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燃料电池混合动力系统动态耦合特性分析与建模研究

赵玉兰;贠海涛;郝魁;刘尊年

【摘要】详细阐述了燃料电池混合动力汽车(FCHV)混合动力系统的动态耦合特性

分析与建模的过程.首先,基于理论分析,结合主要部件台架试验及原型车转鼓试验的

相关试验数据,建立了主要部件的动态仿真模型;然后,基于部件模型构建了燃料电池

混合动力系统的整体动态耦合特性模型;最后,以典型循环工况作为模型输入进行动

态仿真.仿真数据与原型车转鼓试验数据的对比分析表明,所建立的燃料电池混合动

力系统动态耦合特性模型具有很好的动态仿真效果,能够满足控制系统设计过程中

的动态仿真需要,为后续开展基于模型的燃料电池混合动力汽车控制系统设计研究

提供了必要基础.

【期刊名称】《高技术通讯》

【年(卷),期】2014(024)003

【总页数】11页(P305-315)

【关键词】燃料电池汽车;混合动力;动态模型;仿真

【作者】赵玉兰;贠海涛;郝魁;刘尊年

【作者单位】青岛理工大学汽车与交通学院青岛266033;青岛理工大学汽车与交

通学院青岛266033;青岛理工大学汽车与交通学院青岛266033;青岛理工大学汽

车与交通学院青岛266033

【正文语种】中文

近十年来，国内外对新能源汽车的研究热潮逐渐增强，这其中包括混合动力汽车

(hybridelectricvehicles，HEVs)、纯电动汽车(electricvehicles，EVs)以及燃料

电池汽车(fuelcellvehicles，FCVs)。质子交换膜燃料电池以可产自再生能源的氢

气作为燃料，被认为是未来车载动力源的优选方案之一。

由于燃料电池本身所具有的特性，作为车载动力源时存在一些问题，比如响应速度

慢、冷启动困难、制动能量不能被回收等。因此，动力蓄电池作为辅助动力源被普

遍应用在燃料电池汽车动力系统中，作为燃料电池混合动力汽车(fuelcell

hybridpowervehicle,FCHV)的动力系统。目前，世界各大汽车公司都已开发了自

己的燃料电池样车，如通用的“Sequel”、丰田的“FCHV”、大众的

“Hypower”等，国内的上汽、东风汽车等近年来也积极开展燃料电池样车开发

工作[1]。然而，由于样车研发的目的主要是技术验证和示范，并非为推向市场的

产品，因此在传统内燃机汽车设计领域普遍采用的基于模型的控制系统设计方法还

很少被应用于燃料电池汽车的研究过程中。

近年来，国内外一些学术研究机构在新能源汽车的仿真建模领域进行了积极的研究

工作，开发了很多相关的仿真工具和软件。这些仿真模型和仿真工具主要是采用一

些面向对象的图形化的系统仿真软件开发，譬如MatrixX、EASY5、

Matlab/Simulink等图形化开发环境，尤其以基于Matlab/simulink开发环境的

研究和应用最为广泛，譬如美国国家可再生能源实验室(NREL)开发的

ADVISOR[2]，意大利比萨大学和意大利国家能源与环境局联合开发的Hy-Sim[3]，

法国国家交通与安全研究院开发的VEHLIB[4]等。其中最具代表性的是由美国国家

可再生能源实验室推出的ADVISOR。上述这些仿真软件的仿真对象主要是针对混

合动力汽车和纯电动汽车，只有ADVISOR能够进行燃料电池汽车的仿真，但其仿

真的目的主要是动力系统参数匹配验证。贺建军等人在燃料电池动态建模方面开展

了卓有成效的研究工作，采用理论分析结合试验的建模方法建立了燃料电池动态模

型，并利用所建立的模型研究了燃料电池发动机的控制问题，取得了较高的仿真精

度[5]。到目前为止，很少有文献详细介绍燃料电池混合动力系统动态特性建模的

过程。此外，基于模型的系统开发流程在燃料电池汽车控制系统设计中还未得到应

用。本论文针对所研究的燃料电池原型样车，基于理论分析，结合台架试验和实车

转鼓试验的相关试验数据，详细阐述了其动态建模以及模型验证的过程，研究结果

将会为今后开展基于模型的燃料电池汽车控制系统开发奠定理论和设计基础。

1.1FCHV原型车

所研究的FCHV原型车采用燃料电池加动力蓄电池的多能源混合结构。其动力系

统的拓扑结构如图1所示。

所研究的FCHV原型车匹配参数及动力性指标见表1。其中电驱动系统的额定功率

为24kW，其峰值功率可达65kW，蓄电池采用锂离子动力电池，其容量为20Ah，

燃料电池采用质子交换膜类型，其输出功率为4