第二章 質(zhì)子交換膜燃料電池 1論文分類號(hào): 單 位 代 碼:10183 密 級(jí):內(nèi)部 研究生學(xué)號(hào):2201202 吉 林 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 燃料電池混合動(dòng)力汽車參數(shù)匹配與控制策略研究 on 者姓名：劉志茹 專 業(yè)：車輛工程 導(dǎo)師姓名 及 職 稱：王慶年 教授 論文起止年月：2002年3月至2003年 3月 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 內(nèi) 容 提 要 初步研究表明，采用燃料電池系統(tǒng)并聯(lián)蓄電池這種電電混合動(dòng)力方式是降低成本，克服燃料電池汽車不能回收制動(dòng)能量的有效途徑?；诖?，作為初步探索，本論文的重點(diǎn)內(nèi)容如下：系統(tǒng)地提出動(dòng)力總成的元件選型及參數(shù)匹配的方法，以紅旗轎車為基本車型，完成燃料電池混合動(dòng)力汽車的參數(shù)匹配，并以析與燃料電池汽車相比，燃料電池混合動(dòng)力汽車在提高性能、降低成本方面所具有的優(yōu)勢(shì)。以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和整車動(dòng)力性能為目標(biāo)，分析研究質(zhì)子交換膜燃料電池電出整車起動(dòng)策略和更完善的制動(dòng)力分配控制算法；根據(jù)工作模式完成了燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組間功率分配的算法。針對(duì)汽車中多個(gè)控制器間的數(shù)據(jù)信息傳輸方式的高要求，設(shè)計(jì)基于文為建立控制系統(tǒng)的離線仿真模型、控制軟件的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 第二章 質(zhì)子交換膜燃料電池 3目 錄 內(nèi)容提要 目 錄 第一章 緒論.料電池汽車的概述.料電池汽車開(kāi)發(fā)的背景及意義.料電池汽車的技術(shù)發(fā)展、現(xiàn)狀.文主要研究?jī)?nèi)容.二章 質(zhì)子交換膜燃料電池.子交換膜燃料電池的發(fā)展簡(jiǎn)史.子交換膜燃料電池的工作原理、組成.工作原理. 組成.子交換膜燃料電池的性能及效率.性能及其影響因素.效率.子交換膜燃料電池的燃料.氫.甲醇和汽油.結(jié).三章 燃料電池混合動(dòng)力汽車參數(shù)匹配與性能仿真.型及基本參數(shù).仿真軟件.仿真模型.林大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 .電機(jī).燃料電池系統(tǒng).蓄電池.燃油經(jīng)濟(jì)性的分析.動(dòng)力性分析.態(tài)響應(yīng)問(wèn)題.啟動(dòng)問(wèn)題. 瞬態(tài)響應(yīng)問(wèn)題.結(jié).四章 燃料電池混合動(dòng)力汽車控制策略研究及控制器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)49 .開(kāi)關(guān)模式.功率跟隨模式.整車控制策略研究的內(nèi)容.制策略研究.電.燃料電池系統(tǒng)工作范圍確定.蓄電池組.踏板信號(hào)與轉(zhuǎn)矩輸出指令.汽車起動(dòng)控制策略.燃料電池系統(tǒng)與蓄電池組的功率分配.控制電流的確定.制器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)(.結(jié).五章總結(jié).定義書(shū)簽。 參考文獻(xiàn).二章 質(zhì)子交換膜燃料電池 5致謝.要.創(chuàng)性聲明.林大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 第一章 緒論 料電池汽車的概述 燃料電池汽車（是20世紀(jì)70年代產(chǎn)生而最近10年興起開(kāi)發(fā)的一種高效、清潔的車型。 燃料電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，而且當(dāng)以氫為燃料時(shí)產(chǎn)物只有水。燃料電池的特點(diǎn)是高效率、低污染，燃料具有通用性，來(lái)源并不僅局限于化石燃料。在六種燃料電池中，最適合作為汽車動(dòng)力源的燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池（與其它燃料電池相比起動(dòng)快、工作溫度低，具有更高的功率密度1以燃料電池為動(dòng)力源的汽車稱為燃料電池汽車。廣義的燃料電池汽車包括兩種料電池混合動(dòng)力汽車25燃料電池汽車的配置只以燃料電池系統(tǒng)為動(dòng)力源，像電動(dòng)車中的蓄電池組，燃料電池向車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電。用燃料電池系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源使得燃料電池汽車具有電動(dòng)車的優(yōu)點(diǎn)：即傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車所不能達(dá)到的高效率和零排放性能，基本的能量消耗可以節(jié)省60%， 25，其它有毒物質(zhì)的排放也大幅度的減少。而且能夠快速添加燃料，有長(zhǎng)的續(xù)駛里程。 燃料電池混合動(dòng)力汽車蓄電池組與燃料電池系統(tǒng)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，類似于內(nèi)燃機(jī)串聯(lián)混合動(dòng)力汽車，是電種運(yùn)行方式充分利用了燃料電池系統(tǒng)的高能量密度和蓄電池組的高功率密度，車輛在不同的行駛工況下燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組構(gòu)成的混合動(dòng)力系統(tǒng)工作在不同的模式下。這種車型不但具有上述純?nèi)剂想姵仄嚨膬?yōu)點(diǎn)，還能夠克服純?nèi)剂想姵仄嚹壳盁o(wú)法解決的弊端：成本過(guò)高，不能回收再生制動(dòng)能量，起動(dòng)困難及瞬態(tài)響應(yīng)性差等。 目前世界各國(guó)政府以及各大汽車公司紛紛投入巨資進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池混合動(dòng)力汽車的研究與開(kāi)發(fā)。 第二章 質(zhì)子交換膜燃料電池 料電池汽車開(kāi)發(fā)的背景及意義 治理汽車尾氣排放，改善人類生存環(huán)境，發(fā)展“清潔汽車”，遏止大氣狀況惡化成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的首要難題。研究表明，造成大氣污染的氣體主要有非烷有機(jī)物、氮氧化合物和一氧化碳。據(jù)統(tǒng)計(jì) ，在美國(guó)有43%的非甲烷有機(jī)物、57%的氮氧化合物和82%的一氧化碳都是通過(guò)汽車排放產(chǎn)生的，而全世界20%的一氧化碳排放量來(lái)源于汽車廢氣。在過(guò)去的100年中，氮氧化合物在空氣中的含量上升了15%。另外，汽車尾氣也是產(chǎn)生酸雨、光化學(xué)煙霧等致使環(huán)境惡化的重要因素。近年來(lái)，溫室效應(yīng)問(wèn)題受到全世界的廣泛關(guān)注。在人為因素產(chǎn)生的溫室氣體中（主要是二氧化碳）有25%是由交通運(yùn)輸業(yè)帶來(lái)的，每加侖汽油從生產(chǎn)、銷售到用于驅(qū)動(dòng)汽車大約要產(chǎn)生25磅二氧化碳。據(jù)統(tǒng)計(jì) ，自從1765年以來(lái)，二氧化碳在大氣中的含量已經(jīng)從280100能源是人類賴以生存的五大要素之一，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展重要戰(zhàn)略物資。我國(guó)人口眾多，人均能源資源占有量不到世界平均水平的1/2，石油僅為1/10。據(jù)預(yù)測(cè) ，中國(guó)未來(lái)能源供需缺口將越來(lái)越大。石油進(jìn)口依存度（凈進(jìn)口與消費(fèi)量之比）升為2000年的20%，預(yù)計(jì)2010年將上升為23%。在新的世界石油危機(jī)面前，我國(guó)能源供應(yīng)的安全性必將受到威脅。根據(jù)國(guó)際上通行的能源預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，石油將在40年內(nèi)枯竭，天然氣將在60年內(nèi)用光，煤炭也只能用到2220年。尋找新型能源和可替代能源已成為人社會(huì)發(fā)展的必經(jīng)之路。 近幾十年來(lái)，世界各國(guó)政府和學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界一直致力于研究開(kāi)發(fā)和推廣使用各種低排放或零排放汽車，以解決空氣污染問(wèn)題。與60年代的汽車相比，如今燃油汽車的非甲烷有機(jī)物和一氧化碳的排放量減少了76%。盡管取得了如此大的進(jìn)步，但由于汽車總量和行駛里程的不斷增加，汽車仍是造成大氣污染的主要污染源。為了徹底解決汽車廢氣排放問(wèn)題，美國(guó)加利福尼亞大氣資源委員會(huì)（1990年10月提出了全美也是全世界第一個(gè)限制汽車廢氣排放的法案。該法案規(guī)定：到1998年，凡在加利福尼亞銷售汽車的汽車制造商，其零排放車至少要占到總數(shù)的2%，到2003年零排放車至少占10%。1993年9月，聯(lián)邦政府和美國(guó)汽車聯(lián)合會(huì)（包括克萊斯勒、福特、通用）進(jìn)行了歷史性的合作，提出吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 了新一代汽車合作計(jì)劃（目標(biāo)是在10年把燃油經(jīng)濟(jì)性提高3倍而維持價(jià)格不變。在美國(guó)的影響下，世界各主要汽車生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)紛紛制定了類似的政策法規(guī)，并投入巨資開(kāi)始研究新型零排放汽車。 電動(dòng)汽車是當(dāng)前能滿足“零排放”要求的首選方案。電動(dòng)汽車運(yùn)行中沒(méi)有排放污染，如果發(fā)電廠以核能、水力、太陽(yáng)能、風(fēng)能或天然氣為能源發(fā)電，對(duì)大氣的污染會(huì)很小，而遠(yuǎn)離城市的火力發(fā)電廠對(duì)人們生存環(huán)境的影響可以控制。在市區(qū)內(nèi)行駛，電動(dòng)汽車的能量效率比普通汽油機(jī)汽車高40%左右。電動(dòng)汽車可以利用夜間用電低谷的富余電能充電，這可以平衡電網(wǎng)的負(fù)載，提高電網(wǎng)能量的利用率。除此之外，電動(dòng)汽車還具有低噪聲、低熱輻射、易操縱和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。然而電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)電池技術(shù)是其不可逾越的障礙：電池的能量密較低，電動(dòng)汽車一次充電的續(xù)駛里程和動(dòng)力無(wú)法達(dá)到當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)汽車水平；此外，電動(dòng)汽車空調(diào)和暖風(fēng)的選用必須充分考慮其能量消耗對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響，乘員的舒適性受到限制；充電時(shí)間太長(zhǎng)（48h），循環(huán)壽命有限，且配套設(shè)施費(fèi)用昂貴。因此，常規(guī)電池電動(dòng)車在可見(jiàn)的將來(lái)替代內(nèi)燃機(jī)汽車的可能性微乎其微，只能扮演輔助能源和有限范圍內(nèi)運(yùn)輸工具的角色。 在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車的致命的缺點(diǎn)不能從根本上解決，而電動(dòng)汽車由于技術(shù)問(wèn)題在目前難以推廣的情況下，人們提出了混合動(dòng)力汽車這一概念。它采用內(nèi)燃機(jī)和蓄電池作為混合動(dòng)力源，實(shí)踐證明，混合動(dòng)力汽車能大幅度提高燃油經(jīng)濟(jì)性（3040%），降低排放（5060%）53，而且彌補(bǔ)了電動(dòng)車輛續(xù)駛里程短的不足。雖然有上述優(yōu)點(diǎn)，但混合動(dòng)力汽車終究是一種過(guò)渡產(chǎn)品，因?yàn)樗荒軓氐椎慕鉀Q污染問(wèn)題。 至今各國(guó)政府和專家及大企業(yè)集團(tuán)均看好的是燃料電池汽車。 對(duì)于汽車而言，燃料電池的效率（從燃料到車輪）可達(dá)到30%40%，熱機(jī)的這一效率只有16%18%1。這是因?yàn)槿剂想姵厥且粋€(gè)電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，不受卡諾循環(huán)效率的限制，主要產(chǎn)生電能，并把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成水，而內(nèi)燃機(jī)則主要產(chǎn)生熱能，只有一少部分變成有用的機(jī)械功，而且燃燒尾氣成分復(fù)雜，包括未反應(yīng)的有機(jī)物、燃料電池汽車對(duì)環(huán)境的意義是明顯的，因?yàn)槿剂想姵貛缀鯖](méi)有排放量也很低。單就非管制性排放物料電池的高效表明，同樣使用化石燃料取得第二章 質(zhì)子交換膜燃料電池 9單位有用功所排放的料電池系統(tǒng)比熱機(jī)系統(tǒng)要低。如使用水電、核電、風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電，則不存在用再生生物質(zhì)發(fā)電，能夠不增加英國(guó)能源政策研究中心進(jìn)行了一項(xiàng)研究，比較燃料電池汽車與現(xiàn)代汽車的能源消耗及污染物排放情況，其結(jié)果見(jiàn)表1。 表1同動(dòng)力汽車的污染物排放及能耗比較 動(dòng) 力 內(nèi)燃機(jī) 柴油機(jī) 燃料電池 燃料電池 燃料 ggO/ gggggkJ09 160 柴油 54 360 甲醇 30 630 天然氣 3 690 表1料電池的甲烷碳?xì)浠衔铮⒘Ｎ铮┑呐欧疟绕胀ㄆ囆?2個(gè)數(shù)量級(jí)。天然氣燃料電池汽車，沒(méi)有醇燃料電池汽車和天然氣燃料電池汽車的40%，甲烷的排放增加了約一半，但基值較低，烷也是一種溫室氣體，但由于60%，對(duì)降低溫室效應(yīng)作用還是顯著的。需要指出的是表中燃料電池汽車的O、預(yù)示著隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，以及與之相適應(yīng)的燃料供應(yīng)商的完善，燃料電池汽車的環(huán)境效益會(huì)更加顯著。 燃料電池汽車所用的燃料具有通用性，燃料電池適用于幾乎所有的燃料，即便將來(lái)有一天化石燃料用盡，也不威脅它的生存，因?yàn)榭梢圆捎蒙镔|(zhì)和廢棄物質(zhì)制氫?？稍偕纳飳⑹俏磥?lái)能源工業(yè)的一個(gè)重要原料，一些西方國(guó)家已經(jīng)進(jìn)行了嘗試，如瑞典、英國(guó)、美國(guó)。燃料電池汽車具有包容性，除不用內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)的傳動(dòng)部件外，現(xiàn)有汽車所有的部件和技術(shù)吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 都可直接用在燃料電池電動(dòng)汽車上，因而易為市場(chǎng)所接受。 目前阻礙燃料電池汽車走向市場(chǎng)的主要原因有成本太高，用戶無(wú)法接受；當(dāng)以氫作燃料時(shí)，建設(shè)加氫設(shè)施費(fèi)用昂貴，且存在重大的不安全隱患；當(dāng)采用車載制氫方案時(shí)，不僅系統(tǒng)復(fù)雜，難于布置，且使整車成本進(jìn)一步提高22 盡管如此，20世紀(jì)末國(guó)際上仍舊掀起了一個(gè)燃料電池汽車開(kāi)發(fā)的熱潮。 料電池汽車的技術(shù)發(fā)展、現(xiàn)狀 目前，世界各國(guó)政府以及各大汽車公司紛紛投巨資進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池汽車的研究與開(kāi)發(fā)。其中影響最大的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目有兩個(gè)：一個(gè)是由美國(guó)個(gè)是以加拿大奔馳、福特等公司支持的乎與此同時(shí)，豐田汽車公司宣布投資8億美元開(kāi)發(fā)非石油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，即氫燃料電池汽車2。除此之外，M、1993年色汽車”（后，其它汽車公司的性能越來(lái)越高。 色汽車”，該車的功率為1530m/高時(shí)速達(dá)60m/h，一次充氫行駛里程為96。 的基礎(chǔ)上研制的面以。 福特推出的前輪驅(qū)動(dòng)，整車質(zhì)量為1518機(jī)為56料電池系統(tǒng)的總功率為7525以壓縮氫氣為燃料。h，第二章 質(zhì)子交換膜燃料電池 11030km/60km/用前輪驅(qū)動(dòng)。它的設(shè)計(jì)基于輛總質(zhì)量為1750同類內(nèi)燃機(jī)汽車約重300機(jī)可提供55臺(tái)35次加注的燃料可供h。若電動(dòng)機(jī)允許，最高時(shí)速可達(dá)145km/h。 實(shí)驗(yàn)證明，相似類型的內(nèi)燃機(jī)汽車，如0行駛100 160(b) 化為電能，廢熱排出。質(zhì)子交換膜燃料電池的輔助系統(tǒng)（空氣增壓、冷卻泵與通風(fēng)等）電推進(jìn)系統(tǒng)的逆變器，因此，傳送到車輪被用于車輛的推進(jìn)。這一效率高于同類以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車。同類以汽油為燃料的汽車總效率為16%18%。 表1油車加速性能對(duì)比。 表1油車加速性能對(duì)比 55料電池)（樣車） 60油) （商業(yè)化） 44(商業(yè)化) 加速030km/h 速0100km/h 速0100km/h 述內(nèi)容表明純?nèi)剂想姵鼗旌蟿?dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性明顯高于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，當(dāng)以直接氫為燃料是排放為零，低功率動(dòng)態(tài)特性可與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車相比，但0100km/且選的7500臺(tái)的生產(chǎn)量計(jì)算也難以接受（見(jiàn)第三章中的成本分析）。 車 型 加 速 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 正是由于目前純?nèi)剂想姵仄嚧嬖谠S多自身無(wú)法解決的問(wèn)題，如汽車的起動(dòng)，瞬態(tài)響應(yīng)特性，燃料電池系統(tǒng)帶來(lái)的成本等，世界各大汽車廠商開(kāi)始把重點(diǎn)轉(zhuǎn)向燃料電池電本田于2001年9月4日在以傳媒為對(duì)象舉行的“2001本田會(huì)議”上宣布開(kāi)發(fā)出了新型燃料電池混合動(dòng)力汽車“14。 燃料電池組采用的是加拿大電池組使用了最新的“在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化的同時(shí)將輸出功率由原來(lái)的62高時(shí)速由原來(lái)的130km/h。 日本豐田汽車公司開(kāi)發(fā)了新型燃料電池混合動(dòng)力汽車“15， 該車采用氫吸附合金供氫方式，配備鎳氫電池，其最高時(shí)速可達(dá)150公里。其中燃料電池的輸出功率高達(dá)90千瓦。 國(guó)內(nèi)東風(fēng)汽車公司、大連化物所和中科院電工所合作開(kāi)發(fā)出型客車。2001年底上汽委托泛亞和上海交通大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了名為鳳凰的燃料電池混合動(dòng)力汽車。該車以別克務(wù)用車）為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可乘5人，總重2500高時(shí)速113公里，0100公里/小時(shí)的加速時(shí)間僅為13秒。該車可以實(shí)現(xiàn)以下幾種工作方式：低速且蓄電池充電不足時(shí)，燃料電池向電動(dòng)機(jī)輸出功率并向蓄電池充電；中速時(shí)，燃料電池只向電動(dòng)機(jī)輸出功率；減速制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，向蓄電池充電；當(dāng)蓄電池是蓄電池向電動(dòng)輸出功率；自動(dòng)控制只讓燃料電池工作。這幾種方式基本滿足了車輛行駛的各種狀態(tài)。 國(guó)家科技部將燃料電池混合動(dòng)力汽車的研制和開(kāi)發(fā)列為十五“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的攻關(guān)技術(shù)之一。同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)等各高校都作為承擔(dān)單位在進(jìn)行燃料電池混合動(dòng)力汽車的整車控制系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)。 文主要研究?jī)?nèi)容 研究表明252采用燃料電池并聯(lián)蓄電池這種電電混合動(dòng)力方式是降低成本，克服燃料電池汽車不能回收制動(dòng)能量的有效途徑。基于此作為初步探索，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下： 系統(tǒng)地提出燃料電池混合動(dòng)力汽車的參數(shù)匹配方法和原則，通過(guò)仿真第二章 質(zhì)子交換膜燃料電池 13對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車進(jìn)行比較，證明電析混合動(dòng)力汽車在成本降低上的優(yōu)勢(shì)。 以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和整車動(dòng)力性能為目標(biāo)，分析研究質(zhì)子交換膜燃料電池電對(duì)汽車中多個(gè)控制期間的數(shù)據(jù)傳輸方式，設(shè)計(jì)基于建立控制系統(tǒng)的離線仿真模型、控制軟件的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 第二章 質(zhì)子交換膜燃料電池 燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。它的種類很多，分類方式也很多。最常用的分類方法是根據(jù)電解質(zhì)的性質(zhì)將燃料電池劃分為五大類1堿性燃料電池（磷酸燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池（固體氧化物燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（ 質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點(diǎn)如下： （1）壽命長(zhǎng) （2）可用空氣作氧化劑 （3）室溫工作 （4）比功率大 （5）啟動(dòng)迅速 （6）輸出功率可隨意調(diào)節(jié) 上述優(yōu)點(diǎn)正是采用質(zhì)子交換膜燃料電池作為汽車動(dòng)力源的原因。他的缺點(diǎn)是電極材料稀少、膜電極的制備工藝復(fù)雜、電池組成本高。關(guān)于質(zhì)子交換膜燃料電池優(yōu)越的環(huán)境特性見(jiàn)第一章，這里不再贅述。 子交換膜燃料電池的發(fā)展簡(jiǎn)史 美國(guó)通用電氣公司(最早研究質(zhì)子交換膜燃料電池(機(jī)構(gòu)，在其開(kāi)始研究階段，將它命名為離子交換膜燃料電池(后來(lái)由于電池采用固體聚合物作電解質(zhì)(他們獲得了專用商標(biāo)名此也被稱為年來(lái)，眾多研究者將其稱為通常都將然是當(dāng)時(shí)仍存在著一些問(wèn)題：如功率密度較低(子系統(tǒng)如圖3仿真過(guò)程中它的計(jì)算方法如下： (1) 燃料電池能夠輸出的功率 ), (3式中，要燃料電池輸出的功率； 料電池的最大功率； (2) 燃料消耗： = )( (3其中 += (3+=_(3當(dāng)燃料電池處于工作狀態(tài)時(shí)， )95(218)75401=(3燃料電池關(guān)閉時(shí)， )()+=(3式中，一時(shí)間步燃料消耗； 度修正系數(shù)； 卻介質(zhì)溫度，上一時(shí)間步的境溫度； T，t，度變化，時(shí)間變化,時(shí)間步 由于燃料電池直接以氫氣為燃料，所以排放均為零。 3料電池模型 第三章 兩種燃料電池汽車的比較 31仿真過(guò)程中循環(huán)工況的選擇對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的比較有一定的影響。所以本文選用了四種不同的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況：65和圖3們的部分特性參數(shù)如表3是聯(lián)合測(cè)試工況（的第一部分，它也被稱作或城市測(cè)試，代表城市驅(qū)動(dòng)工況，它常用于輕型車輛測(cè)試。 國(guó)環(huán)保署將它用于客車的總的平均燃油經(jīng)濟(jì)性的檢測(cè)。 有更高的車速和更大的加速度，更能真實(shí)的代表當(dāng)今的車輛行駛工況，所以雖然該工況多用于尾氣 3種不同的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況 65 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 32表3種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況的特性參數(shù) 65 平均車速（km/h） 高車速（km/h） 大加速度（m/ 最大減速度（m/ 平均加速度（m/ 平均減速度（m/ 時(shí)間（s） 1369 600 765 360 距離（速時(shí)間（s） 259 45 6 0 停車次數(shù) 17 5 1 0 坡度（%） 0 0 0 0 排放的測(cè)試，但也常被用于分析評(píng)價(jià)新開(kāi)發(fā)車型的燃油經(jīng)濟(jì)性。 工況中沒(méi)有減速制動(dòng)，可用來(lái)分析再生制動(dòng)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。 子交換膜燃料電池混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)要完成的任務(wù)包括元件的選型和參數(shù)匹配兩部分。 機(jī)是燃料電池混合動(dòng)力汽車行駛的唯一驅(qū)動(dòng)力來(lái)源，其參數(shù)的選擇要依照車輛具體的加速性能和爬坡性能以及最高行駛車速要求而定，包括功率、額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速等。 1. 電機(jī)選型 適合于燃料電池汽車的電機(jī)有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以及永磁無(wú)刷動(dòng)機(jī)等，但受控制技術(shù)水平和不同類型電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)的限制，目前在國(guó)內(nèi)的混合動(dòng)力汽車大多采用交流感應(yīng)電機(jī)9,67。 本文選用交流感應(yīng)電機(jī)。 第三章 兩種燃料電池汽車的比較 332. 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 高速電機(jī)適用于燃料電池轎車，因?yàn)殡姍C(jī)良好的控制特性能夠滿足轎車的行駛特性要求。圖3速特性：基速以下恒扭矩，基速以上恒功率。高速電機(jī)經(jīng)過(guò)控制后的特性與轎車行駛時(shí)的高的車速范圍、較低的扭矩要求相一致。對(duì)于轉(zhuǎn)速范圍是08500r/控制特性能夠滿足轎車的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、行駛過(guò)程中車速變化的要求，因此所選的變速箱模型是一對(duì)具有固定速比的常嚙合齒輪。 3. 電機(jī)功率 電機(jī)的功率參數(shù)包括額定功率和峰值功率。額定功率又稱為連續(xù)功率。 參考汽車選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，電機(jī)的額定功率應(yīng)大體等于但不小于最高車速行駛時(shí)行駛阻力之和，即 +=3式中，動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率； 車最高車速，km/h； 對(duì)于單級(jí)減速主減速器機(jī)械效率通常取96%,單級(jí)變速箱的機(jī)械效率取為97%62，將相應(yīng)參數(shù)代入上式計(jì)算 圖3機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 34+= 將車速提高到180km/需要的功率為 += 初步將電機(jī)的功率取為56根據(jù)汽車的最高車速及電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可確定減速比，汽車行駛的最高車速= (3 式中：r 車輪半徑 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 ig，速箱速比，主減速比 將紅旗轎車的主減速比輪半徑r，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速=電機(jī)的功率還要滿足車輛的動(dòng)力性能要求，即加速時(shí)間t、爬坡度。 =(3式中：車輛行駛驅(qū)動(dòng)力/N； 車輛行駛空氣阻力/N； 車輛行駛滾動(dòng)阻力/N； 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，對(duì)燃料電池混合動(dòng)力汽車其計(jì)算式為： 2202+= (3第三章 兩種燃料電池汽車的比較 35式中：輪總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg電動(dòng)機(jī)輸出軸相連的所有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和； m整車質(zhì)量 將相應(yīng)的數(shù)據(jù)代入（電機(jī)取額定值），應(yīng)用計(jì)算機(jī)計(jì)算得0100km/=)( (3根據(jù)此公式計(jì)算，最大爬坡度約為32%。 上述計(jì)算結(jié)果表明，選擇額定功率為56電機(jī)的峰值功率只代表當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于基速時(shí)的過(guò)載能力，一般為額定功率的2倍。電機(jī)以峰值功率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間不能超過(guò)3060s，因此車輛實(shí)際行駛過(guò)程中要求電機(jī)的過(guò)載時(shí)間不能長(zhǎng)于該值。 燃料電池混合動(dòng)力汽車所選擇的電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表3表3料電池混合動(dòng)力汽車的電機(jī)參數(shù) 類型 三相交流異步感應(yīng)電機(jī)峰值扭矩 432制特性 矢量控制，基速以下恒扭矩，基速以上恒功率 峰值功率 112定電壓 320V 額定功率 56速/最高轉(zhuǎn)速 2550500定扭矩 240高效率 92% 在燃料電池混合動(dòng)力汽車中，電機(jī)的作用除了將燃料電池或蓄電池組（混合驅(qū)動(dòng)時(shí)）提供的電能轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)械能，還要作為發(fā)電機(jī)將制動(dòng)或減速時(shí)的能量回收，存儲(chǔ)在蓄電池。 純?nèi)剂想姵仄嚨碾姍C(jī)選型和參數(shù)設(shè)計(jì)與混合動(dòng)力汽車相同，參數(shù)見(jiàn)表3燃料電池汽車中的燃料電池系統(tǒng)必須向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供足夠高的功率，以確保整車性能不受功率源的限制。燃料電池系統(tǒng)的功率的林大學(xué)碩士學(xué)位論文 36附逆 (3式中，機(jī)的功率，逆，C/機(jī)及逆變器效率； 屬設(shè)備功率 本文電機(jī)及逆變器最大功率對(duì)應(yīng)的效率為92%，汽車的附屬設(shè)備設(shè)為2C/，代入式(3=+= 因此，選擇純?nèi)剂想姵仄嚨娜剂想姵叵到y(tǒng)的功率為70 燃料電池系統(tǒng)模型的效率為整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的凈效率，即已經(jīng)將燃料電池系統(tǒng)的輔助設(shè)備如空氣壓縮機(jī)的功率消耗等計(jì)算在內(nèi)。與內(nèi)燃機(jī)效率不同，質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的峰值效率不是出現(xiàn)在高功率水平，而是處于中低功率水平，而且在整個(gè)范圍內(nèi)除了功率水平低于1015%外效率曲線比較平坦。 圖3選的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表3表3型 大功率 (70 工作溫度() 805 燃料 氫 峰值效率 60%總質(zhì)量 (283 圖3燃料電池汽車燃料電池系統(tǒng)的效率曲線 第三章 兩種燃料電池汽車的比較 37燃料電池混合動(dòng)力汽車中，由燃料電池系統(tǒng)B）共同向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供功率，即 + (3 通過(guò)燃料電池汽車中燃料電池系統(tǒng)功率選擇可知，混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率不應(yīng)小于70在完成上式中的參數(shù)匹配時(shí)，應(yīng)盡量減小質(zhì)子交換膜燃料電池的功率，以降低成本（見(jiàn)下文），基于此，本文認(rèn)為燃料電池混合動(dòng)力汽車的燃料電池系統(tǒng)功率的確定要依據(jù)下面的原則。 燃料電池系統(tǒng)功率能夠使蓄電池組的而確保燃料電池系統(tǒng)是整個(gè)行駛過(guò)程中功率消耗的唯一來(lái)源。選擇四種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況中平均功率水平最高的工況過(guò)多次仿真計(jì)算，滿足這一要求的燃料電池的最小功率為40圖3圖3此外，還要保證燃料電池系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)充電維持狀態(tài)時(shí)一定車速下的圖3循環(huán)工況3環(huán)工況林大學(xué)碩士學(xué)位論文 38爬坡能力。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，取燃料電池的功率為40車速為88km/料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的爬坡度為7%；車速為48km/ 因此，燃料電池混合動(dòng)力汽車仿真模型中燃料電池系統(tǒng)的功率選擇為40余的功率則由蓄電池組提供。仿真使用的混合動(dòng)力汽車燃料電池系統(tǒng)的效率曲線如圖3數(shù)見(jiàn)表3表3型 大功率 (40 工作溫度() 805 燃料 氫 峰值效率 60%總質(zhì)量 (193 合動(dòng)力汽車上的蓄電池的使用狀況不同于電動(dòng)汽車，在工作中蓄電池處于非周期性的充放電循環(huán)中 ,要求它的充放電速率和效率高。因此，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用蓄電池以高功率密度 (W/主。 1. 蓄電池的選型 目前已研究開(kāi)發(fā)的蓄電池有十幾種，但目前應(yīng)用于電動(dòng)車的只有鉛酸電池、鎳氫電池與鋰離子電池。 鉛酸電池技術(shù)較為成熟，具有可靠性高、價(jià)格低的特點(diǎn)，但比能量和比功率較低、電池的均勻性較差，而且鉛酸電池性能提高的潛力有限。 鎳氫電池相比鉛酸電池其優(yōu)點(diǎn)是：比能量高（一次充電可行駛的距離長(zhǎng)），比功率高(是普通鉛酸電池的2倍)，在大電流工作時(shí)也能平穩(wěn)放電（加圖3三章 兩種燃料電池汽車的比較 39速爬坡能力好），低溫放電性能好，循環(huán)壽命長(zhǎng)(在80%的放電深度下，具有1000次的循環(huán)壽命)，安全可靠，免維護(hù)；無(wú)記憶效應(yīng)，無(wú)污染。因此倍受各國(guó)關(guān)注。在歐美各國(guó)新研制的混合動(dòng)力電動(dòng)車中，多以鎳氫電池為動(dòng)力源。在國(guó)內(nèi)研制開(kāi)發(fā)的適用于混合動(dòng)力汽車的大型鎳氫電池在技術(shù)水平和性能上取得了很大的成功。目前需要解決的問(wèn)題是進(jìn)一步降低成本。 鋰離子電池具有優(yōu)于鎳氫電池的性能。目前，鋰離子電池能達(dá)到的指標(biāo)為：比能量超過(guò)100Wh/功率大于 200W/環(huán)壽命為1200次(100 %的放電深度)。但是作為動(dòng)力電池由于充放電過(guò)程的控制問(wèn)題及安全性還有待解決，其價(jià)格又高37。因此，從實(shí)際使用的角度，本