UC型混合驱动系统的控制策略比较复杂；FC+B+FW型混合驱动系统技术实现存在问题，超高速飞轮成本很高，应用较少。
根据燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例不同，燃料电池混合动力汽车可分为能量混合型和功率混合型两大类。
在燃料电池汽车开发的早期，由于技术水平的限制，燃料电池的功率较小，还难以满足车辆的功率需求。在车辆行驶过程中燃料电池只能提供整车功率需求的一部分，不足的部分还需要其它动力源(如电池) 来提供，采用这种混合驱动型式的汽车即为能量混合型燃料电池汽车。能量混合型燃料电池汽车为了满足一定的性能指标，往往需要配备较大容量的电池组，从而导致整车的自重增加、动力性变差、空间布置紧张。能量混合性燃料电池汽车的燃料电池经常在系统效率较高的区域内工作。但每次运行结束后，除了要加注氢燃料外，还需要用地面电源为电池充电。
随着燃料电池技术的不断成熟，燃料电池性能逐渐提高，燃料电池所提供的功率比例越来越大，这样就可以减少电池的容量，从而减轻车重、提高动力性等。但为了回收能量，还需要一定数量的电池，但电池只提供整车所需功率中很小的一部分。燃料电池作为主动力源，电池作为辅助动力源，车辆所需的功率主要由燃料电池提供，电池只是在燃料电池汽车启动、汽车爬坡和加速时提供功率，在汽车制动时回收能量。采用这种混合驱动型式的汽车即为功率混合型燃料电池汽车。
1.4本文主要研究内容
在广泛查阅国内外关于燃料电池电动汽车的文献资料、综述了该领域研究现状和进展的基础上，通过对各种类型的燃料电池汽车结构、驱动类型、组成部分的分析后，将燃料电池和蓄电池混合驱动(FC+B)的汽车作为主要研究对象，这种驱动系统结构可以弥补燃料电池系统的动态相应慢，启动、急加速和爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行使要求的缺点。在驱动过程中，蓄电池可以长时间提供足够的辅助能量，特别在汽车制动能量回收的过程中，回收回馈功率，进而延长系统使用寿命，提高汽车动力
系统的效率。并在采用燃料电池和蓄电池混合驱动系统的基础上提出了一种逻辑的控制策略，基于以上，使用软件建立相关整车、零部件和控制策略的模型，进行研究。
本文的主要研究内容如下：
(1)对燃料电池汽车结构进行初步探讨，分析优缺点。
(2)通过试验研究，分析燃料电池、电动机和锂离子蓄电池动力部件的特性。进行质子交换膜燃料电池性能试验，针对燃料电池电动汽车的各种基本行驶工况，测试燃料电池的输出性能，测试不同参数变化对燃料电池性能的影响。
(3)提出模糊控制策略并建立控制策略仿真模型，对燃料电池电动汽车混合动力总成的能量控制策略进行研究。
(4)对燃料电池电动汽车进行性能仿真。在设定的模糊控制策略和特殊的循环工况下，对燃料电池电动汽车进行动力性和燃油经济性仿真研究。通过比较，说明该车完全满足预定的动力要求，与国外汽车厂家研究的燃料电池电动汽车性能相当。
第二章 燃料电池电动汽车(FCEV) 混合能源动力性分析
2.1燃料电池
混合能源动力性
燃料电池汽车采用“燃料电池+电动机”来代替传统车的“心脏" 一发动机和燃油系统。车辆在行驶时，燃料电池是主要的动力来源，蓄电池为辅助能量来源。汽车需要的功率主要由燃料电池提供。可以说，车用燃料电池的选取，对于燃料电池汽车的性能至关重要。
2.1.1燃料电池工作原理
燃料电池实质上是电化学反应发生器。燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。氢气和氧气分别是燃料电池在电化反应过程中的燃料和氧化剂。
图2．1是燃料电池装置的原理简图。
其反应过程如下：
图2．1燃料电池基本原理示意图
其反应过程如下：
在阳极一侧输入易被氧化的燃料(如氢气) ，阴极一侧输入氧化剂(氧气、空气) ，接通外电路，便有电流流过负载。电池中发生的反应为：
阳极反应：2H 2→4H ++4e- (1)
阴极反应：4e -+→4H ++O2→2H 2O (2)
综合反应：2H 2+ O2→ 2H 2O (3)
即两个氢分子在阳极表面变成4个氢离子，并释放出4个电子。电子由阳极导出，外氢离子则通过电解液到达阴极与电子及氧结合生成水。应当指当，燃料电池与蓄电池都有将化学能用电化学方式直接转换成电能的功能，但燃料电池本质上是一种能量转换装置，只在外界有物质(能量) 输入时才有能量输出。而蓄电池则是一种能源存储装置，向外输出的能量来源于存储在装置内部的反应物质，工作时不输入能量。
2.1.2燃料电池分类及特性分析
1分类
燃料电池的种类繁多，通常燃料电池可以依据工作温度、燃料种类、电解质类型进行分类。燃料电池按照工作温度来划分，有低温、中温、高温和超高温燃料电池。按照电解质来划分，大致上可分为以下五类：碱性燃料电池(Alkaline fuel cell ，AFC) ；磷酸燃料电池(Phosphoric Acid fuel cell，PAFC) ；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) ；质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC) 。
目前，燃料电池汽车大多采用质子交换膜燃料电池作为动力源。质子交换膜燃料电
池(PEMFC)的最大优越性体现在工作温度低，其最佳工作温度为80℃左右，但在室温也能正常工作，适宜于较频繁启动的场合，而且启动快，具有比其它类型的燃料电池更高的功率密度以及比蓄电池电动车连续行驶更长的距离等优点。它可在较大电流密度下工作，既可用作固定电站又可作为移动运输工具的电源。采用氢气和空气作为反应气体。气体来源广泛。质子交换膜燃料电池具有效率高、结构紧凑、重量轻、比功率大、无腐蚀性、不受二氧化碳影响的优点，有望成为取代目前汽车动力的最有竞争力的动力源。
2特性对比分析
燃料电池的优点：1高效率；2可靠性高；3环境效益好；4良好的操作性能。
五类燃料电池的燃料均为氢气，氧化剂为氧气，发生的反应主要是氢和氧结合生成水。其中MCFC 和SOFC 还有一定量的二氧化碳生成。AFC 是最成熟的燃料电池技术，其应用领域主要在空间技术方面。在欧洲，AFC 在陆地上的应用研究一直在进行。n 心C 试验电厂已研制成功，但成本相对较高。普遍认为MCFC 和SOFC 最适合热电联供的发电，效率可达80％左右。MCFC 试验电厂的功率达到MW 级，几十至几百kW 工作电站接近商业化。SOFC 的研究开发处于起步阶段，功率小于100kW 。PEMFC 的研究在90年代开始成为关注的重点，特别是作为便携式电源和车辆上使用的动力电源的研究进展迅速。目前PEMFC 的主要缺点是成本略高。
表2．1为其主要特征对比。
表2．1五种燃料电池的主要特征比较
2.2质子交换膜电池特性分析及实验研究
2.2.1质子交换膜燃料电池特性分析
如图2.2所示为燃料电池带负载后的输出电压一电流特性曲线。由图可知，燃料电池在加负载的初始阶段，电压下降很快，当随着负载的增加，电流(功率) 增大，输出电压也随着曲线以比普通蓄电池大得多的斜率(R)下降，即燃料电池的输出特性相对较软。
图2.2 燃料电池电流电压特性曲线图
作为单一的车用动力源，燃料电池相对较软的输出特性对于波动的系统功率需求有以下不利的影响：
(1)波动的功率需求会使燃料电池的输出效率降低，从而影响其性能；
(2)当系统需求功率增加时，燃料电池输出功率增加，而系统母线电压下降，不利于驱动电机发挥功率。
因此，燃料电池作为车用动力源，其电能输出时需要稳压装置，即燃料电池串联DC/DC变换器共同组成供电系统对外供电，从而稳定输出电压；同时有必要引入辅助动力源来覆盖功率波动，提高峰值功率，以改善燃料电池输出功率瞬态特性，降低燃料电池成本。
燃料电池与辅助动力源组成混合动力系统是燃料电池电动汽车动力系统技术的必趋势，其主要基于以下几个方面考虑：
(1)动力系统的动态响应性能
燃料电池在负载突变过程中动态响应速度较慢，一般在几百毫秒到数秒之间，而功率变换器的响应速度一般为微秒级，这个差额单靠功率变换器本身动态响应性能的提高是无法有效改善的。因此需要选用辅助能源系统提供或吸收部分的波动能量，从而平衡掉这个差额，使得整个动力系统在负载突变过程中动态性能良好。
(2)从动力系统的过载运行能力方面考虑
燃料电池作为电动汽车的动力源，对于短时大功率的情况(如空调等非线性负载的启动、汽车爬陡坡等) ，负载的功率需求可能超过额定功率的两三倍以上。考虑到体积、成本、寿命等因素，燃料电池的设计很难满足此时的功率等级，选用辅助动力源来提供这部分功率可有效解决此问题，降低燃料电池的功率等级和成本。
(3)吸收驱动电机回馈能量
电动汽车的驱动电机在车辆减速运动运行时，将工作在发电机模式，从而产生回馈能量。燃料电池不适宜加载反向电压（反向充电将影响燃料电池的化学反应甚至危害燃料电池）的，因此引入辅助动力源吸收电机产生的回馈能量，以保证燃料电池始终工作在正向发电状态，保障燃料电池系统的工作安全性。
(4)保证整个动力系统启动供电
在电动汽车启动过程中燃料电池的输出尚未稳定，动力系统及整车各子系统中的控制、检测等电路需要电能，这部分能量的来源需要依赖于辅助动力源系统提供。
综上所述，燃料电池不适合作为动力系统的单一动力源，需选用辅助动力源合理补充驱动电动汽车所需的能量，覆盖功率波动，提高峰值功率，吸收回馈能量，改善燃料电池输出功率的瞬态特性。
2 .2 .2质子交换膜燃料电池性能试验研究
1试验目的
燃料电池装备在车辆上，是否可以满足车辆的性能要求。汽车在起步、加速和爬坡时燃料电池是否可以持续输出动力？基于以上原因，我们进行了燃料电池电堆的试验研究。试验研究包括测试燃料电池的基本性能参数，以电子负载模拟燃料电池电动汽车的功率需求，测试燃料电池输出性能能行满足要求。测试温度等参数变化对燃料电池性能的影响，同时测试燃料电池对载荷突变的响应及其高负荷持续放电特件。
2试验设备
本次试验中包括Sun —Series FCATS5000燃料电池自动控制测试平台、500W 低压氢空质子交换膜燃料电池堆（十片装石墨双极板）、日本菊水燃料电池电子负载、FCATS 燃料电池巡检仪。附属设备包括：氢气瓶、氮气瓶、空气压缩机、空气储气罐、空气稳压阀、气体减压器、阻火阀、水泵、电磁阀、分水器、加湿罐、燃气报警器、工控机以及各种管件和阀件。空气压缩机将空气压入储气罐中，压缩空气经减压阀减压后，进入燃料电池测试平台的增湿罐中进行增湿，空气经过增湿、增温后进入燃料电池；氢气经减压器减压、稳压后直接进入燃料电池，与阴极空气中的氧气反应生成电能与水。反应剩余的空气与氢气通过测试系统的排气管路排出，通过调节电子负载中滑动变阻器的大小来调节燃料电池的载荷，测量电池输出电流与电压。空气增湿器、水箱的温度可以由
测试平台设定并自动调节。
3试验内容
通过研究，可从以下几个方面对燃料电池进行试验研究：
(1)燃料电池的极化曲线特性
极化曲线是表征燃料电池性能的基本曲线，在定的温度和进气压力下，测量不同点的燃料电池输出电压、电流，绘制电压、电流曲线和效率曲线。试验方法：开启燃料电池测试平台，设定氢气入口压力为0.05MPa(相对压力，下同) ，空气入口压力为0.06MPa ．空气增湿温度为45℃，电堆温度为50℃。待燃料电池稳定运行后，开启电子负载，负载电流从0A 开始，每隔10A 记录一次电压数据，每个电流段持续时问10秒，直至最大电流100A ，总共测量100个点数据。计算每个点燃料电池的输出功率，绘制极化曲线。
(2)不同工作温度下的燃料电池输出特性
燃料电池工作温度对其性能有十分显著的影响。质子交换膜燃料电池的温度特性是由其电解质质子交换膜所决定的。试验所使用质子交换膜，最佳工作温度为70—80℃。
试验方法：开启燃料电池测试平台，设定氢气入口压力为0.05MPa ，空气入口压力为0.06MPa ，空气增湿温度为45℃。待燃料电池稳定运行后，开启电子负载，分别测量电堆温度为40℃、50℃和80℃时燃料电池的输出特性，每个温度点重复试验l 的操作，总共测量30个点的数据。结合试验中的数据，对比燃料电池在不同工作温度下输出性能的差异。
(3)载荷突变时燃料电池的输出特性
在大幅度变载（对应电动车加、减速尤其是加速）时要求燃料电池动态响应足够快，同时输出电压变化应在允许值之内。
试验方法：开启燃料电池测试平台，设定氢气入口压力为0.05MPa ，空气入口压力为0.06MPa ，空气增湿温度为45℃，电堆温度为50℃。待燃料电池稳定运行后，开启电子负载，初始负载电流为0A ，在短时间内改变负载电流至20A ，之后每隔0.5秒记录一次燃料电池输出电压和电流数据，直至燃料电池稳定运行，并记录从瞬时加载到电池稳定运行的时间。重复以上步骤，进行0A--50A 、0A--70A 和0A--100A 时载荷突变的测量。
(4)高负荷持续放电特性
燃料电池电动汽车在高负荷运行(如高速行驶、爬长坡) 时要求燃料电池输出电压及电流保持稳定，以满足汽车的行驶要求
试验方法：开启燃料电池测试平台，设定氢气入口压力为0.05MPa ，空气入口压力为0.06Mpa ，空气增湿温度为45℃，电堆温度为50℃。待燃料电池稳定运行后，开启
电子负载，设定负载电流为100A ，在此负载电流下连续运行2分钟，每隔1秒钟记录一次电池输出电压电流数据，测试燃料电池在高负荷运行时的输出稳定性。
4试验结果分析
(1)燃料电池的极化曲线
燃料电池的极化曲线如图2.3所示。从图中可以看出燃料电池在开始加载时电压较开路电压有较大幅度的下降，这主要是由电池的活化极化造成的。随着电流强度的增大，电压缓慢下降，功率平稳升高，电池性能表现稳定。试验中最大加载电流设定为100A ，如果继续加大电流，电池电压会有急剧的下降，功率也随之下降，这对电池的性能与寿命有一定的损害，因此为了保护燃料电池，没有进行更大电流的试验。
图2.3电压、功率极化曲线图
由图2.3可以看出，随着电堆电流的增加，电堆的电压降低，在电堆刚开始加载电流时，电堆电压变化明显，随后变化较为缓慢。功率随电流的变大逐渐增加。
(2)不同工作温度下的燃料电池输出特性
燃料电池在不同工作温度下的输出特性如图2.4所示。
图2.4不同工作温度下电堆输出特性图
从图2.4的数据中可以看出，燃料电池的输出电压与功率在相同电流强度时，随工作温度升高而提高，工作温度为80"0时燃料电池的最大输出功率比40℃时提高了20％，提高燃料电池的工作温度可以改善燃料电池的输出性能。产生这种现象的原因主要有以下几点：
(1)温度升高使得电极催化剂Pt 的活性提高，电极反应速率加快；
(2)温度升高使得质子交换膜内水扩散系数增加，从而使质子交换膜内水分布均匀，同时质子传递速度也加快，膜电阻将减小，电导率增大；
(3)温度高时，有利于阴极反应生成水的排出，电极淹没问题不会出现；
(4)温度升高使得氢气、空气扩散系数加大，电极内气体传导得到改善。质子交换膜燃料电池的温度特性是由其电解质和质子交换膜所决定的，本次试验使用的质子交换膜，它的最佳工作温度为70--80℃。如果工作温度高于80℃，电池性能将下降，而且会对电池造成损害，因此燃料电池的工作温度一般不超过80℃。
(3）高负荷持续放电特性
燃料电池在高负荷持续放电时的输出特性如图2.5所示，电流强度100A ，从图中可以看出，在放电电流为100A 、放电时间为2min ，燃料电池的输比电压随管时间的推移在平均值6.2V 附近上下波动，最高电压为6.37V ，最低电压为6.10V ，上下波动幅度小于5％，燃料电池在高负荷放电时输出性能表现稳定。
图2.5高负荷放电时电堆输出特性图
综合以上试验可知，燃料电池的输出性能随电池工作温度的升高而提高；燃料电池在载荷突变时响应迅速；在高负荷放电时燃料电池输出性能表现稳定。总的来说质子交换膜燃料电池的输出特性可以满足汽车的使用要求。
2.3燃料电池混合动力系统的技术要点
(1)能量和功率
动力系统中能量源的容量对车辆一次加氢后的续驶里程有直接影响。而燃料电池的能量容量取决于车载储氢装置的体积大小，其能量容量越大，储氢装置越笨重；因此，燃料电池系统的能量容量并不是越大越好，而应根据车辆运行的工况和设计目标来合理地确定。对于辅助动力源，蓄电池相对超级电容器能为系统提供更充足持续的能量补充，而从功率辅助效果的角度考虑，超级电容器则是更为理想的选择，因为它具有大电流迅
速充、放电的优良性能。此外，变换器功率范围必须能够完全覆盖燃料电池和辅助动力源的功率范围，电机驱动系统也必须有足够的能力输出动力源的最大总功率。
(2)系统效率
燃料电池对整个动力系统总体运行效率的影响最大。图2.6显示了一个燃料电池堆的效率一功率曲线。由图可知，为了提高整个系统的效率，能量分配策略必须使燃料电池尽可能工作在高效率区，当驱动系统的需求功率很小时，燃料电池可在满足驱动电动系统的功率同时向辅助动力源充电的方式来避免低功率输出的低效运行；而当驱动系统的需求功率过高时，则使辅助动力源释放它的功率以帮助燃料电池避开高功率输出的低效区。
图2.6燃料电池堆的效率一功率曲线
(3)母线电压
动力系统的直流母线电压必须适应电机驱动系统的工作特性。电机的外特性一般会随着直流母线电压情况而变化，基本上当母线输入电压越高，电机的工作范围越大，因此电力母线的电压必须足够高以确保电机能提供汽车需要的扭矩。
(4)DC/DC变换器
燃料电池混合动力系统中的DC/DC变换器包括双向DC/DC变换器和升压DC/DC变换器两种。
双向DC/DC变换器用于控制从辅助动力源到电力母线的能量输出，其功率容量要与辅助动力源相适合，同时必须有快速的动态响应特性。
升压DC/Dc变换器用于间接燃料电池混合动力系统中，控制从燃料电池到电机驱动系统和辅助动力源的功率流，因此它要具备足够的容量来转换燃料电池堆的最大功率。在这两类动力系统结构中，DC/DC变换器的一个最重要的功能就是分配燃料电池
和辅助动力源之间的功率流。变换器在系统中的位置决定了燃料电池还是辅助动力源为主要的控制对象，变换器是系统中关键的控制单元。
目前对燃料电池混合动力系统中起电一电耦合作用的DC/DC变换器的控制方式主要有两种：电压控制方式和电流控制方式。电流控制对功率分配控制策略的执行方式比较直接，控制效果要优于电压控制方式。
2.4驱动电机系统及动力性分析
驱动电机及其控制系统是燃料电池汽车的心脏，它的主要功能是将电能转变为机械能，并通过传动系统将能量传递到车轮驱动车辆行驶。基本构成有两部分：电机和控制器。电机由控制器控制，是一个将电能转变为机械能的装置。控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能，所以控制器本质上是一个电能的转换控制装置。目前，燃料电池车可以采用的电机驱动系统有：直流电机驱动系统、异步电机驱动系统、同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统等。
驱动电机及其控制器
对于电动车用电机，其要求是：电机的过载能力强、启动转矩大、功率密度高、转矩响应快。此外，还要求电机具有一定的防尘、防水能力。目前，电动汽车常用的电机有：直流有刷电机、感应电机、稀土永磁电机及开关磁阻电机等。燃料电池电动汽车多采用感应电机及稀土永磁无刷电机。
1直流电机
直流电机具有控制简单、调速性能好、控制器成本低等一系列优点，经常在中、小功率驱动电机中得到应用。最常使用的直流电机是串励电机（启动转矩大）及稀土永磁直流电机（效率较高）。但是，由于直流电机含有换向器及电刷等部件，因此，其最高转速较低，体积大，功率密度低，成本高，需要定期维护，在大功率驱动电机中应用较少。另外，直流电机在运行时，还易产生火花，这对于以氢气为燃料的燃料电池汽车来说，存在安全隐患。
2感应电机
感应电机具有结构简单、成本低、效率较高、免维护等一系列优点，在工业上得到广泛的应用。由于感应电机没有独立的励磁绕组，其电枢绕组（定子绕组）既是励磁绕组，又是转矩绕组，因此感应电机属于多变量强耦合的非线性系统，其励磁与转矩之间的耦合，使得感应电机的控制比较困难。
感应电机变频驱动的关键问题是能够为电机提供变压变频电源，同时其电压及频率应该按照一定的控制策略进行调节，使得驱动系统具有良好的转矩转速特性。
3稀土永磁电机
稀土永磁同步电机采用稀土永磁材料，具有效率高、功率密度大等特点，在中、小
功率的系统中有优势。但是，稀土永磁同步电机的成本高，而且目前使用最多的钕铁硼稀土永磁体的工作温度比较低，电机运行时的温升不能太高。稀土永磁同步电机分为正弦波稀土永磁同步电机（通常称为稀土永磁同步电机）和方波型稀土永磁同步电机（通常称为稀土永磁无刷直流电机）。
4开关磁阻电机
开关磁阻电机具有最简单的结构：定子采用集中绕组结构，转子无任何绕组，开关磁阻电机与感应式步进电机的结构及工作原理有些相似，均是利用在磁场作用下不同介质之间的磁拉力（Maxwell 力）产生电磁转矩。但开关磁阻电机与感应电机工作原理不同，后者是利用转子电流在旋转碰场的作用下产牛的电磁力（Lorentz 力）米产生电磁转矩。直流电机、同步电机等均是利用Lorentz 力产生电磁转矩。
开关磁阻电机的定子和转子具有不同的极数。常采用的结构是定子，转子的极数分别为8，6及6，4。
近年来，开关磁阻电机驱动系统在电动车中也得到定的应用。开关磁阻电机主要的问题是噪声和转矩脉动。如何减小电机在低转速运行时转翘的咏动，降低电机的噪声，是开关磁阻电机能够实用的关键。
2.5本章小结
本节主要围绕燃料电池电动汽车混合能源进行研究。首先，介绍了车用燃料电池的工作原理，对比分析各类燃料电池的优缺点。介绍了国内外车用质子交换膜燃料电池的发展情况。选用国内某款25kW 质子交换膜燃料电池作为该车主动力源，并在燃料电池测试试验台上对其进行测试，试验表明该质子交换膜燃料电池的输出特性可以满足使用要求；其次，对辅助电源蓄电池进行了分析。选定20Ah 的锂离子电池为该车的辅助电源，并对电池进行试验测量。最后，分析对比了各种车用驱动电机，结合纯电动轿车的驱动电机试验数据对比后，选用三相永磁同步电机作为该车的驱动电机。
第三章 燃料电池电动汽车动力系统结构及参数优化问题
3.1燃料电池电动汽车动力系统结构配置优化
混合动力系统的结构及配置必须保证动力系统具有良好的经济性、动力性及安全性，同时保证系统方案良好的可行性和可靠性，其基本原则为：
(1)降低对燃料电池系统的功率及动态特性的要求；
(2)有足够的吸收回馈能量的能力和一定的续驶里程；
(3)混合动力系统结构和系统控制的复杂程度要适当。
目前应用较成熟的的混合动力系统结构主要有两种：燃料电池系统+蓄电池组(FC+B)，燃料电池系统+蓄电池组+超级电容器(FC+B+C)，如下图3.1和3.2所示，均为
燃料电池系统间接驱动混合动力系统。
图3.1燃料电池系统+蓄电池组(FC+B)动力系结构
图3.2燃料电池系统+蓄电池组+超级电容器(FC+B+C)动力系统结构
对于燃料电池系统+蓄电池组(FC+B)混合动力系统，此方案既考虑了目前燃料电池系统自身的一些特殊要求，例如，在启动时给空压机供电，电堆预热，气体加湿等，同时也能够回收制动能量。
该系统的优点有：
(1)降低了对燃料电池的功率和动态特性的要求；
(2)降低了燃料电池系统的成本，在一定程度上也加大了整车的续驶里程；
(3)启动方便且可靠性高
不足之处有：
(1)增加了驱动系统的重量、体积和结构复杂性
(2)增加了电池的维护和更换费用。
燃料电池系统+蓄电池组+超级电容器(FC+B+C)混合动力系统是在FC+B混合动力系统基础上再并联一组超级电容器，用于提供吸收加速/紧急制动的尖峰电流，从而碱轻了电池的负担，延长其使用寿命。但这种结构型式较为复杂，既增加了动力系统结构复杂度和整车空间结构布置的难度。也给控制系统及元器件提出了更高的要求，同时成本较高，一般应用于燃料电池电动大客车
3.2燃料电池电动汽车动力系统参数优化
3.2.1优化目标
燃料电池电动汽车动力系统优化目标就是在满足车辆动力性能的基础上，尽可能提
高燃料经济性，优化目标可用如下公式表示：
{min F (X ) =Fuel (X )
T j (X ) >0
式中： X ∈Ωj =1, 2, 3. n . . ,
X 包含了燃料电池电动汽车动力系统参数及控制参数的向量；
Q 为可能的解空间；
Fuel(X)为燃料消耗；
Tj(x)>0为一组非线性不等式约束，汽车性能要求和混合度边值条件等。
燃料消耗的具体表达式为：
3.2.2优化变量选取
燃料电池电动汽车的混合动力系统具有大量的设计参数和控制参数，其均对系统的效率有着重要关系。但本着研究的需要，我们常选择研究的特性参数进行优化。
文中选择了最主要的参数作为系统参数的优化变量，分别为混合度、电机最大功率和主传动比。同时考虑到能源管理策略对燃料消耗的影响，必须同时优化控制系统参数，选取部分重要的控制策略参数作为优化变量。
在此文中选取ADVISOR 程序功率跟随式策略作为能量管理策略，功率跟随模式的基本思想为：保持蓄电池荷电状态在最低设定值与蓄电池荷电状态最高设定值之间，即以电量最小消耗为目标。燃料电池系统在设定的范围内输出功率，燃料电池的输出功率跟随需求功率的变化而变化，输出功率不仅要满足车辆驱动要求不仅要满足车辆驱动要
3.2.3优化约束
在进行优化设计时，除了尽可能减小燃料消耗，还必须满足汽车的动力性能要求和电量平衡要求。对于电量平衡要求，在仿真分析中本文本文采用“zero-delta" 处理方法，即当不同的初始SOC 运行多个循环直到初始SOC 与终了SOC 的变化量ASOC 小于等于0.5％时，这次的运行定为有效，以前的则定为无效。这样就可以消除电池能量转化对计算燃料消耗的影响。但这只是在仿真中为了优化方便做的合理假设，实时工况下基本不存在。另外，由于在优化时需要利用ADVISOR 仿真程序计算优化目标和约束，因此在仿真时还必须满足仿真精度要求。表3.4列出了所使用的约束条件。
表3.4优化约束条件
3.3本章小结
本章对燃料电池电动汽车的混合动力系统构型进行了优化研究。选择了最主要的参数作为系统参数的优化变量，分别为混合度、电机最大功率和主传动比。同时考虑到能源管理策略对燃料消耗的影响，必须同时优化控制系统参数，选取部分重要的控制策略参数作为优化变量。
第四章 全文总结及展望
全文总结
本文以质子交换膜燃料电池混合动力电动汽车为研究对象，在考虑了燃料电池汽车燃油经济性和动力性的前提下，对燃料电池和蓄电池混合驱动系统部件匹配进行研究。
对五种燃料电池进行了介绍和优缺点评析，其中重点分析了质子交换膜燃料电池技术。选用质子交换膜燃料电池为本车的动力源。在燃料电池测试系统上对500W 低压氢空质子交换膜燃料电池进行试验研究，结果表明燃料电池的输出性能表现稳定。总的来说质子交换膜燃料电池的输出特性可以满足汽车对动力源的使用要求。
由于本车选用锂离子蓄电池，本文着重研究了锂离子电池的充放电特性。根据整车动力需要，进行了电池的充放电试验。试验表明，蓄电池的性能稳定，可以应用于整车。同时选用稀土永磁同步电机为该车的驱动电机，并进行了相关动力试验。
由于时间关系和水平有限，对于整车动力性研究以及建模还有很多不完善的地方。由于知识领域的局限性，对于燃料电池电动车的认识还有待于进一步不断的学习。
参 考 文 献
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【7】许世森．程健编《燃料电池发电系统》．北京：中国电力出版社，2006
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【23】魏跃远，詹文章，林逸．燃料电池混合动力汽车动力系统匹配与优化研究【J 】．汽车工程，2008(10)
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【25】王保华．混合动力城市客车控制策略与实验研究【D 】．上海：上海交通大学机械与动力工程学院，2008
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【27】王大志．基于智能控制的电动车辆控制策略的研究【D 】．沈阳：东北大学，2003
【28】字文博，姜新建，朱东起．燃料电池电动车驱动系统结构的研究 电工电能新技术，2003(04)
致 谢
本文是在导师高永强教授的悉心指导和热情关怀下完成的。大学本科期间，从课程的学习和论文的选题及撰写，导师给我的不仅仅是丰富的学术知识还有为人处事的严谨态度。同时在个人工作和人生规划方面也给出了很多热情的帮助和诚恳的教导，让我更坚定人生前行的方向。在此，谨向尊敬的导师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意！
同时，还要感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多宝贵素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和斧正！
2013年4月18日
於临沂大学
分 类 号：
单位代码：10452
毕业论文（设计） 燃料电池电动汽车动力系统匹配研究 姓 名 祝 煌 学 号 [1**********]9 年 级 2009 专 业 汽车学院 系 （院） 车辆工程 指导教师 高永强 2013年 4月 18日
摘 要
随着世界环境污染和能源危机问题的目益凸显，内燃机汽车在经过百年发展后，虽然在安全、节能、环保和舒适等方面取得了重大的进展，但其不得不面临石油资源日益枯竭的现状。面临可持续发展，大气环保和地球温室效应的挑战，以及噪声方面的限制。低排放、无污染的清洁汽车倍受各汽车生产大国的关注。纯电动、混合动力汽车应运而生。燃料电池汽车以其接近零排放、能量转化效率相对较高、噪声小的等特点，成为了各大汽车公司研究的热点之一。开发燃料电池电动汽车是解决当前能源短缺与环境污染问题的切实有效的技术途径之一。以提高动力系统的效率为目标，研究多能源动力系统参数优化方法，构建由燃料电池与辅助动力源组成的电一电混合动力系统，已成为燃料电池汽车开发的关键技术。
本文首先介绍燃料电池汽车的结构及分类。分析各类型的优缺点后，选定燃料电池与蓄电池组成的混合动力汽车(FC+B)为研究对象。在行驶过程中，蓄电池可以长时间提供足够的辅助能量，特别在汽车制动能量回收的过程中，回收回馈功率，进而延长系统使用时间，提高汽车动力系统的效率。本文在对燃料电池混合动力汽车驱动系统中的主要部件分别进行比较后，确定了燃料电池、动力电池、电机的类型。针对燃料电池混合动力汽车车用动力源的特性要求进行了质子交换膜燃料电池、驱动电机的试验研究。
综上所述，文章论述了燃料电池电动汽车动力系统参数匹配与优化研究的内容，主要概括了混合动力参数匹配和优化方法，指出加强燃料电池电动汽车电电混合动力系统匹配与优化研究是提高动力系统效率的有效途径。对其他型混合动力系统参数匹配与优化也具有一定的参考价值。
关键词：燃料电池电动汽车 电电混合动力系统；动力匹配优化
Abstract
The environment pollution and energy crisis are becoming increasingly acute．The
traditional internal combustion engine has been developed for 100 years．Although it makes a great progress in terms of safety, energy conservation，and environmental protection，and comfortable ， it also had to face the increasing depletion of the oil．Face with the strategy of sustainable development，environmental protection and the greenhouse effect，as well as noise restrictions ．The low emissions，no-pollution vehicle draw more and more attention．Pure electric ，hybrid electric vehicle are available．Because of zero emissions，high efficiency of energy conversion，low noise，and other features，the fuel cell vehicle has become a searching spot ．The development of Fuel Cell Electric Vehicle(FCEV)is one of the most efficient technologies to solve the problems which were caused by the limit of energy sources and
environment pollution．It is the key technology for FCEV to compose electric-electric hybrid powertrain system of fuel cell and auxiliary power source，and study on multi—energy power system parameter optimization, aiming at improving efficiency of the overall hybrid
powertrain system．
The structure and classification of fuel cell vehicle were firstly introduced in this
thesis ．This article analysis the advantages and disadvantages of each type，a fuel cell hybrid consisting of a fuel cell and a pack of batteries was chose to research．When the vehicle is runing ，batteries can provide long-time energy．Especially in the breaking process，they can regenerate the energy．So that to extend the life time and improve efficiency．In this article，the main components of fuel cell hybrid electric vehicle drive system were compared．And then the fuel cell，battery and motor were determinate．The experiments of the proton exchange membrane fuel cell and motor were carried out to prove that it meet the power
requirements ．In order to decrease of fuel consumption，fuzzy control strategy is used in the fuel cell vehicle．This strategy based on vehicle battery power requirement and SOC control parameters ．
To sum up，this thesis’s summarize the research coments of parameter matching and
optimization of FCEV powertrain system，conclude parameter matching and optimization method for the hybrid powertrain system，and point out the study on matching and
optimization of FCEV powertrain system is a effective way to improve system efficiency．It offer certain reference for parameters matching and optimization for other similar hybrid powertrain system．
KEY WORDS：FCEV ；Electric-electric hybrid power systetm；Power parameter matching and optimizing
目 录
1 绪论 . ................................................................... 1
1.1选题意义，研究现状及可行性分析 ...................................... 1
1.2国内外燃料电池电动汽车的发展现状 .................................... 2
1.1.1国外燃料电池电动车发展情况 ...................................... 2
1.1.2国内燃料电池电动车发展情况 ...................................... 4
1.3燃料电池电动汽车分类的特点分析 ...................................... 4
1.4本文主要研究内容 ....................................................... 6
2 燃料电池电动汽车FCEV 混合能源动力性分析 . ................................ 7
2.1燃料电池 ............................................................ 7
2.1.1燃料电池工作原理，分类及特点分析 ................................ 7
2.1.2燃料电池电池分类及其特性分析 .................................... 8
2.2质子交换膜电池特性分析及实验研究 ................................... 10
2.2.1质子交换膜电池特性分析 ......................................... 10
2.2.2质子交换膜电池性能分析 ......................................... 11
2.3燃料电池混合动力系统 ............................................... 15
2.4驱动电机及动力性分析 ............................................... 17
2.5本章小结 ........................................................... 18
3 燃料电池电动汽车动力系统结构配置和参数优化问题 ........................ 18
3.1燃料电池电动汽车动力系统机构配置优化 ............................... 18
3.2燃料电池电动汽车动力系统参数优化 ................................... 19
3.2.1优化目标 ....................................................... 19
3.2.2优化变量的选取 ................................................. 20
2.2.3优化约束 ....................................................... 21
3.3本章小结 ........................................................... 21
4 全文总结与展望 . ........................................................ 21
参考文献 . ................................................................ 22
致 谢 . .................................................................. 23
第一章 绪论
燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV) ，兴起于20世纪70年代末。以燃料电池作为动力源，通过氢氧反应产生电能驱动电机来驱动车辆行驶。由于该车型的排放物为水，氢氧利用率较高。普遍认为是一种新型、高效、清洁的环保车型。
1.1选题意义、研究现状及可行性分析
20世纪人类发展的历史，可以看到汽车扮演了促进经济发展和社会进步的重要媒介，它的出现极大地改变了人们的生活。科技的高速发展加快了交通工具的使用频率和更新换代的速度。尤其是进入21世纪以来，我们在享受汽车带给人们方便、快捷和舒适的现代生活的同时，它也带来了日益增多的问题：环境污染和过度使用能源。 伴随着世界环境污染和能源危机问题的日益凸显，内燃机汽车在经过百年发展后，虽然在安全、节能、环保、舒适和价廉等方面取得了重大的进展，但其不得不面临石油资源日益枯竭的现状。上世纪70年代，全球三次石油危机爆发后，节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联系在一起。据权威组织预测，地球上已探明的石油储量在50年内将耗尽，寻找新型能源已经成为人类社会发展的必经之路。面临可持续发展，大气环保和地球温室效应的挑战，以及噪声方面的限制，低排放、无污染的清洁汽车倍受各汽车生产大国的关注。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急，各跨国汽车公司开始研发各种类型的新能源汽车。
当前，各国政府、专家及大企业集团均看好的是燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV) 。欧美等发达国家非常重视燃料电池汽车的研制。燃料电池具有能量转化率高、燃料多样化、环境污染小、噪音低、可靠性强、维修性好的优点。其反应过程不涉及到燃烧，能量转化率可高达80％，实际使用效率是普通内燃机的2倍以上，成为公认的“绿色汽车”首选。燃料电池包括碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池等，其中质子交换膜燃料电池的工作温度比较低，被认为是代替传统发动机的最佳能量源。此外，燃料电池电动汽车使用液体氢气，一次充气可以行驶400km 以上，行驶里程比传统汽车要长得多。充气或更换气瓶 仅需要几分钟，与传统汽车加油的时间相同。比普通电动汽车充电时间短得多。
截止到目前，燃料电池汽车的研制和开发“已接近历史性突破的边缘”，燃料电池电动汽车将成为各大汽车厂家和发达国家汽车发展的研究方向。我国车用燃料电池研究已经有了良好的开端。“九五期间，燃料电池技术被列为国家重大发展项目，其中用于电动汽车的质子交换膜燃料电池技术研发已经进展到可以装车的水平。由于我国传统汽车工业落后当代世界先进水平20年，石油资源的匮乏、密集人口、担忧的环境情况要求我国未来的汽车工业发展不能跟在别人的后面，必须探求新的思路，走中国特色的汽
车工业发展道路，而燃料电池电动汽车(FCEV)这类新能源汽车无疑是我国未来汽车工业乃至世界汽车工业发展方向。我们需要抓住这个难得的发展机遇，实现新的技术革命的突破！
1.2国内外燃料电池电动汽车的发展现状
世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类燃料电池电动汽车，并且取得了一些方面的进展和突破。
1.2.1国外发展情况
欧美等发达国家非常重视燃料电池汽车的研制。截止到目前，燃料电池汽车的研制和开发“已接近历史性突破的边缘”，燃料电池电动汽车将成为各大汽车厂家和发达国家汽车发展的研究方向。下面分别对北美、欧洲、日本燃料电池汽车发展情况进行介绍。
美国是最先研究燃料电池的国家，在上世纪60年代为了“阿波罗飞船登月计划”，美国通用电气公司协助美国航空航天局利用英国物理学家威廉·格拉夫爵士的“电解水的逆反应产生电流" 理论研制的第一代燃料电池，并将其用在航天飞机的动力源中，随后又用于潜艇和汽车中。加拿大的巴拉德(Ballard) 公司是世界上最早从事燃料电池技术研发机构，也是燃料电池研发、生产和销售的领航者。产品先进成熟，遍布燃料电池发电机、备用电源、原材料处理、公交车、轿车等多个领域。各大汽车厂家研发的燃料电池电动汽车所使用的电池电堆大多为巴拉德公司的产品。2006年洛杉矶国际车展上福特公司推出以氧燃料电池为动力的全新探索者Explorer 燃料电池汽车(见图1.1) ，行使里程可以达到580km ，远远超过了其它以燃料电池为动力的车型，被号称为耐力王。
图1.1 福特Explorer 燃料电池车
1998年推出了小型箱式车Zalira ，2000年推出了HydroGen l，到2003年已发展到 通用公司也一直从事FCEV 的开发。1968年推出Electrovan 是世界上第一辆FCEV 。
HydroGen 3，该车型装载94kW 的质子变换膜燃料电池(PEMFC)，使用液氢为燃料，一次填充燃料可行驶400km ，最高车速160km ／h 。
戴姆勒公司在FCEV 领域一直是世界领先的制造商。公司旗下的戴姆勒奔驰公司从1990年开始研究燃料电池技术，1994年戴姆物一奔驰公司与Ballard 合作推出了第辆FCEV 车型Neear-1。Necar-1采用MBl90厢式车体，装载Ballard 生产的50kW 质子交
临沂大学
2013
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换膜燃料电池，一次填充燃料续驶里程为130krn ，最高车速90km ／h 。1996年推出了Necar-2，1997年研制成Neea-3，到目前为止已经研制成Necar-5车型。德国大众汽车集团在环保驱动投术的研发方面一直不遗余力．在减少然料消耗和尾气排放方面不仅仅重视短期的技术优势，更有中长期规划。
2005年，大众公司推出了“途安HyMotion ”（图1.3）燃料电池电动汽车。该车使用80kW 电动机，核心原件为燃料电池，它为汽车提供必要的动力。此外，途安HyMotion 的另一个动力来源--可以利用燃料电池或制动能量进行充电的镍金属混台动力电池，还将为其提供额外的动力。这个氢动力燃料电池系统是大众汽车集团整个驱动和燃料战略中的一个里程碑。
图1.2戴姆勒Necar 图1.3途安HyMotion
普锐斯PRIUS Hybrid（图1.4）是日本丰田汽车于1997年所推出世界上第一个大规模生产的混合动力车辆车款，也是丰田汽车在混合动力汽车领域的代表作，量产及市场推广做得极其成功的车型。在2001年销往全世界40多个国家和地区，至2009初为止，丰田总共卖了超过350万辆普锐斯。在人们日益关注环保的今天，普锐斯Prius 因革命性地降低了车辆燃耗和尾气排放，其划时代之意义与先进性得到了全世界的高度评价。作为世界首款量产的混合动力车，普锐斯改变了人们基于传统汽车的评判标准。通过TOYOTA 油电混合动力系统将汽油发动机与电动机进行组合，在达成高水平的燃油经济性和环保性能的前提下，实现了出色的动力性。在城市工况下，排量为1.5L 的PRIUS 普锐斯达到了相当于2.0L 传统车型的动力性能；而油耗仅相当于1.0L 的传统车型。
图1.4丰田普锐斯prius 及动力系统
本田公司非常重视产品的研发应用，开发出先进的燃料电池汽车Honda ．FCX 系列。该车装有86kW 的质子交换膜燃料电池，是唯一通过美国环境保护局(EPA)和加州空气资源部(CARB)鉴定的零排放燃料电池汽车。2008年7月，本田推出FCX Clarity燃料电池车型，该车作为燃料电池专用车从零开始设计，以独创的VFlow(垂直系统单元结构) 的燃料电池堆技术为核心，实现了终极清洁性。
1.2.2国内发展情况
中国车用燃料电池研究已经有了良好的开端。“九五”期间，燃料电池技术被列为国家重大发展项目，其中用于电动汽车的质子交换膜燃料电池技术研发已经进展到可以装车的水平。“十五”期间，电动汽车在国家“863" 计划中列项，并被确定为国家12个重大科技专项之一。在“十五" 计划的五年中，中国在燃料电池领域的投资预计为9亿元人民币。中国已与全球环境基金联合国发展计划署建立燃料电池合作项目。经过科技攻关，目前己研制出几十个100kW 级以上的燃料电池，对整车动力系统的改进起到积极的推动作用。汽车燃料电池项目的发展目标是到2008年能够有小批量的燃料电池汽车投入使用。
在国内新能源电动汽车的自主品牌企业中，比亚迪公司凭借其在电池和半导体等领域的优势，在电动汽车以及混合动力汽车方面一直走在市场前列，2010年9月，比亚迪向市场上退出F3DM （图1.5）双模混合动力汽车，车辆可以在纯电动(EV)和混合动力(HEV)这两种模式之间自由切换。纯电动模式下即实现了零排放，混合动力的排放标准也将远远优于欧Ⅳ标准。而且F3DM 是全球第一款上市的不依赖专业充电站的双模电动车。2011年5月，比亚迪又推出E6（图1.6）纯电动汽车，并在深圳作为出租车做新能源汽车市场推广试点，并取得良好表现。
图1.5 比亚迪F3DM 图1.6比亚迪E6
1.3燃料电池电动汽车分类及特点分析
燃料电池汽车的基本结构各有不同。按照驱动型式不同，可分为纯燃料电池驱动和混合驱动两种”。
纯燃料电池汽车(FC型) 有且只有个动力源一燃料电池，汽车的所有功率负荷都由其来承担。其优点是：结构简单，与纯电动车有相似之处。其主要缺点有：①燃料电池的
功率大，成本昂贵；②对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求：③不能进行制动能量回收。基于这些不利因素，日前的燃料电池汽车主要采用的是混合驱动型式，即在燃料电池的基础上，增加了组电池或超级电容作为另一个动力源。
（图1.7）是采用“燃料电池+蓄电池”(FC+B)混台驱动型式的燃料电池汽车的动力系统结构图。考虑到目前燃科电池系统自身的一些特殊要求，例如：在启动时空压机或鼓风机需要供电，电堆需要加热，氢气和空气需要加湿等，同时也为了能够回收制动能量．因而将蓄电池和燃料电池系统组台起来形成混合动力驱动系统。该系统降低了对燃料电池的功率和动态特性的要求，同时也降低了燃料电池系统的成本，也增加了传动系统的重量、体积和复杂性．增加了电池的维护、更换费用。
图1.7“FC+B”型混合驱动型式的燃料电池汽车的动力系统结构图
根本上看，“FC+B"型燃料电池电动汽车采用的是混合动力结构。它与传统
意义上的混合动力结构的差别仅在于发动机是燃料电池而不是内燃机。在燃料电池混合动力结构汽车中，燃料电池和辅助能量存储装置共同向电动机提供电能，通过变速机构来驱动汽车。
目前，各大研究机构普遍研究的是“FC+B”型混合驱动形式，“FC+B”混合驱动系统应用的较多的主要原因是它具有以下特点：
(1)燃料电池单独或与动力电池共同提供持续功率，而且在车辆起动、爬坡和加速等峰值功率需求时，动力电池提供峰值功率；
(2)在车辆起步的时候和功率需求量不大的时候，蓄电池可单独输出能量；
(3)蓄电池技术比较成熟，可以在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足。可用于电动汽车的蓄电池，包括铅酸电池、镍镉电池、镍锌电池、镍基电池、锌空气电池、铝空气电池、钠硫电池、钠镍氯化物电池、锂聚合物电池和锂离子电池等多种类型。
此外也可以用超级电容器(UC)和超高速飞轮(FW)等代替蓄电池。目前，燃料电池和辅助动力源混合驱动系统型式还有以下几种：燃料电池+超级电容(FC+UC)、燃料电池+超高速飞轮(FC+FW)、燃料电池+蓄电池+超级电容(FC+B+UC)和燃料电池+蓄电池+超高速飞轮(FC+B+FW)。但均有欠缺之处，FC+UC型混合驱动系统超级电容器存储的能量比较小；FC+FW型混合驱动系统的缺点是燃料电池作为主能量源，超高速飞轮作为辅助动力源，动力系统主要体现燃料电池特性，动力性不是很好；FC+B+UC型混合驱动系统的控制策略比较复杂；FC+B+FW型混合驱动系统技术实现存在问题，超高速飞轮成本很高，应用较少。
根据燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例不同，燃料电池混合动力汽车可分为能量混合型和功率混合型两大类。
在燃料电池汽车开发的早期，由于技术水平的限制，燃料电池的功率较小，还难以满足车辆的功率需求。在车辆行驶过程中燃料电池只能提供整车功率需求的一部分，不足的部分还需要其它动力源(如电池) 来提供，采用这种混合驱动型式的汽车即为能量混合型燃料电池汽车。能量混合型燃料电池汽车为了满足一定的性能指标，往往需要配备较大容量的电池组，从而导致整车的自重增加、动力性变差、空间布置紧张。能量混合性燃料电池汽车的燃料电池经常在系统效率较高的区域内工作。但每次运行结束后，除了要加注氢燃料外，还需要用地面电源为电池充电。
随着燃料电池技术的不断成熟，燃料电池性能逐渐提高，燃料电池所提供的功率比例越来越大，这样就可以减少电池的容量，从而减轻车重、提高动力性等。但为了回收能量，还需要一定数量的电池，但电池只提供整车所需功率中很小的一部分。燃料电池作为主动力源，电池作为辅助动力源，车辆所需的功率主要由燃料电池提供，电池只是在燃料电池汽车启动、汽车爬坡和加速时提供功率，在汽车制动时回收能量。采用这种混合驱动型式的汽车即为功率混合型燃料电池汽车。
1.4本文主要研究内容
在广泛查阅国内外关于燃料电池电动汽车的文献资料、综述了该领域研究现状和进展的基础上，通过对各种类型的燃料电池汽车结构、驱动类型、组成部分的分析后，将燃料电池和蓄电池混合驱动(FC+B)的汽车作为主要研究对象，这种驱动系统结构可以弥补燃料电池系统的动态相应慢，启动、急加速和爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行使要求的缺点。在驱动过程中，蓄电池可以长时间提供足够的辅助能量，特别在汽车制动能量回收的过程中，回收回馈功率，进而延长系统使用寿命，提高汽车动力
系统的效率。并在采用燃料电池和蓄电池混合驱动系统的基础上提出了一种逻辑的控制策略，基于以上，使用软件建立相关整车、零部件和控制策略的模型，进行研究。
本文的主要研究内容如下：
(1)对燃料电池汽车结构进行初步探讨，分析优缺点。
(2)通过试验研究，分析燃料电池、电动机和锂离子蓄电池动力部件的特性。进行质子交换膜燃料电池性能试验，针对燃料电池电动汽车的各种基本行驶工况，测试燃料电池的输出性能，测试不同参数变化对燃料电池性能的影响。
(3)提出模糊控制策略并建立控制策略仿真模型，对燃料电池电动汽车混合动力总成的能量控制策略进行研究。
(4)对燃料电池电动汽车进行性能仿真。在设定的模糊控制策略和特殊的循环工况下，对燃料电池电动汽车进行动力性和燃油经济性仿真研究。通过比较，说明该车完全满足预定的动力要求，与国外汽车厂家研究的燃料电池电动汽车性能相当。
第二章 燃料电池电动汽车(FCEV) 混合能源动力性分析
2.1燃料电池
混合能源动力性
燃料电池汽车采用“燃料电池+电动机”来代替传统车的“心脏" 一发动机和燃油系统。车辆在行驶时，燃料电池是主要的动力来源，蓄电池为辅助能量来源。汽车需要的功率主要由燃料电池提供。可以说，车用燃料电池的选取，对于燃料电池汽车的性能至关重要。
2.1.1燃料电池工作原理
燃料电池实质上是电化学反应发生器。燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。氢气和氧气分别是燃料电池在电化反应过程中的燃料和氧化剂。
图2．1是燃料电池装置的原理简图。
其反应过程如下：
图2．1燃料电池基本原理示意图
其反应过程如下：
在阳极一侧输入易被氧化的燃料(如氢气) ，阴极一侧输入氧化剂(氧气、空气) ，接通外电路，便有电流流过负载。电池中发生的反应为：
阳极反应：2H 2→4H ++4e- (1)
阴极反应：4e -+→4H ++O2→2H 2O (2)
综合反应：2H 2+ O2→ 2H 2O (3)
即两个氢分子在阳极表面变成4个氢离子，并释放出4个电子。电子由阳极导出，外氢离子则通过电解液到达阴极与电子及氧结合生成水。应当指当，燃料电池与蓄电池都有将化学能用电化学方式直接转换成电能的功能，但燃料电池本质上是一种能量转换装置，只在外界有物质(能量) 输入时才有能量输出。而蓄电池则是一种能源存储装置，向外输出的能量来源于存储在装置内部的反应物质，工作时不输入能量。
2.1.2燃料电池分类及特性分析
1分类
燃料电池的种类繁多，通常燃料电池可以依据工作温度、燃料种类、电解质类型进行分类。燃料电池按照工作温度来划分，有低温、中温、高温和超高温燃料电池。按照电解质来划分，大致上可分为以下五类：碱性燃料电池(Alkaline fuel cell ，AFC) ；磷酸燃料电池(Phosphoric Acid fuel cell，PAFC) ；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) ；质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC) 。
目前，燃料电池汽车大多采用质子交换膜燃料电池作为动力源。质子交换膜燃料电
池(PEMFC)的最大优越性体现在工作温度低，其最佳工作温度为80℃左右，但在室温也能正常工作，适宜于较频繁启动的场合，而且启动快，具有比其它类型的燃料电池更高的功率密度以及比蓄电池电动车连续行驶更长的距离等优点。它可在较大电流密度下工作，既可用作固定电站又可作为移动运输工具的电源。采用氢气和空气作为反应气体。气体来源广泛。质子交换膜燃料电池具有效率高、结构紧凑、重量轻、比功率大、无腐蚀性、不受二氧化碳影响的优点，有望成为取代目前汽车动力的最有竞争力的动力源。
2特性对比分析
燃料电池的优点：1高效率；2可靠性高；3环境效益好；4良好的操作性能。
五类燃料电池的燃料均为氢气，氧化剂为氧气，发生的反应主要是氢和氧结合生成水。其中MCFC 和SOFC 还有一定量的二氧化碳生成。AFC 是最成熟的燃料电池技术，其应用领域主要在空间技术方面。在欧洲，AFC 在陆地上的应用研究一直在进行。n 心C 试验电厂已研制成功，但成本相对较高。普遍认为MCFC 和SOFC 最适合热电联供的发电，效率可达80％左右。MCFC 试验电厂的功率达到MW 级，几十至几百kW 工作电站接近商业化。SOFC 的研究开发处于起步阶段，功率小于100kW 。PEMFC 的研究在90年代开始成为关注的重点，特别是作为便携式电源和车辆上使用的动力电源的研究进展迅速。目前PEMFC 的主要缺点是成本略高。
表2．1为其主要特征对比。
表2．1五种燃料电池的主要特征比较
2.2质子交换膜电池特性分析及实验研究
2.2.1质子交换膜燃料电池特性分析
如图2.2所示为燃料电池带负载后的输出电压一电流特性曲线。由图可知，燃料电池在加负载的初始阶段，电压下降很快，当随着负载的增加，电流(功率) 增大，输出电压也随着曲线以比普通蓄电池大得多的斜率(R)下降，即燃料电池的输出特性相对较软。
图2.2 燃料电池电流电压特性曲线图
作为单一的车用动力源，燃料电池相对较软的输出特性对于波动的系统功率需求有以下不利的影响：
(1)波动的功率需求会使燃料电池的输出效率降低，从而影响其性能；
(2)当系统需求功率增加时，燃料电池输出功率增加，而系统母线电压下降，不利于驱动电机发挥功率。
因此，燃料电池作为车用动力源，其电能输出时需要稳压装置，即燃料电池串联DC/DC变换器共同组成供电系统对外供电，从而稳定输出电压；同时有必要引入辅助动力源来覆盖功率波动，提高峰值功率，以改善燃料电池输出功率瞬态特性，降低燃料电池成本。
燃料电池与辅助动力源组成混合动力系统是燃料电池电动汽车动力系统技术的必趋势，其主要基于以下几个方面考虑：
(1)动力系统的动态响应性能
燃料电池在负载突变过程中动态响应速度较慢，一般在几百毫秒到数秒之间，而功率变换器的响应速度一般为微秒级，这个差额单靠功率变换器本身动态响应性能的提高是无法有效改善的。因此需要选用辅助能源系统提供或吸收部分的波动能量，从而平衡掉这个差额，使得整个动力系统在负载突变过程中动态性能良好。
(2)从动力系统的过载运行能力方面考虑
燃料电池作为电动汽车的动力源，对于短时大功率的情况(如空调等非线性负载的启动、汽车爬陡坡等) ，负载的功率需求可能超过额定功率的两三倍以上。考虑到体积、成本、寿命等因素，燃料电池的设计很难满足此时的功率等级，选用辅助动力源来提供这部分功率可有效解决此问题，降低燃料电池的功率等级和成本。
(3)吸收驱动电机回馈能量
电动汽车的驱动电机在车辆减速运动运行时，将工作在发电机模式，从而产生回馈能量。燃料电池不适宜加载反向电压（反向充电将影响燃料电池的化学反应甚至危害燃料电池）的，因此引入辅助动力源吸收电机产生的回馈能量，以保证燃料电池始终工作在正向发电状态，保障燃料电池系统的工作安全性。
(4)保证整个动力系统启动供电
在电动汽车启动过程中燃料电池的输出尚未稳定，动力系统及整车各子系统中的控制、检测等电路需要电能，这部分能量的来源需要依赖于辅助动力源系统提供。
综上所述，燃料电池不适合作为动力系统的单一动力源，需选用辅助动力源合理补充驱动电动汽车所需的能量，覆盖功率波动，提高峰值功率，吸收回馈能量，改善燃料电池输出功率的瞬态特性。
2 .2 .2质子交换膜燃料电池性能试验研究
1试验目的
燃料电池装备在车辆上，是否可以满足车辆的性能要求。汽车在起步、加速和爬坡时燃料电池是否可以持续输出动力？基于以上原因，我们进行了燃料电池电堆的试验研究。试验研究包括测试燃料电池的基本性能参数，以电子负载模拟燃料电池电动汽车的功率需求，测试燃料电池输出性能能行满足要求。测试温度等参数变化对燃料电池性能的影响，同时测试燃料电池对载荷突变的响应及其高负荷持续放电特件。
2试验设备
本次试验中包括Sun —Series FCATS5000燃料电池自动控制测试平台、500W 低压氢空质子交换膜燃料电池堆（十片装石墨双极板）、日本菊水燃料电池电子负载、FCATS 燃料电池巡检仪。附属设备包括：氢气瓶、氮气瓶、空气压缩机、空气储气罐、空气稳压阀、气体减压器、阻火阀、水泵、电磁阀、分水器、加湿罐、燃气报警器、工控机以及各种管件和阀件。空气压缩机将空气压入储气罐中，压缩空气经减压阀减压后，进入燃料电池测试平台的增湿罐中进行增湿，空气经过增湿、增温后进入燃料电池；氢气经减压器减压、稳压后直接进入燃料电池，与阴极空气中的氧气反应生成电能与水。反应剩余的空气与氢气通过测试系统的排气管路排出，通过调节电子负载中滑动变阻器的大小来调节燃料电池的载荷，测量电池输出电流与电压。空气增湿器、水箱的温度可以由
测试平台设定并自动调节。
3试验内容
通过研究，可从以下几个方面对燃料电池进行试验研究：
(1)燃料电池的极化曲线特性
极化曲线是表征燃料电池性能的基本曲线，在定的温度和进气压力下，测量不同点的燃料电池输出电压、电流，绘制电压、电流曲线和效率曲线。试验方法：开启燃料电池测试平台，设定氢气入口压力为0.05MPa(相对压力，下同) ，空气入口压力为0.06MPa ．空气增湿温度为45℃，电堆温度为50℃。待燃料电池稳定运行后，开启电子负载，负载电流从0A 开始，每隔10A 记录一次电压数据，每个电流段持续时问10秒，直至最大电流100A ，总共测量100个点数据。计算每个点燃料电池的输出功率，绘制极化曲线。
(2)不同工作温度下的燃料电池输出特性
燃料电池工作温度对其性能有十分显著的影响。质子交换膜燃料电池的温度特性是由其电解质质子交换膜所决定的。试验所使用质子交换膜，最佳工作温度为70—80℃。
试验方法：开启燃料电池测试平台，设定氢气入口压力为0.05MPa ，空气入口压力为0.06MPa ，空气增湿温度为45℃。待燃料电池稳定运行后，开启电子负载，分别测量电堆温度为40℃、50℃和80℃时燃料电池的输出特性，每个温度点重复试验l 的操作，总共测量30个点的数据。结合试验中的数据，对比燃料电池在不同工作温度下输出性能的差异。
(3)载荷突变时燃料电池的输出特性
在大幅度变载（对应电动车加、减速尤其是加速）时要求燃料电池动态响应足够快，同时输出电压变化应在允许值之内。
试验方法：开启燃料电池测试平台，设定氢气入口压力为0.05MPa ，空气入口压力为0.06MPa ，空气增湿温度为45℃，电堆温度为50℃。待燃料电池稳定运行后，开启电子负载，初始负载电流为0A ，在短时间内改变负载电流至20A ，之后每隔0.5秒记录一次燃料电池输出电压和电流数据，直至燃料电池稳定运行，并记录从瞬时加载到电池稳定运行的时间。重复以上步骤，进行0A--50A 、0A--70A 和0A--100A 时载荷突变的测量。
(4)高负荷持续放电特性
燃料电池电动汽车在高负荷运行(如高速行驶、爬长坡) 时要求燃料电池输出电压及电流保持稳定，以满足汽车的行驶要求
试验方法：开启燃料电池测试平台，设定氢气入口压力为0.05MPa ，空气入口压力为0.06Mpa ，空气增湿温度为45℃，电堆温度为50℃。待燃料电池稳定运行后，开启
电子负载，设定负载电流为100A ，在此负载电流下连续运行2分钟，每隔1秒钟记录一次电池输出电压电流数据，测试燃料电池在高负荷运行时的输出稳定性。
4试验结果分析
(1)燃料电池的极化曲线
燃料电池的极化曲线如图2.3所示。从图中可以看出燃料电池在开始加载时电压较开路电压有较大幅度的下降，这主要是由电池的活化极化造成的。随着电流强度的增大，电压缓慢下降，功率平稳升高，电池性能表现稳定。试验中最大加载电流设定为100A ，如果继续加大电流，电池电压会有急剧的下降，功率也随之下降，这对电池的性能与寿命有一定的损害，因此为了保护燃料电池，没有进行更大电流的试验。
图2.3电压、功率极化曲线图
由图2.3可以看出，随着电堆电流的增加，电堆的电压降低，在电堆刚开始加载电流时，电堆电压变化明显，随后变化较为缓慢。功率随电流的变大逐渐增加。
(2)不同工作温度下的燃料电池输出特性
燃料电池在不同工作温度下的输出特性如图2.4所示。
图2.4不同工作温度下电堆输出特性图
从图2.4的数据中可以看出，燃料电池的输出电压与功率在相同电流强度时，随工作温度升高而提高，工作温度为80"0时燃料电池的最大输出功率比40℃时提高了20％，提高燃料电池的工作温度可以改善燃料电池的输出性能。产生这种现象的原因主要有以下几点：
(1)温度升高使得电极催化剂Pt 的活性提高，电极反应速率加快；
(2)温度升高使得质子交换膜内水扩散系数增加，从而使质子交换膜内水分布均匀，同时质子传递速度也加快，膜电阻将减小，电导率增大；
(3)温度高时，有利于阴极反应生成水的排出，电极淹没问题不会出现；
(4)温度升高使得氢气、空气扩散系数加大，电极内气体传导得到改善。质子交换膜燃料电池的温度特性是由其电解质和质子交换膜所决定的，本次试验使用的质子交换膜，它的最佳工作温度为70--80℃。如果工作温度高于80℃，电池性能将下降，而且会对电池造成损害，因此燃料电池的工作温度一般不超过80℃。
(3）高负荷持续放电特性
燃料电池在高负荷持续放电时的输出特性如图2.5所示，电流强度100A ，从图中可以看出，在放电电流为100A 、放电时间为2min ，燃料电池的输比电压随管时间的推移在平均值6.2V 附近上下波动，最高电压为6.37V ，最低电压为6.10V ，上下波动幅度小于5％，燃料电池在高负荷放电时输出性能表现稳定。
图2.5高负荷放电时电堆输出特性图
综合以上试验可知，燃料电池的输出性能随电池工作温度的升高而提高；燃料电池在载荷突变时响应迅速；在高负荷放电时燃料电池输出性能表现稳定。总的来说质子交换膜燃料电池的输出特性可以满足汽车的使用要求。
2.3燃料电池混合动力系统的技术要点
(1)能量和功率
动力系统中能量源的容量对车辆一次加氢后的续驶里程有直接影响。而燃料电池的能量容量取决于车载储氢装置的体积大小，其能量容量越大，储氢装置越笨重；因此，燃料电池系统的能量容量并不是越大越好，而应根据车辆运行的工况和设计目标来合理地确定。对于辅助动力源，蓄电池相对超级电容器能为系统提供更充足持续的能量补充，而从功率辅助效果的角度考虑，超级电容器则是更为理想的选择，因为它具有大电流迅
速充、放电的优良性能。此外，变换器功率范围必须能够完全覆盖燃料电池和辅助动力源的功率范围，电机驱动系统也必须有足够的能力输出动力源的最大总功率。
(2)系统效率
燃料电池对整个动力系统总体运行效率的影响最大。图2.6显示了一个燃料电池堆的效率一功率曲线。由图可知，为了提高整个系统的效率，能量分配策略必须使燃料电池尽可能工作在高效率区，当驱动系统的需求功率很小时，燃料电池可在满足驱动电动系统的功率同时向辅助动力源充电的方式来避免低功率输出的低效运行；而当驱动系统的需求功率过高时，则使辅助动力源释放它的功率以帮助燃料电池避开高功率输出的低效区。
图2.6燃料电池堆的效率一功率曲线
(3)母线电压
动力系统的直流母线电压必须适应电机驱动系统的工作特性。电机的外特性一般会随着直流母线电压情况而变化，基本上当母线输入电压越高，电机的工作范围越大，因此电力母线的电压必须足够高以确保电机能提供汽车需要的扭矩。
(4)DC/DC变换器
燃料电池混合动力系统中的DC/DC变换器包括双向DC/DC变换器和升压DC/DC变换器两种。
双向DC/DC变换器用于控制从辅助动力源到电力母线的能量输出，其功率容量要与辅助动力源相适合，同时必须有快速的动态响应特性。
升压DC/Dc变换器用于间接燃料电池混合动力系统中，控制从燃料电池到电机驱动系统和辅助动力源的功率流，因此它要具备足够的容量来转换燃料电池堆的最大功率。在这两类动力系统结构中，DC/DC变换器的一个最重要的功能就是分配燃料电池
和辅助动力源之间的功率流。变换器在系统中的位置决定了燃料电池还是辅助动力源为主要的控制对象，变换器是系统中关键的控制单元。
目前对燃料电池混合动力系统中起电一电耦合作用的DC/DC变换器的控制方式主要有两种：电压控制方式和电流控制方式。电流控制对功率分配控制策略的执行方式比较直接，控制效果要优于电压控制方式。
2.4驱动电机系统及动力性分析
驱动电机及其控制系统是燃料电池汽车的心脏，它的主要功能是将电能转变为机械能，并通过传动系统将能量传递到车轮驱动车辆行驶。基本构成有两部分：电机和控制器。电机由控制器控制，是一个将电能转变为机械能的装置。控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能，所以控制器本质上是一个电能的转换控制装置。目前，燃料电池车可以采用的电机驱动系统有：直流电机驱动系统、异步电机驱动系统、同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统等。
驱动电机及其控制器
对于电动车用电机，其要求是：电机的过载能力强、启动转矩大、功率密度高、转矩响应快。此外，还要求电机具有一定的防尘、防水能力。目前，电动汽车常用的电机有：直流有刷电机、感应电机、稀土永磁电机及开关磁阻电机等。燃料电池电动汽车多采用感应电机及稀土永磁无刷电机。
1直流电机
直流电机具有控制简单、调速性能好、控制器成本低等一系列优点，经常在中、小功率驱动电机中得到应用。最常使用的直流电机是串励电机（启动转矩大）及稀土永磁直流电机（效率较高）。但是，由于直流电机含有换向器及电刷等部件，因此，其最高转速较低，体积大，功率密度低，成本高，需要定期维护，在大功率驱动电机中应用较少。另外，直流电机在运行时，还易产生火花，这对于以氢气为燃料的燃料电池汽车来说，存在安全隐患。
2感应电机
感应电机具有结构简单、成本低、效率较高、免维护等一系列优点，在工业上得到广泛的应用。由于感应电机没有独立的励磁绕组，其电枢绕组（定子绕组）既是励磁绕组，又是转矩绕组，因此感应电机属于多变量强耦合的非线性系统，其励磁与转矩之间的耦合，使得感应电机的控制比较困难。
感应电机变频驱动的关键问题是能够为电机提供变压变频电源，同时其电压及频率应该按照一定的控制策略进行调节，使得驱动系统具有良好的转矩转速特性。
3稀土永磁电机
稀土永磁同步电机采用稀土永磁材料，具有效率高、功率密度大等特点，在中、小
功率的系统中有优势。但是，稀土永磁同步电机的成本高，而且目前使用最多的钕铁硼稀土永磁体的工作温度比较低，电机运行时的温升不能太高。稀土永磁同步电机分为正弦波稀土永磁同步电机（通常称为稀土永磁同步电机）和方波型稀土永磁同步电机（通常称为稀土永磁无刷直流电机）。
4开关磁阻电机
开关磁阻电机具有最简单的结构：定子采用集中绕组结构，转子无任何绕组，开关磁阻电机与感应式步进电机的结构及工作原理有些相似，均是利用在磁场作用下不同介质之间的磁拉力（Maxwell 力）产生电磁转矩。但开关磁阻电机与感应电机工作原理不同，后者是利用转子电流在旋转碰场的作用下产牛的电磁力（Lorentz 力）米产生电磁转矩。直流电机、同步电机等均是利用Lorentz 力产生电磁转矩。
开关磁阻电机的定子和转子具有不同的极数。常采用的结构是定子，转子的极数分别为8，6及6，4。
近年来，开关磁阻电机驱动系统在电动车中也得到定的应用。开关磁阻电机主要的问题是噪声和转矩脉动。如何减小电机在低转速运行时转翘的咏动，降低电机的噪声，是开关磁阻电机能够实用的关键。
2.5本章小结
本节主要围绕燃料电池电动汽车混合能源进行研究。首先，介绍了车用燃料电池的工作原理，对比分析各类燃料电池的优缺点。介绍了国内外车用质子交换膜燃料电池的发展情况。选用国内某款25kW 质子交换膜燃料电池作为该车主动力源，并在燃料电池测试试验台上对其进行测试，试验表明该质子交换膜燃料电池的输出特性可以满足使用要求；其次，对辅助电源蓄电池进行了分析。选定20Ah 的锂离子电池为该车的辅助电源，并对电池进行试验测量。最后，分析对比了各种车用驱动电机，结合纯电动轿车的驱动电机试验数据对比后，选用三相永磁同步电机作为该车的驱动电机。
第三章 燃料电池电动汽车动力系统结构及参数优化问题
3.1燃料电池电动汽车动力系统结构配置优化
混合动力系统的结构及配置必须保证动力系统具有良好的经济性、动力性及安全性，同时保证系统方案良好的可行性和可靠性，其基本原则为：
(1)降低对燃料电池系统的功率及动态特性的要求；
(2)有足够的吸收回馈能量的能力和一定的续驶里程；
(3)混合动力系统结构和系统控制的复杂程度要适当。
目前应用较成熟的的混合动力系统结构主要有两种：燃料电池系统+蓄电池组(FC+B)，燃料电池系统+蓄电池组+超级电容器(FC+B+C)，如下图3.1和3.2所示，均为
燃料电池系统间接驱动混合动力系统。
图3.1燃料电池系统+蓄电池组(FC+B)动力系结构
图3.2燃料电池系统+蓄电池组+超级电容器(FC+B+C)动力系统结构
对于燃料电池系统+蓄电池组(FC+B)混合动力系统，此方案既考虑了目前燃料电池系统自身的一些特殊要求，例如，在启动时给空压机供电，电堆预热，气体加湿等，同时也能够回收制动能量。
该系统的优点有：
(1)降低了对燃料电池的功率和动态特性的要求；
(2)降低了燃料电池系统的成本，在一定程度上也加大了整车的续驶里程；
(3)启动方便且可靠性高
不足之处有：
(1)增加了驱动系统的重量、体积和结构复杂性
(2)增加了电池的维护和更换费用。
燃料电池系统+蓄电池组+超级电容器(FC+B+C)混合动力系统是在FC+B混合动力系统基础上再并联一组超级电容器，用于提供吸收加速/紧急制动的尖峰电流，从而碱轻了电池的负担，延长其使用寿命。但这种结构型式较为复杂，既增加了动力系统结构复杂度和整车空间结构布置的难度。也给控制系统及元器件提出了更高的要求，同时成本较高，一般应用于燃料电池电动大客车
3.2燃料电池电动汽车动力系统参数优化
3.2.1优化目标
燃料电池电动汽车动力系统优化目标就是在满足车辆动力性能的基础上，尽可能提
高燃料经济性，优化目标可用如下公式表示：
{min F (X ) =Fuel (X )
T j (X ) >0
式中： X ∈Ωj =1, 2, 3. n . . ,
X 包含了燃料电池电动汽车动力系统参数及控制参数的向量；
Q 为可能的解空间；
Fuel(X)为燃料消耗；
Tj(x)>0为一组非线性不等式约束，汽车性能要求和混合度边值条件等。
燃料消耗的具体表达式为：
3.2.2优化变量选取
燃料电池电动汽车的混合动力系统具有大量的设计参数和控制参数，其均对系统的效率有着重要关系。但本着研究的需要，我们常选择研究的特性参数进行优化。
文中选择了最主要的参数作为系统参数的优化变量，分别为混合度、电机最大功率和主传动比。同时考虑到能源管理策略对燃料消耗的影响，必须同时优化控制系统参数，选取部分重要的控制策略参数作为优化变量。
在此文中选取ADVISOR 程序功率跟随式策略作为能量管理策略，功率跟随模式的基本思想为：保持蓄电池荷电状态在最低设定值与蓄电池荷电状态最高设定值之间，即以电量最小消耗为目标。燃料电池系统在设定的范围内输出功率，燃料电池的输出功率跟随需求功率的变化而变化，输出功率不仅要满足车辆驱动要求不仅要满足车辆驱动要
3.2.3优化约束
在进行优化设计时，除了尽可能减小燃料消耗，还必须满足汽车的动力性能要求和电量平衡要求。对于电量平衡要求，在仿真分析中本文本文采用“zero-delta" 处理方法，即当不同的初始SOC 运行多个循环直到初始SOC 与终了SOC 的变化量ASOC 小于等于0.5％时，这次的运行定为有效，以前的则定为无效。这样就可以消除电池能量转化对计算燃料消耗的影响。但这只是在仿真中为了优化方便做的合理假设，实时工况下基本不存在。另外，由于在优化时需要利用ADVISOR 仿真程序计算优化目标和约束，因此在仿真时还必须满足仿真精度要求。表3.4列出了所使用的约束条件。
表3.4优化约束条件
3.3本章小结
本章对燃料电池电动汽车的混合动力系统构型进行了优化研究。选择了最主要的参数作为系统参数的优化变量，分别为混合度、电机最大功率和主传动比。同时考虑到能源管理策略对燃料消耗的影响，必须同时优化控制系统参数，选取部分重要的控制策略参数作为优化变量。
第四章 全文总结及展望
全文总结
本文以质子交换膜燃料电池混合动力电动汽车为研究对象，在考虑了燃料电池汽车燃油经济性和动力性的前提下，对燃料电池和蓄电池混合驱动系统部件匹配进行研究。
对五种燃料电池进行了介绍和优缺点评析，其中重点分析了质子交换膜燃料电池技术。选用质子交换膜燃料电池为本车的动力源。在燃料电池测试系统上对500W 低压氢空质子交换膜燃料电池进行试验研究，结果表明燃料电池的输出性能表现稳定。总的来说质子交换膜燃料电池的输出特性可以满足汽车对动力源的使用要求。
由于本车选用锂离子蓄电池，本文着重研究了锂离子电池的充放电特性。根据整车动力需要，进行了电池的充放电试验。试验表明，蓄电池的性能稳定，可以应用于整车。同时选用稀土永磁同步电机为该车的驱动电机，并进行了相关动力试验。
由于时间关系和水平有限，对于整车动力性研究以及建模还有很多不完善的地方。由于知识领域的局限性，对于燃料电池电动车的认识还有待于进一步不断的学习。
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致 谢
本文是在导师高永强教授的悉心指导和热情关怀下完成的。大学本科期间，从课程的学习和论文的选题及撰写，导师给我的不仅仅是丰富的学术知识还有为人处事的严谨态度。同时在个人工作和人生规划方面也给出了很多热情的帮助和诚恳的教导，让我更坚定人生前行的方向。在此，谨向尊敬的导师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意！
同时，还要感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多宝贵素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和斧正！
2013年4月18日
於临沂大学