1. 研究目的与意义（文献综述）

1、课题背景：随着近现代工业的发展，人类对生活质量有了更高的追求，汽车行业也在不断发展之中。人类对于出行的便捷性要求已经使汽车进入千家万户。据不完全统计，2016年全球汽车的销量已达到惊人的9385.64万辆，全球汽车每年的销量还在稳步增长。随着汽车数量的不断增加，汽车尾气大量排放，环境问题越来越严重，能源危机日益凸显。因此大力发展环境友好型的汽车以此减少对环境的污染已成为汽车发展的重要方向^[1]。燃料电池电动汽车作为新能源汽车对环境的污染几乎为零，而且具有能量转化率相对较高、噪音小等优点，其发展已经得到了各国政府的大力支持和众多汽车厂商的青睐。燃料电池电动汽车的优点主要有以下几点^[2]：

(1)节约能源、有较高的转化率、不需要石油等一次能源。

(2)能够实现排放“零污染”，有利于解决环境污染问题。

2. 研究的基本内容与方案

4、课题研究或设计的内容：

研究思路及目标：针对燃料电池输出特性偏软，难以满足电动汽车需求的现状，采用燃料电池与超级电容复合电源。燃料电池作为主要能源，超级电容作为辅助能源，改善电动汽车性能。在ADVISOR软件中建立燃料电池与超级电容复合电源电动汽车仿真模型，开展参数设计及仿真研究。

基本内容包括以下几点：

（1）了解燃料电池与超级电容各自的结构以及基本工作原理，比较分析各类燃料电池、驱动电机和能量存储装置等动力部件的特性，选择较为合适的动力元件。

（I）质子交换膜燃料电池

燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，其组成与一般电池相同，它是按电化学原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应^[8-9]。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应，构成回路，产生电流。同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构，以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。

目前市面上的燃料电池种类繁多，分类方法也不尽相同，例如可以根据工作方式和原理来划分；根据动力燃料的种类来划分等；但是市面上比较普遍的分类方法为根据电解质的不同种类来划分。具体可以分为质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和磷酸燃料电池。在这几种燃料电池中，质子交换膜燃料电池同时兼备可快速补充能量、比功率大、无污染、无腐蚀性、高效率的特点，是理想替代发动机的动力源，也是今后未来电动汽车发展的比较理想的驱动电源。

质子交换膜燃料电池主要通过氢气和氧气发生化学反应来产生电能。其反应的具体过程如下：氢气从氢气进气口进入装置后在阳极失去电子变成氢离子，氢离子穿过质子交换膜在阴极同氧气以及经过外电路来到阴极的电子一起发生反应生成水。反应的进行伴随着电流的产生，反应产物只有水，因此基本可以做到“零污染”^[10]。其化学反应方程式为：

阳极反应式：

阴极反应式：

总反应：

燃料电池汽车是今后汽车发展的重要方向之一。纯燃料电池电动汽车是指单一使用燃料电池作为电源，不使用任何辅助电源供电，其系统结构如图1所示。

图1 纯燃料电池动力系统结构

纯燃料电池电动汽车的优点：

①结构简单，不使用辅助电源，既能降低成本，又能减轻车身的重量。

②单一电源供电，不存在功率分配以及电池保护的问题，降低了系统控制的复杂程度。

缺点：

①燃料电池动态响应慢，动态特性偏软，会大大降低整车的性能，在车辆起步、爬坡时可能存在动力不足等问题。

②燃料电池作为单方向供电电源，不能够对再生制动产生的能量进行回收，容易造成资源浪费，不利于整车的经济性。

（II）超级电容器

超级电容具有节省空间、等效串联电阻较低、充电电流很大而且速度极快的优点。超级电容采用的是电荷分离的技术进行能量存储，这使其存储和释放能量不需要进行化学反应，速度快且损耗小^[11-13]。然而超级电容价格昂贵，成本较高，不适合单独作为汽车的电源。近年来，超级电容在汽车能源领域中的应用逐渐成为研究的热点，尤其是在燃料电池混合动力汽车上作为辅助能源。它是一种介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能元件，靠极化电解液来储存静电能量的电化学装置，又被称为电化学双层电容。作为辅助能源，不仅可以在系统能量需求急速增大时提供峰值能量，而且可以使主动力源对其快速频繁的充电，具有高功率密度、低能量密度、循环寿命长、充电周期短等特点，对于电动汽车的启动、加速和爬坡具有极其重要的意义。

超级电容单体电压不高，使用过程中一般是通过串并联多个超级电容单体来构成超级电容组模块^[14-15]。超级电容组模型图如图2所示。

图2 超级电容组模型图

图2中，超级电容组由N_scs个超级电容串联、N_scp个超级电容并联组成。超级电容可简化为由一个容值为C_sccell的电容和一个内阻为R_sccell的电阻串联组成。超级电容组可简化为由一个容值为C_sc的电容和一个内阻为R_sc的电阻串联组成。

（III）燃料电池与超级电容复合电源电动汽车的结构和原理

燃料电池和超级电容混合动力系统将燃料电池作为主供电电源，超级电容作为辅助供电电源，其结构如图3所示。

图3 燃料电池和超级电容混合动力系统结构

在燃料电池与超级电容混合动力系统中，超级电容一方面用于燃料电池发动机起动，另一方面可以储存燃料电池发动机发出的电量和电机回馈时的能量，在燃料电池发动机功率不足时提供支持以实现快速功率响应。

燃料电池与超级电容混合动力系统优点：

①弥补了燃料电池动态响应慢的缺点，提高了整车性能。

②具有很高的比功率，在瞬时功率的提供方面性能更佳。

③能够更好地适应大电流充放电现象，循环使用寿命长。

缺点：

①超级电容组的加入，占了车辆一定的空间，同时也增加了车的质量。

②两种动力电源投入使用，增加了控制难度。

③比能量低，放电时间较短。

（2）在分析电动汽车功率需求特点的基础上，通过相关参数计算，对燃料电池、超级电容和电机等部件进行选型及参数设计。所选汽车参数如表1所示。

表1 电动汽车性能设计指标

（3）燃料电池与超级电容复合电源能量管理策略分析

由燃料电池和超级电容组成的复合电源具有较高的比功率和比能量，能很好地满足电动汽车对功率和能量的双重要求，可以提高燃料的利用率^[16]。因此许多专家和研究队伍致力于能量管理控制策略的研究。复合电源的控制策略最大意义在于既能保证汽车行驶动力性，又能利用燃料电池和超级电容的优势互补，避免燃料电池输出功率大幅波动，延长燃料电池的寿命；此外，超级电容还能回收制动能量，提高整车的经济性。总之，能量管理在燃料电池与超级电容组的功率分配、整车的动力性能及燃料消耗的经济性方面起着重要作用^[17]。

燃料电池与超级电容复合电源电动汽车的能量需求分析如图4所示。

图4 复合电源电动汽车能量需求分析

上图中，SOCsc,high 为超级电容组荷电状态上限值，SOCsc,high 为超级电容组荷电状态下限值。SOCsc,goal 为超级电容组荷电状态目标值。Phes,r 为电动汽车需求功率。

燃料电池作为主能源，超级电容组作为辅助能源，根据电动汽车的功率需求和超级电容的荷电状态来进行功率分配。燃料电池与超级电容复合电源的工作模式可分为以下几种工作模式：

模式1：电动汽车需求功率不大，超级电容荷电状态在目标值以下，

此时超级电容处于充电状态。

模式2：电动汽车需求功率不大，超级电容荷电状态高于目标值，超级电容组和燃料电池处于放电状态。

模式3：电动汽车需求功率为负，处于制动状态，超级电容组充电，燃料电池放电。

模式4：电动汽车需求功率大，超级电容组和燃料电池共同为电机供电。

（4）在ADVISOR软件中对不同工况下的燃料电池与超级电容复合电源电动汽车进行仿真研究。电动汽车仿真模型和仿真框图分别如图5、图6所示。

图5 电动汽车仿真模型

图6 仿真框图

5、研究方法及技术路线

ADVISOR是在MATLAB/Simulink软件环境下开发的车辆仿真软件平台。用户可以对汽车的动力性、经济性、排放性等主要性能进行预测、方案分析与评估，还可以对传统汽车、纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等电动汽车的各种性能进行快速实验，且仿真模型与源代码完全免费开放，用户可以通过修改顶层模块和源代码对所需车辆进行仿真^[18]。ADVISOR其优秀的特性主要有：车辆各部件采用模块化建模思想，各模型易于用户进行选择和修改；各模型和源代码全部开放；基于MATLAB/Simulink环境开发；ADVISOR具有较好的通用性，能实现与其他软件的联合仿真。ADVISOR仿真系统的组成一般包括四部分：输入脚本文件、Simulink仿真模型文件、控制脚本文件和输出脚本文件。其整体系统组成如图7所示。

图7 燃料电池与超级电容复合电源系统仿真原理

技术路线图如图8所示。

图8 技术路线图

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]陈明帅,华青松,张洪伟,隋宗强,李立伟.燃料电池/蓄电池混合动力汽车能量管理系统研究[j].青岛大学学报(工程技术版),2018,33(01):21-27.

[2]陈禹. 燃料电池汽车混合动力系统及其能量管理研究[d].湘潭大学,2015.

[3]陈明帅. 燃料电池电动汽车混合动力系统的仿真研究[d].青岛大学,2018.