燃料电池驱动系统能量管理策略实验评估

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1、燃料电池驱动系统能量管理策略评估摘要装配电化学电池的电动汽车的局限性证明了，对基于氢燃料电池技术新型解决方案强烈的研究兴趣能够增加电动汽车的续航里程并减少电池充电吋间，同吋保持重要的高效率和零局部排放的优点。-•套燃料电池驱动系统在最优效率和性能方面的最好的工作状态是以特定的能量管理策略为基础的，这个能量管理策略被设计用來在车辆行驶中调节燃料电池、电了能量储存系统和电动驱动系统Z间的功率流量。本文基于一个2.5kW的质子交换膜燃料电池堆和一个2.5kW的驱动屯机的小型电动驱动系统展开研究。燃料电池系统被集

2、成为包括一个DC-DC转换器、一个铅酸电池包和一个无刷电机的动力系统。实验在一个能够模拟车俩运行状况和特定行驶循环下道路特性的试验台上进行。实验在欧7?40行驶循环下进行，使用不同的能力管理程序评估动态性能和能量消耗。关键词：质子交换膜；燃料电池；动力系统；电动汽车；能量管理；行驶周期1引言众所周知，当前世界能源市场主要基于石油（约65%）,并明显受到污染和海湾政治问题的影响。另一方面，发展小国家的对于生活条件赶上发达国家的合理渴望和世界人口持续增长是能源需求增加和与此和关联的温室气体排放增加的主要原因。

3、为了面对这一挑战，人们采取了两种主耍手段，即提高能量转换效率和减少碳氢化合物的使用。为了达到这一目的，一种可代替的能源载体（例如氢气）的使用承担起了包括运输部门在内的所冇领域能源利用的基本角色。尽管传统发动机技术的提高已经部分地缓解了上述问题，并且进一步的改进能够提供附加的发展（如汕电混合动力电动汽车），燃料电池汽车（FCW）似乎是一种有前途的使用氢气作为能源的运输方式。事实上，将能够克服装配传统能量储存系统（驱动范围、电池重量和充电吋间）的电动汽车的典型局限,而且能够成为一种高效率无污染的最主要的汽车技

4、术〔刊。质了交换膜燃料电池是应用在汽车中最可能的候选者，因为其高功率密度和低的运行温度（60・90°C）,I大I此如果燃料为纯净的氢则会具有的快速启动、动态表现好和服务可靠等优点〔5氢氧化电化学反应的仅有产物是水，而且典型的堆积效率大于55%O由于它们耐二氧化碳而11可以用空气作为氧化剂，质子交换膜燃料电池低温表现优于其他类型的燃料电池，比如碱性电解液（AFC）.质子交换膜燃料屯池的运行需要一些辅助部件，具体来说就是用于供应氧化剂的空气压缩机，用于加湿膜的热和水管理系统电池堆温度控制系统。这些辅助部件，例

5、如空气压缩机，所需要的能量是很有效的，从而限制燃料电池系统的总效率⑺。燃料电池电动汽车的发展需要包括燃料电池系统和具备适当能量管理系统的电了能量储存装置的车载集成，然后，为了评估这些驱动系统在性能和效率方面的预期，储存和车载发电系统Z间的不同混合程度必须在真实行驶条件下有效。本文从安装于试验台架上的燃料电池驱动系统获得的实验结果。利用一个2.5^0的质子交换膜燃料电池堆，一个最大功率2.5kW的电机和一个铅酸电池包作为储能系统。廿的是研究欧人40行驶条件下燃料屯池系统的动态表现，获得动力驱动系统上不同能量

6、管理策略的效果的信息。2实验室内试验活动在一个完整的动力驱动系统上展开，此动力系统包括一个燃料电池系统，一个DC-DC转换器，一个电子能量储存系统，一个驱动电机和数据采集系统。这个驱动系统耦合的有一个电子制动器，从而通过人为设计的控制软件产生不同行驶循环。早先的论文屮已经记录和讨论过上述部件的工艺特点，除了驱动电机，这里由于实验需要而改变了其比功率。所有部件的主要数据总结于表1,整体原理图由图1给岀。表1全部驱动系统的工艺规格质子交换膜燃料电池系统电力输出经过DC-DC转换器后最人2kW动态最人变化率50

7、0必"M纯度99.999%的H2燃料电池系统入口气压：500kPa燃料电池系统入口气流：至少3Nm讣'氮纯度99.999%的N2燃料电池系统入口气压：500kPa燃料电池系统入口气流：至少1W/?1最大电池堆温度（K）<343通信以太网/7T77P单电池最人充电电流（V）空气压缩机水泵（冷却和加湿）侧面通道，24/直流电机，最大压力16kPa循环泵，247有流电机，20kPa,驱动电机类型无刷最大功率（kW）2.5额定电流CA）32最人电流（A）100母线电压（7）48电机电压（/）35极数4额定转速（r

8、pm）3000最大转速（如）6000DC-DC转换器电力制动最大入口电压（7）34最小入口电压（/）19额定入口电压（7）24额定输出电压（？）48±1%额定功率（kW）2.8额定效率（%）86牵引电池（铅酸）电压（7）1238容量（屈）图1燃料电池动力总成原理图由PROTONMOTOR燃料电池股份冇限公司实现的燃料电池系统基于一个2.5k"的以纯净的压缩氢为燃料的质子交换膜燃料电池堆。该燃料电池堆工作于低压（25・4（）"°