燃料電池整車動(dòng)力系統(tǒng)模型問題的研究背景及研究意義概述從1885年卡爾?本茨發(fā)明第一輛汽油機(jī)三輪車到現(xiàn)在，汽車已有接近140年的發(fā)展歷史。隨著時(shí)間推移，汽車的各項(xiàng)技術(shù)逐步成熟起來，汽車產(chǎn)業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)之間形成了很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，已成為一個(gè)綜合性產(chǎn)業(yè)。因此，汽車工業(yè)現(xiàn)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)。人民生活的水平逐步提高，使得大家對(duì)汽車的需求越來越高。2006-2020年的汽車銷量如圖1.1所示[1]，從圖中可了解到2020年中國(guó)汽車的銷量已達(dá)到驚人的2531萬輛。圖1.1汽車銷售量及增長(zhǎng)率然而，傳統(tǒng)燃油汽車以汽油/柴油為燃料，產(chǎn)生的尾氣中含有一氧化碳、氮氧化合物、硫氧化合物等多種有害物質(zhì)，不僅會(huì)直接危害人體，還會(huì)導(dǎo)致酸雨、溫室效應(yīng)等多種災(zāi)害，嚴(yán)重破壞人類的生存環(huán)境。燃料電池(FC)作為日益發(fā)展成熟的綠色能源被應(yīng)用到汽車技術(shù)中且受到了廣泛的認(rèn)可[2-4]。而其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)[5-6]因其優(yōu)點(diǎn)突出應(yīng)用最為廣泛。燃料電池汽車(FCV)以FC為核心供能裝置。相比于傳統(tǒng)汽車，F(xiàn)CV具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)節(jié)約能源、有較高的轉(zhuǎn)化率、不需要石油等一次能源。燃料電池電動(dòng)汽車主要消耗氫能源，燃料電池作為主動(dòng)動(dòng)力源通過氫氣與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，為汽車提供動(dòng)力。作為輔助動(dòng)力源的蓄電池通常采用鋰離子電池。因此，燃料電池動(dòng)力汽車只需要消耗氫能、電能，不存在石油等一次能源消耗，這樣可以大大減少不可再生能源的浪費(fèi)，緩解全球能源危機(jī)[7-8]。除此之外，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)具有較低的能量效率，只有10%左右。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車相比，燃料電池電動(dòng)汽車在能量轉(zhuǎn)換方面做得更好。燃料電池電動(dòng)汽車中直接以氫氣為燃料的能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到近60%。除此之外，蓄電池既可以充電也可以放電，根據(jù)此性能，在汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量可以回收，這進(jìn)一步節(jié)約了能源[9]。(2)電池反應(yīng)產(chǎn)物主要是水，有利于解決環(huán)境污染問題。傳統(tǒng)汽車以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源，內(nèi)燃機(jī)消耗汽油/柴油為整車提供能量，汽油/柴油的制取、運(yùn)輸會(huì)造成環(huán)境的污染。而且，排放的尾氣中會(huì)含有多種有害氣體，例如：氫氧化物，一氧化碳等。這些有害氣體會(huì)導(dǎo)致酸雨、溫室效應(yīng)等多種自然災(zāi)害。經(jīng)過一代代技術(shù)的改良，傳統(tǒng)汽車排放的尾氣已得到改善。盡管如此，內(nèi)燃機(jī)依靠消耗汽油/柴油的本質(zhì)沒有變化，加之汽車基數(shù)龐大，排放的尾氣仍舊會(huì)對(duì)人民的生活環(huán)境產(chǎn)生威脅。而燃料電池汽車消耗氫氣來為整車供能，氫氣的制備有多種途徑，電解水即為較好的制備方法，這種制備方法污染小、環(huán)境成本低。另外，電池反應(yīng)產(chǎn)物中的主要成分是水，為汽車供能的過程中基本不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，可以看做對(duì)環(huán)境“零污染”[10]。(3)充能時(shí)間短，續(xù)駛里程長(zhǎng)。燃料電池系統(tǒng)中包括一個(gè)高壓儲(chǔ)氫瓶，在電池工作的過程中，儲(chǔ)氫罐中的氫氣減壓后源源不斷的進(jìn)入電堆中進(jìn)行反應(yīng)。因此，燃料電池汽車具有極短的充能時(shí)間，只需要更換高壓儲(chǔ)氫瓶或者在加氫站充氣幾分鐘，就可以獲得很長(zhǎng)的續(xù)駛里程。制氫式燃料電池汽車甚至可以自己制取氫氣，無需去加氫站。相比于純電動(dòng)汽車需要在充電樁花費(fèi)幾小時(shí)補(bǔ)充能源，燃料電池汽車給人們的出行帶來的極大的便利[11]。在性能方面，燃料電池電堆的發(fā)電比功率能夠達(dá)到800W/kg，除去系統(tǒng)中輔助設(shè)備的損耗，燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電比功率也能達(dá)到320W/kg左右，能夠與內(nèi)燃機(jī)的比功率持平，甚至更高。相比于傳統(tǒng)汽車，燃料電池汽車的過載能力強(qiáng)，不易發(fā)生熄火，可以改善行駛體驗(yàn)。(4)噪音小，運(yùn)行平穩(wěn)。傳統(tǒng)汽車行駛需要?dú)飧讐喝既剂媳ㄗ龉槠囂峁┠芰浚虼税殡S著較大的聲響和振動(dòng)，傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的噪聲占整車產(chǎn)生總噪聲的70%以上。而燃料電池汽車通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能為汽車提供能量，這就表明了供能過程幾乎不會(huì)產(chǎn)生噪聲。雖然空壓機(jī)、冷卻風(fēng)扇等輔助設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，但音量較小。與傳動(dòng)汽車齒輪傳動(dòng)數(shù)目多相比，燃料電池汽車的電機(jī)直接與主減速器相連，傳動(dòng)平穩(wěn)。綜合上述優(yōu)點(diǎn)，燃料電池汽車大大提高了行車舒適性[12]。燃料電池汽車有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，是未來汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向，也是解決全球能源危機(jī)和做到人與自然和諧發(fā)展的理想方案。世界上很多經(jīng)濟(jì)體都明確指出了要發(fā)展氫能源技術(shù)，很多企業(yè)也開展了燃料電池汽車相關(guān)技術(shù)的攻堅(jiān)工作，相關(guān)技術(shù)和政策也都在加快升級(jí)和完善。盡管燃料電池汽車現(xiàn)在市場(chǎng)化仍處于起步階段，但是如果在未來燃料汽車如果能走進(jìn)千家萬戶，必會(huì)對(duì)全球的自然環(huán)境和能源危機(jī)的緩解產(chǎn)生積極的影響。我國(guó)作為全球第一汽車產(chǎn)銷量大國(guó)，應(yīng)該抓住機(jī)遇，大力推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，這對(duì)改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、貫徹可持續(xù)發(fā)展理念、提升國(guó)際話語權(quán)與競(jìng)爭(zhēng)力具有舉足輕重的意義。利用計(jì)算機(jī)軟件搭建相關(guān)模型能夠?qū)υ囼?yàn)實(shí)踐進(jìn)行理論指導(dǎo)，也是進(jìn)行科學(xué)研究的重要步驟。本題將會(huì)建立轎車模型、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模型、DC/DC變換器