【正文】 感謝我的家人 ,多年來(lái)是他們?cè)诒澈竽闹С趾凸膭?lì)著我 ,他們希翼的目光 永遠(yuǎn)是我堅(jiān)定前行不懈的動(dòng)力 ， 他們憔悴的面容永遠(yuǎn)是我刻苦奮斗的力量源泉 ,祝愿你們身體健康、平安、幸福。興趣是自發(fā)形成的，而默契是慢慢培養(yǎng)出來(lái)的 。 終于到了設(shè)計(jì)的時(shí)候了，花了整整十幾天，終于完成了設(shè)計(jì)，不過(guò)仿真 的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)結(jié)果和想的有所不同，通過(guò)反復(fù)修改才得出了需要的設(shè)計(jì)。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書 28 (4) 研究燃料電池和超級(jí)電容電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的實(shí)驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)體系，結(jié)合我國(guó)道路行駛狀況的驅(qū)動(dòng)循環(huán)工況，對(duì)基于燃料電池和超級(jí)電容的電動(dòng)汽車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 今后的研究展望 基于燃料電池和超級(jí)電容的電動(dòng)汽車技術(shù)是一個(gè)比較新的領(lǐng)域，存在著許多技術(shù)問(wèn)題有待解決。 (2) 以燃料電池和超級(jí)電容為能源 的 汽車各有其優(yōu)缺點(diǎn)，為了較好的結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，提 出基于燃料電池和超級(jí)電容的電動(dòng)汽車。如果有另一種電源與燃料電池同時(shí)給電動(dòng)汽車供能，使得燃料電池始終處于最高效率工作狀態(tài)，這對(duì)能源的充分利用有很大的幫助。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書 26 圖 39燃料電池效率圖 如上圖 39 所示，橫坐標(biāo)為燃料電池輸出功率，縱坐標(biāo)為燃料電池效率。如上圖所示：燃料電池的 SOC 值 與 電壓的大小基本上成正比的關(guān)系。 如圖 34 電動(dòng)汽車參數(shù)定義界面所示，該定義界面左下角有燃料電池轉(zhuǎn)換器、電機(jī)控制器、儲(chǔ)存能量的圖形。 5) 重放 (Replay)功能 ： 在可視化的 GUI 上動(dòng)態(tài)顯示仿真結(jié)果，其界面與 交 互式仿真的 GUI 相同。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書 23 2) 仿真報(bào)告 (Results Figure)： 它包括燃料消耗率、行駛距離、有害氣體排放速度和爬坡能力報(bào)告。 系統(tǒng)控制部分負(fù)責(zé)控制仿真速度和動(dòng)態(tài)輸入當(dāng)前仿真時(shí)間步長(zhǎng)的道路循環(huán)，它包括請(qǐng)求速度和坡度。 5) 計(jì)算輔助電器的負(fù)荷： 該功能可以計(jì)算車輛上輔助電器的能源消耗。測(cè)試過(guò)程包括 TESTCITYHWY 和 TESTFTP 等 八 種國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試過(guò)程供用戶選擇仿 真 。 在 ADVISOR 中定義車輛仿真參數(shù)的界面如圖 33 所示。 3) 設(shè)計(jì)控制策略 ADVISOR 提供了六 種控制策略 模板 ，包括：并行電動(dòng)輔助（ Parallel ElectricAssist）、自適應(yīng)控制策略（ Adaptive Control Strategy）、模糊邏輯控制策略（ Fuzzy Logic Control Strategy）、本田 Insight 等。優(yōu)化目標(biāo)包括最小化部件的 尺寸 、 車輛的質(zhì)量 以及 最大化城市 /公路混合燃料經(jīng)濟(jì)性。用戶可以在修改 ADVISOR 已有電動(dòng)汽車的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立和保存自己的傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件。 2) 設(shè)置部件的仿真參數(shù)： ADVISOR 設(shè)計(jì)車輛（ Vehicle） 、燃料轉(zhuǎn)換器 (Fuel Converter,包括發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池 )、能源儲(chǔ)存系統(tǒng)（ Energy Storage System,簡(jiǎn)稱 ESS，用于存儲(chǔ)電能的設(shè)備，例如超級(jí)電容，燃料電池等）和電動(dòng)機(jī)（ Motor）等多個(gè)部件的仿真模型。以下逐步介紹 ADVISOR 的系統(tǒng)功能 [11]。前向仿真包括駕駛員模型，考慮了請(qǐng)求速度和當(dāng)前速度，更接近于汽車的實(shí)際狀況，計(jì)算結(jié)果較后向仿真更為準(zhǔn)確，但這種仿真方法會(huì)增加計(jì)算量，使運(yùn)行速度減慢，而且傳動(dòng)系統(tǒng)的功率計(jì) 算還要依賴于汽車的 實(shí)際狀態(tài)。由道路循環(huán)模塊（ drive cycle） 提供給汽車所應(yīng)滿足的行駛軌跡，向整車 控制 模塊 (vehicle)請(qǐng)求所需的速度，整車 控制 模塊利用汽車行駛方程式計(jì)算出滿足這一速度請(qǐng)求所需的車輪轉(zhuǎn)速和力，再向車輪和車軸模塊（ wheel and axle）發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求沿后向路徑逐級(jí)向上級(jí)模塊主減速器模（ final drive） 、變速器模塊(gearbox)、離合器模塊（ clutch） 、機(jī)械負(fù)載模塊（ Mechanical Accessory Loads） 等傳遞，直到發(fā)動(dòng)機(jī)模塊（ fuel converter，燃料轉(zhuǎn)換器），計(jì)算出需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供的實(shí)際功率，由此完成了后向仿真過(guò)程。 后向仿真和前向仿真各有優(yōu)缺點(diǎn)， ADVISOR 采用后向仿真為主，前向仿真為輔的混合仿真方法，將兩種仿真方法較好的結(jié)合起來(lái)，既使計(jì)算量較小，同時(shí)又保證了仿真結(jié)果的精度。其優(yōu)點(diǎn)是其部件模型之間的聯(lián)系更加接近于車輛的實(shí)際情況，這種算法比后向仿真法的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。車輛控制器能在仿真過(guò)程中有效地開發(fā)和測(cè)量。 前向仿真方法（ Forwardfacing Approach） 與后向仿真法的主要區(qū)別在于車輛仿真程序包括了駕駛員模型，它能考慮請(qǐng)求速度和現(xiàn)在速度，來(lái)生產(chǎn)節(jié)氣門和制動(dòng)命令。 后向仿真方法（ Backwardfacing Approach） 是在假設(shè)車輛能滿足道路循環(huán)的請(qǐng)求行駛軌跡（包括汽車行駛速度、道路坡度和汽車動(dòng)態(tài)質(zhì)量）的前提下，計(jì)算汽車中的各個(gè)部件性能的仿真方法。 5） 能與其他多種軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真（ Cosimulation） ： 汽車是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其仿真更是涉及機(jī)械、電子、控制等多個(gè)領(lǐng)域，工作量很大， ADVISOR 軟件開發(fā)過(guò)程中也難以涉及所有領(lǐng)域，這樣就限制了它的一些功能的實(shí)現(xiàn)。用戶可以方便地研究 ADVISOR 的仿真模型及其工作武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書 17 原理，在此基礎(chǔ)上根據(jù)需要修改或重建部分仿真模型、調(diào)整或重新設(shè)計(jì)控制策略 ， 使之更接近于實(shí)際情況，得出的仿真結(jié)果也會(huì)更合理。 (1) ADVISOR 的主要功能和特點(diǎn) ADVISOR 是 MATLAB 和 SIMULINK 軟件環(huán)境下的一系列模型、 數(shù)據(jù)和腳本文件，它在給定的道路循環(huán)條件下利用車輛各部分參數(shù)，能快 速地分析傳統(tǒng)汽車，純電動(dòng)汽車，燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放 性等各種性能。由于該軟件通過(guò)大量的實(shí)踐被證實(shí)具有較好的實(shí)用性，現(xiàn)在世界上許多生 產(chǎn)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和高校都在使用該軟件做汽車仿真方面的研究。 仿真軟件 ADVISOR 概述 ADVISOR(Advanced Vehicle Simulation,高級(jí)車輛仿真器 )是由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室 NREL(National Renewable Energy Laboratory)在 MATLAB 和 SIMULINK 軟件環(huán)境下開發(fā)的高級(jí)車輛仿真軟件。其通信速率最高可達(dá) 1Mbps,可掛接的設(shè)備數(shù)最多可達(dá) 110個(gè)。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)：系統(tǒng)的開放性 、 互可操作性 和互用性 ； 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化和功能自治性 ； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式 、 數(shù)字化 、 多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 (7) 儀表及顯示模塊 車載儀表及顯示系統(tǒng) 是 整車十分重要的一環(huán)，系統(tǒng)保留了原車儀表盤，但其指示的信息發(fā)生了變化，儀表及顯示模塊采集 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，通過(guò)接口控制儀表盤，保留了車速，里程數(shù)等傳統(tǒng)顯示量 ， 同時(shí)，考慮電動(dòng)機(jī)的特殊性 ， 增加了行車指示，燃料電池氫氣儲(chǔ) 存 量，超級(jí)電容能量等 信息。如圖 23 所示的動(dòng)力系統(tǒng) 圖 中，燃料電池通過(guò)一個(gè)升壓 DC∕ DC 變換器聯(lián)入母線，對(duì)燃料電池的輸出電壓進(jìn)行升壓變換和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的功率需求調(diào)整燃料電池輸出的母線電壓，能夠更好的滿足電機(jī)的工作需求。四 開關(guān)器件的變換器主要是全橋式 DC∕ DC (BuckBoost)變換器。按輸入 /輸出間是否有電氣隔離可分為不隔離式和隔離式直流變換器兩種。 超級(jí)電容的主要參數(shù)有容量、工作電壓、電流和內(nèi)阻等。 超級(jí)電容采用了雙層電容技術(shù) ，其 工作原理是利用電機(jī)上加壓在電極表面形成了雙層武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書 12 電容來(lái)儲(chǔ)存能量。 由于目前超級(jí)電容的比能量較小，所以只能用作輔助的功率型能量源，與燃料電池較高的比能量進(jìn)行有益的補(bǔ)充。因此合理的選擇超級(jí)電容作為輔助能源，在加速和爬坡時(shí)提供短時(shí)的輔助動(dòng)力 ， 在減速和下坡時(shí)吸收回饋 制動(dòng)的能量，可以使燃料電池工作在一個(gè)較為穩(wěn)定的低功率高效率區(qū)間 [6]。由于超級(jí)電容的容量相對(duì)較小， 為了保障其它汽車附屬設(shè)備的供電要求，在汽 車以最高車速 maxu 行駛時(shí) ， 燃料電池功率 eP 必須能單獨(dú)滿足其行駛要求，即 )761 40360 0(1 m a x3m a x AuCG fuP DTe ?? ? 其中 T? 為傳動(dòng)系效率， G 為整車滿載重量， f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)， DC 為風(fēng)阻系數(shù)， A為迎風(fēng)面積。同時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)還包括保護(hù)整個(gè)電池堆系統(tǒng)的正常運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)到電池堆有任何不正常時(shí)就要向駕駛員發(fā)出警報(bào)信號(hào)，或是自動(dòng)采取行動(dòng)。 4） 控制系統(tǒng)：燃料電池發(fā)電時(shí)的啟動(dòng)、停止、運(yùn)行、外接負(fù)載等的控制裝置。在氫氣供給系統(tǒng)中，與氫氣并聯(lián)放置的 還有氮?dú)夤?，這主要是從安全的角度上考慮的，當(dāng)燃料電池堆不工作時(shí)，為了避免殘存在氣路 的 氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)造成危險(xiǎn)， 通常要通入惰性氣體，比如氮?dú)?。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池本體的形式和使用燃料的不同和用途的不同有區(qū)別 ， 主要包括燃料供給 ， 燃料電池控制器 ， 燃料電池堆 ， 熱管理和余熱回收等部 分。本設(shè)計(jì)中用到兩種電源 ； 燃料電池和超級(jí)電容。與傳統(tǒng)的車輛不一樣，整車控制器并不是一個(gè)轉(zhuǎn)速 /車速閉環(huán)控制系統(tǒng)，而是一個(gè)扭矩閉環(huán)控制系統(tǒng)。電動(dòng)汽車中驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)的是新型電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它由電機(jī)控制器和電機(jī)兩部分共同組成。燃料電池本體的特性比較軟，電壓隨負(fù)載變化較大需要經(jīng)過(guò)大功率的 DC∕ DC 變換器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定，可控的直流電源。純電動(dòng)汽車是指以車載電源、蓄電池等為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛；燃料電池電動(dòng)汽車是一種可以將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，它的特 點(diǎn) 是能量轉(zhuǎn)換效率高，約是內(nèi)燃機(jī)的兩到三倍，生成物是水，不污染環(huán)境，缺點(diǎn)是造價(jià)太高；混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是裝有兩個(gè)以上動(dòng)力源的汽車，常 見的是在城內(nèi)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在城外用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)中采用了燃料電池和超級(jí)電容兩種動(dòng)力源，為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。 (5) 可靠性高 超級(jí)電容器工作過(guò)程中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)工作極少，因而超級(jí)電容器的可靠性是極高的。而當(dāng)今蓄電池的充放電循環(huán)壽命只有數(shù)百次，只有超級(jí)電容器的十幾萬(wàn)分之一。由于兩電荷層的距離非常小（一般在 以 下），加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬(wàn)倍地增加，從而產(chǎn)生極大的電容量，電容的這種極化作用可以 儲(chǔ)存電能 [3]。此外，質(zhì)子交換膜電池還具有接近常溫工作以及起動(dòng)迅速的特點(diǎn)，非常適合用于運(yùn)輸動(dòng)力、可攜式電源以及家用型發(fā)電機(jī)，被公認(rèn)為最有希望成為電動(dòng)汽車的理想動(dòng)力 源。此外，燃料電池沒(méi)有較大的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，所以系統(tǒng)運(yùn)行的可 靠性較高，不易發(fā)生故障，具有良好的維護(hù)性。表 12 為燃料電池和傳統(tǒng)發(fā)電方式排放物的比較。理論上，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 90%左右，但在實(shí)際運(yùn)用過(guò) 程中由于各種極化的存在，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率約為 40%～ 60%，若采用熱電聯(lián)產(chǎn)的方式，其能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá) 80%以上。C ～ 750176。因此，從工作方式上看，它類似于常規(guī)的汽油或柴油發(fā)電機(jī)。但堿 性燃料電池的缺點(diǎn)是必須清除空氣中的 2CO ， 質(zhì)子交換膜燃料電池則無(wú)此必要，加上 20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，質(zhì)子交換膜燃料電池的性能大幅度提高，其功率密度和能量密度都已達(dá)到汽車要求，大大加速了質(zhì)子交換膜燃料電池汽車的的開發(fā)速度。在直接甲醇燃料電池方面，大連化物所、韓國(guó)三星公司、南孚電池公司建立了合作實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科技大學(xué)無(wú)機(jī)膜研究所已成功地研制了新型中溫固態(tài)氧化物燃料電池。燃料電池汽車及其關(guān)鍵技術(shù)的研究和樣車的研制開發(fā)被列入國(guó)家“ 863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)中，給與重點(diǎn)資助。日本豐田汽車公司在 2021 年第四屆豐田環(huán)境論壇上，公布了 日野汽車公司研制的 燃 料電池公交車 FCHVBUS1，該車采用低地板設(shè)計(jì)，燃料采用高壓氫氣，動(dòng)力系統(tǒng)采用“燃料電池 +電池”的混合動(dòng)力系統(tǒng)，燃料電池功率 90KW， 可載客 63 人。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省已組成“燃料項(xiàng)目小組”進(jìn)行燃料電池應(yīng)用的普及和推廣工作， 在 2021 年前，將燃料電池電動(dòng)汽車的價(jià)格降低到傳統(tǒng)汽車相等的水平。 2021 年初，美國(guó)總統(tǒng)布什更進(jìn)一步投入 12 億美元啟動(dòng)“自由燃料（ Freedom Fuel）”的氫能推動(dòng)計(jì)劃，以緩解石油供應(yīng)短缺給民生與工業(yè)發(fā)展帶來(lái)的壓力，達(dá)到能源供應(yīng)自給自足的目標(biāo)。 表 11 加州燃料電池伙伴聯(lián)盟的主要成員 機(jī)構(gòu) 主要成員 汽車廠商 戴姆勒克萊斯勒、福特、通用汽車公司（歐寶）、本 田、現(xiàn)代、日產(chǎn)、豐田、福斯 能源公司 BP石油、艾克森石油、雪弗龍 德士古石油、殼牌氫能 燃料電池公司 巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司、聯(lián)合技術(shù)電池公司 政府機(jī)構(gòu) 加州空氣資源局、加州能源委員會(huì)、加州南海岸空氣品質(zhì)管理區(qū)、 美國(guó)能源部、美國(guó)運(yùn)輸部、美國(guó)環(huán)保署 加拿大也有類似 CaFCP 的組織，稱為“為更清潔的加拿大加油 ” 計(jì)劃，參與這項(xiàng)計(jì)劃的主要成員包括巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司、生產(chǎn)與銷售甲醇的 Methanex Corp 以及加拿大最大的石油與天然氣公司 Petrol Canada 等。加州燃料電池伙伴聯(lián)盟的成立有以下四項(xiàng)主要工作： (1) 利用在加州實(shí)際狀況下的操作，并進(jìn)行燃料電池汽車的示范運(yùn)行。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書 2 1993 年，戴姆