摘 要

在以煤炭为主等非清洁能源的过度使用而导致许多突出的负面问题随之而来的今天，燃料电池汽车，作为新能源汽车的一种，已然成为了一个热门的能源领域研究主题。被广泛应用的质子交换膜燃料电池，从上个世纪六十年代初的首次应用到现在，在各个方面都有所发展与突破。因为其工作温度低、效率高、启动速度快、环境友好等众多优势，被各大汽车企业进行投资与研究。而超级电容器具有很高的功率密度，在极短的时间内可以进行充放电，高可靠性和长使用寿命等特点，非常适合在混合动力系统中作为改善蓄电池的动力源。燃料电池以及超电容器的结合将在很大程度上改善燃料电池汽车的动力性、经济性性能。

本文从质子交换膜燃料电池PEMFC的工作原理出发，以MATLAB/SIMULINK平台，建立了三种PEMFC的单电池模型，改变各种因素进行仿真模拟，从而得到其稳态及动态的输出特性。并且从超级电容器的数学模型和等效电路模型入手，建立了超级电容的仿真动态模型。结合上述仿真，分别讨论了四种燃料电池电动汽车混合驱动系统的特点。最后，在燃料电池超级电容器混合动力系统下，根据各个部件的特性制定合适的能量分配策略。

关键词：超级电容器；燃料电池；建模与仿真；PEMFC

Abstract

With the overuse of non-clean energy, such as coal, leading to many outstanding negative problems, fuel cell vehicles, as a kind of new energy vehicle, have become a hot research topic in the energy field. Proton exchange membrane fuel cells, which have been widely used, have been used for the first time since the early 1960s and have seen development and breakthroughs in all aspects. Because of its many advantages, such as low operating temperature, high efficiency, quick start-up, and environmental friendliness, it has been invested and researched by many major automotive companies. The super-capacitor has a very high power density, it can be charged and discharged in a very short time and has higher reliability and long service life, it is very suitable as a power source for improving the battery in a hybrid power system. The combination of fuel cells and ultra-capacitors will greatly improve the power and economic performance of fuel cell vehicles.

This paper starts from the working principle of the proton exchange membrane fuel cell PEMFC, sets up three kinds of PEMFC single cell model on the MATLAB/SIMULINK platform, changes various factors to carry on the simulation, thus obtains its steady state and the dynamic output characteristic. And starting from the mathematical model and equivalent circuit model of super-capacitor, a dynamic simulation model of super-capacitor is established. Based on the above simulations, the characteristics of four hybrid fuel cell electric vehicle drive systems were discussed and the control strategy for the main part of the fuel cell was briefly defined. Finally, under the fuel cell super-capacitor hybrid power system, a suitable energy distribution strategy is formulated according to the characteristics of each component.

Key Words：super-capacitor ; fuel cell; PEMFC; modeling and simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2燃料电池电动汽车概况 2

第2章 FCEV混合动力系统结构和原理 5

2.1燃料电池 5

2.2超级电容器 8

2.3本章小结 10

第3章 质子交换膜燃料电池建模及仿真 11

3.1数学模型研究现状 11

3.2 SIMULINK平台质子交换膜燃料电池的建模与仿真 13

3.3本章小结 30

第4章 质子交换膜燃料电池发动机系统的建立 32

4.1质子交换膜燃料电池发动机系统的组成 32

4.2质子交换膜燃料电池堆的建模 34

4.3空气压缩机模型的建立 37

4.4 本章小结 39

第5章 超级电容器建模及仿真 40

5.1超级电容器的理论模型 40

5.2超级电容器的等效电路模型 40

5.3 SIMULINK平台超级电容器的建模与仿真 42

5.4 本章小结 47

第6章 燃料电池/超级电容器混合动力系统 49

6.1燃料电池电动汽车驱动系统的分类 49

6.2燃料电池/超级电容器混合动力系统能量控制策略 52

6.3 本章小结 60

第7章 总结与展望 61

7.1 研究总结 61

7.2研究展望 61

参考文献 63

附录 67

致谢 70

第1章 绪论

1.1研究背景

随着工业的发展，汽车数量大幅的上升，加上以煤炭为主的非清洁能源的过度使用，导致许多突出的负面问题随之而来。例如日益加重的雾霾等污染问题一直困扰着我国北方人民、全球变暖也已经侵害到挪威群岛上北极熊的生存等。许多国家政府已经意识到这些问题的严重性并且已出台许多与清洁能源替代相关的政策法规。新能源汽车代替燃油汽车似乎成为了历史上的一个必然趋势 ^[1]。

燃料电池电动汽车能够减少温室气体排放。汽油和柴油动力车辆排放的温室气体（GHGs），大部分是二氧化碳（CO2），这些都会导致气候变化。由纯氢气驱动的燃料电池车（FCV）不排放尾气温室气体，只有热量和水。的确，为燃料电池汽车生产氢气会产生温室气体，不过，它比传统的汽油和柴油车辆产生的温室气体少得多。燃料电池汽车还可以减少我们对外国石油的依赖，因为氢气可以源自国内。这些来源包括天然气和煤炭，以及可再生能源，如水，沼气和农业废弃物。这将使我们减少对其他国家的经济依赖，并且不容易受到日益波动的石油市场的油价冲击的影响。除此之外，高速公路车辆排放大量雾霾和有害颗粒物，造成了空气污染而纯氢气驱动的燃料电池汽车不排放任何有害污染物。虽然从化石燃料中制取氢气会产生一些污染物，但远低于传统车辆产生的量。

不同于传统的发电模式，燃料电池不需要经过燃烧，只需进行化学反应就可以将燃料中的化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池作为燃料电池的一种，从上个世纪六十年代初的首次应用到二十年的发展停滞状态再到现在，在各个方面都取得了一定的发展与突破。