燃料电池电动汽车自适应能量管理系统的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）是一种绿色环保的可再生能源,因其工作温度低,效率高,噪声低等优良特性被广泛用作可移动电源,将燃料电池与能量存储设备组合成多能源系统驱动车辆运行已经成为汽车技术研究的新方向。为提高燃料电池混合动力电动汽车（Fuel-cell Hybrid Electric Vehicle, FHEV）的性能,推动其发展和应用,本文从多能源系统之间的能量优化分配出发,研究确保FHEV稳定、可靠、经济高效运行的能量管理方法。本文首先分析PEMFC和辅助电源的性能特点,确定混合动力系统的主能源PEMFC和辅助电源超级电容组合的能源系统结构方式。燃料电池供电时间长、效率高,超级电容有功率响应快、能量回馈容易等特点,这种组合结合了PEMFC的高比能量和超级电容的高比功率,实现了多能源的优势互补。然后通过计算,给出了该能源系统参数的匹配设计。为了进行合理的能量分配,本文通过对比分析采用基于功率跟随模式的自适应能量管理优化方法。这种分配策略一方面能使超级电容起到削峰填谷的能量缓冲作用,而且无过充过放；另一方面还能有效地保护燃料电池,确保燃料电池尽可能多的工作在高效率运行区,避免出现瞬时大功率波动,从而有效地延长了燃料电池的使用寿命。为验证该能量管理策略的有效性和可行性,以指导能量管理系统的实现,本文在MATLAB/Simulink/SimPowerSystems环境中建立能量管理系统的仿真模型。该模型主要包括PEMFC的动态仿真模型,超级电容动态等效电路模型,控制超级电容充放电的Buck-Boost型双向DC/DC模型,双象限工作直流电机模型以及能量管理控制模块的仿真模型。仿真结果表明能量管理系统达到了预期的控制目标。最后,在前文分析和仿真的指导下,本文在新加坡淡马锡理工学院新能源实验室,采用节能环保的高尔夫电动车作为实验用车,实现了能量管理系统的硬件设计与软件开发。实验测试结果验证了该能量管理系统的正确性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 FHEV的发展
• 1.2.2 FHEV能量管理研究进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 FHEV能量管理系统分析
• 2.1 燃料电池系统分析
• 2.1.1 燃料电池的工作原理
• 2.1.2 燃料电池的分类
• 2.1.3 PEMFC特性及系统结构
• 2.2 辅助电源系统分析
• 2.2.1 辅助电源的选择
• 2.2.2 超级电容的性能分析
• 2.2.3 超级电容在电动汽车上的应用
• 2.3 FHEV能量管理系统结构
• 2.3.1 PEMFC控制子系统
• 2.3.2 能量控制系统
• 2.4 FHEV能量管理系统参数设计
• 2.4.1 牵引电机额定功率
• 2.4.2 发电机/PEMFC额定功率
• 2.4.3 辅助电源的功率和能量容量
• 第3章 FHEV能量管理系统控制策略与算法
• 3.1 FHEV能量管理目标
• 3.2 常用控制策略比较
• 3.2.1 开关控制策略
• 3.2.2 功率跟随控制策略
• 3.2.3 自适应能量管理策略
• 3.3 自适应能量管理策略的实现
• 3.3.1 PEMFC的保护控制规则
• 3.3.2 超级电容充放电控制规则
• 3.3.3 自适应能量分配算法
• 第4章 FHEV能量管理系统建模与仿真
• 4.1 PEMFC模型
• 4.1.1 PEMFC动态模型
• 4.1.2 PEMFC输出控制模块
• 4.2 超级电容模型
• 4.3 DC/DC模型
• 4.4 电机驱动模型
• 4.5 能量管理控制模型
• 4.6 仿真结果分析
• 第5章 FHEV能量管理系统硬件设计与实现
• 5.1 PEMFC控制模块
• 5.1.1 PEMFC控制器
• 5.1.2 启动电源控制模块
• 5.1.3 温度检测及温控电路
• 5.1.4 气压检测及气体流量控制电路
• 5.2 能量管理控制模块
• 5.2.1 超级电容充放电控制电路
• 5.2.2 能量管理控制器
• 5.3 软件实现流程
• 5.3.1 燃料电池控制软件流程
• 5.3.2 能量管理控制软件流程
• 5.4 实验结果分析
• 5.4.1 平坦路面测试
• 5.4.2 爬坡性能测试
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况