【正文】 制系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術(shù)發(fā)展的熱點之一 ， 被譽為自動化領域的計算機網(wǎng)絡。行車指示表明系統(tǒng)啟動自檢正常后方可駕車行駛；超級電容能量和燃料電池氫氣儲存量反應了系統(tǒng)能源的當前狀態(tài)，駕駛員要根據(jù)它決定行駛的時間長短以及合適充電和增加氫氣供給等，對駕駛員來說這是非常重要的信息。電機控制器有兩種控制方式，一種為模擬機械控制，整車控制器直接通過機械連接實現(xiàn)模擬控制，即整車控制器同電機控制器之間傳遞的是模擬量；另一種為數(shù)字式控制 ， 整車控制器通過 CAN 網(wǎng)發(fā) 出 命令及數(shù)據(jù)去控制電機控制器。同時 DC∕ DC 變換器可以對燃料電池的最大輸出電流和功率進行控制，起到保護燃料電池系 統(tǒng)的目的 [8]。 武漢工程大學畢業(yè)設計 （ 論文 ）說明書 13 燃料電池本身帶有自適應控制系統(tǒng)，可以根據(jù)電機控制系統(tǒng)提出的工作需求而輸出功率，但由于燃料 電池的自身弱點，伴隨著輸出功率的增大，輸出電壓會有所下降，對電機的工作不利。隔離式變換器也分為單開關管和雙開關管兩種 ， 單開關管有單端正激式變換器（ Forward Converter）和單端反激式變換器（ Flyback Converter）兩種，雙管的有雙端正激、雙端反激、推挽和半橋四種。雙開關器件 DC∕ DC 變換器有兩種串接升壓型和半橋式(BuckBoost)變換器。不隔離式直流變換器按開關器件個數(shù)又可分為單管、雙管和四管 3 類。 (5) DC∕ DC 變換器 直流 /直流變換器（ DC∕ DC 變換器 ）的功能是將一種直流電變換成另一種固定或可調(diào)電壓的直流電，又稱為直流斬波器（ DC Chopper） 。 超級電容存儲的能 量為 [7]： 221CUE? 電容器的容量： dAC ?? 其中 ? 為有效電解質(zhì)常數(shù)， A 為電極表面積， d 為電極間距離。能量密度是 普通電容的 100倍左右，循環(huán)壽命可以達到 50萬次。目前的超級電容的電容量已達到數(shù)千法拉 ， 電壓達到兩到三伏。采用雙向 DC∕ DC變換器控制它們之間的功率分配 ， 并限制燃料電池在車輛低功率行駛時對超級電容的充電 。燃料電池的輸出功率應與車輛的平均行駛功率需求相當，超級電容起到 功率的削峰平谷的作用。超級電容并不是作為主要動力電源 ， 所以對超級電容的容量沒有過高的要求 ， 而在車輛 中 使用 的 器件的穩(wěn)定性是非常重要的 ， 所以成本低廉且技術(shù)更加成熟穩(wěn)定的碳電極雙電層電容是最為合適的超級電容。 電動汽車上使用的超級電容在選用過程中需要考慮超級電容的 容量、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性等許多方面的 問題 。在低速勻速行駛時消耗的功率較小 ， 在加速和上坡時需要消耗的功率卻非常高 ， 在下坡或減速的時候，燃料電池的需求功率為零。 在實 際運行時，為了保證對電動機的電力供應以及對超級電容進行充電，應留有一定得后備功率。燃料電池的最 大功率應該考慮汽車的最大車速 ， 汽車附屬設備的消耗功率 ， 有無空調(diào)、 照明設備等。主要的報警信號有：水箱水位報警，循環(huán)水中的電導率報警，氫氣進堆壓力報警，電堆出口水溫報警，循環(huán)水流量報警和電功率報警等。為了防止 2H 泄露到空氣中發(fā)生爆炸，在氫氣罐瓶口和電堆旁都 安裝了氫氣報警器。 5） 剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)：在高溫燃料電池發(fā)電裝置中，由于燃料電池排熱溫度高，因此安裝可以使用蒸汽輪機與燃氣輪機剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng)。 3） 余熱回收系統(tǒng)：用 于回收燃料電池發(fā)電時產(chǎn)生的熱能。 2） 空氣供應系統(tǒng) ： 提供與 2H 燃燒釋放能量的 2O 。 武漢工程大學畢業(yè)設計 （ 論文 ）說明書 10 圖 22 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成框圖 1） 2H 供給 系統(tǒng) ： 向燃料電池堆提供一定壓力、一定流量的高純度的 2H 。包括 2H 供給 系統(tǒng) ， 空氣供應系統(tǒng) ， 余熱 回收系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)等。 (3) 燃料電池發(fā)動機 燃料電 池發(fā)動機除了燃料電池本體外 ， 還要和外圍裝置共同組成發(fā)電系統(tǒng)。超級電容作為輔 助能源主要負責在加速 ， 爬坡或負載過大時提供短時間的輔助動力 ,在減速和下坡時吸收回饋制動的能量 ， 可以使得燃料電池工作在一個較為穩(wěn)定的低功率高效率區(qū)間。 (2) 能量流管理模塊 能量流管理模塊的主要作用是根據(jù) 扭矩的大小和兩種電源的當前狀態(tài)決定能量的分配 ， 實現(xiàn)能量匹配 ， 并將能量傳輸?shù)诫姍C。系統(tǒng)根據(jù)駕駛員操縱踏板信息來控制電機的電流，從而達到控制電機輸出扭矩。接下來介紹電動汽車的各個組成 部分 [4]： (1) 整車控制模塊 整車控制模塊的主要作用是 根據(jù)駕駛員的操作信息實現(xiàn)對車輛的運動控制。電機控制器接受整車控制器的扭矩指令來控制電機，進而控制車輪的前進和倒退。 武漢工程大學畢業(yè)設計 （ 論文 ）說明書 9 與燃油汽車不一樣，電動汽車沒有傳統(tǒng)的發(fā)動機，省去了離合器分離和結(jié)合這一傳統(tǒng)汽車必不可少的重要兩步，使駕駛員的操作變得更加簡單和方便。超級電容器作為輔助電源。 就控制系統(tǒng)而言是一個基于 CAN 總線的分布式系統(tǒng)，信息傳輸介質(zhì)為光纖，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)，其系統(tǒng)主體部分組成結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示： 圖 21 電動汽車結(jié)構(gòu)框圖 其中燃料電池發(fā)動機是電動汽車的主要能源，它由燃料電池堆和燃料電池輔助系統(tǒng)組成。其中燃料電池作為主要能源；超級電容作為輔助能源，與燃料電池等高能量密度的物質(zhì)相 結(jié)合，超級電容器能提供快速的能量釋放，滿足高功率需求，從而使燃料 電池僅作為能量源使用。 武漢工程大學畢業(yè)設計 （ 論文 ）說明書 8 第二章 基于燃料電池和超級電容電動汽車控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 燃料電池和超級電容電動汽車控制系統(tǒng)組成 電動汽車分為三部分：純電動汽車、燃料電池電動汽車和混合動力電動汽車。 (6) 比能量低 比能量低 是 目前超級電容器的顯著缺陷，并在一定程度上限制了電動汽車的續(xù)駛里程。而且，所 用的電極材料在相應的電解液中也是穩(wěn)定的，故理論上超級電容器的貯存壽命幾乎可以認為是無限的。 (3) 充電時間短 從目前已經(jīng)做出的超級電容器充電實驗結(jié)果來看，全充電時間只要 10～ 12min； 蓄電池在這么短的時間是無法實現(xiàn)全充電的。 (2) 充放電循環(huán)壽命長 超級電容器在充放電過程中沒有發(fā)生電化學反應，其循環(huán)壽命可達 1 萬次以上。 圖 11 超級電容器的工作原理 超級電容器的結(jié)構(gòu)形式可以大致分為兩類：一種是圓柱狀電容器，即把基片卷繞起來裝進圓形金屬外殼內(nèi)，這種電容器適用于低電壓大電流充放電的情況；另一種是疊層式的，即將電極基片疊起來，組裝在塑料或金屬外殼中，這種電容器適用于高電壓小電流充放電的情況。它是根據(jù)電化學雙電平理論研制而成的，如圖 11 所示，當向電極充電時處于理想化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電層電容?；谫|(zhì)子交換膜燃料電池的以上優(yōu)點，在本設計中將采用質(zhì)子交換膜燃料電池。 目前，質(zhì)子交換膜燃料電池作為第五代燃料電池，其優(yōu)點是清潔無污染、能量轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、無碳酸鹽生成、生成的水潔凈（可以直接 飲用 ）、應用范圍廣、設計簡單、制造方便、既可以采用純氫 做 燃料也可以采用重整轉(zhuǎn)化燃料。燃料電池的副產(chǎn)物是水和熱，可以回收利用 [2]。 (4) 良好的建設、運行和維護特性 由于燃料電池沒有鍋爐、汽輪發(fā)電機等龐大的成套設備，占地面積小，而且安靜、清潔，所以適合安裝在城區(qū)、居民區(qū)或風景區(qū)等處作為現(xiàn)場電源，而且電池部件模塊化，可以方便地擴大或縮小安裝規(guī)模，具有極強的建設靈活性。此外，燃料電池沒有鍋爐，汽輪機和太多的傳動部分，所以工作時非常安靜，噪聲很低。一般燃料電池以富氫氣體作為燃料，在制備富氫氣體的過程中排放的 2CO 要比 熱機發(fā)電過程的排放量減少 40%以上，而且由于燃料電池的反應產(chǎn)物是 2HO,所以與傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠相比，只排放極少量的有害 物質(zhì)，如 XNO 、 XSO和 粉塵等。此外，在低于額定負載的條件下工作時，武漢工程大學畢業(yè)設計 （ 論文 ）說明書 5 由于機械損失和熱損失的增加，熱機的效率要下降，而燃料電池則會由于各種極化的減小而獲得更高的能量 轉(zhuǎn) 換效率。燃料電池之所以受到人們的極大關注，主要是因為它具有其他能量轉(zhuǎn)換裝置所不具備的優(yōu)越性，具體表現(xiàn)在以下幾 個方面 [1]： (1) 效率高 燃料電池等溫地將反應物的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾圖循環(huán)限制，因此可以獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。C ）和高溫型（高于 750176。C ） 、中溫型（ 200176。 迄今已研究開發(fā)出多種類型的燃料電池，根據(jù)不同的分類方法有很多種燃料電池。當它工作時，需要不間斷地向電池內(nèi)輸入燃料 和氧化劑，并同時排出反應物。 燃料電池基礎 燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它按電化學原理，等溫地把儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能。在燃料電池中，只有堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池可滿足車用要求。導致我國電動車研發(fā)熱最直接的原因是 2021年奧運會開出的 20億元電動汽車的訂單，規(guī)定奧運會電動車只能在國內(nèi)生產(chǎn)制造，而國內(nèi)生產(chǎn)廠商也想借機實現(xiàn)技術(shù)上的飛躍，從而促進電動車在步入快車道。 2021 年春，該所與清華大學合作將 75KW 的質(zhì) 子交換膜燃料電池應用武漢工程大學畢業(yè)設計 （ 論文 ）說明書 4 在公共汽車上。在我國，燃料電池研發(fā)過程中具有代表性的是大連化學物理研究所，此所已從事燃料電池的研究近 50 年?！笆濉逼陂g。 2021年對 FCHVBUS1 進行了多項改進，并在此基礎上開發(fā)出 FCHVBUS2,其主要特點是燃料電池增加到 2 個，從而將燃料電池的輸出功率增加到 180KW， 驅(qū)動系統(tǒng)采用雙電機驅(qū)動方式，最高車速達到 80Km/h,行駛里程為 250Km。 2021 年豐田公司的燃料電池客車就已在日本東京投入營業(yè)性運行。日本目標是在 2020 年燃料電池電動汽車的社會保有量達 500 萬輛以上，建設 3800 個氫加注站。 日本政府對燃料電池汽車的研究開發(fā) 和推廣應用也表示極大的關注，為了促進燃料電池汽車的商業(yè)化，有中央和地方政府共同資助在大阪、京都、東京等城市建立加氫站。布什在國情咨文中表示自由燃料計劃除了繼續(xù)支持幫助原有的自由車計劃之外，更重要的是支持幫助氫燃料制造、儲存和運輸技術(shù)的氫能發(fā)展計劃。計劃重點除了發(fā)展燃料電池技術(shù)，以便能夠大量生產(chǎn)一般消費者負擔得起的燃料電池車輛外，同時還要建立供應氫 燃料的基礎設施，以解決燃料電池電動車普及化的主要障礙。與 CaFCP 相似，這項計劃的主要工作是建 立具有可行性的商業(yè)化燃料分布網(wǎng)，以滿足 PEMFC 燃料電池電動車所需的燃料。 (4) 提高大眾對燃料電池汽車的關心并強化印象，以便為商業(yè)化市場作好準備。 (2) 驗證包括氫氣甲醇加注站等替代燃料的周邊設施技術(shù)的可行性。計劃的內(nèi)容是從 2021 年 11 月開始，在加州首府薩克拉門托進行燃料電池電動車實地行駛實驗，主要目的是收集各家燃料電池電動車的實際 路測數(shù)據(jù)，借 以探討燃料電池電動車的可行性以及燃料補給等基礎設施 大量生產(chǎn)的可行性等。福特汽車公司集團隨后于1997 年加入該策略聯(lián)盟，并成立了第三家公司 Escord，專門負責燃料電池發(fā)動機的電推進與控制系統(tǒng)的研發(fā)。 燃料電池汽車國內(nèi)外發(fā)展概況 目前 全世界各大汽車集團以及石油公司都投入巨資進行燃料電池汽車的開發(fā)，并以各種形式的策略聯(lián)盟與合作，希望早日將燃料電池電動車推向 市場 。電動汽車，特別是代表未來發(fā)展方向的燃料電池汽車是實現(xiàn)我國汽車工業(yè)跨越發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。同時我國的石油資源比較匱乏，僅居世界第十位，從 1993 年開始我國已經(jīng)從石油凈出 口 國轉(zhuǎn)變?yōu)槭瓦M口國， 2021 年的石油進口量突破 1 億噸。目前正在開發(fā)的新能源包括天然氣、液化石油氣、醇類 、二甲醚、氫、合成燃料、生物氣、空氣以及電荷燃料電池等。 上個世紀末以來世界各國和各大汽車公司以及國內(nèi)各大科研機構(gòu)和高等院校紛紛致力于開發(fā)清潔節(jié)能汽車，新能源汽車獲得了長足發(fā)展。我國作為石油進口國和第二大石油消費大國，污染嚴重，世界認定的 20個污染最嚴重的城市有 16 個在中國。 ADVISOR Simulation 武漢工程大學畢業(yè)設計 （ 論文 ）說明書 目 錄 摘 要 .........................................................................................................................................................................I Abstract ....................................................................................................................................................................... II 第一章 緒 論 ................................................................................................................................................