硕士论文-燃料电池汽车动力系统过程模拟

上海交通大学硕士学位论文燃料电池汽车动力系统过程模拟姓名：陈黎明申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：马紫峰20090101上海交通大学硕士学位论文摘要随着全世界汽车产量和保有量的日益增多，以石油产品为动力源的车辆所排放的废气已经成为影响地球气候和环境污染的主要来源，能源危机也日益加剧。因此，人们迫切的需要开发低污染的替代能源汽车来改善能源短缺和环保问题，燃料电池汽车（FCV,FuelCellVehicle）作为一种可行方案已成为世界各汽车厂商在技术领域进行竞争的焦点之一。与传统内燃机汽车相比，燃料电池汽车不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点，同时仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶和安全、舒适等性能，被认为是21世纪首选的洁净、高效运输工具。动力系统是燃料电池汽车的核心部分，是决定整车性能的关键，也是其不同于传统内燃机汽车和其他类型电动汽车的标志，因此，对燃料电池汽车动力系统进行研究具有非常重要的意义。随着计算机技术的发展，建模仿真技术已经成为汽车动力系统研发过程中的一个重要手段。通过仿真分析可以灵活地调整设计方案，合理优化参数，预测不同操作条件下的系统性能，有助于样车的制造和试验。本文的出发点是系统层面上的建模，建立了包括燃料供应模块、燃料电池堆模块和循环冷却水模块在内的质子交换膜燃料电池（PEMFC）汽车动力系统数学模型。其中燃料供应模块包括压缩机模型和气体分压模型，燃料电池堆模块分别给出了理论可逆电压、活化极化电压、欧姆极化电压和浓差极化电压的数学模型，循环冷却水模块重点考虑了几个关键因素对冷却水用量的影响。接着，笔者运用Matlab/Simulink软件进行模型求解和参数寻优。与此同时，本文自主搭建了一套PEMFC单电池测试系统，并得到一系列实验结果，通过实验数据与仿真结果的对比，表明所建模型能较为准确地反映动力系统的稳态特性，为燃料电池汽车动力系统的研究和设计提供理论依据。昀后，通过进一步的仿真，本文充分研究了电池堆温度、氢气流量、空气流量、阴阳两极入口压力对系统性能的影响，以及电池堆温度、环境温度和氢气流量对循环冷却水用量的影响。关键词：燃料电池汽车，动力系统，Matlab/Simulink，建模与仿真I上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTWiththeworldwideincreaseinautomotiveoutput,theemissionofpetroleumbasedvehicleshasbecomethemajorsourceaffectingglobalclimateandairpollution.Andwhatismore,energycrisishasalsobecomemoreandmoreserious.Therefore,anewkindofefficientvehiclewithlowemissionsisnecessaryforimprovingenergyshortageandsolvingenvironmentalprotectionproblem.Fuelcellvehicle,asaviableprogram,appearstobeafocusintechnicalcompetitionfortheworld'sautomotivemanufacturers.Comparedwithtraditionalinternalcombustionenginevehicle,ithasmanypeerlessmeritssuchasenvironmentfriendlyandhighconversionefficiencies,furthermore,heatengineprocessandCarnotcyclerestrictionarealsoinvalid.Fuelcellvehicleisconsideredtobethepreferredcleanandhighefficientconveyancein21stcenturybecauseithasthesameperformancesastraditionalinternalcombustionenginevehiclesuchashighspeed,longdistancerunningandsafe,comfortable,etc.Powersystemisthecoreoffuelcellvehicle,whichdecidestherunningperformance,andisalsothemainsymboldifferentfromtraditionalinternalcombustionenginevehicleandotherelectricvehicles.Sothestudyonfuelcellvehiclepowersystemhasgreatsignificance.ModelingsimulationtechnologyhasbecomeaveryimportantmethodinII上海交通大学硕士学位论文theresearchofvehiclepowersystemalongwiththedevelopmentofcomputertechnology,bywhichwecanadjustdesignscheme,optimizeparametersflexiblyandpredictsystemperformancesofdifferentoperatingconditions,anditwillbehelpfulformanufacturingandtestingofsamplevehicle.ThisarticleaimsatsystemlevelmodelingandconstructedhereisamathematicmodelofPEMFuelCellVehiclePowerSystemwhichiscomposedoffuelsupplymodel,fuelcellstackmodelandrecyclecoolingwatermodel.Thefuelsupplymodelcontainscompressormodelandgaspartialpressuremodel,whilefuelcellstackmodelpresentsthecalculatingofNernstvoltage,activationvoltage,ohmicvoltageandconcentrationvoltage,andafewkeyfactorswhichinfluencestherecyclecoolingwaterflowisconsideredintherecyclecoolingwatermodel.Matlab/Simulinksoftwarewasusedformodelparametersolutionandoptimization.Inthemeantime,anPEMFCsinglecelltestingdevicewasdevelopedtoobtainaseriesofexperimentaldata,Itshowsthattheconstructedmodelcanrepresentcharacteristicsofthepowersystemcloselybycomparingmodelingresultswithexperimentaldata,anditcanbeusedinthestudyanddesignoffuelcellvehiclepowersystem.What’smore,furthersimulationswereachievedtoevaluatehowcellstacktemperature,Hydrogenflow,Oxygenflow,inletgaspressureinbothanodeandcathodeaffectsystemperformances,andhowcellstackIII上海交通大学硕士学位论文temperature,ambienttemperatureandHydrogenflowaffectrecyclecoolingwaterflow.Keywords:Fuelcellvehicle,powersystem,Matlab/Simulink,modelingandsimulationIV上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.1引言随着社会的发展进步，传统的内燃机汽车（主要以汽油和柴油为燃料）产量和保有量不断攀升，它们所排放的废气使得全球环境污染和能源短缺陷入了恶性循环[1]。据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约3000kg，碳氢化合物200-400kg，氮氧化合物50-150kg，全球1/4以上的城市大气污染源于汽车尾气。汽车产生的噪音也日趋严重，甚至已占到了城市噪音的85%。温室效应、酸雨等无不与汽车尾气污染有重要关系。汽车使用的能源现在主要来自石油，目前世界石油有57%被消耗于交通领域，据美国能源部预测，2020年以后，全球石油需求与常规供给之间将开始出现净缺口，这个缺口在2050年将达到500亿桶。对于中国这样一个人口众多的国家来说，这种环境污染和能源短缺的形势尤为严峻。我国人均能源资源占有量不到世界水平的1/2，其中石油仅为1/10。有资料表明，自从我国加入WTO以后汽车产业飞速发展，全国汽车保有量年增长率保持在13%，特别是一些大型和特大型城市如北京、广州、成都、上海等市机动车数量增长速率远远高于全国平均水平，按照这样的增长速度，预计到2020年整个社会汽车总量将达到1.45亿辆。现在，全国二氧化硫年排放量高达1857万吨，我国的二氧化碳排放量位居世界第二。全国大多数城市的大气环境质量超过国家规定的标准。全国47个重点城市中，约70％以上的城市大气环境质量达不到国家规定的二级标准；雨区污染日益突出，酸雨区由80年代的西南局部地区发展到现在的西南、华南、华中和华东4个大面积的酸雨区，酸雨覆盖面积已占国土面积的30％以上，我国已成为继欧洲、北美之后的世界第三大重酸雨区。据国家环保中心预测，2010年汽车尾气排放量将占空气污染源的64%，汽车尾气的污染已经成为中国城市大气污染的主要因素之一，越来越受到人们的关注。因此，人们迫切的需要开发低污染的替代能源汽车来改善能源短缺和环保问题，燃料电池汽车作为一种可行方案已成为世界各汽车厂商在技术领域进行竞争的焦点之一。被认为是21世纪首选的洁净、高效运输工具。1上海交通大学硕士学位论文1.2燃料电池汽车概述1.2.1燃料电池汽车技术优势燃料电池汽车（FCV,FuelCellVehicle）是将燃料电池作为动力源，直接将燃料的化学能转变为电能，经电动机驱动车辆运行。燃料电池汽车与传统内燃机汽车、纯电动汽车、混合动力电动汽车相比，具有以下技术优势：1.能量转换效率高内燃机的能量转换路线是燃料的化学能-热能-动能，而燃料电池的工作过程是燃料的化学能-电能的过程，它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高。2.环境友好氢燃料电池汽车以纯氢作为燃料，生成物只有水，属于零排放。其他非纯氢燃料电池汽车污染物的排放都比汽油机和柴油机驱动的汽车低一到两个数量级，而且CO2的排放量降低了40%-60%。所以总体上考虑，使用燃料电池作为交通工具的动力源有利于降低温室效应。3.续驶里程长且安全采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性能已经接近于传统汽车。其驾驶起来安全、舒适。4.运行噪音低燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪音和振动都较小。5.过载能力强燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达到额定功率的200%甚至更大。6.设计方便灵活燃料电池汽车可以按