1、2004年10月重慶大學學報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.重慶大學機械工程學院,重慶400030;2.國家客車質量監督檢驗中心,重慶400030摘要:采用燃料電池/蓄電池作為電動汽車動力系統的開發與研究是國外電動汽車動力系統研究的新方向。結合對電動汽車動力系統研究進行的一些探討,對燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車動力系統進行了建模。并采用與focus汽車同

2、樣的底盤和車身,用30kW質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平臺上實現了對該虛擬樣車的仿真,而且以歐洲N EDC循環工況進行了仿真實驗,結果表明該虛擬樣車完全滿足設計和性能要求。關鍵詞:雙能源;動力系統;電動汽車;仿真中圖分類號:U469.72文獻標識碼:A由于蓄電池體積大、能量密度低、充電時間長等缺點制約了電動汽車的發展1。近年來快速發展的質子交換膜燃料電池由于其能量轉化效率高、能量密度大、無須充電、零排放等優點廣泛被采用在電動汽車上。由于燃料電池價格昂貴、冷啟動性能差、后備功率不足等缺點影響了燃料電池汽車的廣泛推廣,現通過采用質子交換膜燃料電池(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間長的問題。隨著燃料電池技術的日趨成熟,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的熱點2。1雙能源電動汽車動力驅動系統的建模雙能源電動汽車動力系統工作過程簡述如下:當汽車起步時,蓄電池大電流放電,起動汽車。當汽車以巡航速度行駛時,主控制單元根據具體工況確定電源系統的工作狀況,在保證汽車正常行駛的條件下優先讓燃料電池單獨工作,能量富余時可向蓄電池組充電;當燃料電池的電能不足以維持給定車速時,主控制單元控制蓄電池組放電予以補充。當汽車加速行駛或上坡時,燃料電池和蓄電池同時工作,輸出大電流滿足電動機高功率需要;同時主控制單元

4、準確地調節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。當汽車制動減速或下長坡時,主控制單元控制燃料電池停止供電,電動機再生電流經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質子交換膜燃料電池質子交換膜燃料電池工作原理和反應過程見圖13,由圖中可看出,燃料(H2供給陽極,氧化劑(O2進人陰極催化劑(Pt使氫在陽極分解成自由電子和質子,自由電子通過外電路形成電流,而質子通過電解質移至陰極,催化劑促使它們與陰極的氧結合生成水,并產生熱量。在這個過程中,燃料的化學能被分離出來直接轉換為電能,通常約有75%90%的燃料可以轉化為電能。整個

5、電化學反應為:燃料+氧化劑=H2O +其它物質+電。單元電池輸出能量值非常小,通常將其串聯成電池組(由150160個單電池組成以滿足汽車動力性要求。質子交換膜燃料電池單電池的輸出電壓數學模型可以通過基本的電化學熱動力學推導出來,表達式如下所示: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,重慶大學副教授,主要從事汽車摩托的開發展研究。 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 為標準電極電勢,F 為法拉第常數,$S 為標準摩爾熵,T 為工作溫度。T 0=298.15K ,P H 2、P O 2分別為反應界面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 無刷直流電動機無刷直流電動機的轉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 為電機轉矩,N #m ;C m 為轉矩常數,Nm/(Wb #A;p 為磁極對數;N 為有效導體總數;b 為并聯支路對數; 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,V #min/(r #Wb;n 為電機轉速,r/min ;無刷直流電機的轉速n 與電流間的關系式為:n =U 0-I a R aC e 5無刷直流電動機的動力方程可以通過R -L 電路的能量平衡推導出來,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a 、b 、c 為三相電樞。在M atlab/Simulink 平臺上建立的電機控制框圖如圖3所示。圖3 電動機控制框圖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 值恒流持續放電至終止電壓的時間;n 為與電池類型有關的常數,鉛酸電池通常取1.3左右。鉛酸蓄電池的電壓特性表達式為: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為電池充滿電狀態下的內阻,R f 為電池放電過程中的附加內阻,I 為放電電流值。鉛酸蓄電池的瞬時放電電流可以通過它的輸出功率計算得到:i =(v -v 2-4RP out 2R鉛酸蓄電池的荷電狀態(SO C 可以通過下式計算6:30重慶大學學報 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動,即質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:當電池電量狀態(S OC在cs_lo_,cs_hi_(電池充電量的高低狀態設定值之間時,燃料電池應在某一設定的范圍內輸出功率,輸出功率不僅要滿足車輛驅動要求,還要為電池組充電,該功率稱為均衡功率(即對電池進行了補充使電池在最佳S OC 狀態。基于這種觀點在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,通過各種自行設計或標準循環行駛工況仿真整車、動力系統或部件模型的性能,比如整車的動力性、經濟性和排放性,控制算法的功率流和效率特性等8。基于上面的計算,采用Advisor2002仿真該電動汽車的設計性能,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,車輛仿真參數如表1所示。在N EDC 工況下的仿真結果如圖5所示。表1 電動汽車參數表整車參數整車質量/k g1304滾阻系數0.01263迎風面積/m22.06空阻系數0

12、.312輪胎規格215/45ZR 17軸距/m 2.62電機參數額定功率/k W 150最高轉速/(r #min -110000額定轉速/(r #min -16500平均工作效率0.91燃料電池參數燃料電池型號/質子交換膜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質量比功率/(w #kg-1220體積比功率/(w #L -1617蓄電池組參數數量(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為整車車速隨時間的變化曲線。由圖5(a可以看出:按實驗要求,循環路程總長10.94km,用時1184s 。仿真表明該電動汽車完全可以達到實驗要求,該電動汽車從096.6km/h 的加速時間為6.7s,從64.496.6km/h 的加速時間為2.3s,以88.5km/h 的車速、持續10s 的爬坡度為39.5%。而原f ocus 電動汽車從096.6km/h 的加速時間為8.8s,從64.496.6km/h 的加速時間為3.5s,以88.5km/h 的車速、持續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隨時間的變化曲線,圖5(c為燃料電池的輸出功率隨時間的變化曲線。由圖中可以看出,蓄電池的初始荷電狀態為0.7,在汽車啟動時刻,荷電狀態降低,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在初始狀態,以延長蓄電池的使用壽命。4結論通過對燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車動力系統的研究,建立其數

15、學模型,并以該數學模型在M at2 lab6.5環境下建立了燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車動力系統的仿真模型。通過研究表明該數學模型是正確的,可用于燃料電池/蓄電池雙能源電動汽車研究開發的仿真、參數選擇等方面的研究。通過所開發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驗,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駛里程。參考文獻: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.電機拖動基礎M.北京:冶金工業出版社,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,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:吉林大學汽車工程學院,2002. 8汪新云.串聯式混合動力電動客車動力系統建模與仿真D.武漢:武漢理工大學汽車工程學院,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