【摘 要】
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在环境污染日益严峻、石油资源不断枯竭的背景下,新能源汽车正逐渐在全球范围内推广,燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicles,FCV）具有续航里程长、氢气补充速度快、无污染以及原料来源广泛等优点,成为未来汽车发展的重要方向,是解决环境污染与石油资源枯竭问题的主要技术路线之一。由于燃料电池输出特性比较疲软,FCV一般需要其他辅助能量源与燃料电池组成复合能量源系统来共同驱动汽车,系统的参数匹配与
【基金项目】
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国家自然科学基金（51575189）；
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在环境污染日益严峻、石油资源不断枯竭的背景下,新能源汽车正逐渐在全球范围内推广,燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicles,FCV）具有续航里程长、氢气补充速度快、无污染以及原料来源广泛等优点,成为未来汽车发展的重要方向,是解决环境污染与石油资源枯竭问题的主要技术路线之一。由于燃料电池输出特性比较疲软,FCV一般需要其他辅助能量源与燃料电池组成复合能量源系统来共同驱动汽车,系统的参数匹配与能量管理策略（Energy Management Strategy,EMS）作为FCV研究开发中的重要部分,将影响到整车的动力性、经济性以及系统的耐久性,已成为当前国内外学者的研究热点。本文基于燃料电池汽车的研发需求,首先对燃料电池复合能量源系统的各类构型进行特性分析,确定以半主动式燃料电池+动力电池复合能量源构型作为研究构型,对该构型中关键部件的特性进行分析,构建相应的数学模型。主要工作包括:对动力电池的等效电路模型特性进行分析,基于能够描述电池极化现象的Thevenin等效电路模型进行电池数学建模;为了确保模型描述的准确性,对电池工作特性进行全面分析,制定了动力电池性能测试实验方案,完成了电池性能测试实验与Thevenin模型的参数辨识;基于不同类型燃料电池特性的对比分析,确定以质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）作为研究对象,建立了考虑电压损失的PEMFC稳态输出模型;在系统中引入DC/DC变换器,并对其效率特性进行分析,建立了相应的效率模型。其次,对半主动式燃料电池+电池复合能量源工作模式进行分析,根据能量源与总线的功率关系建立了总线功率平衡模型。基于FCV整车参数以及动力性能指标,完成燃料电池复合能量源系统重要部件的初步参数匹配,确定了电机的功率、转速、转矩等基本参数,并基于电机参数匹配以实验建模方式构建了驱动电机归一化效率模型;初步完成了燃料电池最大输出功率、额定功率以及电池的串并联数的匹配,为EMS求解以及多目标优化奠定基础。Thevenin等效电路模型不仅可以反映出电池对负载的响应跟随能力,也能描述电池的极化现象,因此本文基于Thevenin模型,以电池荷电状态（Battery State of Charge,BSOC）与极化电压作为状态变量,系统等效耗氢作为成本函数,采用了多维动态规划（Dynamic Programming,DP）算法进行燃料电池复合能量源系统EMS求解,为了提高算法运行速度,将每阶段中状态变量进行主辅划分,在逆向求解过程中,对状态变量网格与最优累积函数的三维对应关系进行了降维处理,将求解维度降为主状态变量与最优累积函数组成的二维对应关系,并对EMS求解结果进行了分析,说明了其正确性。最后,将基于多维DP算法的EMS与多目标优化应用于系统参数匹配研究中,引入了基于燃料电池性能衰减的寿命模型和基于电池安时流通的电池等效寿命模型,以燃料电池最大输出功率与电池组并联数作为参数匹配变量,设计了以系统等效耗氢量作为经济性指标,以燃料电池性能衰减率和电池安时流通作为系统耐久性指标的双层嵌套多目标参数匹配优化流程,应用多维DP算法进行EMS求解。基于双层嵌套多目标参数匹配优化求解的结果,综合燃料电池汽车动力性能指标、初步参数匹配,同时对系统的经济性和耐久性进行进一步的分析,最后结合复合能量源系统制造成本以及重量,获得优化参数设计空间,使设计者在参数匹配中可以根据车辆的不同性能倾向,获得不同系统部件参数最优组合。
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