基于advisor的燃料电池汽车动力系统仿真

I（研究生课程论文）汽车动力学论文题目：基于advisor的燃料电池汽车动力系统仿真课程老师：乔维高学院班级：汽研1402班学生姓名：王璇学号：10497214022572014年12月武汉理工大学课程论文摘要本文首先研究了氢燃料电池汽车五种动力系统以及两种能量控制策略,通过详细比较及分析其中的优缺点,选定燃料电池和蓄电池(FC+B型)作为驱动车辆行驶的能量来源,并选定功率跟随式控制策略作为该车的控制策略。对某轿车改型的氢燃料电池汽车动力系统进行了重新设计。其次,在分析燃料电池、动力蓄电池以及驱动电机的工作原理的基础上,选定低温质子交换膜燃料电池作为氢燃料电池汽车的主动力源,锂离子电池作为车辆的辅助动力源,异步交流电机作为车辆的驱动电机。根据车辆性能设计指标和整车性能参数,运用相关的理论知识确定了动力系统各部件相关参数。再次，结合中国城市工况和UDDS典型城市工况,运用ADVISOR软件对整车进行模拟测试,测试结果显示,氢燃料电池汽车在动力性、燃料经济性以及百公里加速时间等各方面都要远远高于设定的性能指标,说明动力系统参数选择以及控制策略的选择符合氢燃料电池汽车的要求。同时设置多循环测试工况,测试动力系统部件运行的状况,测试结果显示,动力系统的各部件都运行在各自的高效率区。关键词：氢燃料电池汽车；动力系统；仿真；设计11燃料电池汽车的发展燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。由于化学反应过程中的能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率可达60％-70％，其实际使用效率则是普通内燃机的2倍左右。能量转换效率高是燃料电池的主要特点之一。而质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)具有无污染、高效率、适用广、低噪声、可快速补充能量、具有模块化结构等特点，是燃料电池中替代传统内燃机的最理想的动力源，很适合作为车辆的动力源，顺应了新能源汽车的技术要求。针对目前燃料电池的技术不足和高成本，燃料电池与蓄电池、超级电容等辅助动力源组成的电电混合动力系统技术成了燃料电池电动汽车研发的热点。目前燃料电池混合动力系统动力源的组合方式主要有：燃料电池与蓄电池混合动力系统、燃料电池和超级电容混合动力系统、燃料电池、蓄电池和超高速飞轮混合动力系统和燃料电池、蓄电池和超级电容混合动力系统等。在电电混合动力系统中，燃料电池主要提供汽车正常行驶所需能量，辅助动力源提供汽车加速、爬坡所需额外能量，并吸收汽车再生制动产生的电能。燃料电池电动汽车混合动力系统区别于传统的单能源的燃料电池电动汽车主要是其动力系统不同，其动力系统的构型、参数匹配和控制策略的研究是燃料电池电动汽车研发的重要内容。武汉理工大学课程论文2燃料电池汽车动力系统拓扑结构及控制策略2.1纯燃料电池驱动的FCEV纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。纯燃料电池电动汽车的动力系统如图2.1所示。图2.1纯燃料电池驱动形式动力系统结构图燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系，从而驱动汽车前进。该系统的优点为：（1）系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置。（2）系统部件少，有利于整车的轻量化。（3）较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整车的燃料经济性。该系统的缺点有：（1）燃料电池功率大，成本高。（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。因此，为了有效解决上述问题，必须使用辅助能量存储系统作为燃料电池系统的辅助动力源和燃料电池联合工作，组成混合驱动系统共同驱动汽车。从本质上来讲，这种结构的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行驶。2.2燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV燃料电池+辅助蓄电池联合驱动的燃料电池电动汽车的动力系统如图2.2所示。该结构为一典型的串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化为机械能传给传动系，从而驱动汽车前进。在汽车制动时，燃料电池的能量输出变化较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的高频部分由蓄电池分担。图2.2燃料电池+辅助蓄电池形式动力系统结构图该系统的优点有：（1）由于增加了比功率价格相对低廉得多的蓄电池组，系统对燃料电池系统的功率要求较纯燃料电池结构形式有很大的降低，从而大大地降低了整车成本。（2）燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作，工作时燃料电池的效率较高。（3）系统对燃料电池动态响应性能要求降低。（4）汽车的冷启动性能较好。（5）制动能量回馈的采用可以回收汽车制动时的部分动能，该措施可能会增加正常的能量效率。武汉理工大学课程论文这种结构的缺点：(1)蓄电池的使用使得整车质量的增加，动力性和经济性受到影响，这一点在能量复合型混合动力汽车上表现得更为明显。(2)蓄电池充放电过程会有能量损耗。(3)系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。2.3燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV这种结构与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成了超级电容。相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，比蓄电池功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量密度小。随着超级电容技术的不断进步，这种结构将成为重要的研究课题及发展方向。2.4燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统如图2.3所示，该结构也为串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池、蓄电池、和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化为机械能传给传动系，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。在采用燃料电池、蓄电池和超级电容联合供能时，燃料电池的能量输出较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的低频部分由蓄电池承担，能量需求变化的高频部分由超级电容承担。在这种结构中，各自动力源的分工更加明细，因此它们的优势也得到了更好的发挥。图2.3燃料电池+蓄电池+超级电容形式动力系统结构图这种结构的优点相比燃料电池+蓄电池的结构形式的优点更加明显，尤其是在部件效率、动态特性、制动能量回馈等方面更有优势。而其缺点也一样更加明显：（1）增加了超级电容，整个系统的质量将可能增加。（2）系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。总的来说，如果能够对系统进行很好的匹配和优化，这种结构在给汽车带来良好的性能方面具有很大的吸引力。武汉理工大学课程论文3氢燃料电池汽车动力系统建模与仿真3.1仿真车型建模本文所研究的氢燃料电池汽车是基于速腾轿车的平台改型而来，如表3.4所示为该品牌整车性能参数，表3.5为所设计的氢燃料电池汽车性能参数指标。表3.4速腾轿车整车结构参数结构参数值整车整备质量m（kg）1350迎风面积A（m2）2.635空气阻力系数CD0．32滚动阻力系数f0．015轮胎滚动半径r（m）0．316汽车旋转质量换算系数δ1．04整车尺寸（长*宽*高）（mm）4644*1778*1482满载质量（kg）1840前轴载荷质量（kg）760轴距（m）2．651最大功率（KW/rpm）96/5000最大扭矩（Nm/rpm）220/1750-3500表3.5氢燃料电池汽车性能设计指标性能指标值纯电动行驶续驶距离（km）≥40（汽车处于满载状态，并且车速为u=60km/h，蓄电池80%放电情况下）汽车的爬坡能力（%）≥20（汽车处于满载状态，车速为30km/h）0-100km/h加速时间（s）≤17（汽车处于满载状态）汽车最高车速umax（km/h）≥130（同上）利用汽车功率方程，根据已知汽车参数及性能，可求出汽车动力系统参数。并初选各动力元件。如表3.6。表3.6所选择的动力系统参数参数取值氢燃料电池系统氢燃料电池最大输出功率（kW）40驱动电机最大功率（kW）90额定功率（kW）40最大转速（r/min）8000额定转速（r/min）4500最大转矩（Nm）200额定转矩（Nm）90动力蓄电池锂离子电池容量（Ah）26锂离子电池最大放电功率（kW）503.2ADVISOR仿真分析ADVISOR软件是基于Matlab/simulink平台开发的二次开发软件，通过三个武汉理工大学课程论文GUI(图形用户界面)完成整个仿真过程中的整车及部件参数输入、测试循环工况的输入及仿真结果分析。3.2.1整车仿真参数输入界面图4.3为整车仿真的模型参数输入界面,界面左侧中的vehicleinput是车辆输入模型,只是一张图片,双击每个固定的区域都会有响应,例如双击燃料电池部分,界面将会打幵燃料电池模型数据文件选择的GUI界面。图形右侧为整车各部件的参数输入,用户可以通过下拉框的形式进行部件的选型及相关参数的修改,其中包括整车、燃料转换器(燃料电池、内燃机以及基于神经网络的内燃机)、排放后处理器、能量储存器(动力蓄电池和超级电容)、驱动电机、传动系统、扭矩耦合器、车轴/车轮以及配件等仿真模型。对于每个模型,可以通过下拉框来选择版本、类型及修改相应M文件中参数值。图形左下方为动力系统不同部件(内燃机/燃料电池、电机、能量存储器等)的特性图,如燃料电池的效率图等。图形中LoadFile是选择软件内部已有的整车数据M文件,DrivetrainConfig代表动力系统的类型,另外用户还可以对定义好的部件参数进行修改,便于用户对整车性能参数的设置。设置好车辆所有相关部件的参数后,点击continue按钮,进入工况选择和仿真性能要求设置的界面。图4.3整车仿真输入界面3.2.2仿真循环工况设置界面第二个GUI如图4.4所示为仿真工况设置界面,界面的左半边为所选的循环工况的时间与速度曲线,左侧下面为该循环工况的一些特性参数值,主要包含该循环工况的运行时间、行驶距离、最高车速等特征。界面的右侧为循环工况的输入设置,ADVISOR软件提供了多种循环工况来仿真测试车辆的动力性、经济性以及燃料消耗等,主要包含:Drivecycle(道路循环)、MultipleCycles(多重道路循环)以及TestProcedure(测试循环过程)。Drivecycle包含UDDS、HWFET、EUDC在内的56种国外标准道路循环,用户还可以根据自己的需要添加测试循环工况,另外Drivecycle还提供了TripBuilder(工况设计器),可以将不同的循环工况(最多八种)随意组合在一起,综合仿真车辆性能。仿真循环工况设置界面右下方,ADVISOR软件还提供参数研究功能;选择部件参数(最多三个,在图上用不同的颜色表示不同的数值),来模拟仿真这些参数的变化对车辆燃油经济性和排放物等性能的影响。图4.4仿真循环工况设置界面另外,ADVISOR在界面中还提供了加速性能测试(AccelerationTest)以及爬坡性能测试(GradeabilityTest)。如图4。5所示为加速性能测试的界面,加速性能测试武汉理工大学课程论文主要包括:(1)换挡延迟时间通常设置为0.2s;(2)对于动力驱动系统,可以选择燃料转化器(内燃机或燃料电池)和动力蓄电池共同提供动力,也可以选择任意其中一个单独提供动力;(3)加速时整车质量的设置,可以根据实际需要添加相应的测试质量,可以选择当前质量;(4)对于测试车辆性能仿真结果,可以测试的结果有:1)车辆从任意初速度加速到末速度(最多三组)所需最短时间;2)车辆能够行驶的最大距离(在某一时间段内);3)车辆行驶某段距离所花费的最短时间;4)车辆的最大加速度;5)车辆的最高车速。图4.5加速性能测试界面爬坡性能测试界面为图4.6,主要设置包括:(1)按照车辆爬坡性能的指标要求,设置坡度最高值、