燃料电池汽车多能源系统优化设计和控制

上海交通大学硕士学位论文燃料电池汽车多能源系统优化设计和控制姓名：郭晋晟申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：杨林20081201第2页共93页上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。√（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：郭晋晟指导教师签名：杨林日期：2009年2月19日日期：2009年2月19日第3页共93页上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：郭晋晟日期：2009年2月19日上海交通大学硕士学位论文摘要第2页共93页摘要随着石油资源的日益短缺以及排放污染的渐趋严重，以燃料电池汽车为代表的电动汽车正受到愈来愈广泛的关注。本文根据国家973计划课题的相关研究内容，制定具有多能源混合系统的燃料电池汽车方案，建立模拟试验车并将以此为平台开展车载储能体系，多能源系统集成技术的试验研究。依据燃料电池汽车的基本参数和国家863课题中关于电动汽车性能的设计要求，综合车辆加速性能、爬坡性能以及典型循环工况，通过动力学仿真平台的建立来获得相应的功率需求、能量需求以及动力性、经济性指标，并以此为基础设计完成了驱动电机、燃料电池发动机、动力蓄电池和超级电容的参数匹配，实现汽车性能的昀优化，为实际系统参数的确定提供主要根据。针对多能源系统的特性提出相应的整车控制策略和能量分配策略，在以提高多能源系统的综合效率，尤其是燃料电池发动机的工作效率为重点目标的基础上建立了一套适用于多能源系统的控制算法，并采用“V循环模式”完成主程序的设计与开发，初步形成了具有自主知识产权的集成控制系统，从而为试验车集成系统的通讯配置，协调运作以及优化控制奠定了基础。上海交通大学硕士学位论文摘要第3页共93页关键词：燃料电池汽车，多能源系统，优化设计，控制策略，能量分配上海交通大学硕士学位论文ABSTRACT第4页共93页ABSTRACTTheshortageofpetroleumresourcealongwiththeincreaseoffuelpollutionmakestheelectricvehicle,especiallythefuelcellvehicledrawmoreandmoreattentions.Inthispaper,alayoutoffuelcellvehiclewithmultipleenergyresourcesisestablishedaccordingtotheresearchrequirementsofnationalproject973.Uponthelayout,vehiclefortestingusewillalsobebuiltasanimportanceexperimentplatformfortheresearchesoftheenergystoragesystemforvehicleandtheintegratedtechnologiesformultipleenergyresources.Uponthebaseparametersoffuelcellvehicleandthedesigndemandsofelectricvehiclementionedbynationalproject863,alongwiththeaccelerationperformance,climbperformanceandtypicaldrivecycles,therelatedvehiclepowerdemands,energydemands,dynamicalperformancesandeconomicperformancesareobtainedthroughtheconstructionofmathmodelsfordynamicsimulation.Moreover,thematchingcalculationofmotor,fuelcell,batteryandultracapacitorarecompletedbasedonthesimulationplatformforthepurposeofrealizingvehicularperformanceoptimizationandofferingmainbasisfortheselectionofdynamic上海交通大学硕士学位论文ABSTRACT第5页共93页components.Relatedvehiclecontrolstrategyandenergymanagementstrategyareputforwarduponthecharacteristicofdynamicsystemwithmultipleenergyresources.Withtheaimofenhancingsystemefficiency,especiallytheoperatingefficiencyoffuelcell,thecontrolarithmeticsuitableformultipleenergyresourcesisestablishedand‘Vcirclemode’isintroducedtothemainprogramdeveloping.Theintegratedcontrolsystemwithindependentknowledgepropertyrightlaysthefoundationforthecommunication,harmonizationandoptimizationofintegrateddynamicsystem.KEYWORDS：Fuelcellelectricvehicle,Systemwithmultipleenergyresources,Optimizationdesign,Controlstrategy,Energymanagement上海交通大学硕士学位论文第一章概述第8页共93页第一章概述1.1引言从1885年世界第一辆内燃机汽车诞生以来，燃油汽车推动着人类一百多年汽车文明的发展，但汽车在为人类带来巨大利益的同时也产生了不可忽视的负面影响，建立在石油基础之上世界汽车工业所排放的废气和颗粒严重危害着人类的健康。在20世纪40年代初，世界一些地区相继发生的由于汽车排放双烯类物质导致的光化学烟雾令人不堪回首，汽车所排放的苯类致癌物质也使人至今心存忧虑。而在20世纪70年代发生的能源危机又引发了世界各国对燃油汽车前途的深深担忧。今天全人类正共同面临着更加严峻的能源危机与地球环境容量的制约。据美国《油气杂志》的评估，截至2008年1月，全球石油估算探明储量约为1734亿吨，按照如今世界石油的需求状况，石油仅够用35~45年时间，事实上近几年来国际原油价格的迅速上升已经在很大程度上影响了世界经济的发展，也向世界汽车工业的发展提出了新的挑战。基于地球石油资源的有限性以及人类社会的可持续发展，世界各国加快了研发新型能源清洁汽车的步伐并力争逐步使其实现产业化。发展电动汽车，有利于实现交通能源结构的多元化，减轻石油资源短缺和燃油汽车排放污染所带来的负面影响，并促进我国汽车工业实现跨越式发展[21]。电动汽车被认为是绿色交通工具，以氢能发电为动力源的燃料电池汽车[36]具有零排放，高能量转换效率，低噪声的特点，而氢气作为洁净的二次能源更是可以从多种能源获得。电动汽车项目已被列为“十五”计划期间我国十二个重大科技专项之一，其中燃料电池汽车的开发成为重中之重。电动汽车是汽车、能源、材料、制造、电机、信息与控制等多学科技术集成应用的高科技产物。电动汽车的产业化不仅是高新技术产业化的典范，更是用高新技术改造传统产业，用信息化带动工业化的突破口。汽车工业由传统汽车向电动汽车的过渡必将极大推动汽车工业的技术改造，促进传统汽车产业的信息化和现代化。汽车工业具有很强的联动性，而电动汽车对经济的带动作用比传统汽车还要大2~3倍。电动汽车本身就是高度信息化的产品，其产业化过程也将刺激和推动包括信息产业在内的诸多高新技术产业的发展，所以说，电动汽车引领着未来的汽车工业。上海交通大学硕士学位论文第一章概述第9页共93页1.2课题来源研究课题来源于国家973计划课题“车载储能系统管理及环境适应性基础研究”中的电动汽车用低成本、高密度蓄电（氢）体系基础科学问题研究，并重点围绕以燃料电池汽车为代表的电动汽车中“车载储能体系多能源集成与动态管理规律”的科学问题开展。为此，需要制定燃料电池汽车多能源混合系统方案，建立模拟试验基础车并以此为平台进行车载储能体系，多能源系统集成技术的试验研究，发展车载混合蓄电系统的新思路和新结构。1.3发展现状燃料电池汽车的研发在世界范围内受到越来越广泛的关注，美国、欧洲和日本的著名汽车公司纷纷投入巨资进行燃料电池汽车的研发，各国政府也在法规和政策方面给予极大的支持。美国是燃料电池研制昀早的国家之一，福特于2005年开发了Focus燃料电池汽车，作为业内第一批混合动力燃料电池车，其将混合动力技术改善行驶里程及动力性的优点与燃料电池的综合效益相结合。通用公司则在欧宝Zafera的基础上开发了Hydrogen3，由200块相互串联的燃料电池单体所组成的电池组产生电力并通过68L的氢气储存罐向燃料电池堆提供氢气，其0~100km加速时间约为16s，昀大时速达160km/h，续驶里程约400km。美国视燃料电池是氢经济的起步，政府每年在燃料电池上的研发支出高达10亿美元，随着2002年“自由汽车”计划的出台以及2003年“清洁天空”法案的提交，美国将在未来10年内投入30亿美元用于开发氢燃料技术，预计在2010年燃料电池车在汽车市场上的比重可达到25%，并希望于2020年将氢燃料电池车推广使用。在欧洲，欧盟委员会所倡导的清洁城市运输项目涉及8个国家10个城市，将在阿姆斯特丹、巴塞罗那、汉堡、斯图加特、伦敦、卢森堡、马德里、斯德哥尔摩、波尔图及雷克雅未克进行，所使用的示范车由戴姆勒.奔驰公司的低地板公共汽车改装，该车长12m，设计为70座,自重14t，满载可达18t，采用两个燃料电池堆，每个电池堆由960块燃料电池单体组成，功率为250W，电压720V，燃料电池发动机比重为170W/kg，由9个置于车顶上的铝胆玻璃纤维缠绕的压缩氢气瓶供氢，可存储约44kg（1900L）纯氢气，昀高车速80km/h，续驶里程为300km，欧盟将给予该项目1850万欧元的财政补助。为了推广氢燃料汽车，欧盟能源和交通部还准备资上海交通大学硕士学位论文第一章概述第10页共93页助3760万欧元开展各种示范活动，其中的HyChain-Minitrans项目于2006年1月在比利时的布鲁塞尔启动，该项目为期5年，分两个阶段实施：2006-2007年重点制造汽车和开展基础设施建设；2008-2010年，共计150辆氢燃料汽车可在法国、意大利、西班牙和德国的四个地区进行全天候的行驶。日本自2003年起对燃料电池汽车实施免税制度以鼓励其发展，2004年的必比登挑战赛上其首次在中国展示的燃料电池汽车X-Trail现在正采用租赁的方式进行市场试验。2005年2月，日产公司宣布研制成功全新的可作为燃料电池汽车动力装置的燃料电池组，新开发的电池组比现有供应商提供的电池组体积更小，动力更充沛，仅以60%的体积就能提供相同的功率；同时也宣布研制成功了新的高压氢气存储系统，使汽