燃料电池电动汽车控制系统研究

王春杰

摘 要：文章对主要介绍了燃料电池电动汽车控制系统的燃料电池技术、发动机系统及蓄电池组，并对各主要组成部件燃料电池、驱动机、辅助动力源进行选型，根据燃料电池电动汽车的动力性、燃料经济性的要求，形成以燃料电池为主，蓄电池组为辅的动力搭配方式。借助运动仿真软件ADVISOR对车辆的动力性、燃料经济性进行运动仿真研究，比较仿真结果，确定一个较为合理的匹配方式。

关键词：燃料电池电动汽车;驱动系统;ADVISOR;仿真

中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：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 燃料電池电动汽车控制系统的关键技术

1.1 燃料电池技术

燃料电池由阴极、阳极和电解质三部分组成，其工作原理是将燃料的化学能直接转变为电能。如图1就是燃料电池的构造。

1.2 燃料电池发动机系统组成

燃料电池发动机系统主要包括了以下几个部分：

1.2.1 氢气供给系统

氢气供给系统主要功能是连续的向电堆提供具有一定压力、一定流量的高纯度的氢气，确保燃料电池堆中的电化学反应可以连续进行。

1.2.2 空气供给系统

要确保燃料电池堆之中的电化学反应可以持续进行。除氢气供给系统外，还需要通过空气供给系统向电堆提供与氢气系统相同压力、一定流量连续不断地氧气。

1.2.3 冷却水循环管理系统

要确保燃料电池堆之中的电化学反应可以正常、高效进行，必须要对电堆的温度（如进口70℃，出口80O℃左右）进行严格控制。为此，设计出了一套优良的冷却水循环管理系统^[1]，设计方案如图2所示。

1.2.4 分布式控制系统

分布式设计方案，由一块主ECU进行能量分配及信息调试，再由各个子ECU对各个子系统进行控制，各个子ECU分别以总线的形式进行通信。这样不仅提高了系统运行的可靠性，还便于扩展和维护。

2.1 燃料电池电动汽车各参数选择

2.1.1 电动机参数的选择

若给出了期望的最高车速，那么根据公式就可以大致的确定出发动机功率，即：

式中^[2]：在这取燃料电池电动汽车的最高车速为150km/ h，η_T =0.75～0.95，这里η_T 取0.85，得出汽车功率P_e=73.42KW。

ADVISOR中存在直流电动机模块MC_AC75，所以决定使用P_e=75KW。

2.1.2 传动比参数的确定

燃料电池电动汽车的传动比包括变速器传动比和主传动比。根据公式P=F*v，在汽车功率一定的情况下，驱动力与车速成反比。由于直流电动机的启动转矩比较大，并且易于实现无级变速，所以传动比只需满足最高车速和最大爬坡度的要求即可，选择两档变速器就够了。最小传动比的档位为直接档，传动比i_g2=1，因此主减速器的传动比可以由最高车速求取，即如下式：

式中：i₀为主减速器的传动比;n_mr为电动机的最高稳定转速（r/min）;r为车轮半径（m）。

电动机的最高稳定转速为：

式中：β取值为：2～4;

根据汽车的最高车速确定电机的最高转速：

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

所以得出：

2.1.3 燃料电池的选定

燃料电池种类繁多，一般可以按照燃料电池电解质的不同分为四大类：

（1）碱性燃料电池（AFC）

碱性燃料电池是最早用于车辆的燃料电池。由于其输出功率大、功率密度高，还被用在航天飞机上。可以说，AFC是目前技术最成熟的燃料电池之一。

（2）磷酸燃料电池（PAFC）^[3]

以天然气为燃料的11KW的PAFC电站已建成并投入运行，它的综合热效率可达到70%～80%。1996年美国在25座的大客车上安装了PAFC并进行了路试，车上采用燃料电池系统和蓄电池混合电源系统，燃料使用甲醇，额定功率为50KW，效率大于44%。

（3）质子交换膜燃料电池（PEMFC）

质子交换膜燃料电池具有效率高、比功率大、重量轻、无腐蚀性等优点，另外燃料来源广泛，它的最佳工作温度要求不高，室温下就可工作，特别适合用作交通车辆的移动电源。质子交换膜燃料电池极有可能替代内燃机而成为汽车新的动力源。

（4）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）

这两种电池的工作温度都较高，而且燃料本身能量转换效率高，余热利用率也高，主要用作电厂发电。

通过比较四种燃料电池，还考虑到该车的工作条件，所以燃料电池的类型选择质子交换膜燃料电池。

2.1.4 蓄電池的选择

虽然市面上蓄电池有十几种，但真正应用于电动车上的寥寥无几，只有铅酸电池、氢-镍电池与锂离子电池。

燃料电池电动汽车所选的蓄电池的类型为氢-镍电池。

2.2 燃料电池电动汽车的建模及仿真

通过上述的计算，在燃料电池电动汽车各参数选择上，整车整备质量为1380kg，空气阻力系数为0.3，迎风面积为2.0，轮胎半径为0.323m，发动机功率选择75KW，燃料电池功率选择50KW。

将相关参数输入ADVISOR软件中：

（1）该燃料电池电动汽车在行驶了24km消耗的燃料是64.5L，相当于内燃机4.4L，0-100km/h的加速时间为11秒，最大速度为156.9km/h，如图3所示。

（2）汽车的最大扭矩随着时间的变化，在0-2000rpm的时候扭矩趋于平稳维持在500N·m左右，随着汽车转速的增加，扭矩有所下降，但当汽车的转速到达10000RPM左右，扭矩又趋于平稳，在200N·m左右，如图4所示。

（3）转换效率大都在50%-60%之间。

（4）其充电效率之高，都在80%以上。

（5）该燃料电池系统的放电效率很高，几乎是100%深度放电。

3 总结

本文从燃料电池电动汽车控制系统的角度，利用现阶段收集到的资料及数据，对燃料电池电动汽车控制系统的关键技术：燃料电池系统、电动机、蓄电池组进行了较为全面的研究。结合燃料电池电动汽车的设计要求，综合车辆动力性、稳定性、燃料经济性等方面的要求，经过理论与实际相结合最终选择出以燃料电池为主要动力源，蓄电池组为辅助能源的最优匹配方式。

参考文献

[1] 户岛和夫，久保馨，丰田汽车公司EHV技术部，2000年丰田汽车技术讲座资料，2000，12.

[2] 唐任远等，现代永磁电机理论与设计，北京：机械工业出版社，1997.

[3] 万沛霖，电动汽车的关键技术，北京，北京理工大学出版社，1998.