燃料電池電動汽車控制系統研究

王春杰

摘 要：文章對主要介紹了燃料電池電動汽車控制系統的燃料電池技術、發動機系統及蓄電池組，并對各主要組成部件燃料電池、驅動機、輔助動力源進行選型，根據燃料電池電動汽車的動力性、燃料經濟性的要求，形成以燃料電池為主，蓄電池組為輔的動力搭配方式。借助運動仿真軟件ADVISOR對車輛的動力性、燃料經濟性進行運動仿真研究，比較仿真結果，確定一個較為合理的匹配方式。

關鍵詞：燃料電池電動汽車;驅動系統;ADVISOR;仿真

中圖分類號：U469.7 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-26-03

Research on Control System of Fuel Cell Electric Vehicle

Wang Chunjie

（Shandong Port Group Rizhao Port Lanshan company， Shandong Rizhao 276808）

Abstract：?This paper mainly introduces the fuel cell technology， engine system and battery set of the fuel cell electric vehicle control system， and selects the fuel cell， drive machine and auxiliary power source of each main component. According to the requirements of power performance and fuel economy of the fuel cell electric vehicle， the power collocation mode with fuel cell as the main component and battery pack as the auxiliary is formed. By means of motion simulation software ADVISOR the motion simulation of vehicle's dynamic performance and fuel economy is studied.Keywords： Fuel cell electric vehicle;?Drive system; ADVISOR;?SimulationCLC NO.：?U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-26-03

1 燃料電池電動汽車控制系統的關鍵技術

1.1 燃料電池技術

燃料電池由陰極、陽極和電解質三部分組成，其工作原理是將燃料的化學能直接轉變為電能。如圖1就是燃料電池的構造。

1.2 燃料電池發動機系統組成

燃料電池發動機系統主要包括了以下幾個部分：

1.2.1 氫氣供給系統

氫氣供給系統主要功能是連續的向電堆提供具有一定壓力、一定流量的高純度的氫氣，確保燃料電池堆中的電化學反應可以連續進行。

1.2.2 空氣供給系統

要確保燃料電池堆之中的電化學反應可以持續進行。除氫氣供給系統外，還需要通過空氣供給系統向電堆提供與氫氣系統相同壓力、一定流量連續不斷地氧氣。

1.2.3 冷卻水循環管理系統

要確保燃料電池堆之中的電化學反應可以正常、高效進行，必須要對電堆的溫度（如進口70℃，出口80O℃左右）進行嚴格控制。為此，設計出了一套優良的冷卻水循環管理系統^[1]，設計方案如圖2所示。

1.2.4?分布式控制系統

分布式設計方案，由一塊主ECU進行能量分配及信息調試，再由各個子ECU對各個子系統進行控制，各個子ECU分別以總線的形式進行通信。這樣不僅提高了系統運行的可靠性，還便于擴展和維護。

2.1 燃料電池電動汽車各參數選擇

2.1.1 電動機參數的選擇

若給出了期望的最高車速，那么根據公式就可以大致的確定出發動機功率，即：

式中^[2]：在這取燃料電池電動汽車的最高車速為150km/?h，η_T =0.75～0.95，這里η_T?取0.85，得出汽車功率P_e=73.42KW。

ADVISOR中存在直流電動機模塊MC_AC75，所以決定使用P_e=75KW。

2.1.2 傳動比參數的確定

燃料電池電動汽車的傳動比包括變速器傳動比和主傳動比。根據公式P=F*v，在汽車功率一定的情況下，驅動力與車速成反比。由于直流電動機的啟動轉矩比較大，并且易于實現無級變速，所以傳動比只需滿足最高車速和最大爬坡度的要求即可，選擇兩檔變速器就夠了。最小傳動比的檔位為直接檔，傳動比i_g2=1，因此主減速器的傳動比可以由最高車速求取，即如下式：

式中：i₀為主減速器的傳動比;n_mr為電動機的最高穩定轉速（r/min）;r為車輪半徑（m）。

電動機的最高穩定轉速為：

式中：β取值為：2～4;

根據汽車的最高車速確定電機的最高轉速：

式中：i_o=3.722;i_g2=1;n_max=5000r/min;n_mr=2000r/min

所以得出：

2.1.3 燃料電池的選定

燃料電池種類繁多，一般可以按照燃料電池電解質的不同分為四大類：

（1）堿性燃料電池（AFC）

堿性燃料電池是最早用于車輛的燃料電池。由于其輸出功率大、功率密度高，還被用在航天飛機上。可以說，AFC是目前技術最成熟的燃料電池之一。

（2）磷酸燃料電池（PAFC）^[3]

以天然氣為燃料的11KW的PAFC電站已建成并投入運行，它的綜合熱效率可達到70%～80%。1996年美國在25座的大客車上安裝了PAFC并進行了路試，車上采用燃料電池系統和蓄電池混合電源系統，燃料使用甲醇，額定功率為50KW，效率大于44%。

（3）質子交換膜燃料電池（PEMFC）

質子交換膜燃料電池具有效率高、比功率大、重量輕、無腐蝕性等優點，另外燃料來源廣泛，它的最佳工作溫度要求不高，室溫下就可工作，特別適合用作交通車輛的移動電源。質子交換膜燃料電池極有可能替代內燃機而成為汽車新的動力源。

（4）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）

這兩種電池的工作溫度都較高，而且燃料本身能量轉換效率高，余熱利用率也高，主要用作電廠發電。

通過比較四種燃料電池，還考慮到該車的工作條件，所以燃料電池的類型選擇質子交換膜燃料電池。

2.1.4 蓄電池的選擇

雖然市面上蓄電池有十幾種，但真正應用于電動車上的寥寥無幾，只有鉛酸電池、氫-鎳電池與鋰離子電池。

燃料電池電動汽車所選的蓄電池的類型為氫-鎳電池。

2.2 燃料電池電動汽車的建模及仿真

通過上述的計算，在燃料電池電動汽車各參數選擇上，整車整備質量為1380kg，空氣阻力系數為0.3，迎風面積為2.0，輪胎半徑為0.323m，發動機功率選擇75KW，燃料電池功率選擇50KW。

將相關參數輸入ADVISOR軟件中：

（1）該燃料電池電動汽車在行駛了24km消耗的燃料是64.5L，相當于內燃機4.4L，0-100km/h的加速時間為11秒，最大速度為156.9km/h，如圖3所示。

（2）汽車的最大扭矩隨著時間的變化，在0-2000rpm的時候扭矩趨于平穩維持在500N·m左右，隨著汽車轉速的增加，扭矩有所下降，但當汽車的轉速到達10000RPM左右，扭矩又趨于平穩，在200N·m左右，如圖4所示。

（3）轉換效率大都在50%-60%之間。

（4）其充電效率之高，都在80%以上。

（5）該燃料電池系統的放電效率很高，幾乎是100%深度放電。

3 總結

本文從燃料電池電動汽車控制系統的角度，利用現階段收集到的資料及數據，對燃料電池電動汽車控制系統的關鍵技術：燃料電池系統、電動機、蓄電池組進行了較為全面的研究。結合燃料電池電動汽車的設計要求，綜合車輛動力性、穩定性、燃料經濟性等方面的要求，經過理論與實際相結合最終選擇出以燃料電池為主要動力源，蓄電池組為輔助能源的最優匹配方式。

參考文獻

[1] 戶島和夫，久保馨，豐田汽車公司EHV技術部，2000年豐田汽車技術講座資料，2000，12.

[2] 唐任遠等，現代永磁電機理論與設計，北京：機械工業出版社，1997.

[3] 萬沛霖，電動汽車的關鍵技術，北京，北京理工大學出版社，1998.