燃料电池轿车动力系统仿真分析
氢燃料电池混合动力汽车能量管理系统建模与仿真分析
能量管理系统框图
：Tjnotorjref [P bat
2.1驾驶员意图模块
由于车辆的行驶状况非常复杂4对驾驶员意图的精准判
断在车辆行驶控制中至关重要4通过对驾驶意图的判断4可 以初步得到驾驶过程的转矩需求T_dem和功率需求P_demo 驾驶员意图模块如图3所示4该模块将车速信号8、加速踏板
信号Acc和制动踏板信号作为输入4需求转矩由这3个信 号共同决定。踏板位置信号范围都在0到1之间，当制动踏板
为新能源汽车发展的热点。然而4燃料电池具有
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1燃料电池动力电池混合动力系统
燃料电池与 电池合系统是一种“FC+B”的
模式4 燃料电池作为主要能源4
电池作为辅助能源的
《"车电％》2020年第#期 13
行+ ,焦 3
Industry Focus
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燃料电池 参考电流 计算模块
52 S5
动力电池
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充电需求
功率 P charge
P_bat P_FC
动力电池能 量管理模块
Bat_V FC_V FC_I
GUO Peng-yan # ZONG He-hui, WANG Yi-bo, LI Bing-jie (College of Mechanics, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)
基于模型预测控制的燃料电池动力系统仿真研究
基于模型预测控制的燃料电池动力系统仿真研究I. 引言随着全球能源需求的不断增长，燃料电池动力系统作为一种新型的清洁能源技术逐渐受到了人们的广泛关注。
模型预测控制(MPC)作为一种先进的控制方法，能够有效地改善燃料电池动力系统的性能和稳定性。
本文将针对燃料电池动力系统的MPC控制策略进行仿真研究，并探讨其应用前景。
II. 燃料电池动力系统简介燃料电池动力系统是一种通过将氢气或其他燃料与氧气反应来产生电能和水的动力系统。
其主要组成部分包括燃料电池、氢气贮罐、氧气贮罐、电池控制器等。
燃料电池通过化学反应将氢气(或其他燃料)和氧气产生电能，并将电能输出至电机进行驱动。
燃料电池动力系统具有零排放、高效率、安全性好等优点，可广泛应用于汽车和其他领域。
III. 模型预测控制模型预测控制(MPC)是一种基于系统模型的预测控制方法，可以在控制系统中预测未来的状态、输出值等，并根据预测结果对控制输入进行优化，从而实现对系统的控制。
MPC方法可以有效地改善燃料电池动力系统的性能和稳定性，提高系统的效率和寿命。
IV. 燃料电池动力系统MPC控制策略燃料电池动力系统的MPC控制策略主要包括状态反馈控制和输出反馈控制两种。
状态反馈控制是按照系统状态对控制输入进行调节，使系统输出能够满足需求。
输出反馈控制是根据系统输出对控制输入进行调节，以实现对系统的控制。
V. 燃料电池动力系统MPC控制仿真研究在本文中，我们采用Matlab/Simulink软件对燃料电池动力系统MPC控制策略进行了仿真研究。
仿真结果表明，MPC控制策略可以有效地提高燃料电池动力系统的性能和稳定性，使系统在工作过程中能够更加精确地控制输出电压和电流，并克服了传统控制策略中存在的不足之处。
VI. 总结与展望本文对基于模型预测控制的燃料电池动力系统进行了仿真研究，探讨了其在控制系统中的应用前景。
燃料电池动力系统作为一种新型的清洁能源技术，具有巨大的发展潜力。
我们相信，通过不断地优化和改进，燃料电池动力系统将成为未来清洁能源领域中的重要一员。
新能源汽车动力系统的设计与分析
新能源汽车动力系统的设计与分析新能源汽车一直被认为是未来汽车发展的主要方向之一，其动力系统的设计与分析是至关重要的。
随着环境污染及能源短缺问题日益突出，新能源汽车的发展成为社会广泛关注的焦点。
本文将从角度进行深入探讨，旨在为该领域的研究和发展提供一定的借鉴和参考。
在新能源汽车动力系统设计的过程中，首先需要考虑的是动力源的选择。
目前，主要的新能源汽车动力源包括纯电动、混合动力、燃料电池等。
不同的动力源具有各自的特点和适用场景，因此在设计时需要综合考虑车辆的使用环境、续航里程、充电设施等因素，选择最适合的动力源。
其次，新能源汽车动力系统的设计还涉及到动力传动装置的选择。
传统的汽油车主要采用发动机驱动车辆，而新能源汽车在动力传动装置上较为复杂，需要考虑电机、逆变器、减速器等组件的配合与匹配。
不同的传动装置对车辆性能和经济性都有较大影响，因此需要在设计阶段进行全面评估和优化。
在动力系统设计完成后，对其进行系统分析是不可或缺的一步。
动力系统的分析可以从能量利用效率、排放情况、动力性能等多个维度进行评估，为后续的系统优化和改进提供依据。
通过实验测试和模拟仿真等手段，可以全面了解动力系统的运行情况，找出存在的问题并提出相应的改进建议。
除了动力系统的设计与分析，新能源汽车在实际运行中还面临诸多挑战。
例如，电池的寿命和安全性、充电设施的不足、电力资源的供给等都是制约新能源汽车发展的重要因素。
因此，未来在新能源汽车动力系统的设计与分析上，还需要不断创新和完善，以满足社会对清洁能源和可持续发展的需求。
梳理一下本文的重点，我们可以发现，新能源汽车动力系统的设计与分析是一个复杂而又具有挑战性的课题。
通过不断深入研究和实践探索，相信新能源汽车的未来一定会更加美好。
让我们共同努力，为推动新能源汽车技朧发展贡献自己的力量！。
解析新能源汽车的动力性能仿真技术
解析新能源汽车的动力性能仿真技术新能源汽车的发展势不可挡，其动力系统是其核心竞争力之一。
为了进一步优化新能源汽车的动力性能，仿真技术成为了不可或缺的工具。
本文将针对新能源汽车的动力性能仿真技术展开详细解析。
动力性能仿真的定义动力性能仿真是利用计算机模拟新能源汽车动力系统运行过程的技术。
通过建立数学模型，模拟不同工况下的动力需求与动力系统输出之间的关系，用以评估新能源汽车的加速性能、续航能力、能耗等指标。
动力性能仿真的重要性动力性能仿真技术可以在产品设计阶段快速、准确地评估不同动力系统配置在实际使用中的表现。
通过仿真可以提前发现问题，降低开发成本，缩短产品上市时间，提高产品竞争力。
动力性能仿真的步骤建立数学模型：包括车辆动力学模型、电池模型、电机模型等，模型精确性将直接影响仿真结果的准确性。
设定仿真工况：根据实际道路行驶工况、车辆负载情况等因素，设定不同工况下的仿真条件。
进行仿真计算：利用仿真软件对所建立的数学模型在设定工况下进行仿真计算，得出动力性能指标。
评估结果：根据仿真结果评估新能源汽车在不同工况下的动力性能表现，发现问题并进行优化调整。
动力性能仿真技术的应用动力系统优化：通过仿真技术，优化电池容量、电机功率匹配等，提高动力系统整体效率。
节能降耗：仿真可以帮助优化能量管理策略，降低新能源汽车的能耗，延长续航里程。
性能预测：在产品设计阶段，可以利用仿真技术对新能源汽车性能进行预测，为后续研发工作提供参考。
动力性能仿真技术对于提升新能源汽车的竞争力具有重要意义。
通过精确的仿真分析，可以为新能源汽车的研发与生产提供有力支持，促进行业持续发展。
让我们共同关注和推动新能源汽车动力性能仿真技术的发展，为清洁能源汽车行业注入更多活力和创新。
动力性能仿真技术是新能源汽车发展中不可或缺的重要环节，其应用将进一步推动新能源汽车行业的发展，提升技术水平和竞争力。
燃料电池混合动力系统建模及能量管理算法仿真
燃料电池混合动力系统建模及能量管理算法仿真1. 引言在当今汽车行业的发展中，新能源汽车作为一种环保、节能的交通工具，备受人们的青睐。
而燃料电池混合动力系统作为新能源汽车的重要动力系统之一，在汽车工程领域也备受关注。
本文将从燃料电池混合动力系统建模与能量管理算法仿真两个方面展开讨论，以帮助读者深入了解该领域的相关知识。
2. 燃料电池混合动力系统建模2.1 系统组成与工作原理燃料电池混合动力系统是由燃料电池、储能装置、电动机等多个组成部分组合而成的，其工作原理是将氢气和氧气在燃料电池中进行电化学反应，产生电能驱动电动机，从而推动汽车运行。
2.2 系统建模方法在进行系统建模时，我们通常采用物理建模和数学建模相结合的方式，利用计算机软件对系统进行仿真分析，以获得系统在不同工况下的性能参数。
3. 能量管理算法仿真3.1 能量管理算法的意义能量管理算法是燃料电池混合动力系统中至关重要的一环，其合理的控制策略能够最大程度地提高系统的能量利用率，延长储能装置的使用寿命，同时提高汽车的燃料经济性。
3.2 常用的能量管理算法目前常用的能量管理算法包括PID控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等，它们各有优劣，需要根据具体应用场景进行选择。
4. 个人观点与总结个人认为，燃料电池混合动力系统的发展前景广阔，但也面临着一系列挑战与机遇。
在未来的研究中，需要深入探讨系统建模与能量管理算法的优化与创新，以实现系统的高效、稳定运行，从而推动新能源汽车行业的健康发展。
在本文中，我对燃料电池混合动力系统建模与能量管理算法仿真进行了深入探讨，并结合个人观点进行了总结，希望能够为读者提供一定的参考价值。
燃料电池混合动力系统建模及能量管理算法仿真对新能源汽车行业的重要性无可否认。
随着环保意识的增强和能源问题的日益突出，新能源汽车已成为未来汽车发展的必然选择，而燃料电池混合动力系统作为其中一种重要的动力系统，其在汽车工程领域的发展备受重视。
对该领域的研究与探讨具有重要意义。
燃料电池轿车动力系统建模与仿真研究
直流母线上唯一的电压源决定了母线的瞬时电压 。 另外 ， 燃料 电池采用功率跟 随控制模式 ， 首先根据 功率需求对燃料电池给出预测控制指令 ， 然后根据 最佳工作点调节 Ｄ ／ Ｃ的电流设定 ，燃料电池 的 ＣＤ 实际输出功率 由 Ｄ ／ Ｃ输 出电流决定。 ＣＤ
１ 系统 物理模 型 ． ３
ｐ ｗｅｔ ｉ ｈｃ ｓｃ ｍｐ ｓｄ ｏ ｅ ｅｌ ｎ ｉｅ ＤＣ ｍｏｏ ｎ ｔ ｏ ｔ ｌ ｒ ｏ ｒ ａｎ ｗ ｉｈ ｉ ｏ ｏｅ ｆｕ ｌｃ ｌｅ ｇｎ ， ｒ ｆ ｔｒａ ｄ ｉ ｃ ｎｒ ｌ ｓ ｏｅ ａ ｄ ｐ ｗｅ ａｔｒ ． Ｔ ｓｉ ｔ ｈ ｎ ｎ ｗ ａａ ｔｒ ｆｔｅ ｍａ ｅ ｔ ｎ ｏ ｒｂ ｔ ｙ ｅ ｏ ｅｔ ｍａｅ ｔｅ ｕ ｋ ｏ ｎ ｐ ｒｍｅｅｓ ｏ ｈ ｔ ｍａｉ ｈ ｃ ｍｏ ｅ， ｔｅｌａｔ ｑ ａｅｐ ｒｍｅｅ ｓｉ ｔ ｎｍｅ ｏ ｓｅ ｌｙ ｄ Ａ ｓ ｏ ｄ ｌ ｈ ｓ ｕ ｒ ａａ ｔｒ ｅｔ ｅ ｓ ｓ ｍａｉ ｔ ｄｗａ ｍｐｏ ｅ ． ｔ ａｔ ｆ ｏ ｈ ｌ ｐ ｐ ｒ ｔｅＩ８ ｌ ｉ ｌｔ ｎ ａ ｄｆ ｌ ｓ ｔ ｕ ｔ ｔｄ Ｔ ｅｒｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｅ， ｈ ｕｔ ｏ ｓｍｕａｉ ｎ ｅｄｔ ｔ ｅｉ ｓ ａｅ ． ｈ ｅ ｕｔ ｓ ｏ ￣ ｓｆ ｏ ｉ ｅ ａ ｌ ｒ ｓ ｈ ｔｍｏ ｅ ｎ ｔ ｔｄ ｃ ｎｒ ｒ ｅ ｔｃ ａａ ｔｒ ｉ ｔ ｉ ｏ ｏ ｅ ｔ ｏ ｔａ ｄ ｌ ｏ ｓｒ ｃｅ ａ ｐ ｓｎ ｈ ｒｃｅｉｔ ｓｏ ｅｍａｎｃ ｍｐ ｎ ｎ ｃ ｕ ｅ ｅ ｓｃ ｆ ｈ ｓｆ
模型 ， 然后采用最小二乘参数辨识法对模 型中的 未知参数进行估计 。 最后通过离线仿真和实车转 鼓实验结果的对比证明所建立模型的有效性。
１ 动力 系统 物理 模型 １１ 系统结 构 ．
燃料电池汽车整车热管理系统设计与仿真分析
谢谢观看
4、智能化：控制器应具备故障 诊断和预警功能，能够根据车辆 状态进行自适应调整。
1、中央处理器：负责接收和解析来自各传感器的信号，根据车辆运行状态计 算出最佳的燃料供应、冷却液流量等参数，并通过CAN总线发送给各执行器。
2、电源管理：负责监控电池组的电压和电流，确保其处于安全范围内。当电 量过低时，自动切换到备用电源。
燃料电池汽车整车热管理系统 设计与仿真分析
基本内容
引言：
随着环保意识的日益增强和新能源汽车技术的不断发展，燃料电池汽车（FCEV） 逐渐成为汽车产业的研究热点。燃料电池汽车以其零排放、高能效、快速补充 燃料等优点，成为新能源汽车的重要发展方向之一。然而，燃料电池系统的热 管理是FCEV开发中的重要环节，直接影响到整车的性能和安全性。
一、EPS系统和HILS
电动助力转向系统（EPS）是一种动力转向系统，使用电动马达而不是传统的 液压泵来提供转向助力。HILS是一种测试和验证硬件的方法，使用数学模型来 模拟被测系统的行为，并将其集成到实际的测试环境中。
二、LabVIEW和HILS
LabVIEW是一种图形化编程语言，广泛用于测试和测量应用。LabVIEW具有许 多功能强大的工具，可以简化HILS的开发和实施。
3、故障诊断：实时监测车辆各部件的工作状态，当发现异常时，立即采取相 应的应急措施并发出警报。
4、人机交互：通过液晶显示屏或手机APP，向驾驶员显示车辆的运行状态和健 康状况，以及提供操作建议。
参考内容二
基于LabVIEW的电动助力转向系 统硬件在环仿真
随着电动助力转向系统（EPS）的普及，开发人员需要在不损害实际硬件的情 况下测试和验证其性能。硬件在环仿真（HILS）是一种有效的解决方案，它使 用模型来模拟硬件行为，并对其进行测试和验证。本次演示介绍了如何使用 LabVIEW软件进行电动助力转向系统的HILS。
燃料电池电动汽车动力系统匹配及仿真研究
武汉理工大学硕士学位论文燃料电池电动汽车动力系统匹配及仿真研究姓名：王刚申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：乔维高;吴志新20081201摘要伴随着世界环境污染和能源危机问题的目益凸显，内燃机汽车在经过百年发展后，虽然在安全、节能、环保、舒适和价廉等方面取得了重大的进展，但其不得不面临石油资源日益枯竭的现状。
据调查，汽车每年消耗的石油约为９０亿桶，科学家预言已探明的石油资源将在下个世纪初用完。
面临可持续发展，大气环保和地球温室效应的挑战，以及噪声方面的限制。
低排放、无污染的清洁汽车倍受各汽车生产大国的关注。
纯电动、混合动力汽车应运而生。
燃料电池汽车以其接近零排放、能量转化效率相对较高、噪声小的等特点，成为了各大汽车公司研究的热点之一。
本文首先介绍燃料电池汽车的结构及分类。
分析各类型的优缺点后，选定燃料电池与蓄电池组成的混合动力汽车（ＦＣ＋Ｂ）为研究对象。
ＦＣ＋Ｂ型燃料电池汽车可以解决燃料电池系统的动态相应慢，启动、急加速和爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行驶要求的问题。
在行驶过程中，蓄电池可以长时间提供足够的辅助能量，特别在汽车制动能量回收的过程中，回收回馈功率，进而延长系统使用时间，提高汽车动力系统的效率。
本文在对燃料电池混合动力汽车驱动系统中的主要部件分别进行比较后，确定了燃料电池、动力电池、电机的类型。
针对燃料电池混合动力汽车车用动力源的特性要求进行了质子交换膜燃料电池、驱动电机的试验研究。
试验结果表明，所选用的部件完全满足车辆动力性能的要求。
同时，为减少氢气消耗量，采用基于整车需求功率和蓄电池ＳＯＣ为控制参数的模糊控制策略。
采用后向仿真方法在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件平台上建立整车仿真模型，制定了燃料电池一蓄电池组成的能量源系统的控制策略，以某国产经济型两厢轿车为原型，利用ＡＤＶＩＳＯＲ２００２仿真软件对燃料电池一蓄电池混合动力汽车进行动力系统的仿真分析与参数匹配。
纯电动汽车的车辆动力学仿真分析
纯电动汽车的车辆动力学仿真分析纯电动汽车是一种使用电能作为唯一动力源的汽车。
与传统的内燃机汽车相比，纯电动汽车具有更高的能源利用率和零尾气排放的环保特性。
在近年来，随着电动汽车技术的不断发展和成熟，纯电动汽车的市场份额不断增加，越来越多的人开始选择纯电动汽车作为代步工具。
在纯电动汽车的设计和研发过程中，车辆动力学仿真分析起着重要的作用。
通过对车辆动力学的仿真分析，可以评估纯电动汽车在各种复杂的工况下的性能和能耗，进而优化车辆的设计和参数设置，提高纯电动汽车的整体性能。
首先，汽车的动力学模型是进行仿真分析的基础。
动力学模型可以分为整车动力学模型和动力系统动力学模型两个层面。
整车动力学模型主要描述了汽车运动学和力学特性，包括车身运动、悬挂系统、轮胎力等；而动力系统动力学模型则主要描述了电动机、电池、控制系统等电动汽车专有的动力系统特性。
通过建立准确的动力学模型，可以对纯电动汽车在不同工况下的动力性能进行仿真分析。
其次，纯电动汽车的车辆动力学仿真分析可以帮助评估纯电动汽车在不同工况下的性能指标。
例如，加速性能是评价汽车动力性能的重要指标之一。
通过在仿真环境中对纯电动汽车进行加速测试，可以得到纯电动汽车在不同起始速度下的加速时间和加速度曲线，进而评估其加速性能。
此外，车辆的最大速度、最大爬坡能力、续航里程等性能指标也可以通过仿真分析进行评估，为车辆设计者提供重要的参考。
另外，车辆动力学仿真分析还可以帮助优化纯电动汽车的能耗。
能耗是电动汽车运行成本的重要组成部分，对于用户和车辆制造商来说都是一个重要的关注点。
通过在仿真环境中对纯电动汽车在不同行驶工况下的能耗进行仿真分析，可以评估车辆的综合能耗水平，并根据分析结果来优化车辆的动力系统参数，提高车辆的能源利用率。
此外，车辆动力学仿真分析还可以对纯电动汽车进行故障诊断和故障排除。
在纯电动汽车中，动力系统的可靠性对于车辆的正常运行至关重要。
通过在仿真环境中引入不同类型的故障，并模拟不同的故障情景，可以帮助车辆制造商和技术人员了解纯电动汽车在故障情况下的表现，并采取相应的故障排除措施。
燃料电池系统建模与性能仿真研究
燃料电池系统建模与性能仿真研究随着全球能源危机和环境问题的日益严重，寻找可持续和清洁能源的需求越来越强烈。
燃料电池作为一种高效、环保的能源转换技术，因其无污染、高能量密度和零排放等优势而备受关注。
然而，燃料电池的高成本、短寿命以及稳定性差等问题限制了其大规模应用。
为了解决这些问题并提高燃料电池系统的性能，建模与仿真技术成为研究的热点。
燃料电池系统建模是一项关键的工作，它可以准确地描述燃料电池的动态行为和性能特点，为系统的设计和控制提供依据。
该建模过程需要综合考虑燃料电池堆、氢气储存和供应系统、电路结构以及热管理等诸多因素，并采用适当的数学模型将这些因素进行耦合。
常用的燃料电池系统建模方法包括基于物理原理的动态模型和基于数据的经验模型。
基于物理原理的动态模型是根据燃料电池系统的结构和工作原理，结合质量、能量和动量守恒等基本物理原理建立的。
它可以更准确地揭示燃料电池系统的内部运行机制和特性，并具有更好的仿真精度。
然而，这种建模方法需要大量的实验数据和系统参数，且计算复杂度较高。
至于基于数据的经验模型，它是在建立动态模型的基础上采用数据拟合方法来修正模型参数，以提高仿真效果。
这种方法相对比较简单，只需提供一定量的实测数据，然后利用统计学方法对数据进行处理，从而得到可用于仿真的模型。
虽然经验模型能够降低建模的复杂性，但由于建立在有限的数据集上，其适用范围较窄。
在燃料电池系统建模的基础上，性能仿真成为重要的研究内容。
通过仿真分析可以评估不同设计和控制策略对系统效能的影响，并为系统的优化提供指导。
具体而言，性能仿真可分为静态性能仿真和动态性能仿真两个方面。
静态性能仿真主要用于评估燃料电池系统的稳态性能，如功率输出、效能、压力损失等。
通过建立数学模型和设定不同工况条件，可以精确预测系统在不同负载和环境条件下的性能表现。
这种仿真方法能够帮助研究人员及时发现系统中的问题，并对系统进行改进与优化。
与之相对应的是动态性能仿真，它能够模拟燃料电池系统在动态工况下的行为，如启动过程、负载变化等。
氢燃料车用动力电池系统设计与仿真分析
动力源与燃料电池并联应用，共同为汽车提供能源。此混
密封垫
合氢燃料车可使其输出的功率降低，同时提高了整车的经 济性[3]。
本文以氢燃料中型卡车为研究对象，通过对电池系统 的随机振动和温度场仿真分析来确认设计的可行性。
接插件 冷却介质入口 MSD
冷却介质出口
模组 下箱体
1 动力电池系统在整车系统架构中功能
本文使用 Ansys Fluent 软件，采用简化算法对模型进 行简化，并以此模型对电池系统进行温度场仿真分析。
淤为提高仿真精度，电池模组划分细密的结构化网 格，为提高仿真效率，对电池液冷系统划分结构六面体和 非结构四面体的混合网格，将模组网格和液冷系统网格进 行组装，组装后网格总数为 9278331 个。水冷板材料为铝 与铜的合金，冷却液选用 50%的乙二醇溶液，电芯为某款 单体容量 48Ah 的锰酸锂电池，单体电芯直流内阻 1.5m赘 （25益，50%SOC），液冷板布置在各模组的极耳两侧，电池 包箱体材料为 Q235A，电池包表面与环境换热方式为空气 自然对流换热。
中图分类号院U466
文献标识码院A
文章编号院1674-957X（2021）13-0016-02
0 引言
随着环境污染、温室效应与能源短缺的加剧，为汽车
寻找新型能源已迫在眉睫。氢燃料电池汽车是公认的可同
时解决能源和环境问题的绿色环保车，是今后汽车发展的
主要方向之一[1-2]，通常采用蓄电池或超级电容器作为辅助
（奇瑞商用车（安徽）有限公司，芜湖 241002）
（Chery Commercial Vehicle（Anhui）Co.，Ltd.，Wuhu 241002，China）
摘要院本文研发设计一款安全、可靠的氢燃料车用动力电池系统，分析了动力电池系统在整车功能架构作用及其结构组成，并对 该系统进行随机振动和温度场仿真与分析。通过仿真，验证系统设计可行性。
燃料电池轿车动力系统建模与仿真研究
由动力总成的结构和整体控制方案可以建立 如图２所示的等效 电路模型， 中蓄电池采用 Ｒ 其 Ｃ 等效电路模型。由相关文献可知 ， ０ （０倍率） １ Ａ１ ０ 放电实验时采用 Ｒ Ｃ等效电路模 型的电池 电压瞬 时最大误差 为 ２ 。采用更高 阶的等效 电路模型 Ｖ 虽然可以减小误差 ， 但会给后续 的分析和计算带
内有竞争力的汽车工程开发集成能力 。加快新能
源 汽车 的发 展是一项 长期 而艰 巨的任 务 ， 我们 决 心
院新址建设， 积极 争取政府有关部 门的支持 和帮 助 ， 日在嘉定 国际 汽车 城核 心研 发 区内建 成全 新 早
的上 汽工程研 究院 ， 为新 能源 汽车 和 自主 品牌建 设
工作， 为提升上海城市形象、 争创上海汽车工业发
展新 优势而 不断努力奋 斗 ！
收 稿 日期 ： ０ ５—１ ２ ２０ ２～ １
－
４ ・
上海 汽车
２０．３ ０ ６ ０
维普资讯
各功率部件输入 和输 出的近似 动态 关系式 ， 将燃
’ Ｉ
驱动 动力
推进其他代用燃料汽车的商品化。 （） ４ 全面建设 上汽工程研究院。要把上汽工程 院作为自主品牌和新能源汽车的工程技术基地 ， 全 力加快“ 软硬件” 建设进度 。一方面 ， 尽快启动工程
和 上汽股份 的技 术 研 发 资 源 的协 同效 应 ， 消化 、 在
吸收的基础上进行 自主创新 ， 力争到２ １ 年形成国 ００
件 主要 分 为 ３个 部 分 ： 电池 、 Ｃ Ｄ 蓄 Ｄ ／ Ｃ与 燃 料 电
池、 电机及其控制器。燃料电池通过 Ｄ ／ Ｃ向直 ＣＤ
流 母线 输 出 电 流 ， Ｃ Ｄ Ｄ ／ Ｃ采 用 输 出 端 恒 流 控 制 ，
PEM燃料电池动态特性的建模与仿真研究
引言
氢燃料电池汽车作为一种零排放的交通工具，具有很高的环保性能和能源利用 效率。随着环境保护意识的增强和能源紧缺的压力，氢燃料电池汽车的发展越 来越受到人们的。动力系统是氢燃料电池汽车的核心部分，其设计的好坏直接 影响到整个车辆的性能。建模与仿真技术在动力系统设计过程中发挥着重要作 用，可以通过模拟实验来优化系统参数，提高车辆的性能。
2、氢气存储系统：氢气存储系统负责为氢燃料电池提供所需的氢气。该系统 包括高压氢气瓶、氢气管道、压力调节器等组成部分。
3、氧气供应系统：氧气供应系统负责为氢燃料电池提供所需的氧气。该系统 包括空气压缩器、空气干燥器、氧气管道等组成部分。
4、水循环系统：水循环系统负责将氢燃料电池反应产生的水排出并冷却燃料 电池堆。该系统包括水箱、水泵、散热器等组成部分。
1、建立数学模型：根据动力系统的组成和原理，建立相应的数学模型。数学 模型可以描述各组成部分之间的关系以及系统的动态行为。
2、优化参数选择：根据模拟分析的结果，对系统参数进行优化选择。通过对 参数进行调整，可以改善系统的性能指标，如输出功率、效率等。
3、建模仿真流程：将建立好的数学模型输入仿真软件中，进行模拟分析。通 过观察仿真结果，对系统的性能进行评价，进一步优化系统参数。
为了对氢燃料电池系统进行建模与仿真，首先需要建立数学模型。氢燃料电池 系统的数学模型主要包括燃料电池的电化学反应过程、氢气和氧气的传质过程 以及系统的能量平衡等。通过数学模型，可以描述氢燃料电池系统的动态行为 和性能。
在MATLABSimulink中，可以方便地搭建氢燃料电池系统的仿真模型。通过仿 真模型，可以实现对氢燃料电池系统的不同工况进行模拟和分析，从而了解系 统的性能和行为。本次演示将主要从以下几个方面进行建模与仿真：
燃料电池动力系统的建模与仿真研究
燃料电池动力系统的建模与仿真研究燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有高效、无污染、静音等优点，因此被广泛应用于车辆动力系统。
燃料电池动力系统的建模与仿真研究，对于优化系统设计、提高燃料利用率、降低排放物排放等方面具有重要的意义。
燃料电池动力系统的建模是通过对系统各个组件进行数学描述，从而实现对系统行为和性能的模拟和预测。
其主要包括对燃料电池堆、氧化剂循环系统、水循环系统、燃料处理系统等组件的建模。
其中，燃料电池堆的建模是燃料电池动力系统建模的核心，通过考虑质量、能量和动量等方面的平衡，以及燃料电池本身的特性，可以准确地描述燃料电池的工作过程和性能特点。
燃料电池动力系统的仿真研究则是通过建立的模型进行实际运行情况的模拟和预测。
在仿真过程中，可以通过调节输入参数、改变工况条件等来观察系统的响应和性能变化，从而对系统进行优化设计和性能评估。
通过仿真，可以评估燃料电池动力系统的整体性能，如功率输出、效率、响应时间等，以及各个组件的工作状态和相互之间的相互影响。
燃料电池动力系统的建模与仿真研究可以通过多种方法来实现。
一种常用的方法是通过建立基于物理方程的数学模型，如质量守恒、能量守恒、动量守恒等方程，结合实验数据进行参数拟合，从而获得更加准确的模型。
另外，还可以利用人工智能方法，如神经网络、遗传算法等来对系统进行建模和优化，以提高模型的准确性和仿真的效率。
燃料电池动力系统的建模与仿真研究对于推动燃料电池技术的发展具有重要的意义。
通过建立准确的数学模型并进行仿真分析，可以发现系统的潜在问题和瓶颈，并针对性地进行改进和优化。
此外，通过仿真可以降低实验成本和时间，加快燃料电池动力系统的研发进程。
因此，建立完善的燃料电池动力系统建模与仿真平台，将对推动燃料电池技术的商业化和应用具有重要的促进作用。
基于amesim的燃料电池系统仿真与分析
"—— —电化当量，C；
+—— —通过的电荷，C；
(— ——化合价总数的绝对值；
（1）
在 AMESim中，提供了 4种燃料电池电堆子模型，
分别为 FCPEMFC1D00，FCPEMFC2D00，FCSOFC1D00，
（2） FCSOFC2D00。由于文章只研究 PEMFC系统级层面而
不研究电堆内部机理，因此本模型使用的电堆子模型
PEMFC电堆模型较为复杂，包含多个输入物理量 和输出物理量，通过构建原理分析图，可梳理输入量与
F 基金项目：天津市科技服务业重大专项（17ZXFWGXOOO4O）
- -
2第0230（期3）
技术聚焦
Feature
输出量的关系，并为之后电堆的研究提供理论依据。燃
+—— —反应放热量，J；
难题和挑战 ，如冷启动、水热管理及交换膜的制备
等。由于燃料电池成本较高，用于研究会浪费大量劳
力与经费，因此利用现有的系统级仿真软件进行研究
[4]
是一种快速且直观的方式 。文章在分析质子交换膜燃
料电池系统原理后，基于 AMESim软件建立动态的、单
电池系统级一维仿真模型，用于研究燃料电池系统的
动态特性。
目前，氢能与燃料电池已经在部分领域中实现初
[1]
步商业化 。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是燃料电池
汽车的主要部件，与其他电力系统相比，其具有功率
大、零污染和燃料利用率高等优势，成为汽车有效的动
[2]
力系统之一 。在过去的数十年，质子交换膜燃料电池
技术的研究取得了较大成果，但仍存在一些技术上的
[3]
求，且温度处于较佳区间内。结果表明，仿真模型与理论分析比较吻合，验证了仿真模型的正确性，对燃料电池系统的开发具
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10.16638/ki.1671-7988.2019.03.001燃料电池轿车动力系统仿真分析殷婷婷（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804）摘要：文章介绍了燃料电池汽车动力系统的结构和工作原理，对燃料电池轿车进行了动力系统的参数确定和选型，最终通过仿真分析验证了选型结果的正确性。
关键词：燃料电池；动力系统；仿真中图分类号：U473.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)03-03-04Simulation analysis of fuel cell vehicle powertrainYin Tingting( SAIC motor technical centre, Shanghai 201804 )Abstract: The structure and working principle of the Fuel cell vehicle powertrain are introduced. The type and parameters of the fuel cell vehicle powertrain are selected in this article. Finally, the simulation analyze demonstrate the validity of the selection results.Keywords: A fuel cell; Power system; The simulationCLC NO.: U473.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)03-03-04引言燃料电池汽车是以氢能发电和电机驱动为动力系统的新能源电动汽车，具有零排放、无污染、高效节能、噪声极低的突出优点。
发展燃料电池汽车，可实现交通能源结构的多元化，消除传统汽车能源短缺甚至枯竭之忧，从根本上应对人类面临的环保和能源两大严峻挑战。
1 动力系统架构目前常见的架构有三种，如下图所示。
架构一：同丰田MIRAI架构，电机电压平台高（额定电压650V），开发成本大；同时需要两个DC/DC，体积和成本较大。
架构二：燃料电池电压特性较软，变载时电压波动较大不利于电机运行；现有燃料电池电压较低，导致母线电压平台低，需选择电压平台低的电机系统。
架构三：DC/DC置于燃料电池一侧，母线电压由动力电池决定，电压波动范围较小；DC/DC控制燃料电池功率，减少燃料电池载荷剧烈变动，提高寿命。
图1 架构一图2 架构二图3 架构三图4 动力系统架构图综合考虑各架构的优缺点、开发难易程度和成本，选择采用架构三。
包括燃料电池辅助系统后的架构如图4所示，动力系统匹配原则如下：燃料电池系统输出功率满足车辆巡航车速运行功率匹配；在满足安全的前提下，系统电压平台尽可能提高；核心零部件协同原则。
作者简介：殷婷婷，工程师，就职于上海汽车集团股份有限公司技术中心，主要研究方向是新能源汽车动力系统匹配仿真。
3汽车实用技术4图4中，FC：燃料电池电堆；Aux：燃料电池辅助系统，包括空压机、氢循环泵等；Acc：整车附件，包括12DC、PTC、空调等；Bat：动力电池。
燃料电池的输出功率经DC/DC（或称为DCF）输出到高压母线，这部分能量可以流向电机，也可以流向蓄电池。
DCF 的作用一方面对燃料电池进行升压，另一方面能够通过控制燃料电池的输出功率，起到蓄电池与燃料电池能量分配的作用。
燃料电池高压辅助系统挂在母线端，即DCF的输出端。
这是因为燃料电池系统的输出电压较低，并且电压随功率增加下降较快，特性较软。
同时在启动燃料电池前，需要空压机先工作起来，这样将空压机放于母线端后，就能通过动力电池给空压机供电。
如果空压机放于燃料电池输出端，则需要双向DCF，增加了开发的技术难度以及成本。
2 设计目标汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性。
车辆的动力性能通常采用最高车速、最大爬坡度和加速性能来衡量，其中加速性能一般是用百公里加速时间来评定，即0~100km/h 的加速时间来评价汽车的汽车的加速性能。
在满足动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量行驶的能力，称为汽车的燃油经济性。
汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。
本文中燃料电池轿车的经济性是指NEDC工况下百公里的氢耗量。
通过对比参考国内外各种燃料电池汽车的性能参数和综合考虑实际应用情况，整车性能表如表1所示。
表1 整车性能3 零部件选型与参数匹配3.1 驱动电机匹配表2 整车基本参数选择某轿车平台进行匹配设计，整车基本参数如表2所示。
下文将根据整车性能目标以及整车的基本参数进行动力系统的匹配。
驱动电机的参数匹配主要是选择合适的电机峰值扭矩、电机最高转速、电机峰值功率、电机额定功率。
当这四个参数选定后，电机的基本动力特性就确定了，从而整车的动力性能也就基本能够确定。
（1）电机峰值扭矩为满足整车28%的最大爬坡度要求（满载@10km/h），可计算出，整车轮边驱动力大于6650N（左右轮之和）。
依据现有减速箱参数（数比9.07、效率90%），电机峰值扭矩选择≥268Nm，考虑到余量以及可供选择的电机，电机峰值扭矩选择275Nm。
（2）电机最高转速为满足160km最高车速，根据传动系统参数，电机需求最高转速为11701rpm，考虑电机选型，电机最高转速定义为12000rpm。
（3）电机额定功率电机的额定功率应能满足整车持续行驶的功率需求。
不同车速下整车功率需求计算如下式：其中，P u为电机功率kW；ηt为传动系效率，取94%；u 为车速km/h；a为滑行阻力曲线的二次项系数；b为滑行阻力曲线的一次项系数；c为滑行阻力曲线的常数项系数。
由此画出不同车速下电机的需求功率曲线图，如图3-1所示。
考虑整车更优秀的动力性能，以160km/h匀速行驶时的电机需求功率作为电机额定功率。
如图5所示，车速160km/h 下电机需求功率为51.24KW。
故电机的额定功率选择不小于52kW。
图5 滑行曲线下电机额定功率（4）电机峰值功率电机的峰值功率主要与整车的瞬时性能相关，如最高车速，加速性能。
根据前述的分析，整车最高车速不高，其电机功率需求不高，电机的额定功率即可满足。
所以，电机峰值功率的选择取决于整车的加速性能要求。
下式是整车加速方程，在传动比、整车质量、车轮半径等确定的条件下，加速性能取决于电机扭矩。
式中，m为整车的质量，单位是kg；δ为汽车转动质量换算系数，取1.01；g为重力加速度，取9.8m/s²；f为滚动阻力系数，取0.0083；ρ为空气密度，取1.2258kg/m3；C d殷婷婷：燃料电池轿车动力系统仿真分析5为风阻系数，取0.32；A 为车辆的迎风面积，单位是m 3；u 为车速，单位是m/s ；P max 为电机的峰值扭矩，单位是W ；i 1为传动系速比，取9.07。
r 为车轮半径；T (u )为电机扭矩，在全油门下，它是车速的函数，如下式：式中，T max 为电机峰值扭矩，275Nm ；n e 为电机额定转速。
可以看出在车辆低速情况下，整车加速性能主要取决于电机峰值扭矩；而当电机转速超过电机额定转速后，加速能力主要与电机的峰值功率相关，峰值功率越高，加速性能越好。
图3-2为电机峰值扭矩选275Nm 时，不同电机峰值功率下整车的百公里加速时间。
从图中可以看出，当电机的峰值功率超过109kW 后，整车的百公里加速时间小于12s ，满足性能要求。
因此，选择电机的峰值功率为110kW 。
电机的额定功率与峰值功率一般为两倍关系左右，故电机的额定功率选50kW综述，电机的参数选型如下表3，扭矩外特性曲线如图6。
图6 不同电机峰值功率&百公里加速时间 图7 电机外特性曲线表3 电机参数3.2 燃料电池系统匹配（1）燃料电池净功率带宽图8 燃料电池的净功率带宽对不同车型平台初步匹配了燃料电池的净功率，大致得到燃料电池净功率带宽图。
分析假设条件：所有车型均以燃料电池为主能源，优先由燃料电池提供功率。
选取上述功率的性能依据：乘用车（轿车，SUV 和MPV ）性能满足：0-100km/h < 10.5s ；最高车速>160km/h ；30km/h 爬坡度>30%；轻客性能满足： 0-100km/h < 20s ；最高车速>120km/h ；20km/h 爬坡度>20%；大巴性能满足：0-50km/h<20s ；最高车速>90km/h ；10km/h 爬坡度>20%。
从图中8来看，燃料电池净功率在80kW-90kW 范围内基本能覆盖大部分车型。
（2）燃料电池系统最大净输出功率要求常温下，动力电池功率 + 燃料电池系统净输出功率 ≥ 130kW ，选择动力电池常温下10s 放电功率50kW ，因此燃料电池系统最大净输出功率 ≥ 80kW ，如图9所示。
（3）燃料电池系统净功率功率响应原则：燃料电池系统净输出功率拉载响应跟随整车功率需求。
车辆百公里加速功率曲线如图10所示：燃料电池系统净输出功率跟随电机的功率响应，由此，燃料电池系统净输出功率要求为30kW/s 。
图9 燃料电池系统净输出功率 图10 百公里加速各系统和动力电池功率 的功率输出3.3 动力蓄电池功率匹配燃料电池系统净功率为80kW ，电机的峰值输出功率为110kW ，考虑电机的效率87%、整车DCF 附件功率1kW 、空调功率2.2kW ，由下式可得：其中，P bat 为蓄电池峰值功率kW ；P motor 为电机输出峰值功率kW ；η为电机效率；P DCL 为整车DCL 附件功率kW ；P air 为空调功率kW ；P DCF 为DCF 净输出功率kW 。
因此，动力蓄电池的峰值功率应大于50kW 。
考虑到燃料电池系统功率比较高，基本能够覆盖整车的绝大部分工况功率需求，动力电池只需用来获取制动能量回馈、车辆急加速补充功率，因此动力蓄电池的容量可以减小，可以采用HEV 类似的小容量电池。
根据目前市场的产品，电池电量可在2kWh~4kWh 之间。
3.4 零部件参数各零部件性能参数如表4所示。
汽车实用技术6表4 零部件参数4 整车性能仿真根据前文的匹配选型，各动力系统的主要参数基本确定。
接下来将会具体对整车的经济性和动力性进行仿真，对比仿真结果和目标值，检查是否满足要求。
4.1 经济性能燃料电池轿车的经济性仿真是在NEDC工况下进行，在一个NEDC工况运行结束时SOC的起始状态保持平衡。
整车氢耗的优化方向包括：降低整车质量，提升电机、DCF、FC效率，改善整车能量分配策略。