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1、2009届毕业设计(论文)题 目：基于燃料电池和超级电容的机车供电系统仿真专 业 班 级：2005自动化01 学 号: 0504020112 姓 名： 指 导 教 师： 学 院 名 称：电气信息学院 2009 年 5月 25 日基于燃料电池和超级电容的机车供电系统仿真The Energy Supply Simulation About Motor Car Based On Fuel And Ultracapacitor姓 名： 指 导 教 师： 摘 要基于燃料电池和超级电容的电动汽车是以燃料电池辅以超级电容为能量源，以电动机驱动行驶的车辆。它与传统燃油汽车的主要区别在其环保性和节能性，有着广阔
2、的发展应用前景。论文对电动汽车的基本结构，特点等方面进行了研究。着重分析了燃料电池和超级电容的优缺点进而提出将燃料电池作为主能源，超级电容为辅助能源的观点。最后使用电动汽车仿真软件ADVISOR对动力系统参数匹配方案进行了仿真研究，主要分析了燃料电池的几点特性，进一步论证了以燃料电池为主能源，超级电容为辅助能源的电动汽车的可行性与优异性，此类电动汽车的动力性和经济性较好地符合设计要求。关键词：电动汽车；燃料电池；超级电容；ADVISOR仿真AbstractMotor car based on fuel and ultracapacitor is driven by electric motor
3、 using fuel cell as main power source and ultracapacitor as assistant power. The difference between it and traditional soil car is its environment protection and energy conservation, motor cars have long term potential for future main cars.The dissertation discussed and analyzed the conformation and
4、 the characteristics of the motor car. It takes long time to discuss the advantages and disadvantages of fuel cell and ultracapacitor, and then propose fuel cells as the main energy, ultracapacitor for the auxiliary energy point of view. In the end, simulation of the power train system was carried o
5、ut in ADVISOR, just mainly analyze some characteristics of fuel cells and further demonstrate the feasibility and superiority of the electric vehicles using fuel cell as main power source and ultracapacitor as assistant power, the results show that the dynamic performance and the fulfill the designe
6、d requirements for the motor car and the efficiency of the power train is satisfied.Keywords: Motor Car; Fuel Cell; Ultracapacitor; ADVISOR Simulation目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 燃料电池汽车国内外发展概况11.3 燃料电池基础41.4 超级电容基础6第二章 基于燃料电池和超级电容电动汽车控制系统整体结构82.1 燃料电池和超级电容电动汽车控制系统组成82.2 电动汽车整车控制系统总线结构1
7、4第三章 电动汽车系统仿真与实验研究153.1 引言153.2 仿真软件ADVISOR概述153.3 ADVISOR仿真实例193.4 机车供电系统分析23第四章 全文总结与研究展望274.1 全文总结274.2 今后的研究展望274.3 收获与体会28致 谢29参考文献30第一章 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着世界能源危机和环保问题日益突出，汽车工业面临着严峻的挑战。一方面，石油资源短缺，汽车是油耗大户，且目前内燃机的热效率较低，燃料燃烧产生的热能大约只有35%40%用于实际汽车行驶，节节攀升的汽车保有量加剧了这一矛盾；另一方面，汽车的大量使用加剧了环境污染，城市大气中的82%、的48
8、%、的58%和微粒的8%来自汽车尾气，此外，汽车排放的大量加剧了温室效应，汽车噪声是环境噪声污染的主要因素之一。我国作为石油进口国和第二大石油消费大国，污染严重，世界认定的20个污染最严重的城市有16个在中国。国内汽车产品水平与国外差距很大，平均油耗高出10%30%，排放约为1520倍，汽车行业面临的压力更大。上个世纪末以来世界各国和各大汽车公司以及国内各大科研机构和高等院校纷纷致力于开发清洁节能汽车，新能源汽车获得了长足发展。汽油和柴油是传统内燃机汽车的能源，利用除此以外的能源提供汽动力的汽车均可称为新能源汽车。目前正在开发的新能源包括天然气、液化石油气、醇类、二甲醚、氢、合成燃料、生物气、
9、空气以及电荷燃料电池等。我国的传统汽车工业还落后于当代世界先进水平。同时我国的石油资源比较匮乏，仅居世界第十位，从1993年开始我国已经从石油净出口国转变为石油进口国，2005年的石油进口量突破1亿吨。目前发展我国的汽车工业，应当顺应当今科技发展的趋势，把握时机，在汽车的高新技术，尤其是以后发展的关键技术方面努力和发达国家保持一致。电动汽车，特别是代表未来发展方向的燃料电池汽车是实现我国汽车工业跨越发展的战略选择。资源和环境压力使燃料电池汽车在全球范围内成为研究热点，因此，充分利用现有条件，整合研究、设计、制造力量，解决燃料电池汽车的各种关键技术，积极推进电动汽车产业化，其影响广泛而深远。1.
10、2 燃料电池汽车国内外发展概况 目前全世界各大汽车集团以及石油公司都投入巨资进行燃料电池汽车的开发，并以各种形式的策略联盟与合作，希望早日将燃料电池电动车推向市场。 1993年，戴姆勒克莱斯勒公司和研制质子交换膜燃料电池的巴拉德动力系统公司组成策略联盟，共同投资成立了XCELLSIS GmbH与巴拉德自动车两家公司，分别负责燃料电池组的研发、制造与生产以及车用燃料电池发动机的销售。福特汽车公司集团随后于1997年加入该策略联盟，并成立了第三家公司Escord，专门负责燃料电池发动机的电推进与控制系统的研发。此外，1999年，以美国加州大气资源（CARB）公司为中心，召集各大汽车制造商、石油公司
11、、燃料电池厂商开始实施“加州燃料电池伙伴联盟（California Fuel Cell Partnership, CaFCP）”计划，主要成员见表1-1。计划的内容是从2000年11月开始，在加州首府萨克拉门托进行燃料电池电动车实地行驶实验，主要目的是收集各家燃料电池电动车的实际路测数据，借以探讨燃料电池电动车的可行性以及燃料补给等基础设施大量生产的可行性等。加州燃料电池伙伴联盟的成立有以下四项主要工作：(1) 利用在加州实际状况下的操作，并进行燃料电池汽车的示范运行。(2) 验证包括氢气甲醇加注站等替代燃料的周边设施技术的可行性。(3) 从发现的问题中寻求解答，以探索燃料电池汽车商业化的道路
12、。(4) 提高大众对燃料电池汽车的关心并强化印象，以便为商业化市场作好准备。表1-1 加州燃料电池伙伴联盟的主要成员机构主要成员汽车厂商戴姆勒克莱斯勒、福特、通用汽车公司（欧宝）、本田、现代、日产、丰田、福斯能源公司BP石油、艾克森石油、雪弗龙-德士古石油、壳牌氢能燃料电池公司巴拉德动力系统公司、联合技术电池公司政府机构加州空气资源局、加州能源委员会、加州南海岸空气品质管理区、美国能源部、美国运输部、美国环保署加拿大也有类似CaFCP的组织，称为“为更清洁的加拿大加油”计划，参与这项计划的主要成员包括巴拉德动力系统公司、生产与销售甲醇的Methanex Corp以及加拿大最大的石油与天然气公司
13、Petrol Canada等。与CaFCP相似，这项计划的主要工作是建立具有可行性的商业化燃料分布网，以满足PEMFC燃料电池电动车所需的燃料。2002年1月初，美国能源部正式宣布进行一项名为“自由车（Freedom CAR）”的燃料电池电动车的发展计划，计划的主要内容是由能源部与包括福特、通用汽车和戴姆勒克莱斯勒等美国三大汽车制造厂商合作发展汽车与卡车用的燃料电池，用燃料电池取代内燃机，以减少对进口原油的依赖，并同时避免排放有害的污染物，以及造成全球气温上升的温室效应废气。计划重点除了发展燃料电池技术，以便能够大量生产一般消费者负担得起的燃料电池车辆外，同时还要建立供应氢燃料的基础设施，以解
14、决燃料电池电动车普及化的主要障碍。2003年初，美国总统布什更进一步投入12亿美元启动“自由燃料（Freedom Fuel）”的氢能推动计划，以缓解石油供应短缺给民生与工业发展带来的压力，达到能源供应自给自足的目标。布什在国情咨文中表示自由燃料计划除了继续支持帮助原有的自由车计划之外，更重要的是支持帮助氢燃料制造、储存和运输技术的氢能发展计划。布什还进一步的描述了这两项计划背后更大更美好的蓝图，也就是氢燃料将为未来的民生领域提供能源的“氢能国民经济”。 日本政府对燃料电池汽车的研究开发和推广应用也表示极大的关注，为了促进燃料电池汽车的商业化，有中央和地方政府共同资助在大阪、京都、东京等城市建立
15、加氢站。日本经济产业省已组成“燃料项目小组”进行燃料电池应用的普及和推广工作，在2010年前，将燃料电池电动汽车的价格降低到传统汽车相等的水平。日本目标是在2020年燃料电池电动汽车的社会保有量达500万辆以上，建设3800个氢加注站。各大汽车制造商都加紧燃料电池电动汽车的研发工作。2003年丰田公司的燃料电池客车就已在日本东京投入营业性运行。日本丰田汽车公司在2001年第四届丰田环境论坛上，公布了日野汽车公司研制的燃料电池公交车FCHV-BUS1，该车采用低地板设计，燃料采用高压氢气，动力系统采用“燃料电池+电池”的混合动力系统，燃料电池功率90KW，可载客63人。2002年对FCHV-BU
16、S1进行了多项改进，并在此基础上开发出FCHV-BUS2,其主要特点是燃料电池增加到2个，从而将燃料电池的输出功率增加到180KW，驱动系统采用双电机驱动方式，最高车速达到80Km/h,行驶里程为250Km。我国政府也非常重视燃料电池电动汽车关键技术的研究，“九五”期间，国家科学部将燃料电池关键技术研究列入国家攻关计划。“十五”期间。燃料电池汽车及其关键技术的研究和样车的研制开发被列入国家“863”电动汽车重大专项中，给与重点资助。在我国，燃料电池研发过程中具有代表性的是大连化学物理研究所，此所已从事燃料电池的研究近50年。早年曾成功地研制了500W的碱性燃料电池，近年来致力于质子交换膜、熔融
17、碳酸盐和固态氧化物燃料电池的研究，该所在20012003年间，将30KW的质子交换膜燃料电池用于小型汽车和大型公共汽车上示范成功，并成立了新源动力公司，开始了产品的商业化进程。2003年春，该所与清华大学合作将75KW的质子交换膜燃料电池应用在公共汽车上。在直接甲醇燃料电池方面，大连化物所、韩国三星公司、南孚电池公司建立了合作实验室，中国科技大学无机膜研究所已成功地研制了新型中温固态氧化物燃料电池。导致我国电动车研发热最直接的原因是2008年奥运会开出的20亿元电动汽车的订单，规定奥运会电动车只能在国内生产制造，而国内生产厂商也想借机实现技术上的飞跃，从而促进电动车在步入快车道。燃料电池电动汽
18、车比蓄电池电动车的优点是行驶里程长，加燃料比充电更加快速方便。在燃料电池中，只有碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池可满足车用要求。但碱性燃料电池的缺点是必须清除空气中的，质子交换膜燃料电池则无此必要，加上20世纪90年代以来，质子交换膜燃料电池的性能大幅度提高，其功率密度和能量密度都已达到汽车要求，大大加速了质子交换膜燃料电池汽车的的开发速度。1.3 燃料电池基础燃料电池是一种能量转换装置，它按电化学原理，等温地把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。燃料电池和常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐中。当它工作时，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂，并同
19、时排出反应物。因此，从工作方式上看，它类似于常规的汽油或柴油发电机。迄今已研究开发出多种类型的燃料电池，根据不同的分类方法有很多种燃料电池。燃料电池按燃料状态分为液体型和气体型两种；按工作温度分为低温型（低于200C）、中温型（200C750C）和高温型（高于750C）；按电解质的不同可分为五大类型：磷酸盐燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）、熔融碳酸燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)、碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,AFC
20、)和质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)。燃料电池之所以受到人们的极大关注，主要是因为它具有其他能量转换装置所不具备的优越性，具体表现在以下几个方面1：(1) 效率高燃料电池等温地将反应物的化学能直接转化为电能，不受卡诺图循环限制，因此可以获得更高的能量转换效率。理论上，燃料电池的能量转换效率可达90%左右，但在实际运用过程中由于各种极化的存在，燃料电池的能量转换效率约为40%60%，若采用热电联产的方式，其能量转换效率最高可达80%以上。此外，在低于额定负载的条件下工作时，由于机械损失和热损失的增加，热机的效率要下降，而燃料电
21、池则会由于各种极化的减小而获得更高的能量转换效率。(2) 环境好燃料电池具有极为突出的环境效率。一般燃料电池以富氢气体作为燃料，在制备富氢气体的过程中排放的要比热机发电过程的排放量减少40%以上，而且由于燃料电池的反应产物是,所以与传统的火力发电厂相比，只排放极少量的有害物质，如、和粉尘等。表1-2为燃料电池和传统发电方式排放物的比较。此外，燃料电池没有锅炉，汽轮机和太多的传动部分，所以工作时非常安静，噪声很低。表1-2各类发电厂的排放废气比较 单位：排气成分火力发电厂（天然气）火力发电厂（石油）火力发电厂（煤）燃料电池2.523045501090082001450000.1218003200
22、320060107烃类2012701355000301000014102粉尘0904532036558000.014(3) 快速的负载响应速度燃料电池具有较快的负载响应速度，小型燃料电池在微秒范围内其功率就可以达到所要求的输出功率，而兆瓦级的电站也可以在数秒内完成对负载变化的响应。(4) 良好的建设、运行和维护特性由于燃料电池没有锅炉、汽轮发电机等庞大的成套设备，占地面积小，而且安静、清洁，所以适合安装在城区、居民区或风景区等处作为现场电源，而且电池部件模块化，可以方便地扩大或缩小安装规模，具有极强的建设灵活性。此外，燃料电池没有较大的机械运动部件，所以系统运行的可靠性较高，不易发生故障，具有
23、良好的维护性。燃料电池的副产物是水和热，可以回收利用2。燃料电池的诸多突出优点使其具有可与目前传统发电技术竞争的潜力，但目前看来，燃料电池仍存在一些不足，阻碍其进入大规模商业化应用，主要不足可归纳为：(1) 市场价格昂贵；(2) 高温时寿命和稳定性不理想；(3) 缺少完善的燃料供应体系等。目前，质子交换膜燃料电池作为第五代燃料电池，其优点是清洁无污染、能量转换效率高、寿命长、无碳酸盐生成、生成的水洁净（可以直接饮用）、应用范围广、设计简单、制造方便、既可以采用纯氢做燃料也可以采用重整转化燃料。此外，质子交换膜电池还具有接近常温工作以及起动迅速的特点，非常适合用于运输动力、可携式电源以及家用型发
24、电机，被公认为最有希望成为电动汽车的理想动力源。基于质子交换膜燃料电池的以上优点，在本设计中将采用质子交换膜燃料电池。1.4 超级电容基础超级电容是一种具有超强储电能力，可提供强大脉冲功率的物理二次电源。它是根据电化学双电平理论研制而成的，如图1-1所示，当向电极充电时处于理想化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面形成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小（一般在0.5nm以下），加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍地增加，从而产生极大的电容量，电容的这种极化作用可以储存电能3。图1-1 超级电容器的工作原理超级电容器的结构形式可以大致分为两类：一种
25、是圆柱状电容器，即把基片卷绕起来装进圆形金属外壳内，这种电容器适用于低电压大电流充放电的情况；另一种是叠层式的，即将电极基片叠起来，组装在塑料或金属外壳中，这种电容器适用于高电压小电流充放电的情况。超级电容器的特点：(1) 功率密度高超级电容的内阻很小，并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率高达数kw/kg,是一般蓄电池的数十倍。(2) 充放电循环寿命长超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达1万次以上。而当今蓄电池的充放电循环寿命只有数百次，只有超级电容器的十几万分之一。(3) 充电时间短从目前已经做出的超级电容器充电实验结果来
26、看，全充电时间只要1012min；蓄电池在这么短的时间是无法实现全充电的。(4) 贮存寿命极长 超级电容器充电之后贮存过程中，内部虽然也有微小的漏电流存在，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动乃是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质。而且，所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，故理论上超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的。(5) 可靠性高超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而超级电容器的可靠性是极高的。(6) 比能量低比能量低是目前超级电容器的显著缺陷，并在一定程度上限制了电动汽车的续驶里程。超级电容器重要的研究方向之一就是将其与高能量
27、的电池连用，在车辆加速、制动或爬坡的时候提供车辆所需的高功率，在车辆正常行驶时则由电池充电或由车辆制动时产生的电能充电，达到减少电池的体积和延长电池寿命的目的，超级电容器在混合动力电动汽车上的应用，可以解决电动汽车起动、加速性能不足等问题。第二章 基于燃料电池和超级电容电动汽车控制系统整体结构2.1 燃料电池和超级电容电动汽车控制系统组成电动汽车分为三部分：纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车。纯电动汽车是指以车载电源、蓄电池等为动力，用电机驱动车轮行驶；燃料电池电动汽车是一种可以将燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，它的特点是能量转换效率高，约是内燃机的两到三倍，生成物是水
28、，不污染环境，缺点是造价太高；混合动力电动汽车是装有两个以上动力源的汽车，常见的是在城内用电机驱动，在城外用内燃机驱动，本设计中采用了燃料电池和超级电容两种动力源，为混合动力电动汽车。其中燃料电池作为主要能源；超级电容作为辅助能源，与燃料电池等高能量密度的物质相结合，超级电容器能提供快速的能量释放，满足高功率需求，从而使燃料电池仅作为能量源使用。燃料电池和超级电容电动汽车整车控制系统主要由整车控制器（包括整车控制模块和能量流管理模块），燃料电池发动机，超级电容器，DCDC变换器，驱动系统，车轮，仪表及显示模块，有源光星模块等组成，整个系统各模块由光纤，电气和机械连接成一个整体。就控制系统而言是
29、一个基于CAN总线的分布式系统，信息传输介质为光纤，网络拓扑结构为星型网，其系统主体部分组成结构框图如图2-1所示：图2-1 电动汽车结构框图其中燃料电池发动机是电动汽车的主要能源，它由燃料电池堆和燃料电池辅助系统组成。燃料电池本体的特性比较软，电压随负载变化较大需要经过大功率的DCDC变换器转换成稳定，可控的直流电源。超级电容器作为辅助电源。燃料电池发动机和超级电容器并联经过DCDC变换器组成288V的高压直流电源，给系统提供能源。与燃油汽车不一样，电动汽车没有传统的发动机，省去了离合器分离和结合这一传统汽车必不可少的重要两步，使驾驶员的操作变得更加简单和方便。电动汽车中驱动车轮前进的是新型
30、电动驱动系统，它由电机控制器和电机两部分共同组成。电机控制器接受整车控制器的扭矩指令来控制电机，进而控制车轮的前进和倒退。整车及能量流管理系统即整车控制器是整个控制系统的核心，它要根据驾驶员的操作信息及踏板位置来决定给电机控制器扭矩的大小，同时，还要根据燃料电池和超级电容器的状态来决定二者的能量配比。接下来介绍电动汽车的各个组成部分4：(1) 整车控制模块整车控制模块的主要作用是根据驾驶员的操作信息实现对车辆的运动控制。与传统的车辆不一样，整车控制器并不是一个转速/车速闭环控制系统，而是一个扭矩闭环控制系统。系统根据驾驶员操纵踏板信息来控制电机的电流，从而达到控制电机输出扭矩。当输出扭矩大于负
31、载时，车速增加，反之减少，相等则保持车速不变。(2) 能量流管理模块能量流管理模块的主要作用是根据扭矩的大小和两种电源的当前状态决定能量的分配，实现能量匹配，并将能量传输到电机。本设计中用到两种电源；燃料电池和超级电容。超级电容作为辅助能源主要负责在加速，爬坡或负载过大时提供短时间的辅助动力,在减速和下坡时吸收回馈制动的能量，可以使得燃料电池工作在一个较为稳定的低功率高效率区间。FCB动力系统工作时的能量流：当车子需要起步时，超级电容启动燃料电池从而带动电机工作；当车子正常行驶时，燃料电池向电机供电驱动车轮，并通过母线向低压电器供电，当超级电容电量低于规定值时，燃料电池向超级电容充电；当车子加
32、速、爬坡时，燃料电池和超级电容同时向电机供电驱动车轮工作；当车子下坡减速或刹车时，电机作为发动机给超级电容充电。(3) 燃料电池发动机燃料电池发动机除了燃料电池本体外，还要和外围装置共同组成发电系统。燃料电池发动机和燃料电池本体的形式和使用燃料的不同和用途的不同有区别，主要包括燃料供给，燃料电池控制器，燃料电池堆，热管理和余热回收等部分。包括供给系统，空气供应系统，余热回收系统，控制系统和剩余气体循环系统等。其结构框图如下图2-2所示5。图2-2 燃料电池发电系统构成框图1） 供给系统：向燃料电池堆提供一定压力、一定流量的高纯度的。在氢气供给系统中，与氢气并联放置的还有氮气罐，这主要是从安全的
33、角度上考虑的，当燃料电池堆不工作时，为了避免残存在气路的氢气和氧气发生反应造成危险，通常要通入惰性气体，比如氮气。2） 空气供应系统：提供与燃烧释放能量的。可以使用电动机驱动的送风机或空气压缩机。3） 余热回收系统：用于回收燃料电池发电时产生的热能。4） 控制系统：燃料电池发电时的启动、停止、运行、外接负载等的控制装置。5） 剩余气体循环系统：在高温燃料电池发电装置中，由于燃料电池排热温度高，因此安装可以使用蒸汽轮机与燃气轮机剩余气体的循环系统。此外，由于是易燃易爆气体，在高温高压的环境中会变得更加不稳定，而且该发动机是一个车载系统，所以安全性显得尤为突出。为了防止泄露到空气中发生爆炸，在氢气
34、罐瓶口和电堆旁都安装了氢气报警器。同时，报警系统还包括保护整个电池堆系统的正常运行，当检测到电池堆有任何不正常时就要向驾驶员发出警报信号，或是自动采取行动。主要的报警信号有：水箱水位报警，循环水中的电导率报警，氢气进堆压力报警，电堆出口水温报警，循环水流量报警和电功率报警等。燃料电池是电动汽车的主要动力源，在进行参数匹配的过程中，主要是额定功率和最大功率等参数的选择。燃料电池的最大功率应该考虑汽车的最大车速，汽车附属设备的消耗功率，有无空调、照明设备等。由于超级电容的容量相对较小，为了保障其它汽车附属设备的供电要求，在汽车以最高车速行驶时，燃料电池功率必须能单独满足其行驶要求，即其中为传动系效
35、率，为整车满载重量，为滚动阻力系数，为风阻系数，为迎风面积。在实际运行时，为了保证对电动机的电力供应以及对超级电容进行充电，应留有一定得后备功率。(4) 超级电容器 电动汽车频繁的起动、停车、加速和减速使得燃料电池在工作时电流变化很大。在低速匀速行驶时消耗的功率较小，在加速和上坡时需要消耗的功率却非常高，在下坡或减速的时候，燃料电池的需求功率为零。因此合理的选择超级电容作为辅助能源，在加速和爬坡时提供短时的辅助动力，在减速和下坡时吸收回馈制动的能量，可以使燃料电池工作在一个较为稳定的低功率高效率区间6。电动汽车上使用的超级电容在选用过程中需要考虑超级电容的容量、经济性、稳定性等许多方面的问题。
36、电动车上的超级电容负责解决车辆在刹车、加速和爬坡时所需的大功率输出输入，从而保证燃料电池相对平稳地放电,以起到保护燃料电池的作用。超级电容并不是作为主要动力电源，所以对超级电容的容量没有过高的要求，而在车辆中使用的器件的稳定性是非常重要的，所以成本低廉且技术更加成熟稳定的碳电极双电层电容是最为合适的超级电容。由于目前超级电容的比能量较小，所以只能用作辅助的功率型能量源，与燃料电池较高的比能量进行有益的补充。燃料电池的输出功率应与车辆的平均行驶功率需求相当，超级电容起到功率的削峰平谷的作用。超级电容吸收制动再生能量为其充电，若没有充满，剩余部分由燃料电池在车辆低功率行驶时继续进行补充。采用双向D
37、CDC变换器控制它们之间的功率分配，并限制燃料电池在车辆低功率行驶时对超级电容的充电。超级电容采用了双层电容技术，其工作原理是利用电机上加压在电极表面形成了双层电容来储存能量。目前的超级电容的电容量已达到数千法拉，电压达到两到三伏。功率可以达到电池的20倍，功率密度是铅酸电池的10倍以上，可以达到1000W/kg以上，超级电容充电时间极短，将电充足的速度可以达到秒级。能量密度是普通电容的100倍左右，循环寿命可以达到50万次。超级电容的主要参数有容量、工作电压、电流和内阻等。超级电容存储的能量为7：电容器的容量： 其中为有效电解质常数，为电极表面积，为电极间距离。电容放电电流： 电容功率： 电
38、容器的值： 超级电容所能释放出的能量：式中：为超级电容允许的最高电压；为超级电容所允许的最低电压。(5) DCDC变换器 直流/直流变换器（DCDC变换器）的功能是将一种直流电变换成另一种固定或可调电压的直流电，又称为直流斩波器（DC Chopper）。按输入/输出间是否有电气隔离可分为不隔离式和隔离式直流变换器两种。不隔离式直流变换器按开关器件个数又可分为单管、双管和四管3类。常用的单开关器件直流变换器主要有六种：降压（Buck）型变换器，升压(Boost)型变换器，降-升压(Buck-Boost)型变换器和三种升-降/降-升压(Cuk、Sepic 和Zeta) 型变换器。双开关器件DCDC
39、变换器有两种串接升压型和半桥式(Buck-Boost)变换器。四开关器件的变换器主要是全桥式DCDC (Buck-Boost)变换器。隔离式变换器也分为单开关管和双开关管两种，单开关管有单端正激式变换器（Forward Converter）和单端反激式变换器（Flyback Converter）两种，双管的有双端正激、双端反激、推挽和半桥四种。有隔离的变换器利用隔离变压器可以实现输入和输出间的电气隔离，采用变压器实现变压和隔离，有利于扩大变换器的电压应用范围，还可实现多路输出。燃料电池本身带有自适应控制系统，可以根据电机控制系统提出的工作需求而输出功率，但由于燃料电池的自身弱点，伴随着输出功率
40、的增大，输出电压会有所下降，对电机的工作不利。如图2-3所示的动力系统图中，燃料电池通过一个升压DCDC变换器联入母线，对燃料电池的输出电压进行升压变换和稳压调节，根据异步电动机的功率需求调整燃料电池输出的母线电压，能够更好的满足电机的工作需求。同时DCDC变换器可以对燃料电池的最大输出电流和功率进行控制，起到保护燃料电池系统的目的8。图2-3 双DCDC动力系统结构(6) 驱动系统 驱动系统由电机控制器和电机组成。电机控制器有两种控制方式，一种为模拟机械控制，整车控制器直接通过机械连接实现模拟控制，即整车控制器同电机控制器之间传递的是模拟量；另一种为数字式控制，整车控制器通过CAN网发出命令
41、及数据去控制电机控制器。(7) 仪表及显示模块 车载仪表及显示系统是整车十分重要的一环，系统保留了原车仪表盘，但其指示的信息发生了变化，仪表及显示模块采集CAN网络上的数据，通过接口控制仪表盘，保留了车速，里程数等传统显示量，同时，考虑电动机的特殊性，增加了行车指示，燃料电池氢气储存量，超级电容能量等信息。行车指示表明系统启动自检正常后方可驾车行驶；超级电容能量和燃料电池氢气储存量反应了系统能源的当前状态，驾驶员要根据它决定行驶的时间长短以及合适充电和增加氢气供给等，对驾驶员来说这是非常重要的信息。图2-4 仪表盘的平面俯视图(8) 其他模块 电动汽车中当然还包括空调、照明、等其他辅助设施。2
42、.2 电动汽车整车控制系统总线结构 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机网络。现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统，即现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统
43、、集散控制系统DCS后的新一代控制系统。现场总线技术在技术上具有以下特点：系统的开放性、互可操作性和互用性；现场设备的智能化和功能自治性；系统结构的高度分散性和对现场环境的适应性。在本设计中采用CAN（Control Area Network）即控制局域网络。CAN网络最早是由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，模型结构只有OSI底层的物理层，数据链路层和顶层的应用层。其通信速率最高可达1Mbps,可挂接的设备数最多可达110个。第三章 电动汽车系统仿真与实验研究3.1 引言对电动汽车的动力系统进行仿真实
44、验和实验研究是研发过程中的重要环节。通过仿真和实验，可以验证混合动力系统结构选择的合理性、控制策略的可行性。参数匹配的正确性以及各组成零部件的协调性和可靠性，为进一步改善和提高电动汽车的性能提供依据。3.2 仿真软件ADVISOR概述ADVISOR(Advanced Vehicle Simulation,高级车辆仿真器)是由美国可再生能源实验室NREL(National Renewable Energy Laboratory)在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件。该软件从1994年11月份开始开发和使用，最初是用来帮助美国能源部DOE(Department of E
45、nergy)开发某混合动力汽车的动力系统，随后功能逐渐扩展，目前有ADVISOR2002和ADVISOR2004两个版本。可以对传统汽车，纯电动汽车，燃料电池汽车和混合动力汽车的各种性能作快速分析，比如加速度性能仿真，爬坡性能仿真，参数研究，计算辅助电器的负荷，交互式仿真等等。ADVISOR2002是世界上能在网站上免费下载和用户数量最多的汽车仿真软件。由于该软件通过大量的实践被证实具有较好的实用性，现在世界上许多生产企业、研究机构和高校都在使用该软件做汽车仿真方面的研究。仿真软件ADVISOR2002的界面如图3-1所示。图3-1 ADVISOR2002仿真界面点击START即可开始仿真。H
46、ELP中提供了ADVISOR2002的使用方法与常见疑问的解答。(1) ADVISOR的主要功能和特点ADVISOR是MATLAB和SIMULINK软件环境下的一系列模型、数据和脚本文件，它在给定的道路循环条件下利用车辆各部分参数，能快速地分析传统汽车，纯电动汽车，燃料电池汽车和混合动力汽车的燃油经济性、动力性以及排放性等各种性能。此外，该软件的开放性也允许对用户自定义的汽车模型和仿真策略做仿真。它主要有以下特点9：1） 仿真模型采用模块化的设计思想：ADVISOR软件分模块建立了发动机、离合器、变速器、主减速器、车轮和车轴等部件的仿真模型，各个模块都有标准的数据输入和输出端口，便于模块间进行
47、数据传递，而且各总成模块都很容易扩充和修改，各模块也可以随意地组合使用，用户可以在现有模型的基础上根据需要进行某些修改，然后重新组装成所需要的汽车模型，这样可以大大节省建模时间，提高建模效率。2） 仿真模型和源代码全部开放：ADVISOR2002的仿真模型和源代码在全球范围内完全公开，可以在网站上免费下载。用户可以方便地研究ADVISOR的仿真模型及其工作原理，在此基础上根据需要修改或重建部分仿真模型、调整或重新设计控制策略，使之更接近于实际情况，得出的仿真结果也会更合理。3） 采用了独特的混合仿真方法：现在的汽车仿真方法主要有前向仿真和后向仿真两种，仿真软件也多采用其中的一种方法，使这两种方法优劣不能互补，而ADVISOR采用了以后向仿真为主、前向仿真为辅的混合仿真方法，这样便较好地集成了两种方法的优点，使两种方法互补，既使仿真计算量小，运算速度较快，同时又保证了仿真结果的精度。4） 在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发研制：MATLAB是世界上顶尖
