车载制氢式燃料电池电动汽车混合动力系统设计与研究

【摘要】：汽车是现代工业技术最具有影响的成就之一,汽车产业是现代世界经济的重要支柱之一,为现代社会的发展,在满足人类需求上做出了重大贡献。然而,随着大量汽车的使用,已经并将持续引发严重的环境与人类生存问题。 燃料电池电动汽车具有很多优点,有着巨大的发展潜力。但是,如果在燃料电池车上仅安装燃料电池同样会出现很多问题,比如电源设备体积大且沉重,起动时间长,功率响应慢,在急加速和低速行驶时效率低下等等。 结合不同类型电动汽车的优点,本课题燃料电池电动汽车的设计方案,较为有效地解决了氢气的储运问题,满足了燃料电池汽车对能量回收、功率和动态特性的特殊要求。有别于储氢式燃料电池汽车,此方案省去了加氢过程,采用车载制氢,去掉了高压储氢装置,采用燃料电池作为主动力电源驱动电机,锂电池作为辅助电源,进行驱动加速和能量回收。 本文对燃料电池电动汽车的动力和控制系统进行重新设计,根据燃料电池、锂电池和电动汽车的特性,设计适用于车载制氢式燃料电池电动汽车的混合动力系统。在此基础上试制了电驱动系统、电池管理系统、电能变换器等主要系统的样机及控制板。 在基于MATLAB/Simulink环境的ADVISOR仿真平台上,搭建混合动力驱动模型和纯燃料电池驱动模型,并进行仿真和对比分析。结果显示混合动力驱动模型中燃料电池和锂电池分别在高效率及安全运行区域工作,且燃料电池输出功率波动较小,提高了能源利用效率,延长了燃料电池使用寿命。同时可对锂电池充放电进行有效管理,保证了充电安全,同样延长了锂电池的使用寿命。 【关键词】：燃料电池 电动汽车 混合动力 车载制氢 ADVISOR
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-18
• 1.1 研究背景及意义8-10
• 1.2 国内外技术发展研究现状10-15
• 1.2.1 电动汽车的发展现状10-11
• 1.2.2 燃料电池技术的研究现状11-13
• 1.2.3 国外燃料电池汽车的研究现状13-14
• 1.2.4 我国燃料电池汽车技术的发展现状14-15
• 1.3 本课题研究目标及内容15-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第2章 制氢式燃料电池电动汽车结构分析及设计18-36
• 2.1 车载制氢式燃料电池电动汽车的基本结构18-19
• 2.2 车载制氢系统选用19-21
• 2.2.1 甲醇水蒸气重整制氢19-20
• 2.2.2 甲醇部分氧化重整制氢20
• 2.2.3 甲醇自热重整制氢20-21
• 2.3 质子交换膜燃料电池的结构、工作原理及性能分析21-26
• 2.3.1 质子交换膜燃料电池的特点及工作原理21-23
• 2.3.2 膜电极23
• 2.3.3 催化剂23-24
• 2.3.4 双极板24
• 2.3.5 质子交换膜燃料电池的水管理和热管理24-25
• 2.3.6 质子交换膜燃料电池的性能分析25-26
• 2.4 DC/DC电能变换器分析及选用26-29
• 2.4.1 DC/DC变换器的功能及类型26-27
• 2.4.2 双向升降压型DC/DC电能变换器结构、原理及工作模式分析27-29
• 2.5 驱动电机及其控制系统29-32
• 2.5.1 驱动电机的主要类型29-30
• 2.5.2 永磁无刷直流电机驱动控制策略30-32
• 2.6 辅助电池及其管理系统32-35
• 2.6.1 峰值电源的类型及选用32
• 2.6.2 锂电池的充放电特性32
• 2.6.3 电池管理系统功能设计32-35
• 2.7 再生制动系统35
• 2.8 本章小结35-36
• 第3章 燃料电池电动汽车混合动力系统设计36-50
• 3.1 混合动力系统电力耦合驱动模式分析36-40
• 3.1.1 纯燃料电池系统驱动模式36-37
• 3.1.2 动力电池组和燃料电池系统混合驱动模式37-38
• 3.1.3 超级电容器和燃料电池系统混合驱动模式38
• 3.1.4 辅助电池、超级电容器和燃料电池系统混合驱动模式38-40
• 3.2 F+B电力耦合驱动系统的结构、运行模式及控制策略40-44
• 3.2.1 F+B模式电力耦合驱动系统的结构设计40-41
• 3.2.2 F+B模式电力耦合驱动系统的运行模式41
• 3.2.3 F+B模式电力耦合驱动系统的控制策略41-44
• 3.3 混合动力驱动系统的参数设计44-49
• 3.3.1 设计要求44-45
• 3.3.2 驱动电机功率设计45-47
• 3.3.3 燃料电池系统功率设计47
• 3.3.4 锂电池组功率及能量容量设计47-48
• 3.3.5 传动比设计48-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 混合动力驱动系统建模与仿真分析50-61
• 4.1 电动汽车建模仿真的基本原理和仿真软件简介50-51
• 4.2 燃料电池电动汽车系统建模51-52
• 4.2.1 主要系统模型51-52
• 4.2.2 燃料电池电动汽车整车模型52
• 4.3 仿真工况及分析52-60
• 4.3.1 仿真工况52-54
• 4.3.2 仿真结果与分析54-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 总结与展望61-62
• 5.1 全文工作总结61
• 5.2 后续工作展望61-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文66-67
• 致谢67

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