摘 要

众所周知，在当今燃油资源越发紧缺，全球变暖、大气污染等环境危害问题愈演愈烈的社会下，加上人民生活物质水平的日益提升，要求过上美好生活的愿望逐渐变得强烈，世界各国政府、车企越发对新能源汽车的研发和投入的重视程度上升到战略水平。近年来，西欧、美国、日本、中国等汽车大国也陆续出台2025年前、2030年前等不同年限开始禁售传统燃油汽车以引导汽车工业向新能源、可替代能源的新的工征程发展。燃料电池汽车作为新能源汽车不可或缺的一员，以其燃料（氢气）来源廉价广泛，不像石油那样受国际市场和垄断国家的影响、排放为零、效率高、噪声低，无疑是未来节能环保型交通工具的首选。

本文的在简要介绍燃料电池汽车的发展过程中采用过的结构后，对Advisor的整车搭建模型在充分了解后，重点放于燃料电池控制策略上，以国内新开发的车型为参数原型，使用Advisor软件对其进行仿真分析，对比Advisor传统的控制策略和自行设计的模糊控制策略，以燃料消耗的多少为性能指标，验证所设计的基于Mamdani模糊控制策略对燃料经济性改善的有效性。最后提出等效燃料消耗的原理及其建模思路，为后续的基于模糊控制的策略和等效燃料消耗优化控制策略的建模提供参考。

关键词：燃料电池客车 控制策略 Advisor开发 模糊控制

Abstract

As we all know, nowadays, our fuel resources has been increasingly tight, global warming, air pollution and other environmental problems are being intensified in the our current society, coupled with the rising standard of living, people’s yearnings for a better life and the better requirements are gradually put on the agenda, the development and configuration of new energy vehicles have been the favor and attentions of many governments, car enterprises all over the world. In recent years, Western Europe, the United States, Japan, China and other major automobile countries have been introduced some policy such as their country have to begin to ban the traditional fuel vehicles until 2025 years ago or2030 years or some other uncertain date ,anyway, sooner or latter, in order to guide the whole automotive industry to the development of new energy or alternative energy and the new development of control strategy and operation from the traditional and unenvironmental-friendly one. The fuel cell vehicles , as an indispensable part of new energy vehicles, with its fuel (hydrogen) source had been growing cheap and can be produced from a variety of resources , and it is not likely influenced by the international market and monopoly countries like the oil. Its advantages of zero emission, high efficiency, low noise, undoubtedly make it the first choice of transportation in the future for energy-saving and environmental protection.

After a brief introduction of the structure which have been used in the development of fuel cell vehicles, this paper, after completely understanding the model of the whole vehicle construction built in Advisor, focuses on the fuel cell control strategy, takes the parameters of one of the newly developed vehicle model in our country as the prototype input parameters, and uses the Advisor software to simulate and analyze it. Comparing with the traditional control strategy which had built in advisor years ago and the fuzzy Control strategy designed by myself, the efficiency of fuel economy improvement based on the type of Mamdani fuzzy control strategy is validated by the amount of fuel consumption as performance index. Finally, the principle of equivalent fuel consumption and the idea to build this optimal control model are put forward, which provides a reference for the subsequent strategy of fuzzy control and the modeling of the optimal control strategy of the equivalent fuel consumption.

Key words: Fuel cell bus Control Strategy Advisor Fuzzy control

目 录

摘要 3

Abstract 4

1.1 引言 1

1.2 选题背景及意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1西欧国家地区 2

1.3.2日本Toyota公司 4

1.3.3 美国 6

1.3.4国内燃料电池客车研究现状 7

1.4本文的主要研究内容 9

第2章 燃料电池客车动力系统拓扑结构介绍 10

2.1燃料电池电动汽车 10

2.2燃料电池混合动力汽车 10

2.2.1多级功率转换 11

2.2.2 单级功率转换 12

2.3本章小结 15

第3章 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 16

3.1 PEMFC的工作原理 16

3.2 PEMFC的系统组成 17

3.3本章小结 18

第4章 燃料电池整车仿真模型的建立 19

4.1 整车车辆模型的建立 19

4.1.1后向仿真路径 19

4.1.1.1 19

4.1.2前向仿真路径 22

第5章 能量分配和控制策略 24

5.1负载跟随式的控制策略 25

5.1.1 负载跟随式的控制策略原理 25

5.1.2 负载跟随式的车辆驱动模式 25

5.1.3功率跟随式能量控制策略模型 27

5.2 恒功率控制策略的研究 33

5.2.1 恒功率控制策略的原理 33

5.2.2 恒功率控制策略模型的建立 33

5.3 Sugeno型模糊控制策略的研究 34

5.3.1 Sugeno模糊控制原理简介 34

5.3.2 Sugeno模糊控制策略的设计 35

5.4 Mamdani模糊控制策略研究 38

5.4.1 建立燃料电池输出功率的模糊子集 39

5.4.2 建立Mamdani模糊控制策略规则表 39

5.5等效消耗最少的瞬时优化策略的研究 40

5.5.1.总的燃料消耗函数 40

5.5.2 燃料电池发动机氢气消耗量函数的建立 41

5.5.3 蓄电池电量等价氢气消耗函数的建立 41

5.6 本章小结 45

第6章 燃料电池客车在Advisor中的仿真对比分析 46

6.1整车及其相关系统参数的确定 46

6.2 将前轮驱动形式修改成后轮驱动的形式 47

6.2.1 后轴驱动整车动力学模型的建立 47

6.2.2 后轴驱动整车动力学仿真模型 48

6.3 选择仿真工况 48

6.4各种策略下的仿真结果与分析 50

6.4.1 仿真前基本参数设定 50

6.4.2 仿真输出结果 51

6.5本章小结 55

第7章 总结与展望 56

7.1 全文总结 56

7.2展望 56

第7章 致谢 57

参考文献 58

附录 60

第1章 绪论

1.1 引言

汽车工业作为一个庞大的生态系统，其历经上百年的不断发展与创新变革，所催生的一系列先进制造工艺、电工电子、通讯、通讯网络、物联网的等先进技术在各行各领域迸发。然而，作为一个能源消耗高达40%的交通运输工具^[1]，其所造成的温室气体排放、CO、NHX、粉尘等环境污染问题，在当今对环境优美、空气清新、注重生活质量的世界日益备受关注。尽管，提高传统发动机效率已成为一个百年的课题，在发动机高效、降低排放污染之路上，各国学者仍然深感举步维艰，如今传统发动机的效率仍然低于40%，距离真正意义上的节能减排的目标仍然深感遥远。世界各国著名汽车公司、投资者亦早已意识到节能减排、解决能源危机的未来趋势，在新能源、可替代能源汽车的研发上早早布局，加大研发投入力度，力求在新能源汽车需求爆发的今天以及不久的未来抢占制高点。燃料电池汽车作为新能源汽车最具发展潜力、最理想的替代能源交通工具，在这一背景下催生。

1.2 选题背景及意义

近年来铺天盖地的有关汽车产业的政策、信息，新造车势力的异军突起，无不昭现着一个汽车工业革命大帷幕的拉开，纷纷剑指新能源汽车，汽车的电动化、轻量化、智能化这新时代三化趋势日益甚嚣尘上，为挣脱能源制约的枷锁，摆脱时代给汽车工业烙下环境污染的标签纷纷发力。如今在新能源汽车领域，主要是纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车占据量产或研发的主导地位[2]，纯电动汽车是当下最为车企、新造车企业所青睐的，然而纯电动汽车的长足发展必然要突破电池技术的瓶颈以增加其续航里程和大大缩短其充电时长，目前假如去除相关政策的补贴，纯电动汽车的成本也是居高不下，要做到价格亲民的性价比还有很长的路。另外蓄电池目前自身具有一些技术缺陷如能量密度目前来说较低，要增加电池容量就要增加串联电池的数目，这将导致蓄电池组质量的增加；提高电池的循环充放电次数以延长其寿命也是需要突破的关键技术之一；混合动力汽车在动力、经济性等方面都较传统内燃机车辆有优势，特别是在车辆起步和加速工况下，内燃机低转速时出现扭矩不足的缺陷可以让电机得到补偿，而且汽车内部的机械的噪声也由此得到减小，发动机的高效率利用概率提高，使得车辆在排放和燃油经济性的方面较传统车辆有所提升，因此将作为纯电动汽车、燃料电池汽车关键技术尚未突破的时期充当过渡的角色，以缓和能源危机和环境污染的压力，不可能成为最终的理想的交通工具。以氢气为燃料的燃料电池汽车由于其零排放、能量效率最高能达到60%、充氢气时间缩短为5分钟充满、续航里程比纯电动汽车要长、运行噪声低等理想标签[3]，已被广泛认为最具有潜力的新能源汽车。 “十五”期间我国规划的国家863计划便包含燃料电池技术，努力推进燃料电池技术的研发进程[4]。中国汽车工程学会于2016年底发布的《新能源与智能汽车技术路线图概要》中提出的能源方面的重点是能源系统的升级，遵循提高智能化程度的发展方向，以目前的共性技术如轻量化研发等为基础，将汽车产业推向信息、低碳、智能化和高品质，其中氢燃料电池发展重点为燃料电池中质子交换膜、非金属催化剂等核心材料及空压机、氢气循环装置等关键部件技术、乘用车和商用车的燃料驱动动力系统和整车集成技术，以提高燃料电池的功率密度、耐久性以及尽量降低其研发和制造成本，提高安全性为目标[5]。

然而尽管燃料电池汽车在目前学者看来前景光明，其自身也存在不少难题，例如燃料电池的输出特性软、动态响应性能比动力电池要差，输出功率尽可能平稳能量流动只能是单向、功率增加导致体积质量增加等特点，使得目前量产的燃料电池客车、轿车都需要搭配动力电池作为辅助能源系统。如此，在复合能源结构的车辆中，高效稳定的能量分配控制策略对整车的经济性、动力性能、燃料电池的寿命、续航性能表现显得尤为重要。因此对控制策略的关键参数选择、选择优化的控制方案，或者将多种参数、多个优化控制策略的实时切换与组合控制是非常值得深入钻研的，对推动燃料电池的研发、推动节能高效的友好型社会，收获良好的经济效益意义重大。

1.3 国内外研究现状

1.3.1西欧国家地区

近年来西欧国家推出了很多推动燃料电池客车发展的政策与规划，包括HighV.L.O-city计划，HyTransit计划、CHIC计划、3Emotion计划等，其中以HighV.L.O-City计划较为引人关注。

HighV.L.O-City计划是一个致力于通过打造14辆FC客车进行技术示范和质效运行以加速新一代燃料电池客车的在公交客车市场内的整合，促进上一代FCH客车的快速部署。该计划将分3个阶段推进[6]。该项目的燃料电池客车大部分由Van Hool公司生产，其特点是在Van Hool前两代的混合动力客车基础上进行整合，大多具有3轴，储氢系统重量大多为40kg，拥有8个储氢罐，载客量为70，可满足燃料电池客车的全天运营；具备远程诊断功能，提高了客车运行的稳定性，具备最新的燃料电池电动机驱动系统，噪音降低效果提升，提高了燃料电池的运行寿命和维护成本进一步降低。计划将进行下一步改造研发推进其成为第三代燃料电池客车，其所能达到的节能环保目标如下：

a.工业活动的废料再利用以及可再生能源的原料电解产生的额外的氢能资源将会被利用，比利用柴油资源，对公共环境的排放污染将同比降低至少60%，在合理的车辆运行寿命和成本控制下，对比现行的混合动力车辆排放污染也将至少下降60%。

b.由于启动起步完全由纯电动工作，将使得噪音排放进一步降低。

c.对比单一燃料电池驱动的车辆，由于混合能源和再生制动回收能量的贡献使得第三代燃料电池电动客车的燃料经济性将提升60%，相应的续航里程也将以同样比例提升。制动再生额外能量的回收在燃料经济性的提升幅度中将占比15%，制动能量力求全部被再利用，储存于动力电池中，用于特定时刻例如燃料电池的开机启动，从而最大化总能量效率。

比利时的Van Hool 公司是一个专注于公共汽车、客车和工业车辆制造商。该公司成立于 1947年。其生产的大部分客车运往欧洲和美国。自2005以来, Van Hool 前期在为美国市场的氢燃料城市客车建造效力, 自2007年以来开展欧洲市场的销售。到目前为止, Van Hool 已经为北美 (21) 和欧洲 (32) 生产了53辆氢燃料电池客车。 其最新的订单将为科隆和WSW公司分别打造30和10辆氢燃料电池公共汽车，将以A330客车为原型，配备最新的产自巴拉德公司动力系统FCvelocity-HD85 燃料电池系统以及产自 西门子的210千瓦PEM牵引马达。这辆公共汽车是为29个座位和大约50个站立的乘客设计的，二个轮椅用户空间和一辆婴儿车的空间，将于2009年交付[7]。

该公司以A330为原型的客车创新突出，包括低地板、全景侧窗，车载显示系统等模块都表现出色，其打造的尺寸为13155*3420*2550的客车如图所示：

图1.1 A330型燃料电池客车

1.3.2日本Toyota公司

日本丰田公司早在上世纪90年代开始投入对燃料电池车辆的研发当中，2001便推出了其搭载90KW的镍氢燃料电池客车，储氢罐顶置，燃料氢气压缩，配有的制动器便可实现能量回收，可达180英里的续驶里程；2002年后经上一代的改进又推出了其二代燃料客车，驱动系统升级为峰值功率80KW的双电机驱动，燃料电池输出功率仍为90KW。之后经过多次的改进，应用于2008年发布的“FCHV-adv”型燃料轿车在续驶里程和冷起动性等性能都取得了出色的表现。2014年12月，丰田“MIRAI”的FCV轿车发布，FC系统由丰田自主研发，如FC电堆，FC升压变换器和高压氢罐。该轿车搭载的燃料电池电堆的最大输出功率达114KW，氢燃料体积功率密度高达3.1KW/升。而且，其燃料电池电堆不需要任何外部加湿器。 燃料电池电堆中输出的电压经过FC升压变换器转换后可升至650V。采用碳纤维增强塑料层制成的三层高压氢气罐可以在70MPa的高工作压力下储存氢气以实现5.7wt％的储存密度[8]。

2015年由丰田推出其新款燃料电池客车在丰田市公交线路上线运行，其上面搭载的燃料电池系统改进自燃料电池车型研发的燃料电池和混动技术。该新款燃料电池客车搭载两个燃料电池组和两台电机、八个高压氢气罐、，属于日野混合动力一站式客车设计，丰田方面是专注于燃料电池系统的研发。该款客车还能够在突发情况下作为高性能发电机向附近断电建筑或其他设施供电，从2013年11月起该功能的安全性已经不断经过严格测试改善提升。

2017年二月，丰田将轿车升级应用于其推出的FC客车上以承受更重的载荷，同样搭载镍氢电池和双电机系统，单个电机功率达到114KW，扭矩为338N/m，合计最大功率为228KW、扭矩676N/m。该客车有望可在10分钟以内充满氢气燃料，一次充满后可以续驶184英里，价格大概在1亿日元，成本高出柴油客车4-5倍，搭载储氢罐10个，能装氢气600升，其电量输出235千瓦时比特斯拉Model S电池输出的电量高出3—4倍，如此庞大的输出电量也是丰田将其设计成可外接电源的原因，在紧急情况下同样可以向外供电。

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。

相关图片展示：