摘 要

面对巨大的能源消耗和严重的环境污染，无污染的新能源汽车日益重要，燃料电池汽车以其无污染、效率高的优势得到广泛的重视。由于燃料电池组的输出特性较软，通常和蓄电池组或者超级电容组等构成复合电源系统，作为汽车的动力源。因此研究有效可行的能量管理策略，提高燃料电池汽车整车性能，成为重中之重。

本文基于ADVISOR仿真软件对复合电源系统中燃料电池和锂电池复合电源系统进行研究，针对复合电源汽车燃料电池组、锂电池组、驱动电机等重要部件进行原理说明、模型介绍。根据燃料电池组放电特性，分析并设计了功率跟随式能量管理策略，以锂电池组荷电状态为核心，结合驱动电机需求功率将能量管理策略分为9个能量管理策略区间。在满足汽车正常行驶的基础上，尽可能的保证锂电池组荷电状态在目标值附近上下波动。

基于ADVISOR仿真软件，选择合适部件模型，并选取五种不同类型的典型工况对燃料电池和锂电池复合电源汽车进行仿真分析，分析不同工况下驱动电机实际输出转矩、燃料电池组实际输出功率、锂电池组实际输出功率、锂电池组荷电状态，在不同工况下验证功率跟随式能量管理策略的可行性。

关键词：电动汽车，复合电源系统，能量管理策略，ADVISOR，工况

Abstract

In the face of huge energy consumption and serious environmental pollution, pollution-free new energy vehicles are becoming more and more important, and fuel cell vehicles have been widely valued for their pollution-free and high efficiency advantages. Because the output characteristics of the fuel cell group are softer, it usually forms a composite power supply system, such as the battery group or the Super capacitor group, as the power source of the automobile. Therefore, it is a top priority to study an effective and feasible energy management strategy to improve the performance of fuel cell vehicles.

Based on the ADVISOR simulation software, this paper studies the composite power supply system of the fuel cell and lithium battery of the composite power supply system, and introduces the principle and model of the important parts such as the fuel cell group, the lithium battery pack and the driving motor of the composite power supply vehicle. According to the discharge characteristics of fuel cell group, the power following energy management strategy is analyzed and designed, and the energy management strategy is divided into 9 energy management strategy intervals with the charge state of lithium battery pack as the core and the demand power of the driving motor. On the basis of satisfying the normal driving of the car, as far as possible to ensure that the charge state of the lithium battery pack fluctuates up and down near the target value.

Based on the ADVISOR simulation software, the suitable part model is selected, and five different types of typical working conditions are selected to simulate and analyze the fuel cell and lithium battery composite power supply vehicle, and the actual output torque of the driving motor, the actual output power of the fuel cell group, the actual output power of the lithium battery pack and the charge state of the lithium battery pack are analyzed Verify the feasibility of power follow-up energy management strategy under different working conditions.

Key words: Fuel Cell Vehicles, Composite Power Supply System, Energy Management Strategy, ADVISOR, Condition.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 论文研究背景与意义 1

1.2 燃料电池汽车研究现状 1

1.3 能量管理策略研究现状 2

1.4 本课题研究内容 3

1.5 本章小结 4

第2章 复合电源汽车部件模型 5

2.1 燃料电池和锂电池复合电源汽车仿真软件 5

2.2 燃料电池组 8

2.2.1 燃料电池介绍 8

2.2.2 燃料电池组模型 8

2.3 锂电池组 9

2.4 驱动电机 13

2.5 部件选择结果 14

2.6 本章小结 15

第3章 复合电源汽车能量管理策略 16

3.1 能量管理策略目标 16

3.2能量管理策略设计 17

3.3本章小结 21

第4章 工况仿真及结果分析 22

4.1 复合电源汽车参数 22

4.2 CONSTANT_60工况 23

4.2.1 CONSTANT_60工况介绍 23

4.2.2 CONSTANT_60工况仿真结果 24

4.3 ECE_EUDC工况 26

4.3.1 ECE_EUDC工况介绍 26

4.3.2 ECE_EUDC工况仿真结果 27

4.4 ARB02工况 30

4.4.1 ARB02工况介绍 30

4.4.2 ARB02工况仿真结果 31

4.5 UDDS工况 35

4.5.1 UDDS工况介绍 35

4.5.2 UDDS工况仿真结果 36

4.6 CSHVR工况 39

4.6.1 CSHVR工况介绍 39

4.6.2 CSHVR工况仿真结果 40

4.7 能量管理策略评价 44

4.8 本章小结 45

第5章 总结与展望 46

5.1 全文工作总结 46

5.2 后续工作展望 46

参考文献 47

附录 48

致谢 50

第1章 绪论

本章主要介绍燃料电池和锂电池复合电源系统的研究背景及意义，分析燃料电池汽车的建模、能量管理策略、性能等方面的国内外研究现状，提出本文对于燃料电池和锂电池复合电源汽车的研究内容和研究方法

1.1 论文研究背景与意义

自1886年卡尔本茨申请汽车专利起，汽车工业到如今已有一百三十多年的发展历程，汽车工业的发展程度已然成为一个国家工业实力的体现。传统动力汽车的能量利用效率只有30%—40%，较低的能源利用效率造成了化石能源的过量消耗和环境的严重污染，全球气候变暖明显，因此研发无污染、能量利用效率高、使用新型能源的新型汽车已经成为了当今世界汽车行业的发展趋势。

新能源汽车的“新”是相对于传统的燃油动力汽车而言，“新能源”是指消耗之后不产生污染的能源，是化石能源的替代能源。目前世界各国研究的新能源汽车大多是将各种其他能源中的能量转化为电能，通过电流逆变器、控制器、驱动电机等装置为汽车提供动力。燃料电池由于无污染产生、能量利用率高、燃料来源广泛等优势，成为了目前新能源汽车能源装置的优先选择。

燃料电池由于自身工作特性较软、动态响应速度慢、功率密度低等不足，单独作为汽车能源装置时，会无法满足及时满足汽车的动力需求且不能回收汽车制动时产生的能量。通常燃料电池汽车会将燃料电池作为主要能源装置，将蓄电池组或者超级电容作为辅助能源装置，形成复合电源汽车。锂电池作为现代科技的产物，具有能量高、体积小、无污染、性能稳定等诸多优势，经常被选作燃料电池汽车的辅助能源装置。

1.2 燃料电池汽车研究现状

国外对于电动汽车的研究最早可以追溯到1828年，世界第一辆制造出来的电动车是在1835年前后完成的。1899年，轮毂电动机问世，以其为基础研发的Lohner-Porsche电动车更是在1900年巴黎世博会中登场，轰动一时。不过由于内燃机的广泛使用，电动汽车方向的研究一直没有得到广泛关注。

近年来，世界各国对于电动汽车领域研究的投入越来越多，燃料电池汽车特别是燃料电池复合电源汽车取得了显著成果。

加拿大在1993年推出世界第一辆自主设计生产的燃料电池汽车；美国通用公司设计生产雪佛兰 “Equinox”系列燃料电池汽车；日本丰田集团宣布量产“Mirai”燃料电池汽车；韩国现代汽车集团推出全世界第一款大量进入市场的“ix35”燃料电池汽车；德国奔驰公司的“Citaro”燃料电池客车得到广泛应用。

纵观国外燃料电池汽车的发展，世界的各大汽车制造厂商均在燃料电池汽车方面投入大量资金和技术，已基本完成燃料电池汽车的性能研发工作，燃料电池汽车性能可达到传统燃油动力汽车水平，但是大量资料和专利被封锁，各国各企业之间没有足够的技术交流，限制了燃料电池汽车技术的发展。

我国燃料电池汽车起步较晚，和燃料电池汽车领域的世界先进水平存在较大差距，但我国政府在燃料电池汽车领域给予政策扶持，致力于消除和世界先进水平之间的差距。

2007年，我国第四代燃料电池汽车研发成功；2008年，20辆上汽大众燃料电池汽车示范运行两个多月；2009年，赴美参与为期半年的国际化示范运行；2012年世博会，196辆燃料电池汽车示范运行半年之久。

高校中对于燃料电池汽车的研究也在稳步进行，武汉理工大学研发出“楚天”系列燃料电池汽车，同济大学研发出“超越”系列燃料电池汽车，清华大学研发出“清能”系列燃料电池汽车等。

综上所述，我国燃料电池汽车技术虽然起步较晚，但正在以极快的速度追赶国际先进技术，研发的燃料电池汽车在性能上接近世界先进水平。

1.3 能量管理策略研究现状

燃料电池和锂电池复合电源汽车具有燃料电池组和锂电池组两个动力源，必然需要对两个动力源进行功率分配问题，使燃料电池组工作在理想负荷区，锂电池组作为负荷调节，提高整车能量利用效率。

文献利用ADVISOR仿真软件设计了新的中国典型道路工况，并设计基于Sugeno型模糊逻辑控制的能量管理策略，在所设计的工况下进行仿真，与传统型的功率跟随式能量管理策略进行仿真对比分析，得出了一种优越于功率跟随式策略的能量管理策略。

文献提出了基于状态的自适应能量管理策略，根据锂电池荷电状态和驱动电机需求功率划分工作区域，并与基于功率的自适应能量管理策略（功率跟随式）进行对比仿真验证，基于状态的自适应能量管理策略减少了氢气消耗，并且更好的保护了锂电池，具有更好的经济性。

文献对电动汽车能量管理策略进行分类及关键技术进行研究。

文献提出了一种对Ragone图中电源系统能量密度与功率密度更加形象化的表示方法。

文献采用粒子群算法对模糊控制的规则以及隶属度进行调整，改善了锂电池组和超级电容的功率分配，降低了复合电源汽车的能源消耗。

文献对ADVISOR仿真软件进行了二次开发，设计了针对超级电容组作为辅助能源装置的复合电源汽车的模糊能量管理策略；并针对模糊控制的缺点，采用粒子群智能优化算法对模糊控制策略的隶属度函数和模糊控制规则进行优化，改善了整车的工作状态，提高了整车的经济性。

文献以驱动电机需求功率和超级电容组的荷电状态为输入变量，以燃料电池组的输出功率为输出变量，设计了基于模糊控制的模糊能量管理策略；采用遗传算法对模糊控制器的隶属度函数进行优化，使能量管理控制器对于输出功率的分配更加合理，且负载突变过程中的燃料电池输出功率更加平稳。

文献研究了瞬时优化最佳能耗控制策略，结合ADVISOR平台，对复合电源汽车动力系统进行仿真分析，并分别与功率跟随式能量管理策略和on/off能量管理策略进行对比，瞬时优化最佳能耗控制策略实现了其控制目的，在保证整车动力性能的前提下，经济性优于功率跟随式能量管理策略，并且动力电池的荷电状态SOC处于稳定的波动范围。

文献提出改进的粒子群算法ALiPSO（自适应关联度粒子群）优化算法，对燃料电池汽车的氢气消耗量进行优化，并与FMINCON函数优化对比，验证了ALiPSO算法的有效性，提高了汽车的能量利用效率。

1.4 本课题研究内容

本文主要研究燃料电池和锂电池复合电源汽车的复合电源系统，修改并选择复合电源汽车的重要部件模型，分析并设计针对燃料电池和锂电池复合电源系统的能量管理策略，并基于ADVISOR仿真软件在不同工况下对管理策略进行仿真验证。

研究内容和研究方法如下。

（1）分析比较国内外研究现状，对复合电源汽车部件及仿真软件ADVISOR进行介绍，分析选择质子交换膜燃料电池的原因并对锂电池组模型进行修改，在仿真软件ADVISOR对驱动电机模型、燃料电池组模型、锂电池组模型进行选择。

（2）分析并设计能量管理策略。对能量管理策略的目标进行分析，明确对复合电源系统进行能量管理的目的，明确在复合电源系统中燃料电池组和锂电池组各自的所起到作用。选择最常用的功率跟随式控制策略原则，设计基于锂电池组荷电状态和驱动电机需求功率的能量管理策略，将能量管理策略划分为多个能量管理小区间，并对每个能量管理区间工作状态进行分述。

（3）设计复合电源汽车参数和指标，选取CONSTANT_60工况、ECE_EUDC工况、ARB02工况、UDDS工况、CSHVR工况五种工况进行仿真。分别对五种工况下的驱动电机实际输出转矩、燃料电池组实际输出功率、锂电池组实际输出功率、锂电池组荷电状态等仿真结果进行分析，验证所设计能量管理策略的合理性。

论文章节安排及论文构架如图1.1所示。

图1.1 论文章节安排及构架

第一章、绪论。对复合电源汽车的研究背景及意义进行介绍，简述燃料电池汽车的国内外研究现状、复合电源汽车能量管理策略的国内外现状

第二章、复合电源汽车部件模型。研究ADVISOR仿真软件中的复合电源汽车各部件模型，包括锂电池组模型、燃料电池组模型、驱动电机模型等。对各部件模型进行选择，并进行模型的修改。

第三章、复合电源汽车能量管理策略。研究ADVISOR仿真软件中的能量管理策略模型原理，设计复合电源系统的功率跟随式能量管理策略，以锂电池组荷电状态为核心，对各情况下的能量管理区间进行简述。

第四章、工况仿真及结果分析。设计复合电源汽车参数和指标，在CONSTANT_60工况、ECE_EUDC工况、ARB02工况、UDDS工况、CSHVR工况五种工况下进行仿真，验证所设计能量管理策略的合理性。

1.5 本章小结

本章主要介绍了燃料电池汽车研究的意义，分析燃料电池汽车的研究现状和能量管理策略的研究现状，最后介绍了本课题的研究内容和各部分安排。

第2章 复合电源汽车部件模型

本章将介绍燃料电池和锂电池复合电源汽车仿真软件ADVISOR，选取合适的燃料电池汽车部件模型。研究燃料电池模型、锂电池模型、驱动电机模型，对各部件模型进行原理说明、模型选择和模型修改。

2.1 燃料电池和锂电池复合电源汽车仿真软件

ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator，高级汽车仿真器)是由美国国家可再生能源实验室NREL(National Renewable Energy Laboratory)基于MATLAB/SIMULINK软件环境开发的一种高级车辆仿真软件。该软件从1994年1月开始使用，可以对传统车辆、混合动力车辆和纯电动车辆各种性能进行仿真分析。ADVISOR仿真软件中关于汽车的模型包括驱动电机模型、蓄电池组模型、变速器和主减速器模型、车轮/车轴模型、车辆动力学模型等。ADVISOR仿真软件的后台部件由模型化的MATLAB/SIMULINK语言编写而成，提供了多种可供选择的开源电动汽车电力系统部件模型，而且ADVISOR仿真软件也为用户提供了良好的人机操作平台，使仿真分析简便易行。ADVISOR中燃料电池与锂电池复合电源汽车仿真原理图如图2.1所示。

图2.1 ADVISOR中燃料电池与锂电池复合电源汽车仿真原理图

ADVISOR仿真软件仿真过程大致分为三部分：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

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