燃料电池混合动力系统动态耦合特性分析与建模研究.pdf

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1、高技术通讯2014年第24卷第3期：305～315doi：10．3772／j．issn．1002-0470．2014．03．013燃料电池混合动力系统动态耦合特性分析与建模研究①赵玉兰②负海涛③郝魁刘尊年(青岛理工大学汽车与交通学院青岛266033)摘要详细阐述了燃料电池混合动力汽车(FCHV)混合动力系统的动态耦合特性分析与建模的过程。首先，基于理论分析，结合主要部件台架试验及原型车转鼓试验的相关试验数据，建立了主要部件的动态仿真模型；然后，基于部件模型构建了燃料电池混合动力系统的整体动态耦合特性模型；最

2、后，以典型循环工况作为模型输入进行动态仿真。仿真数据与原型车转鼓试验数据的对比分析表明，所建立的燃料电池混合动力系统动态耦合特性模型具有很好的动态仿真效果，能够满足控制系统设计过程中的动态仿真需要，为后续开展基于模型的燃料电池混合动力汽车控制系统设计研究提供了必要基础。关键词燃料电池汽车，混合动力，动态模型，仿真近年来，国内外一些学术研究机构在新能源汽0引言车的仿真建模领域进行了积极的研究工作，开发了很多相关的仿真工具和软件。这些仿真模型和仿真近十年来，国内外对新能源汽车的研究热潮逐工具主要是采用一些面向对

3、象的图形化的系统仿真渐增强，这其中包括混合动力汽车(hybridelectric软件开发，譬如MatrixX、EASY5、Matlab／Simulink等vehicles，HEVs)、纯电动汽车(electricvehicles，EVs)图形化开发环境，尤其以基于Matlab／simulink开发以及燃料电池汽车(fuelcellvehicles，FCVs)。质子环境的研究和应用最为广泛，譬如美国国家可再生交换膜燃料电池以可产自再生能源的氢气作为燃能源实验室(NREL)开发的ADVISOR，意大利比料，被认

4、为是未来车载动力源的优选方案之一。萨大学和意大利国家能源与环境局联合开发的Hy—由于燃料电池本身所具有的特性，作为车载动Sim，法国国家交通与安全研究院开发的VEH—力源时存在一些问题，比如响应速度慢、冷启动困LIB_4等。其中最具代表性的是由美国国家可再生难、制动能量不能被回收等。因此，动力蓄电池作为能源实验室推出的ADVISOR。上述这些仿真软件辅助动力源被普遍应用在燃料电池汽车动力系统的仿真对象主要是针对混合动力汽车和纯电动汽中，作为燃料电池混合动力汽车(fuelcellhybridpow—车，只有A

5、DVISOR能够进行燃料电池汽车的仿真，ervehicle，FCHV)的动力系统。目前，世界各大汽车但其仿真的目的主要是动力系统参数匹配验证。贺公司都已开发了自己的燃料电池样车，如通用的建军等人在燃料电池动态建模方面开展了卓有成效“Sequel”、丰田的“FCHV”、大众的“Hypower”等，国的研究工作，采用理论分析结合试验的建模方法建内的上汽、东风汽车等近年来也积极开展燃料电池立了燃料电池动态模型，并利用所建立的模型研究样车开发工作⋯。然而，由于样车研发的目的主要了燃料电池发动机的控制问题，取得了较高

6、的仿真是技术验证和示范，并非为推向市场的产品，因此在精度。到目前为止，很少有文献详细介绍燃料电传统内燃机汽车设计领域普遍采用的基于模型的控池混合动力系统动态特性建模的过程。此外，基于制系统设计方法还很少被应用于燃料电池汽车的研模型的系统开发流程在燃料电池汽车控制系统设计究过程中。中还未得到应用。本论文针对所研究的燃料电池原①国家自然科学~(51205215)和中国博士后科学基金(2013M540488)资助项目。②女，1974年生，硕士，讲师；研究方向：新能源汽车动力控制技术，车辆电子控制技术；E-mail

7、：lan0531@126．com③通讯作者，E-mail：yunht@163．corn(收稿日期：2013-10-22)-——305-—-——高技术通讯2014年3月第24卷第3期果建模的目的是动力系统的上层控制设计，那么忽于燃料电池发动机在相对低的压力变化幅度内略这些状态变量是合理的。燃料电池堆的另外一个(±2bar)工作，并进行闭环稳压调节，因此堆电压在动态变量是堆温度，而堆温度与堆湿度通常一起进阴极(空气)或阳极(氢气)的压力变化范围内没有行考虑并加以控制，同样，从动力系统上层控制的角显∞著的∞差异加

8、。另狮外，由O于堆的温度和湿度在燃料电度考虑，在进行动态仿真建模和分析过程中，假定堆池堆的控制系统中已经被冷却系统稳定闭环调节，温度和堆湿度在燃料电池堆的控制系统中已经被冷综上，可以采用下面的函数关系式近似表示燃料电却系统稳定控制，这样就可以忽略堆温度和堆湿度池堆的输入输出特性：对燃料电池输出的影响。在上述前提下，可以建立：，，，PH，，P一)，(，)(1)适度简化的燃料电池动态仿真模型。式中，为堆电压，，为堆电