摘 要

氢燃料电池汽车是正在被世界各国重点研究的一个项目，这是因为它相较其他新能源汽车续驶里程更长，能量转化效率较高、排放产物不是CO或是有毒有害物质，而是无害的水，不仅如此它具备传统内燃机汽车的一些优点：加速性能好、行驶速度可以很高、高度的安全性。此次设计以丰田mirai燃料电池汽车为原型，进行该车的动力系统设计仿真。

首先，对现在几种正在研究和发展的动力系统进行介绍，在分析各个动力系统的特点后，选定燃料电池和蓄电池（FC B）作为最终方案。选定方案后，对丰田mirai的动力系统进行设计，确定了所需要使用的部件：驱动电机、燃料电池、蓄电池、DC/DC变换器、储氢装置。

其次，选定动力系统各部件的类型与参数， 分别是:1.质子交换膜燃料电池；2.锂离子蓄电池3.永磁无刷直流电机4.升降压式DC/DC转换器5.高压储氢罐。

最后，在确定了动力系统方案以及部件参数后，使用ADVISOR进行了一些仿真，并使用CATIA和AutCAD软件画出了质子交换膜燃料电池堆和锂离子蓄电池的有关图纸。

关键词：质子交换膜燃料电池汽车；动力系统设计；动力系统仿真

Abstract

Hydrogen fuel cell vehicles are a project that is being researched in the world. This is because it has a longer driving range than other new energy vehicles and has a high energy conversion efficiency. The emission are not CO or toxic ,but harmless water, not only that it has some advantages of traditional internal combustion engine cars: good acceleration performance, high speed and high safety. The design is based on Toyota's Mirai fuel cell car, and the vehicle's power system design simulation was performed.

First of all, we will introduce several current research and development power systems. After analyzing the characteristics of each power system, select the fuel cell and battery (FC B) as the final solution. After selecting the plan, Toyota's Mirai power system was designed to determine the components to be used: drive motors, fuel cells, batteries, DC/DC converters, and hydrogen storage devices.

Next, the type and parameters of each component of the power system are selected, They are: 1. Proton exchange membrane fuel cell; 2. Lithium ion battery 3. Three-phase asynchronous motor 4. Step-up and step-down DC/DC converter 5. High-pressure hydrogen storage tank.

Finally, after defining the powertrain solution and component parameters, some simulations were performed using ADVISOR, and drawings of proton exchange membrane fuel cell stacks and lithium ion batteries were drawn using CATIA and AutCAD software.

Key Words：Proton exchange membrane fuel cell vehicle; power system design; power system simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2燃料电池汽车动力系统国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 5

1.3本文研究内容 6

第二章 燃料电池汽车动力系统布置方案 7

2.1引言 7

2.2纯氢驱动燃料电池汽车(PFC) 7

2.3燃料电池 蓄电池混合动力驱动汽车（FC B） 7

2.4燃料电池 超级电容器混合动力驱动汽车（FC C） 8

2.5燃料电池 蓄电池加超级电容器混合驱动汽车（FC B C） 8

2.6燃料电池 蓄电池加超高速飞轮混合动力驱动汽车 9

2.7燃料电池汽车控制策略 9

2.7.1燃料电池的开关控制策略 10

2.8本章小结 10

第三章 氢燃料电池汽车动力系统设计 11

3.1引言 11

3.2燃料电池加蓄电池动力系统的布置方案 11

3.3动力系统部件选型 11

3.3.1燃料电池的选择 11

3.3.2蓄电池的选择 14

3.3.3电机的选择 15

3.3.4储氢装置选择 17

3.4.5DC/DC变换器的选择 17

3.4氢燃料电池汽车动力系统部件参数确定 18

3.4.1丰田mirai有关参数以及性能指标 18

3.4.2永磁无刷直流电机参数确定 19

3.4.3质子交换膜燃料电池参数确定 21

3.4.4锂离子电池参数确定 22

3.5小结 23

第四章 燃料电池汽车动力系统蓄电池SOC仿真 24

4.1引言 24

4.2仿真软件及其发展趋势 24

4.2前向仿真与后向仿真介绍 25

4.3ADVISOR仿真软件介绍 26

4.3.1参数输入界面 26

4.3.2仿真工况设置界面 26

4.3.3仿真输出设置界面 28

4.4ADVISOR二次开发 29

4.5仿真结果 29

4.6小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1全文总结 31

5.2展望 31

参考文献 32

附 录 34

致 谢 35

第一章 绪论

1.1 引言

如今主流的汽车为内燃机汽车，其尾气因为使用的汽油含硫等有害物以及燃烧不充分对环境造成巨大污染。全球百分之二十五以上的城市空气污染源于内燃机汽车尾气。不仅如此，能源枯竭也是世界汽车工业正在面临的问题现有的石油储备可供我们人类使用不到40年^[1]。

我国在改革开放后的经济建设中虽然取得了很大的成就，但是在一定程度上忽视了环境。我国虽为大国，但是人均资源占有量堪忧。并且汽车行业近几年增长快而稳，但是汽车排放污染是中国城市大气污染的主要来源之一,并且越来越引起人们的关注。目前世界上空气污染最严重的10个城市中有7个在中国,而国家环保中心预测,年汽车尾气排放量将占空气污染源的64%^[1]。

我国的数量持续不断的增加，石油的消耗与日俱增。目前我国的石油消耗量已位居世界第二，从1994年开始，我国成为石油的纯进口国，2017年中国国内石油净进口量约为3.96亿吨，同比增长10.8%，增速比2016年高1.2个百分点。2017年，石油对外依存度达到67.4%，较2016年上升3%^[2]。

随着世界人民对环保的重视，世界各大汽车公司也在燃油质量，发动机技术，和尾气净化装置等方面下了巨大的功夫，但这治标不治本。对于我国来说，资源的短缺与对资源的巨大需求愈来愈针锋相对，在石油方面尤为明显，我国的能源安全岌岌可危，而汽车行业又是需要石油能源的巨大产业。因此，我国重点研发新能源汽车刻不容缓，亦是大势所趋。在新能源汽车中，燃料电池汽车是较为成熟的，并且许多方面可以与内燃机汽车相媲美^[2]。

1.2燃料电池汽车动力系统国内外研究现状

在燃料电池汽车中，没有发动机和石油：燃料电池代替发动机（因为燃料电池的一些缺点，一般会加入辅助电源，在本文中是锂离子蓄电池），因为电动机的灵活变速，变速器和离合器不再被需要。