1、2004年10月重慶大學(xué)學(xué)報(bào)Oct.2004第27卷第10期Journal of Chongqing University V ol.27No.10文章編號:1000-582X(200410-0029-04燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車動力系統(tǒng)仿真X 冉振亞1,曹文明2,楊超2,趙樹恩1,龐迪1(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,重慶400030;2.國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,重慶400030摘要:采用燃料電池/蓄電池作為電動汽車動力系統(tǒng)的開發(fā)與研究是國外電動汽車動力系統(tǒng)研究的新方向。結(jié)合對電動汽車動力系統(tǒng)研究進(jìn)行的一些探討,對燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車動力系統(tǒng)進(jìn)行了建模。并采用與focus汽車同

2、樣的底盤和車身,用30kW質(zhì)子交換膜燃料電池為主動力源,以鉛酸蓄電池為輔助動力源。在Advisor平臺上實(shí)現(xiàn)了對該虛擬樣車的仿真,而且以歐洲N EDC循環(huán)工況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該虛擬樣車完全滿足設(shè)計(jì)和性能要求。關(guān)鍵詞:雙能源;動力系統(tǒng);電動汽車;仿真中圖分類號:U469.72文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A由于蓄電池體積大、能量密度低、充電時(shí)間長等缺點(diǎn)制約了電動汽車的發(fā)展1。近年來快速發(fā)展的質(zhì)子交換膜燃料電池由于其能量轉(zhuǎn)化效率高、能量密度大、無須充電、零排放等優(yōu)點(diǎn)廣泛被采用在電動汽車上。由于燃料電池價(jià)格昂貴、冷啟動性能差、后備功率不足等缺點(diǎn)影響了燃料電池汽車的廣泛推廣,現(xiàn)通過采用質(zhì)子交換膜燃料電池(PE

3、M FC加上鉛酸蓄電池雙能源的電動汽車可以解決行駛里程短和充電時(shí)間長的問題。隨著燃料電池技術(shù)的日趨成熟,這種新一代的電動汽車正逐漸成為世界各汽車公司研究開發(fā)的熱點(diǎn)2。1雙能源電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)的建模雙能源電動汽車動力系統(tǒng)工作過程簡述如下:當(dāng)汽車起步時(shí),蓄電池大電流放電,起動汽車。當(dāng)汽車以巡航速度行駛時(shí),主控制單元根據(jù)具體工況確定電源系統(tǒng)的工作狀況,在保證汽車正常行駛的條件下優(yōu)先讓燃料電池單獨(dú)工作,能量富余時(shí)可向蓄電池組充電;當(dāng)燃料電池的電能不足以維持給定車速時(shí),主控制單元控制蓄電池組放電予以補(bǔ)充。當(dāng)汽車加速行駛或上坡時(shí),燃料電池和蓄電池同時(shí)工作,輸出大電流滿足電動機(jī)高功率需要;同時(shí)主控制單元

4、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)燃料電池和蓄電池輸出電流的比例,限制燃料電池、蓄電池電流的輸出,以維持它們的壽命。當(dāng)汽車制動減速或下長坡時(shí),主控制單元控制燃料電池停止供電,電動機(jī)再生電流經(jīng)PW M、雙向DC/D C高頻升(降壓變換器降壓之后向蓄電池充電。1.1質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理和反應(yīng)過程見圖13,由圖中可看出,燃料(H2供給陽極,氧化劑(O2進(jìn)人陰極催化劑(Pt使氫在陽極分解成自由電子和質(zhì)子,自由電子通過外電路形成電流,而質(zhì)子通過電解質(zhì)移至陰極,催化劑促使它們與陰極的氧結(jié)合生成水,并產(chǎn)生熱量。在這個(gè)過程中,燃料的化學(xué)能被分離出來直接轉(zhuǎn)換為電能,通常約有75%90%的燃料可以轉(zhuǎn)化為電能。整個(gè)

5、電化學(xué)反應(yīng)為:燃料+氧化劑=H2O +其它物質(zhì)+電。單元電池輸出能量值非常小,通常將其串聯(lián)成電池組(由150160個(gè)單電池組成以滿足汽車動力性要求。質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的輸出電壓數(shù)學(xué)模型可以通過基本的電化學(xué)熱動力學(xué)推導(dǎo)出來,表達(dá)式如下所示:V0=E-G act-G conc-G ohmi cE=E std+(T-T0$S2F+R T2Fln(P H2P O20.5G act=RTanFln ii0X收稿日期:2004-06-10作者簡介:冉振亞(1949-,男,萬州市人,重慶大學(xué)副教授,主要從事汽車摩托的開發(fā)展研究。 圖1 燃料電池工作原理G conc =R T nF (1-i i li

6、mG ohmic =i #(R electrode +R membrane +R plate 式中為可逆電動勢,G act 為活化過電位,G conc 為濃差過電位,G ohmi c 為歐姆過電位,E std 為標(biāo)準(zhǔn)電極電勢,F 為法拉第常數(shù),$S 為標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵,T 為工作溫度。T 0=298.15K ,P H 2、P O 2分別為反應(yīng)界面H 2、O 2的分壓,i 為電流密度,i 0為交換電流密度,i lim 為極限電流密度。在M atlab/Simulink 平臺上建立的燃料電池控制框圖如圖2 所示。圖2 燃料電池控制框圖1.2 無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電動勢可用下列各式表述4:

7、T m =C m 5I a E =C e 5n C m =p N 2P bC e =2P 60C m =p N 60b式中,T m 為電機(jī)轉(zhuǎn)矩,N #m ;C m 為轉(zhuǎn)矩常數(shù),Nm/(Wb #A;p 為磁極對數(shù);N 為有效導(dǎo)體總數(shù);b 為并聯(lián)支路對數(shù); 為磁通,Wb ;I a 為電樞電流,A ;E 為電樞繞組的反電動勢,V ;C e 為電勢常數(shù),V #min/(r #Wb;n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min ;無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 與電流間的關(guān)系式為:n =U 0-I a R aC e 5無刷直流電動機(jī)的動力方程可以通過R -L 電路的能量平衡推導(dǎo)出來,方程如下:v a v b v c=R 000R

8、00 Ri a i b i c+d/dt L a L ba L ca L b aL b L cb L c a L c bL ci a i b i c+e a eb e c其中腳標(biāo)a 、b 、c 為三相電樞。在M atlab/Simulink 平臺上建立的電機(jī)控制框圖如圖3所示。圖3 電動機(jī)控制框圖1.3 蓄電池鉛酸蓄電池容量特性的理論模型有著名的Peuk 2ert 方程式5:I n #S =Const式中,I 為恒流放電電流值;S 為以I 值恒流持續(xù)放電至終止電壓的時(shí)間;n 為與電池類型有關(guān)的常數(shù),鉛酸電池通常取1.3左右。鉛酸蓄電池的電壓特性表達(dá)式為:V =E -(R 0+R f #I式中,

9、V 為電池的工作電壓,E 為電池的電動勢,R 0為電池充滿電狀態(tài)下的內(nèi)阻,R f 為電池放電過程中的附加內(nèi)阻,I 為放電電流值。鉛酸蓄電池的瞬時(shí)放電電流可以通過它的輸出功率計(jì)算得到:i =(v -v 2-4RP out 2R鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)(SO C 可以通過下式計(jì)算6:30重慶大學(xué)學(xué)報(bào) 2004年SOC =SOC ini t -i #t C max在Matlab/Simulink 平臺上建立的鉛酸蓄電池控制模型。2 混合能源控制該電動汽車由兩種能源來驅(qū)動,即質(zhì)子交換膜燃料電池和蓄電池。能源控制器的主要功用是合理分配燃料電池和蓄電池之間的功率,以滿足汽車的功率要求。目前按它們之間分配的控制

10、策略來分,可分為兩種基本的控制策略模式7:功率跟隨式(Pow er f ollow er和恒溫器式(Thermostat 。功率跟隨模式的基本思路為:當(dāng)電池電量狀態(tài)(S OC在cs_lo_,cs_hi_(電池充電量的高低狀態(tài)設(shè)定值之間時(shí),燃料電池應(yīng)在某一設(shè)定的范圍內(nèi)輸出功率,輸出功率不僅要滿足車輛驅(qū)動要求,還要為電池組充電,該功率稱為均衡功率(即對電池進(jìn)行了補(bǔ)充使電池在最佳S OC 狀態(tài)。基于這種觀點(diǎn)在M atlab/Simulink 平臺上建立如圖4 所示的控制模型。圖4 混合能源控制框圖3 Advisor 仿真Advisor 是一種基于M atlab 的能量流分配的后向式電動車輛、混合電動

11、車輛和燃料電池車輛仿真軟件,通過各種自行設(shè)計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)行駛工況仿真整車、動力系統(tǒng)或部件模型的性能,比如整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性,控制算法的功率流和效率特性等8?；谏厦娴挠?jì)算,采用Advisor2002仿真該電動汽車的設(shè)計(jì)性能,為便于比較和分析,該電動汽車采用與focus 電動汽車同樣的底盤和車身,用30kW 質(zhì)子交換膜燃料電池為主動力源,以12塊鉛酸蓄電池為輔助動力源(原f ocus 電動汽車動力源為28塊鉛酸蓄電池,車輛仿真參數(shù)如表1所示。在N EDC 工況下的仿真結(jié)果如圖5所示。表1 電動汽車參數(shù)表整車參數(shù)整車質(zhì)量/k g1304滾阻系數(shù)0.01263迎風(fēng)面積/m22.06空阻系數(shù)0

12、.312輪胎規(guī)格215/45ZR 17軸距/m 2.62電機(jī)參數(shù)額定功率/k W 150最高轉(zhuǎn)速/(r #min -110000額定轉(zhuǎn)速/(r #min -16500平均工作效率0.91燃料電池參數(shù)燃料電池型號/質(zhì)子交換膜Mar kv /Nafio n 115TM 燃料電池組體積/L 48.6輸出功率/k W 30燃料電池組總重/kg 136單電池電壓/電流密度0.7v /0.215A/cm 2電池堆峰值效率0.6質(zhì)量比功率/(w #kg-1220體積比功率/(w #L -1617蓄電池組參數(shù)數(shù)量(塊12重量/k g 234額定輸出電壓/v 144S OC min 0.4額定放電容量/Ah66

13、0S OC init0.7傳動系參數(shù)主減速比3.5傳動系平均效率0.91Ñ檔傳動比1.55Ò檔傳動比1圖5(a為整車車速隨時(shí)間的變化曲線。由圖5(a可以看出:按實(shí)驗(yàn)要求,循環(huán)路程總長10.94km,用時(shí)1184s 。仿真表明該電動汽車完全可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求,該電動汽車從096.6km/h 的加速時(shí)間為6.7s,從64.496.6km/h 的加速時(shí)間為2.3s,以88.5km/h 的車速、持續(xù)10s 的爬坡度為39.5%。而原f ocus 電動汽車從096.6km/h 的加速時(shí)間為8.8s,從64.496.6km/h 的加速時(shí)間為3.5s,以88.5km/h 的車速、持續(xù)10秒

14、的爬坡度為28.6%。由此可說明該電動汽車比原focus 電動汽車具有更強(qiáng)的動力性。圖5 雙能源電動汽車在NED C 工況下的仿真曲線圖5(b為蓄電池的荷電狀態(tài)隨時(shí)間的變化曲線,圖5(c為燃料電池的輸出功率隨時(shí)間的變化曲線。由圖中可以看出,蓄電池的初始荷電狀態(tài)為0.7,在汽車啟動時(shí)刻,荷電狀態(tài)降低,以提供汽車啟動和燃料電31第27卷第10期 冉振亞等: 燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車動力系統(tǒng)仿真池啟動所需的功率。隨后按照功率跟隨模式的控制策略,燃料電池的剩余功率給蓄電池充電,保持蓄電池荷電狀態(tài)在初始狀態(tài),以延長蓄電池的使用壽命。4結(jié)論通過對燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車動力系統(tǒng)的研究,建立其數(shù)

15、學(xué)模型,并以該數(shù)學(xué)模型在M at2 lab6.5環(huán)境下建立了燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車動力系統(tǒng)的仿真模型。通過研究表明該數(shù)學(xué)模型是正確的,可用于燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車研究開發(fā)的仿真、參數(shù)選擇等方面的研究。通過所開發(fā)研究的雙能源電動汽車與原f ocus電動汽車動力性的對比實(shí)驗(yàn),充分說明采用了燃料電池/蓄電池雙能源的電動汽車比采用單蓄電池的原focus電動汽車具有更好的動力性和續(xù)駛里程。參考文獻(xiàn):1C H A N C C,CH A U KT.M odern electric vehicle techno log yM.NewYork:O xford University PressIn

16、c,2001:165-168.2NAD A L M,BA RBIR F.Dev elopmen t o f a hybrid fuel cell/bat2tery pow ered electric vehicle,IntJ.Hydrogen Energy,1996,21(6:497-505.3APPLEBY A J,FO U LKES F R.Fuel Cell Handbo okM.NewYork:Van Nostrand Reinhold,1989.4宋銀賓.電機(jī)拖動基礎(chǔ)M.北京:冶金工業(yè)出版社,1984.5陳全世,林擁軍,張東民.電動汽車用鉛酸電池放電特性的研究J.汽車技術(shù),1996,

17、(8:7-11.6SZ UMA N OW SKI A.The Model and Simulation fo r Determinati ono f Mini mal Energetic Paraneters o f Tw o So urce Pro pulsion Sy stem M.E VS102Hong K ong,1990.7曾小華.軍用混合動力輕型越野汽車動力總成匹配控制策略研究D.長春:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,2002. 8汪新云.串聯(lián)式混合動力電動客車動力系統(tǒng)建模與仿真D.武漢:武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,2003.Simulation for the Power System of

18、 Fuel Cell/battery Electric VehicleRAN Zhe n2ya1,CA O Wen2ming2,Y ANG Chao2,ZHA O Shu2en1,PAN G Di1(1.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing400030,China;2.National C oach Quality S upervison&Inspection Centre,Chongqing400030,ChinaAbstract:The developme mt and research of taking f uel cell/battery as elec tric vehicle