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车载质子交换膜燃料电池建模与混合能量管理研究
| 论文题名： | 车载质子交换膜燃料电池建模与混合能量管理研究 |
| 关键词： | 混合动力汽车;燃料电池;分层系统;能量管理;分频解耦;重构滤波器 |
| 摘要： | 环境污染、能源危机等问题正在逐渐恶化，随着石油和天然气开采资金储量的持续减少，寻找一种新型可代替的清洁能源方式已势在必行。在如此严峻的情势之下，新能源汽车正如雨后春笋一般应运而生。其中，氢燃料电池汽车以其零污染、强续航以及低氢能量消耗等优势迅速进入全球市场，并在国际中占有一席之地，可为未来解决清洁能源危机和大气污染等问题提供新的途径和办法。 复合能量源供电的燃料电池汽车可有效改善纯燃料电池汽车动态响应慢以及无法回收汽车制动状态下能量等问题。本文以“燃料电池+蓄电池+超级电容(FC+B+SC)”为主题，以三种能量源混合驱动的燃料电池电动汽车(FCHEV)为研究对象，选择质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为FCHEV的主能量源，并利用MATLAB/Simulink仿真软件对PEMFC系统建立经验、数学以及动态模型，分析燃料电池各项性能指标。 蓄电池和超级电容作为辅助能源装置，共同为整车提供动力支持。因此，如何做到不同能量源之间的功率输出分配效益最大化，是FCHEV能量管理策略的首要目标。针对该目标提出两种不同的能量管理策略。一种是多层次的能量管理策略，另一种则是基于分频解耦的能量管理策略。在多层次的能量管理策略中，整车负载所需功率在燃料电池系统以及蓄电池、超级电容组成的储能系统(ESS)中分配，第一层系统采用等效能耗最小策略(ECMS)，旨在降低总氢消耗至最小化为目标。第二层系统采用等效串联电阻(ESR)的方法来确定电池和超级电容器之间的输出功率分配比例。而基于分频解耦的能量管理策略是在此基础上，设计两个模糊控制器：基于模糊控制的自适应低通滤波器和基于Harr小波变换和模糊控制的输出功率分配算法。负载需求功率馈入自适应低通滤波器，将负载需求功率的高频分量分给超级电容，1号模糊控制器的目的是将超级电容器的荷电状态(SOC)保持在给定的范围从而减轻燃料电池与蓄电池的压力。2号模糊控制器设计的目的是降低燃料电池的使用频率。通过对低频分量的高频与低频部分进行解耦，再由重构滤波器直接分离出分配给燃料电池的功率。 通过Advisor以及MATLAB/Simulink仿真平台，对所提出的能量管理策略进行验证。通过对ECMS以及分频解耦的能量管理策略进行仿真和比较，结果显示车辆的加速性能有明显提高，并且作为主驱动力来源的燃料电池几乎在高效率区域运行，能够更好地抑制燃料电池输出功率的波动，极大提高了其使用寿命。在高速公路燃油经济性测试、城市动态驾驶时间表、新标欧洲循环(HWFET+UDDS+NEDC)三种工况条件下对控制策略进行对比验证，结果表明本文提出的EMS相较之下能够节省约9.89%的氢气，更好地实现燃油经济性。 |
| 作者： | 顾洮 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 黄永红 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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