燃料电池汽车混合动力系统参数匹配与优化

燃料电池客车动力系统参数匹配及控制策略研究韩经鲁张振东李泽滨孙玉萍

发布时间：2023-05-30T15:14:43.476Z 来源：《科技新时代》2023年6期作者：韩经鲁张振东李泽滨孙玉萍

[导读] 在燃料电池车辆的设计中，动力系统的参数匹配是一个非常关键的问题，它直接关系到车辆的功率和经济性。本论文主要针对一种基于燃料电池技术的大巴，对该大巴的动力系统主要参数进行了分析，并基于该大巴的控制策略进行了研究。

中通客车股份有限公司山东省聊城市 252000

摘要：在燃料电池车辆的设计中，动力系统的参数匹配是一个非常关键的问题，它直接关系到车辆的功率和经济性。本论文主要针对

一种基于燃料电池技术的大巴，对该大巴的动力系统主要参数进行了分析，并基于该大巴的控制策略进行了研究。最后，给出了一种新的

控制策略。基于 MATLAB/Simulink软件，建立了汽车行驶过程的模拟平台，并对其进行了模拟和分析。研究结果显示，本课题所研制的大

巴动力系统具有较好的性能，能够满足大巴的动力性需求，并在此基础上，采用模糊控制方法对大巴进行能量管理，以确保大巴在运行中

的稳定性与安全性。模拟计算结果显示，该方法能在市区行驶时，有效地减少燃油消耗，减少尾气排放。

关键词：燃料电池；参数匹配；控制策略

引言

近年来，在我国节能减排与新能源汽车发展的背景下，利用燃料电池技术的车辆受到人们的高度重视与研究。与传统燃油汽车相比，

燃料电池汽车具有零排放、零噪音、高动力性能等优点，并且能够在电力和燃料两种模式之间进行灵活的切换，特别适用于城市公交、长

途客车等移动出行。在城市道路上行驶时，由于交通拥堵，造成了燃料电池车辆的油耗增加，尾气排放增加。

一、动力系统参数匹配

燃料电池客车的动力系统由发动机、燃料电池、动力电池组、驱动电机、变速器等构成，燃料电池和电机主要是通过驱动电机与变速

器相连，燃料电池与传动装置的联结方式是决定汽车最高车速及最大爬坡速度的关键因素。依据汽车设计参数，选择合适的燃料电池与电

基于燃料电池和超级电容的混合驱动系统参数匹配与仿真

基于燃料电池和超级电容的混合驱动　系统参数匹配与仿真　

徐大伟　（武汉理工大学）　周　荣　（天津清源电动车辆有限公司）　【摘要】　初步探讨了以“燃料电池＋超级电容（ＦＣ＋ｃ）”作为一般轿车动力驱动系统的特点及性能参　数，在构建其动力系统结构的基础上，对整车参数进行了匹配，并通过仿真软件ＰＳＡＴ对整车的动力性能进行仿　真研究，结果显示该“ＦＣ＋Ｃ”动力系统基本能够满足整车的设计要求。　【主题词】燃料电池超级电容汽车匹配　

０；煎专　

目前大多数燃料电池汽车采用的是“燃料电　池＋蓄电池（ＦＣ＋Ｂ）”的驱动型式，由燃料电池作　为主动力源，蓄电池作为辅助动力源用于提供车　辆的启动、加速以及制动时的能量回收等。但是　由于蓄电池的比功率和比能量以及循环寿命之间　相互制约，难以在一套设备上同时追求高比功率、　高比能量和长寿命，而超级电容具有可以在短时间　内大电流充放电（一次充放电只需０．３～９００　ｓ）、循环　寿命长（极限寿命可达１０万次）、充放电效率高　（９８％）、再生能量回收效率高（常规制动时能量回　收高达７０％）、可以正常工作的温度范围宽（一４０　～７５℃）等特点，因此利用超级电容与燃料电池　（ＦＣ＋Ｃ）构成混合驱动系统，可以发挥超级电容　的负载均衡作用，降低燃料电池的放电电流，从而　提高整车的动力性和续驶里程。但这种混合系统　对控制器的设计、系统各部件之间的参数匹配要　求较高。因此，有必要通过系统仿真技术分析电　动汽车的各个主要部件、子系统之间的相互作用　和影响，以便优化系统。本文基于汽车动力学仿　真软件ＰＳＡＴ建立了超级电容和燃料电池的正向　

收稿日期：２００７—０９—２ｌ　

・６・　仿真模型，对参数匹配和能量管理策略进行研究。　

１　“ＦＣ＋Ｃ”混合动力系统结构及整　车参数选择　

１．１动力系统结构　由于超级电容组进行充放电时，其电压变化　范围较大，为了与动力总线的电压相匹配，需要使　用双向ＤＣ／ＤＣ转换器，将超级电容的工作电压转　换成输出电压，同时便于控制超级电容的充放电　状态。“Ｆｃ＋ｃ”燃料电池汽车的动力系统结构如　图１所示。　

燃料电池汽车动力总成结构配置及参数优化匹配

贠海涛;万钢;孙泽昌

【期刊名称】《汽车工程》

【年(卷),期】2006(028)008

【摘要】结合燃料电池大客车动力系统的实际开发过程,分3个步骤阐述燃料电池汽车动力总成结构配置和参数匹配的一般方法.第1步,通过分析燃料电池的特性论证了动力总成结构配置的优化解决方案.第2步,通过分析不同类型功率部件特性阐述了主要功率部件选型的依据,并且根据设计性能要求进行动力总成主要部件基本参数设计.第3步,进行燃料电池混合动力总成参数优化匹配的研究.仿真和实验台测试的结果证明所设计的燃料电池大客车动力总成满足要求.

【总页数】5页(P729-733)

【作者】贠海涛;万钢;孙泽昌

【作者单位】同济大学汽车学院,上海,201804;同济大学汽车学院,上海,201804;同济大学汽车学院,上海,201804

【正文语种】中文

【中图分类】U4

【相关文献】

1.混联式混合动力电动汽车动力总成的优化匹配与监控 [J], 赵克刚;黄向东;罗玉涛

2.汽车动力总成结构参数敏感性研究 [J], 倪计民;杨健;叶淑英;杨挺然;梁乐华

3.燃料电池汽车动力总成方案分析 [J], 元勇伟;许思传;万玉 4.双电机多模混合动力总成构型参数优化匹配 [J], 周康; 权飞; 柳建新; 黄桂东

5.本田FCX Clarity燃料电池汽车的动力总成技术 [J], 刘志超

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电动汽车动力系统参数匹配及优化

朱曰莹;赵桂范;杨娜;王大方

【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》

【年(卷),期】2013(045)007

【摘要】为了实现电动汽车动力系统系统参数的优化匹配,根据电动汽车设计参数建立电动汽车整车性能仿真模型.围绕电动汽车整车、开关磁阻驱动电机与蓄电池选择匹配问题,研究蓄电池单体容量对电动汽车整车性能的影响规律.基于电动汽车循环行驶工况,提出一种以提高蓄电池利用效率为目标的电动汽车蓄电池参数优化匹配方案,通过引入蓄电池荷电状态(SOC)质量比系数对蓄电池单体容量及组容量进行优化选择.以同步提高电动汽车动力性能和经济性能为目标,定义基于电动汽车循环工况的整车性能综合指标系数,对车辆传动系比进行了优化设计,并对该优化方案下电动汽车整车及开关磁阻电机动态性能进行了仿真分析.结果表明:提出的电动汽车驱动电机、蓄电池及整车传动系比的优化匹配方案能很好地满足ECE城市循环工况的行驶要求,对改善整车动力性能,提高电池效率,增大续驶里程等都具有十分重要的意义.

【总页数】6页(P90-95)

【作者】朱曰莹;赵桂范;杨娜;王大方

【作者单位】哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院,264209 山东威海;哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院,264209 山东威海;哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院,264209 山东威海;哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院,264209 山东威海

【正文语种】中文【中图分类】U469.72

【相关文献】

1.农用电动汽车动力系统参数匹配优化及动力性验证 [J], 余朝蓬;高峰;王营;姬芬竹

2.纯电动汽车动力系统参数匹配及优化研究 [J], 麦明珠

3.纯电动汽车动力系统参数匹配与优化研究 [J], 王飞;李磊磊

4.纯电动汽车动力系统参数匹配设计及优化 [J], 姚泳[1]

5.电动汽车动力传动系统参数匹配与优化 [J], 牛秦玉;李珍惜;王智超;田海波

混合动力客车动力系统参数匹配与仿真优化

周彬;张铁柱;霍炜

【期刊名称】《青岛大学学报（工程技术版）》

【年(卷),期】2014(029)001

【摘要】针对目前混合动力城市客车所具有的优势,本文以某款城市客车为例,在3种混合动力驱动形式的基础上,确定了本车串联混合动力的驱动形式;并对动力系统各部件参数进行了匹配设计,同时利用ADVISOR软件及其自动尺寸设计功能进行优化仿真.仿真结果表明,优化后的参数,虽电池组数目相差不大,但发动机、发电机和电动机的功率均有所减小,从而使3个部件的尺寸、质量和体积都有所减小,因此,整车的总质量也将随之减小,整车的经济性比参数优化前好.该研究满足了混合动力城市客车对动力性能的要求,达到了参数优化的目的.该研究为发展混合动力客车提供了理论依据.

【总页数】5页(P64-68)

【作者】周彬;张铁柱;霍炜

【作者单位】青岛大学机电工程学院,山东青岛266071;青岛大学机电工程学院,山东青岛266071;青岛大学机电工程学院,山东青岛266071

【正文语种】中文

【中图分类】U469.7;U462.3+2

【相关文献】 1.混合动力客车动力系统参数匹配评价分析 [J], 郭宽友;简晓春;游国平

2.城际混合动力客车动力系统参数匹配及耗能特性影响因素分析∗ [J], 陈雪荣;吴新兵;何仁;胡东海

3.混合动力客车动力系统参数匹配评价分析 [J], 郭宽友;简晓春;游国平;

4.混合动力客车系统参数匹配及仿真 [J], 罗玉涛;胡勤栋;张桂连

5.串联式混合动力城市客车动力系统参数匹配与仿真的分析 [J], 陈灵峰

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四轮驱动燃料电池汽车动力系统参数匹配与优化

赵艳娥;张建武

【期刊名称】《汽车工程》

【年(卷),期】2007(029)005

【摘要】针对某多电机双能源四轮驱动燃料电池汽车动力参数匹配进行了研究.根据其整车结构、行驶工况以及控制策略,对动力系统参数进行初步选择,并以动力系统各部件尺寸最小为目标函数、相应参数为设计变量、整车动力性能为约束条件进行优化计算,得出动力传动系统合理的参数匹配,不仅动力性完全满足设计要求,而且经济性得到提高.

【总页数】7页(P409-414,432)

【作者】赵艳娥;张建武

【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240

【正文语种】中文

【中图分类】U4

【相关文献】

1.基于多指标的燃料电池汽车动力系统参数匹配研究 [J], 应天杏;程伟;孔凡敏;周维;杨林

2.燃料电池观光汽车动力系统参数的匹配与优化 [J], 姜康; 郭硕; 吴钱昊

3.纯电动汽车动力系统参数匹配及优化研究 [J], 麦明珠 4.纯电动汽车动力系统参数匹配与优化研究 [J], 王飞;李磊磊

5.增程式电动汽车动力系统参数匹配及控制策略优化 [J], 李永亮;黄英;王绪;郭汾

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某型纯电动汽车动力系统参数匹配与优化研究

高二客;王海林

【摘要】Based on the structure analysis and theoretical arithmetic,

parameter matching is conducted for power cell, drive motor and

transmission ratio according to the design requirements of performance

indicators for certain type of electric vehicle. The effects of design

parameters on the performance of electric vehicle were presented, a novel

strategy for matching and optimizing the drive system of electric vehicle is

proposed based on multi -objective genetic optimization algorithm. An

optimization model for parameter is set up with several vehicle

performance indicators including driving range and electricity

consumption as optimization objectives, with maximum speed,

acceleration time and maximum gradeability as constraint conditions, and

with gear ratios as optimization variables, obtain optimum transmission

《增程式电动汽车驱动系统参数匹配及优化》

一、引言

随着环保意识的增强和新能源汽车的不断发展，增程式电动汽车（Extended Range Electric Vehicle, EREV）逐渐成为汽车行业的研究热点。增程式电动汽车结合了纯电动汽车和传统燃油车的优点，具有节能、环保、续航里程长等优势。而驱动系统作为增程式电动汽车的核心组成部分，其参数匹配和优化直接影响到整车的性能。因此，本文将对增程式电动汽车驱动系统的参数匹配及优化进行详细探讨。

二、增程式电动汽车驱动系统概述

增程式电动汽车驱动系统主要由电池组、电机、控制器、增程器（发动机+发电机）等部分组成。其中，电池组为整车提供电能；电机作为动力输出装置，将电能转化为机械能；控制器负责整车能量的管理和控制；增程器在电池组电量不足时提供能量补充。

三、驱动系统参数匹配

（一）电池组参数匹配

电池组是增程式电动汽车的能量来源，其参数匹配直接影响到整车的续航里程和性能。电池组参数主要包括电池容量、电压等级等。在选择电池组时，需要考虑到整车性能要求、成本等因素，根据电机需求合理选择合适的电池组。（二）电机参数匹配

电机作为动力输出装置，其参数匹配关系到整车的动力性和经济性。电机参数主要包括额定功率、峰值功率、额定转速等。在匹配电机参数时，需要考虑到整车的性能要求、电机的效率、成本等因素，确保电机在满足动力性的同时，具有较高的效率和经济性。

（三）控制器参数匹配

控制器是增程式电动汽车的“大脑”，负责整车能量的管理和控制。控制器参数的匹配需要考虑到整车的控制策略、通信协议等因素，确保控制器能够有效地管理电池组和电机的能量输出，保证整车的性能和安全性。

四、驱动系统优化

（一）能量管理策略优化

能量管理策略是增程式电动汽车的核心技术之一，对整车的性能和续航里程有着重要影响。通过对能量管理策略进行优化，可以提高整车的能量利用率，延长续航里程。优化方法包括基于规则的控制策略、基于优化的控制策略等。

增程式混合动力系统应用及其能量匹配优化策略

LOWCARBONWORLD2020/3增程式混合动力系统应用及其能量匹配优化策略张国华1，冯文希2，张南峰3（1.广州朗华汽车电子科技有限公司，广东广州510000；2.华南理工大学，广东广州510000；3.中华人民共和国黄埔海关，广东广州510000）【摘要】本文通过对增程式混合动力汽车的动力学进行分析，对于特定工况下实现最高化系统作为最优化目标。基于MATLAB/Simulink仿真平台，建立增程式混合动力系统应用能量匹配优化仿真模型。经仿真结果表明：此种优化能量匹配管理策略，能够有效提高动力经济性，并且搭建增程式混合动力系统，实现系统测控及数据采集软件开发，进行以混合动力汽车为例的设定特定循环工况下的系统试验，结果表明本文提出的此种优化策略可以有效控制，为类似研究提供参考意义。【关键词】增程式混合动力系统；能量匹配；优化【中图分类号】U469.7【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2020）03-0218-02混合动力汽车作为一种被公认具有对汽车油耗及排放汽车尾气降低效能的新型能源汽车袁增程式混合动力汽车则作为先进技术的混合动力车结构遥以往研究中也针对增程式混合动力汽车袁展开全局优化策略研究遥文献[1]在研究中依照发动机的恒定工作功率及发动机的优化工作曲线袁提出了增程式混合动力汽车的主要控制策略遥本文也将借鉴前人研究成果袁提出对增程式混合动力系统应用及能量匹配的优化策略遥1增程式混合动力系统及主要工作模式对于车辆来讲袁蓄电池作为主要的动力来源袁能够对车辆提供动力性能袁以及电续行驶里程遥车联动力电池系统主要组成包括了发电系统及蓄电池袁发电系统又包括了发动机尧电机袁能够为蓄电池经驱动电机提供辅助功率袁并不断增加行驶里程[2]遥目前匹配增程式混合动力系统袁包括两大方式袁其中一种作为将动力电池的放电时间作摊长处理袁也就是对车辆在具体运行中的动力电池具体放电功率进行合理控制袁以及车辆具体运行过程中袁增程器能够运用VMS大功率需求袁请求电池启动发电袁也能够提供相应所需的动力系统补充功率遥第二种控制模式袁则是通过对动力电池的SOC放电区间进行设定袁一旦达到设定的SOC状态袁即可自启动增程器实现变功率发电袁并直接启动车辆即可进行遥在前者控制模式运用中袁对于小功率电机比较适用袁可以对前舱布置较局促这一问题有效缓解袁但是也存在缺点问题袁就是对于车辆运行过程中袁极易出现由于增程器的频繁启动袁所致燃油损耗加大成本投入袁再加上所受客观客运工况条件影响袁极有可能匹配更高容量动力电池袁这些都会所致车辆运行成本增大遥因此本文以第二种增程式混合动力系统工作模式展开研究遥2混合动力系统参数设计该增程式混合动力系统袁以某一宽体轻客增程式混合动力车辆为例遥该混合动力车辆启动增程器需要两个条件院淤对于车辆加速尧爬坡行进过程中袁此种情况下增程器应当共同与电机联动驱车行驶曰于在蓄电池所剩电量不足袁此种情况下增程器能够为车辆提供额外功率袁从而成功驱车或直接充电遥对于该动力系统运用发动机仅仅可以作为辅助能源袁可以实现高效率区的工作状态恒定袁所以增程式混合动力系统本身油耗量较低且可达较高系统运行效率遥2.1驱动电机及减速箱参数设计需求为了能够满足整车的20%最大爬坡度所需袁根据以下汽车的行驶方程式袁假设dudt为0情况下袁计算可得汽车的轮边驱动扭矩超过2720N窑m遥Ft=Ff+Fi+FwFj渊1冤Ttqigi0浊Tr=Gf+Gi+GD伊A21.15伊u2a+啄m伊dudt渊2冤式中院变速器速比用ig表示曰汽车质量尧重力分别用m尧G表示曰汽车的主减速器速比用i0表示尧滚动阻力系数用F表示尧车轮半径用r表示尧传动效率用浊T表示曰空气阻力系数用GD表示尧迎风面积用A表示尧旋转质量换算系数用啄表示遥渊1冤电机的峰值扭矩根据以上公式求解应当超过2720N窑m袁计算结果所需300N窑m遥渊2冤电机的最高转速需要以满足整车的最高车速峰值120km/h为标准袁以传统系统参数为依据袁根据以下公式求解所得电机的运行转速最高峰值为8185r/min袁在一定裕量予以考虑情况下袁电机能够达到9000r/min转速最高值袁车速计算约为130km/h遥ua=0.377伊rnigi0渊3冤渊3冤电机峰值功率所受整车的运行车速最高值和加速时间影响袁对于整车平直运行车况下的车速最高峰值袁即dudt为0袁根据公式求解可得约为60kW遥对于平整路面的车辆零起步加速度是不断变化的袁对于匹配初期假设初步车辆起步车速始终恒定袁运用能量守恒定理分析整车做功过程袁所得加速过程的具体电机功率所需遥有效做功及功率计算公式如下院EK=F忆伊S=12伊啄m忆u2=12伊啄m忆伊渊ua伊1000/3600冤2渊4冤P忆e=dEKdt渊5冤根据以上公式能够求解整车所需电机驱动功率最高峰值是90kW袁对所需后备功率考虑情况下袁最终确定整车的所需最高电机驱动功率峰值达100kW遥渊4冤与电机特性相结合袁假设功率因子ep=Pt/Pe=0.6情况下袁计算持续电机功率为60kW遥2.2增程式混合动力汽车瞬时优化结果结合以上处于不同整车驱动工况条件下袁构建了差异化工作模式下的系统效率计算方式袁建立基于MATLAB/Simulink整车仿真模型袁瞬时优化增程式混合动力系统的不同车速尧加速度下达到的系统效率袁所得结果遥能够发现经过针对增程式混合动力系统优化后袁很大程度提高了整车运行系统效率袁对于低速运行工况条件下能够明显提高系统效率遥综合论述

燃料电池汽车的动力系统设计与优化

第一章：引言

1.1 背景介绍

随着全球对环境污染和能源危机的关注不断增加，燃料电池汽车作为一种清洁、高效的交通工具逐渐受到广泛关注。燃料电池汽车以燃料电池为主要动力源，通过氢气和氧气的化学反应产生电能驱动电动机工作，不产生污染物，只产生水，因而具有很高的环保性。

1.2 研究目的和意义

本章将对燃料电池汽车的动力系统设计与优化进行探讨，旨在提高燃料电池汽车的整体性能和经济性，从而推动其在交通领域的更广泛应用。

第二章：燃料电池汽车动力系统的组成

2.1 燃料电池

2.1.1 燃料电池的种类

2.1.2 燃料电池的工作原理

2.2 氢气储存与供应系统

2.2.1 氢气的储存方式 2.2.2 氢气的供应方式

2.3 氧气供应系统

2.3.1 氧气的获取与供应

2.3.2 氧气的纯化与压缩

2.4 控制系统

2.4.1 动力系统控制策略

2.4.2 电力管理系统设计

2.4.3 电动机控制策略

第三章：燃料电池汽车动力系统设计

3.1 性能要求分析

3.1.1 动力性能需求

3.1.2 续航里程要求

3.1.3 加速性能要求

3.2 系统整体结构设计

3.2.1 系统框架设计

3.2.2 燃料电池尺寸和安装方式设计

3.2.3 氢气储存系统设计 3.3 动力系统参数选择与匹配

3.3.1 燃料电池功率输出选择

3.3.2 电池堆数量与尺寸匹配

3.3.3 电动机参数选择与匹配

第四章：燃料电池汽车动力系统优化

4.1 效率优化

4.1.1 燃料电池效率提升

4.1.2 电力系统效率提升

4.2 控制策略优化

4.2.1 能量管理策略优化

4.2.2 动力分配策略优化

4.2.3 制动能量回收策略优化

4.3 结构优化

4.3.1 减轻整车重量优化

4.3.2 提高系统紧凑性优化

4.3.3 优化氢气储存与供应系统

第五章：实例分析与应用 5.1 燃料电池汽车动力系统设计案例