燃料电池汽车动力总成结构配置及参数优化匹配.
燃料电池汽车溷合动力系统参数匹配与优化
燃料电池汽车混合动力系统参数匹配和优化燃料电池作为车用动力电源有效率高、污染小、动力传动系统结构简单等诸多优点，但在实际使用中也存在一些问题。
（1)燃料电池的输出特性偏软，作为车用电源，无法满足负载频繁剧烈的变化，因此必须在电机控制器和燃料电池之间增加必要的功率部件进行阻抗匹配。
（2)车用燃料电池作为单一电源其启动时间长，动态响应速度较慢，无法满足车辆运行过程中负载的快速变化需求；燃料电池功率密度较低、成本高，若仅以燃料电池满足峰值功率需求，势必会造成整备质量和成本的增加；无法吸收回馈能量，不能实现制动能量的回收。
在燃料电池发动机(FCE)和电机控制器之间增加峰值功率系统(PPS)，不仅可以吸收回馈能量、降低成本，而且可以弥补FCE启动时间长、动态响应差的缺点。
采用这种结构的动力系统称为燃料电池混合动力系统。
“燃料电池+动力蓄电池”是目前研发的燃料电池混合动力系统主要构型，主要有如图1所示4种结构。
结构(a)、(b)和(c)中，燃料电池和驱动系统都是间接连接，可以在一些特定条件下的场地车上使用，但受目前燃料电池技术水平的限制，这3种动力系统结构难以在功率需求和功率波动都比较大的车型上实现。
结构(d)的优点是：蓄电池可回收再生制动的能量和吸收燃料电池富裕的能量；蓄电池组作为燃料电池发动机的输出功率平衡器，调节燃料电池发动机的效率和动态特性，改善整车燃料经济性，提高动态响应速度。
图1 燃料电池混合动力系统结构对于本文所研究的燃料电池汽车，其车型的整车参数及动力性指标如表1所示。
表1 整车参数和设计性能要求2 燃料电池混合动力系统参数匹配2.1 电机参数设计目前，可用作车用驱动电机的有直流电机、交流感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机、开关磁阻电机等。
交流异步电机由于结构简单、坚固且控制性能好，被欧美国家广泛采用。
永磁同步电机和直流无刷电机能量密度和效率较高，在日本得到广泛使用。
开关磁阻电机使用较少。
6-动力总成参数匹配与优化设计
设计计算
对确定的车型的静态参数，动力性及通过性的定量验证。先 在理论上得到整车的性能参数
整车重量、轴荷分配及重心计算
按下列公式分别计算出汽车的最大总质量，前轴轴载质量， 后桥轴载质量及质心位置
M mi
i 1 n
M 1 m1i
i 1
n
M 2 m2i
i 1
n
M1i mi (1 Xi / L)
整车稳定性计算
1）汽车纵向行驶稳定性计算 汽车的纵向行驶稳定性即保证汽车上坡时不致纵向翻车，其 条件为： b
hg
b-质心距后桥的距离； hg-汽车质心高 ψ-道路附着系数
整车稳定性计算
2) 汽车横向稳定性计算 静态侧翻角计算：
B arctg 2 hg
B——前轮距 静态侧翻角β，《客车通用技术条件》中规定应大于35° 计算进行比较，然后优化
动力性能计算---仿真
4）加速性能分析 车辆从静止起步，全油门加速，计算车速从0-50km/h的加速 时间。 设置最高车速、满载爬坡度分析、制动距离分析。
动力性能计算
根据理论计算和仿真，基本可以确定待选用电机的基本参数， 比如最大功率、最大扭矩、最大转速、额定工作电压范围、工作电 流范围等等； 电池的基本使用参数：母线电压、母线电流、使用电芯及 PACK方式等等。
整车重量、轴荷分配及重心计算
计算的结构，前轴、后桥的载荷分配满足《客车通用技术条 件》中前轴轴载质量不小于车辆总质量的25％,驱动桥的轴载质量 不小于车辆总质量的50％的要求。 如果计算不符合要求，则进行优化。
动力性能计算---根据最高车速确定最大转速
P max
11990 3260 2540 6000 2310 2640/3350 7/7 N+1
氢燃料电池整车动力系统参数匹配方法研究
doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2024.01.002 收稿日期：2023-12-14氢燃料电池整车动力系统参数匹配方法研究周锋1，姜珮2，胡囧涛2，温凯凯1，张颖谦1（1. 国家汽车质量检验检测中心（襄阳），襄阳 441004；2. 东风汽车集团有限公司研发总院，武汉 430058）摘 要：燃料电池整车动力匹配在燃料电池整车研发设计中属于十分重要的一环，直接关系到燃料电池整车动力性和经济性，但目前市面上暂无成熟的动力系统参数匹配方法。
基于上述情况，结合已开发的全功率和混合动力架构车型，以整车指标为基础，结合动力学理论以及测试经验，提出燃料电池汽车动力系统参数匹配方法，并选择全功率和混合动力车型进行实车验证，进一步证实了该整车动力匹配方法的合理性，对燃料电池整车动力匹配集成以及参数选型有较好的借鉴意义。
关键词： 氢燃料电池汽车；动力源；匹配设计中图分类号：U473.4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2024）01-0010-06Research on Parameter Matching Method for Hydrogen Fuel CellVehicle Power SystemZHOU Feng1, JIANG Pei2, HU Jiong-tao2, WEN Kai-kai1, ZHANG Ying-qian1(1.National Automobile Quality Inspection and T est Center (Xiangyang), Xiangyang 441004,China;2. Dongfeng Motor Corporation Research&Development Institute,Wuhan 430058, China)Abstracts: The power matching of fuel cell vehicles is a very important part of the research and development design of fuel cell vehicles, which directly affects the power andeconomy of fuel cell vehicles. However, there is currently no mature method for powersystem parameter matching on the market. Considering the above situation, combinedwith the developed full power and hybrid architecture models, based on vehicle indicators,combined with dynamic theory and testing experience, a fuel cell vehicle powertrainparameter matching method is proposed. Full-power and hybrid models are selected foractual vehicle verification, further confirming the rationality of the vehicle power matchingmethod, It has good reference significance for the integration of fuel cell vehicle powermatching and parameter selection.Key Words: Hydrogen Fuel Cell Vehicle; Power Source; Matching Design2024年第1期1 概述氢燃料电池作为我国能源结构转型中的重要一环，备受国家层面重视，近年来，相关产业政策密集发布。
《2024年纯电动汽车动力总成系统匹配技术研究》范文
《纯电动汽车动力总成系统匹配技术研究》篇一一、引言随着全球对环境保护和能源可持续性的日益关注，纯电动汽车（BEV）已成为汽车工业的重要发展方向。
动力总成系统作为纯电动汽车的核心部分，其匹配技术的研究对于提高车辆性能、续航里程以及用户体验至关重要。
本文旨在探讨纯电动汽车动力总成系统匹配技术的相关研究，为相关领域的研究者提供参考。
二、纯电动汽车动力总成系统概述纯电动汽车动力总成系统主要包括电机、电池、控制器等部分。
其中，电机负责驱动车辆行驶，电池提供电能，控制器则负责协调各部分的工作。
动力总成系统的匹配技术涉及到电机、电池、控制器等部分的选型、参数匹配以及控制策略等方面。
三、电机选型与参数匹配技术研究电机作为纯电动汽车的动力来源，其选型与参数匹配对于整车性能具有重要影响。
目前，常用的电机类型包括直流电机、交流异步电机、永磁同步电机等。
研究者们需要根据车辆的实际需求，结合电机的性能特点，选择合适的电机类型。
同时，还需要对电机的额定功率、峰值功率、转矩等参数进行匹配，以实现最佳的动力性能和能量利用效率。
四、电池选型与管理系统研究电池是纯电动汽车的能量来源，其选型和管理对于车辆的续航里程、安全性以及使用寿命具有重要影响。
研究者们需要根据车辆的用途、行驶里程需求等因素，选择合适的电池类型（如锂离子电池、镍氢电池等）。
同时，还需要研究电池管理系统，包括电池状态监测、荷电状态估计、热管理等方面，以保证电池的安全性和高效性。
五、控制器设计与协调控制策略研究控制器是纯电动汽车动力总成系统的“大脑”，负责协调各部分的工作。
研究者们需要设计合理的控制器架构，选择合适的控制算法，以实现电机的最优控制。
此外，还需要研究协调控制策略，包括能量管理策略、再生制动策略等，以提高车辆的能量利用效率和行驶性能。
六、动力总成系统匹配技术的优化与改进为了进一步提高纯电动汽车的动力性能和续航里程，研究者们需要不断优化和改进动力总成系统的匹配技术。
混合动力汽车动力总成参数匹配方法与控制策略的研究
优化算法则可以对参数进行全局搜索，找到最优解，进一步提高参数匹配的精 度和效率。
在混合动力汽车控制策略方面，主要是指通过调节发动机、电机等部件的运转 状态，实现车辆的动力输出与能量管理。常用的控制策略包括基于规则的逻辑 门限值控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等。这些控制策略各有特点，逻辑 门限值控制简单易行，但过于依赖经验；模糊逻辑控制可以处理不确定信息， 但精度有待提高；神经网络控制具有良好的自适应性，
但计算量大，实时性较差。因此，在实际应用中，需要结合具体需求进行选择 和控制策略的优化。
为了探究不同参数匹配方法和控制策略的适用性和效果，我们进行了一系列实 验研究。实验结果表明，基于数值模拟和优化算法的参数匹配方法可以在较短 时间内找到较为理想的参数组合，有效提高车辆的性能和油耗。同时，在控制 策略方面，采用模糊逻辑控制和神经网络控制策略可以更好地实现能量的优化 管理，提高车辆的排放性能。
一、混合动力挖掘机动力总成
混合动力挖掘机动力总成主要由发动机、电机、电池、液压系统等组成。其中， 发动机是挖掘机的核心部件，负责提供挖掘作业所需的动力。电机和电池则是 混合动力系统的核心，它们的作用是在发动机低效工作时，提供额外的动力， 以实现节能减排。液压系统则负责将发动机的动力转化为挖掘机的动作。
在混合动力汽车动力总成参数匹配方面，近年来研究者们提出了多种不同的方 法。在早期，研究者们主要依靠经验进行参数选择和匹配，这种方法虽然在一 定程度上可以满足需求，但具有较大的局限性。随着计算机技术的发展，数值 模拟方法和优化算法开始得到广泛应用。数值模拟方法可以通过模拟发动机、 电机等部件的动态响应，得出参数匹配的初步方案。
电机和电池是混合动力系统的核心，其参数匹配直接影响到挖掘机的能源利用 效率。在参数匹配过程中，应考虑以下因素：
氢燃料电池轿车能源与动力系统优化匹配及控制策略研究
氢燃料电池轿车能源与动力系统优化匹配及控制策略研究一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，新能源汽车的发展已成为汽车工业的重要方向。
其中，氢燃料电池轿车作为一种清洁、高效的能源利用方式，受到了广泛的关注。
然而，氢燃料电池轿车的商业化推广仍面临诸多挑战，如能源利用效率低、动力性能不足、系统控制策略复杂等问题。
因此，研究氢燃料电池轿车的能源与动力系统的优化匹配及控制策略具有重要的现实意义和应用价值。
本文旨在探讨氢燃料电池轿车的能源与动力系统的优化匹配及控制策略。
本文将对氢燃料电池的基本原理和性能特点进行介绍，为后续研究奠定理论基础。
通过对氢燃料电池轿车能源与动力系统的现状进行分析，找出存在的问题和挑战。
在此基础上，本文将提出一种基于多目标优化的能源与动力系统匹配方法，以提高氢燃料电池轿车的能源利用效率和动力性能。
本文将研究氢燃料电池轿车的控制策略，包括能量管理策略、氢气供应策略、热管理策略等，以实现氢燃料电池轿车的智能化、高效化和环保化。
通过本文的研究，旨在为氢燃料电池轿车的研发和生产提供理论支持和技术指导，推动氢燃料电池轿车在新能源汽车领域的广泛应用，为我国的能源转型和环境保护做出贡献。
二、氢燃料电池轿车能源系统分析氢燃料电池轿车能源系统作为车辆的核心部分，对于车辆的性能和效率具有决定性的影响。
该系统主要由氢燃料电池堆、氢气储存与供应系统、电池管理系统以及其他辅助设备组成。
这些组件共同协作，为车辆提供持续、稳定且环保的动力。
氢燃料电池堆是能源系统的核心，通过氢气和氧气的化学反应产生电能和热能。
氢气储存与供应系统负责将氢气从储氢罐中安全、高效地输送到燃料电池堆中。
电池管理系统则负责监控和管理燃料电池堆的工作状态，确保其在最佳状态下运行，同时防止过充、过放等不安全情况的发生。
氢燃料电池轿车能源系统的优点在于其零排放、高能量密度和快速补能等特点。
然而，该系统也面临一些挑战，如氢气储存和运输的安全性、氢气加注设施的普及程度以及燃料电池的成本和寿命等。
汽车动力电池的结构设计与优化方案
汽车动力电池的结构设计与优化方案汽车动力电池是电动汽车中的重要部件之一，负责储存和输出电能。
其结构设计和优化方案的优劣直接影响到汽车的续航能力、安全性和成本等方面。
一、汽车动力电池的结构设计汽车动力电池的结构通常由电芯、电池包、电控系统、冷却系统等组成。
1、电芯电芯是电池的基本单元，是由正负极电化学活性材料、导电剂及隔膜组成的。
其尺寸、形状、电化学性能、循环寿命是影响整个电池可靠性的关键。
2、电池包电芯通过串联或并联的方式组成电池组，再加上保护和管理电路，形成电池包，并通过连接器与汽车高压线路连接。
电池包的设计需要考虑极性匹配、外观尺寸、电连接可靠性、防水防尘等方面。
3、电控系统电控系统包括电池管理系统（BMS）、电池控制模块（BCM）等，主要对电池充放电过程进行管理和控制，确保电池的安全性、长寿命和性能。
最重要的是确保电池组内各单体电压均衡，避免某些单体过放或过充，导致电池寿命的缩短。
4、冷却系统电动汽车电池的运作会产生大量热量，需要通过冷却来降低电池内部温度，维护电池温度在适宜的范围内，从而延长电池使用寿命。
传统的冷却方式是采用水冷或风冷，但新型电池采用液冷或冷板设计，更有效地降低电池的温度。
二、汽车动力电池的优化方案1、材料优化选用更高能量密度的电化学活性材料和更合适的隔膜材料，提高电池组的能量密度和功率密度，以及降低成本和重量。
2、电池散热优化优化电池结构和冷却系统，改善电池散热效率，减少功率损耗，提高能量转化效率和安全性，同时降低成本和设备重量。
3、电控算法优化基于先进的电池控制算法，如冷却系统和电池管理系统的整合，实现精确的电池状态估计、充放电管理和预测，优化电池使用寿命和性能，以及提高电池的可靠性和安全性。
4、智能化设计采用新型可调谐电路和智能电池管理技术，做到预测需求、自适应控制、优化决策和预测维护等智能化管理，以优化电池系统的可靠性、安全性、性能和能效。
综上所述，汽车动力电池的结构设计和优化方案是电动汽车持续发展和进步的核心。
氢燃料电池重卡动力系统匹配设计浅析毛锦浩
氢燃料电池重卡动力系统匹配设计浅析毛锦浩发布时间：2021-10-01T07:48:06.094Z 来源：《基层建设》2021年第18期作者：毛锦浩[导读] 本文分析了燃料电池汽车技术线路及工作原理，并结合重型卡车对燃料电池、驱动电机、氢气、动力电池等相关系统进行了分析计算佛山市飞驰汽车科技有限公司 528031摘要：本文分析了燃料电池汽车技术线路及工作原理，并结合重型卡车对燃料电池、驱动电机、氢气、动力电池等相关系统进行了分析计算。
对燃料电池整车设计具有参考意义。
关键词：氢燃料电池；动力匹配；重卡前言随着我国经济的发展和消费升级，重型商用汽车的时效性、便利性以及可靠性，在物流运输、城市建设等多个领域中发挥着越来越重的作用。
但同时，传统的商用车使用环境多样，使用工况复杂，能源消耗大，排放污染大，由此带来的能源紧张和环境污染问题将更加突出。
氢燃料电池汽车作为新能源车型，以氢能发电，电机驱动。
具有零排放、无污染、高效节能、噪声低的突出优点。
同时、氢能是二次能源，可以从多种途径获得，不依赖石油。
所以，发展燃料电池汽车，特别是燃料电池重型商用车，可以有效缓解能源和环境压力，从根本上应对人类面临的能源和环保两大严峻挑战。
一、燃料电池汽车的分类1.按照动力源的不同可分为纯燃料电池汽车和燃料电池混合动力汽车两类其中纯燃料电池汽车的动力源只有燃料电池，它必须提供汽车行驶过程中所需的所有的功率，主要特点在于结构布置简单，但是纯燃料电池汽车还是弊大于利，目前由于其自身的限制，已经很少开发，主要有以下几点不足：①纯燃料电池汽车需要大功率的燃料电池，而其造价随着功率的增大而增加，导致成本昂贵。
②燃料电池没有能量存储的功能，不能对制动减速时进行动力回收，降低了能源利用率。
③同时也增加了对燃料电池系统的可靠性的要求。
考虑纯燃料电池汽车的不足之处，目前各大汽车厂商基本不再研究开发，把精力主要集中在燃料电池混合动力汽车上，即在燃料电池发动机的基础上增加一个能量储存器。
纯电动汽车动力系统参数匹配及整车控制策略
纯电动汽车动力系统参数匹配及整车控制策略发布时间：2021-04-30T06:21:46.891Z 来源：《中国科技人才》2020年第24期作者：孔凡浩[导读] 纯电动汽车的驱动电机采用的通常也是永磁无刷直流电机，这种电机在纯电动汽车的实际使用中提供了可靠的性能。
宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司摘要：近年来，我国经济飞速发展，为了实现城市发展与生态健康可持续发展共同进步的发展目标，我国越来越重视绿色环保的发展理念。
交通运输的发展也逐渐向这一发展理念靠拢，绿色环保的新能源纯电动汽车应运而生，也得到了越来越多的重视与认可。
绿色环保和可充电电池提供动力的汽车发展已经成为了新的趋势。
本文从纯电动汽车的发展现状及动力系统参数匹配角度入手进行分析，探究了纯电动汽车动力系统参数匹配及整车控制的策略，以此希望推进我国绿色环保新能源纯电动汽车的发展，仅供参考。
关键词：纯电动汽车动力系统参数匹配整车控制纯电动汽车的驱动电机采用的通常也是永磁无刷直流电机，这种电机在纯电动汽车的实际使用中提供了可靠的性能。
当前，虽然纯电动汽车由于对环境污染影响较小的优势有着优良的发展前景，但其技术还不够成熟，不乏存在一些不足之处，尤其是在其动系统参数匹配及整车控制的问题上，还需要相关人员进行不断的研究与优化。
1 纯电动汽车的发展现状分析现如今，随着我国经济与社会的飞速发展，人们的生活水平也在日益攀升，越来越多的家庭都拥有了属于自己的汽车，汽车数量不断增加的同时也极大地加剧了汽车用油的资源消耗并使其持续保持增长趋势，能源资源的消耗问题逐渐严重。
与此同时，伴随着能源消耗问题的还有环境污染问题，汽车排放的尾气是城市环境污染的主要元凶。
我国的二氧化碳排放量也已经位居世界第二的位置，全力缓解环境污染问题已经成为全国人民追求的目标。
基于此背景下，为了实现我国能源安全与环境保护的双重可持续发展目标，作为用二次电源为储能方式的纯电动汽车可以有效地助力这一问题，因此，党和国家对于这一零排放、噪音低且结构简单的能源汽车越来越重视，纯电动汽车整车技术的提高也成为了新时代发展的重要问题。
01_基于CRUISE的PHEV总成参数优化匹配_一汽郑益红等
基于CRUISE的PHEV总成参数优化匹配郑益红金启前刘东秦刘明辉（中国第一汽车集团公司技术中心，长春市创业大街1063号）摘要：本文针对一汽某插电式混合动力车（PHEV）构型，提出了其电机、电池及发动机参数的匹配方法，并结合整车性能指标要求，应用CRUISE软件对这些参数进行了匹配计算，得到了较为满意的结果，为下一步的整车开发奠定了基础。
实践表明：CRUISE软件非常适用于整车前期开发的参数匹配和性能预测。
关键词：CRUISE；PHEV；参数匹配主要软件：A VL CRUISE1. 前言插电式混合动力车（Plug-in Hybrid Vehicle, 简称PHEV）与普通的混合动力车相比，配备了更大容量的电机和电池，增加了纯电动续驶里程，利用公共电网对电池充电，大大减少了车辆对燃油的依赖性，是目前电动汽车领域研究的热点之一。
PHEV动力总成参数的选择直接关系到车辆的动力性和经济性，同时也影响到车辆购置成本及日常使用成本。
本文针对一汽某PHEV构型，提出了其电机、电池及发动机参数的匹配方法，并应用CRUISE对这些参数进行了匹配计算，为下一步整车的开发奠定了基础。
2. 仿真输入2.1 匹配目标为开发新的PHEV车型，在一汽原有HEV车型动力总成参数的基础上，重新匹配电机和电池参数，使PHEV满足纯电动行驶功能及续驶里程要求，并校核原有发动机是否能满足整车的动力性能要求。
2.2 整车构型及基本参数整车构型及基本参数如图1和表1所示。
图1 PHEV在CRUISE中的构型图表1 PHEV整车基本参数整备质量 1470 kg不包含电池包质量,电池包质量<210kg迎风面积 2.15 m^2 整车参数风阻系数 0.32 - 轮胎型号 195/65 R15 -静态半径 289 mm 轮胎参数滚动半径 308 mm 发动机型号 CA4GA5H -发动机排量 1.5 L 峰值功率 74 / 6000 kW/rpm 发动机峰值转矩138 / 4400 Nm/rpm2.3 整车性能指标PHEV 整车性能指标如表2所示。
纯电动汽车动力系统参数匹配及性能分析
Cruise仿真模型建立
电机模型的建立
电池模型的建立
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 实验的仿真
• 本文涉及三个ECE标准下的 仿真实验： — 循环工况实验； — 爬坡工况实验； — 加速工况实验；
仿真结果：加速度、速度、距离—时间曲线
该型电动汽车的最大速度符合设计要求， 加速性能不符合要求。
仿真结果：爬坡度—速度曲线
该型电动汽车爬坡能力不符合设计要求。
0.377 nmax r i0 vmax
最大车速时的转矩平衡方程
最大车速方程
Fa max r i0 2 Tmax
最大爬坡度爬坡时的转矩平衡方程
电机参数计算与电机选配
• (1) 动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶；
• (2) 动力系统必须满足车辆加速性的要求； • (3) 动力系统必须满足车辆以最大爬坡度爬坡的要求；
• 所以，本文选择差速半轴方案作为某型电动汽车的传动系方案。
传动比计算 （1） 类比其他车型，选择i=6.3作为减速器减速比。
（2） 通过最大车速时的转矩平衡方程、最大转矩方程、最大爬 坡度爬坡时的转矩平衡方程，可以确定i=6.3是可行的。
传动比计算
Fmax r i0 T ' max
仿真结果
表6 Cruise仿真结果
项目名称
最大速度,km/h 爬坡度 45km/h加速时间，s 续驶里程,km
数值
52.5 13.4% 17.6 141.33
是否合格
合格 不合格 不合格
电机分析
转矩，N· m
转速，r/min
总结和展望 •由上面的图线可知，本款电机只能达到最大车速要 求。但其无法满足其他动力性设计要求。 •通过对该款电机的台架试验数据分析，我们认为产 生这样情况的原因是，电机性能参数和我们计算出来 的参数要求差距过大。 •进一步研究发现，即使是牺牲最大车速（增大减速 比），爬坡和加速性能也无法达到要求。 •而且通过对台架实验曲线的分析，可发现该电机的 高扭转速区间占整个转速区间的比例太小，加大了电 机匹配的难度。
纯电动汽车动力总成系统匹配技术研究
纯电动汽车动力总成系统匹配技术研究一、本文概述随着全球能源危机和环境问题日益严峻，纯电动汽车作为一种环保、节能的新型交通工具，受到了广泛的关注和研究。
纯电动汽车动力总成系统作为其核心技术之一，对于车辆的性能和续航里程具有决定性的影响。
因此，对纯电动汽车动力总成系统匹配技术的研究，对于提高纯电动汽车的性能和续航里程，推动纯电动汽车的广泛应用具有重要意义。
本文旨在深入研究纯电动汽车动力总成系统的匹配技术，探讨动力总成系统各个组成部分之间的最优匹配方法。
文章首先介绍了纯电动汽车动力总成系统的基本构成和工作原理，然后分析了影响动力总成系统匹配性能的关键因素，包括电机、电池、控制器等部件的性能参数和匹配关系。
在此基础上，文章提出了一种基于多目标优化的动力总成系统匹配方法，通过综合考虑动力性、经济性和排放性能等多个目标，实现了动力总成系统各部件之间的最优匹配。
本文的研究内容不仅有助于提升纯电动汽车的动力性能和续航里程，也为纯电动汽车动力总成系统的设计和优化提供了理论支持和实践指导。
本文的研究成果对于推动纯电动汽车的广泛应用，促进新能源汽车产业的发展，实现可持续发展目标具有重要意义。
二、纯电动汽车动力总成系统概述纯电动汽车(BatteryElectricVehicle,BEV)的动力总成系统是其核心组成部分，负责将电能转化为机械能，驱动车辆行驶。
该系统主要由电池组、电机、控制器以及传动系统构成。
电池组是动力总成系统的“心脏”,负责储存和供应电能；电机则是“肌肉”，将电能转化为机械能，驱动车辆前进；控制器则扮演着“大脑”的角色，负责监控电池状态、控制电机运行以及优化能量使用效率；传动系统则负责将电机的动力传递到车轮，驱动车辆行驶。
纯电动汽车的动力总成系统在设计时需要满足多种要求，包括高效性、可靠性、安全性以及成本效益等。
高效性要求动力总成系统能够在保证足够动力输出的同时，尽可能减少能量损耗，提高整车能效；可靠性则要求系统能够在各种恶劣环境下稳定运行，保证行车安全；安全性则要求系统在设计时需充分考虑到电池安全、电机过热等潜在风险,并采取相应的防护措施；成本效益则要求在满足性能要求的同时，尽可能降低系统的制造成本，提高市场竞争力。
纯电动汽车动力总成系统匹配技术研究
纯电动汽车动力总成系统匹配技术研究一、引言纯电动汽车作为一种新兴的交通工具，其动力总成系统的匹配技术对于提高车辆性能和续航里程至关重要。
本文将重点探讨纯电动汽车动力总成系统的匹配技术研究。
二、纯电动汽车动力总成系统概述纯电动汽车的动力总成系统由电机、电池、电子控制器和传动装置等组成。
电机负责提供驱动力，电池储存能量，电子控制器控制电机和电池的工作，传动装置将电机的动力传递到车轮。
动力总成系统的匹配技术旨在实现电机、电池、电子控制器和传动装置之间的协调工作，以提高整车性能和续航里程。
三、电机与电池的匹配技术电机与电池是纯电动汽车动力总成系统中最核心的两个组成部分。
电机的功率输出和电池的容量和性能直接影响了车辆的性能和续航里程。
电机与电池的匹配技术需要考虑电机的最大功率输出和电池的最大容量，以及两者之间的充放电特性是否匹配。
此外，还需要考虑电机的效率和电池的能量密度等因素，以实现最佳的匹配效果。
四、电子控制器与电池的匹配技术电子控制器是纯电动汽车动力总成系统中的大脑，负责控制电机和电池的工作。
电子控制器与电池的匹配技术主要包括对电池的状态进行监测和控制，以保证电池的安全和稳定工作。
通过电子控制器对电池进行智能管理，可以延长电池的使用寿命，并提高整车的性能和续航里程。
五、电子控制器与传动装置的匹配技术传动装置将电机的动力传递到车轮，对于纯电动汽车的性能和能耗有着重要影响。
电子控制器与传动装置的匹配技术需要考虑传动装置的传动效率和电机的最佳工作点之间的匹配关系。
通过合理选择传动装置的齿轮比和电机的工作范围，可以使电机在最佳效率区工作，提高整车的能源利用率。
六、纯电动汽车动力总成系统匹配技术的发展趋势随着纯电动汽车的不断发展，动力总成系统的匹配技术也在不断演进。
未来的发展趋势包括提高电池的能量密度和充电速度，提高电机的功率输出和效率，以及优化电子控制器和传动装置的匹配关系。
同时，还需要考虑整车的轻量化和智能化，以进一步提高纯电动汽车的性能和续航里程。
氢燃料电池车辆动力性能优化
氢燃料电池车辆动力性能优化氢燃料电池车辆是近年来备受关注的新能源汽车领域的一项重要技术创新，其具有零排放、高能效、低噪音等诸多优点，被认为是未来汽车发展的方向之一。
然而，目前氢燃料电池车辆在动力性能方面仍然面临诸多挑战，包括续航里程短、加速性能不佳、动力输出不稳定等问题，这些问题制约了氢燃料电池车辆的市场竞争力和发展潜力。
因此，如何优化氢燃料电池车辆的动力性能成为当前研究的热点之一。
一、氢燃料电池车辆动力性能分析1.1 氢燃料电池车辆动力性能的关键指标氢燃料电池车辆的动力性能主要由续航里程、加速性能和动力输出稳定性等指标来衡量。
其中，续航里程是衡量一辆车辆在单次充电情况下能够行驶的最大里程，是用户选择购买氢燃料电池车辆时最为关注的指标之一。
加速性能则是衡量车辆在起步、加速过程中的表现，直接影响驾驶体验和舒适度。
动力输出稳定性则关乎车辆在不同条件下的动力输出是否稳定，对车辆的安全性和可靠性有着重要影响。
1.2 氢燃料电池车辆动力性能现状分析目前，虽然氢燃料电池车辆的动力性能在不断改善，但仍然存在一些问题。
首先，续航里程仍然无法与传统燃油汽车相媲美，特别是在冷启动、高速行驶等情况下，续航里程大大降低，限制了氢燃料电池车辆的实际应用。
其次，车辆的加速性能不尽如人意，特别是在高速加速时，动力输出不足，影响了车辆的性能表现。
最后，动力输出的稳定性也需要进一步提高，特别是在复杂路况下，车辆的动力输出往往不够平稳，影响了驾驶者的驾驶体验。
二、方法2.1 动力系统优化为了解决氢燃料电池车辆动力性能不足的问题，可以通过优化动力系统来提升车辆的动力性能。
一方面，可以通过提高氢燃料电池的能量密度和效率来提高续航里程，并通过提高氢气的储存、供氢系统的效率来提高动力输出的稳定性。
另一方面，可以通过优化电动机、变速器的匹配关系，提高动力输出的效率和性能，从而提升车辆的加速性能。
2.2 控制系统优化另外，控制系统对于氢燃料电池车辆的动力性能也起着至关重要的作用。
燃料电池混合动力系统参数匹配与多目标优化
燃料电池混合动力系统参数匹配与多目标优化李奇; 孟翔; 陈维荣; 张国瑞【期刊名称】《《西南交通大学学报》》【年(卷),期】2019(054)005【总页数】8页(P1079-1086)【关键词】燃料电池混合动力有轨电车; 混合动力系统; 参数匹配; 多目标优化; 改进粒子群算法【作者】李奇; 孟翔; 陈维荣; 张国瑞【作者单位】西南交通大学电气工程学院四川成都611756; 国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心四川成都611756【正文语种】中文【中图分类】V221.3近年来，燃料电池机车作为轨道交通领域一个新兴的研究方向受到了全世界的关注.日前德国即将进入燃料电池铁路客车的商用时代.而单独的车载燃料电池系统具有开机启动较慢，动态响应迟缓的缺点.所以结合机车的一般工况考虑，在机车动力系统中需要配合其它储能设备使用，如动力电池和超级电容[1-5].国外方面，东日本铁路公司自2000年起就有相关技术研发部门致力于新能源列车（NE列车，new energy）的研发.2002年，世界上第一辆燃料电池动力拖拉机由美国车辆工程公司（Vehicle Projects LLC）联合燃料电池动力研究所（FuelCell Propulsion Institute）开发成功[6-7].此外，德国、西班牙和加拿大等国家也相继制定了燃料电池（混合动力）机车的研发计划，相关工作也已经陆续展开.国内方面，西南交通大学联合中车唐山公司共同研发了世界首列商用型燃料混合动力100%低地板有轨电车[5].西南交通大学作为项目主持单位负责燃料电池混合动力系统的研制，中车唐山公司负责整车研制与生产.历经两年多的攻关，在全球首次采用了燃料电池/超级电容混合动力系统牵引驱动，填补了该领域的空白.燃料电池混合动力机车的优化设计是一个多目标优化的问题.文献[5]提出一种燃料电池混合动力系统的总体方案和拓扑结构，并进行了系统配置和牵引性能计算；文献[6]基于动态过程计算了几种关键过程下机车的电力电量需求，并提供了不同的配置方案，依据经济性给出了最合理的参考，为同类车辆的设计提供了参考.以上方法仅考虑了在最大重量、最大体积限制下的机车车辆动力需求问题，而未考虑在满足动力性能需求的同时，对混合动力系统重量、体积的优化问题，因此本文提出采用优化算法对燃料电池混合动力系统进行匹配设计.对于混合动力机车的下一步深入研究、推广普及、商用推广都具有重要意义.1 机车动力学模型与动力源单体选型1.1 机车动力学模型与计算取一节车辆进行分析，设机车当前位于一个倾角为的坡道上，车辆的前后轮轴在同一个平面且与地面平行，机车的动力学模型如图1所示.图中，m 为机车的质量；g 为重力加速度； v 为机车的速度； a 为机车的加速度； G 为机车车体的重量；β 0为坡度角； F xf、 F xr 分别为机车前、后轮的轮轴与地面接触点处受到的纵向牵引力； F d 为机车受到的总阻力.图1 机车动力学模型Fig.1 Dynamic model of fuel cell hybrid tram机车的动力学方程为式中：θ为坡度.在工程上，常用“坡度”来表述一个坡道的倾斜程度，其被定义为坡面的铅直高度和水平宽度之比.坡度角β0 与坡度θ 的关系为机车受到的阻力分为基本阻力fbz和附加阻力，附加阻力本文仅考虑坡道阻力ffz.基本阻力可通过《牵引计算规程》[8]的经验公式进行计算，基本阻力包含了各种因素造成的阻力，包括轴承阻力、轮轨黏着阻力、空气阻力等.电力机车的单位基本阻力计算公式为式中：ω0为机车的单位基本阻力；Aω、Bω和Cω为惯性系数.因此，机车受到的基本阻力为因此，坡道阻力ffz为θ较小时，坡道附加阻力可简化为1.2 机车拓扑结构与动力源选型计算本文所研究的混合动力机车整车结构如图2所示，包括燃料电池及其辅助系统、超级电容、动力电池、能量管理器、单向/双向DC/DC变换器，以及制动电阻和辅助供电设备[9].其中燃料电池及其辅助系统通过单向DC/DC变换器与直流母线相连；超级电容与动力电池通过双向DC/DC变换器与直流母线相连；制动电阻与辅助供电设备直接与直流母线相连.各动力源提供的功率经三相逆变器后驱动牵引电机，从而达到传动的效果.图2 燃料电池混合动力机车整车模型Fig.2 Structure of fuel cell tram有关燃料电池、超级电容和动力电池的选型情况如表1～3所示.表1 燃料电池主要参数数据Tab.1 Main parameters of fuel cell参数取值总功率/kW 150工作电压/V 465～730最大电流/A 300燃料氢气氧化剂空气电池重量/kg 404电池尺寸1530 mm × 871 mm × 495 mm表2 超级电容主要参数数据Tab.2 Main parameters of supercapacitor参数取值额定容量/F 165额定电压/V 48最低工作电压/V 24可用比功率/（W•kg-1）3300电容重量/kg 13.9电容尺寸418 mm × 194 mm × 179 mm最大持续电流/A 100根据经典的超级电容外部电气模型，计算超级电容单体的功率及能量[10-11].式中： Ec max 为超级电容单体有效能量； Cc 为超级电容单体的额定容量； Uc max、Uc min 分别为超级电容的最高和最低输出电压.表3 动力电池主要参数数据Tab.3 Main parameters of battery参数取值额定电压/V 3.7额定容量/（A•h） 10电池内阻/Ω 1.5放电截止电压/V 2最大充电电压/V 4.1最大放电电流/（A•h） 120电池重量/kg 0.3电池尺寸203 mm × 127 mm × 6 mm实际运行中，超级电容额定电压50%以上的电压范围为有效工作范围，代入相关参数计算得在实际运行过程中，超级电容系统仅以最大持续电流工作.因此，实际稳定运行功率为式中： Irun 为对超级电容单体最大持续电流.同样，根据动力电池的外部电气模型，计算动力电池单体的功率及能量[12].动力电池单体最大能量Eb max（单位：J）为式中： Ub_imax 为最大放电电流对应的电压； Db 为放电深度； Cb 为单体电池容量，A•h； Kb 为系统冗余系数，表示为式中： Kb1 为充电效率系数； Kb2 为大电流放电系数；Kb3 为温度系数； Kb4 为寿命曲线系数.根据电池手册的数据：Db = 0.6；Kb1 = 0.95；Kb1 =0.95；Kb2 = 0.9782；Kb3 = 0.92；Kb4 = 0.90；电池以3C电流放电时，平台电压为3.2 V，即持续工作电压为3.2 V.取 Ub-imax=3.55 V，得0.01475 kW•h .动力电池单体最大功率Pb max为式中： Imax 为最大持续放电电流，取 Imax = 120 A，Ub-imax = 3.55 V，得Pb max = 0.426 kW.2 混合动力系统参数匹配的传统方法文献[6]通过功率和能量约束的方法，得到了动力电池或超级电容单独供电时，机车在不同速度等级下的动力源单体数量需求情况.实际上，这与传统参数匹配方法的思想类似，传统的参数匹配设计是通过车辆的功率能量平衡约束来求解动力源的数量.本文依据传统参数匹配方法进行设计，考虑匀速爬坡、加速启动和最大时速行驶运行过程.基于原型车设定的目标车辆的参数及指标如表4所示.表4 目标车辆动力性能指标Tab.4 Dynamic performance index of the tram in this study参数取值车重/t 48.6载客/人 267 （60 kg/人）载重/t 16.02最高时速/（km•h-1） 70运营速度（km•h-1） 30最大加速度（m•s-2） 1辅变功率/kW 20最大爬坡角度/‰ 70惯性系数Aω 2.9100惯性系数Bω 0.0910惯性系数Cω 0.0007回转质量系数 0.1000下面分别就3种关键过程，分析燃料电池混合动力系统的功率和能量需求情况. （1）匀速爬坡本文以列车运营时速30 km/h在坡度为70‰的坡道上运行1 km讨论匀速爬坡过程.根据前文提到的列车牵引计算方法，列车以30 km/h的速度运行且满载时的基本阻力为式中： vrun 为运营时速； mz 为满载时列车的全重，即车重和载重之和.附加阻力（坡道阻力）为因此根据牛顿第二定律，得到列车的牵引力为机车牵引功率为上述得到的机车牵引功率是机车的轮周功率，尚需经牵引电机及牵引逆变器效率折算后才可获得直流母线上的需求功率，本文取牵引电机的效率为0.85，牵引逆变器的效率为0.90，即直流母线需求功率为式中：ηmotor 为电机效率；ηinverter 为逆变器效率.本文根据实际工程的经验，选用2套HD6型燃料电池，每个HD6单体的输出功率为150 kW，则整个燃料电池模块的输出功率为300 kW.另外，燃料电池还需要向其辅助设备及列车的照明等系统供电，燃料电池模块向直流母线输出的功率约为270 kW.所以，直流母线上尚需储能设备（超级电容与动力电池）提供电功率256.14 kW.储能设备是通过双向DC/DC变换器与直流母线相连的，因此经DC/DC变换器效率（η = 0.9）折算后，超级电容与动力电池需联合提供电功率为284.6 kW.超级电容提供全部所需284.6 kW电功率，根据单体的功率可获得超级电容模块中单体的数量.通过对功率的积分运算求证超级电容模块所储存的电能能否支撑混合动力机车运行1 km，若可以，则无需匹配动力电池数量；否则需通过动力电池将缺额补齐.此时，动力电池输出功率也应满足其单独工作时的功率要求.根据1.2节计算结果，需要80个超级电容单体组成的超级电容模块才可以提供288 kW的功率，该模块所储存的电能总量为11404.8 kJ.通过积分运算可知，在整个爬坡过程中，列车全部所需的能量为34180.91 kJ，因此需要动力电池携带更多的能量以完成爬坡过程.根据1.2节计算得知，还需要428个动力电池单体以达到能量需求.另外，在超级电容能量全部耗尽之后，动力系统需全部依靠动力电池输出功率，根据功率约束的要求，需要的动力电池为668个.因此在匀速爬坡时，对混合动力系统各动力源参数的设计为2套燃料电池，80个燃料电池，668个动力电池.（2）加速启动本文以列车不超过1 m/s2的加速度加速，直至最高时速70 km/h为列车加速启动过程，设定牵引电机的转折速度为30 km/h.列车在满载静止状态下此时列车将以1 m/s2的加速度加速，根据牛顿第二定律，得式中： amax 为列车的最大加速度.根据牵引电机的工作特性，牵引电机在转折速度以下时，工作在恒转矩状态，即牵引力的输出保持72.9248 kN不变.所以当速度逐渐增大，导致基本阻力变大时，列车的加速度将会略微减小.直至列车的运行时速达到30 km/h时，电机输出的牵引功率达到最大，式中： vt 为列车牵引电机的转折速度.在此之后，电机工作在恒功率状态下，牵引力由此时的车速确定，从而进一步确定机车的加速度，直至车速达到70 km/h.同理，经牵引电机和牵引逆变器效率折算后，直流母线需求功率为789.66 kW.同样，在加速启动过程中投入2套HD6型燃料电池，除去辅助供电功率后，燃料电池模组输出功率为270 kW.因此直流母线上仍存在519.66 kW的功率缺额.考虑DC/DC变换器效率（η = 0.9）折算，超级电容与动力电池需联合提供电功率为577.4 kW.对于加速启动过程中的参数匹配思路与爬坡时相同，即首先根据功率缺额匹配超级电容个数，再通过对功率的积分运算，求证超级电容模块所储存的电能能否支撑混合动力机车加速至70 km/h，若可以，则无需匹配动力电池数量；否则，需要通过动力电池将缺额补齐，同时动力电池输出功率也需满足其单独工作时的功率要求. 根据1.2节计算结果，需要160个超级电容单体组成的超级电容模块才可以提供至少577.4 kW的功率，模块所储存的电能总量为22809.6 kJ.根据对加速启动全过程的功率积分，得所需全部能量为14100.5 kJ.故仅通过超级电容就可以达到系统的功率和能量需求.因此在加速启动时，对混合动力系统各动力源参数的设计为2套燃料电池，160个超级电容.（3）最高时速运行本文所设计的目标车辆最高运行时速vmax=70 km/h，当列车以最高时速运行在平直轨道上，且加速度为0，此时列车的牵引力等于基本阻力，即列车轮周的牵引功率为156.5 kW.经效率折算后，直流母线需求功率为204.57 kW.混合动力系统中存在两套HD6燃料电池，输出电功率为270 kW，所以可以满足列车在最高时速运行下的功率需求.当氢气足够的情况下，亦可满足动力系统的能量需求.综上所述，得到燃料电池混合动力系统的参数匹配结果为2套燃料电池，160个超级电容，668个动力电池.3 基于系统重量和体积的多目标优化参数匹配3.1 基本粒子群算法1995年，Kennedy和Eberhart首次提出一种基于群体智能的全局优化进化算法，即粒子群算法（particle swarm optimization, PSO）.假设在一个d 维的搜索空间中，由n 个粒子组成的种群X = （X1，X2，···，Xn）T，其中第 i 个粒子表示为一个 d 维的向量 Xi = （Xi1，Xi2，···，Xid）T，代表第 i 个粒子在 d 维空间中的位置，也代表一个潜在解.根据目标函数就可以计算出每个位置 Xi 对应的适应度值.第 i 个粒子速度为 V = （Vi1，Vi2，···，Vid）T；个体极值为 P = （Pi1，Pi2，··，Pid）T，种群的群体极值为Pα =（Pα1，Pα2，···，Pαd）T.位置和速度更新公式为式中： c1、c2为非负的常数，称为加速因子；为分布于[0,1]区间的随机数； k为迭代次数；Vid，k、Pid，k、Xid，k 分别为第 i 个粒子 d 维上第 k 次迭代的粒子速度、个体极值和位置.为了防止粒子盲目的搜索，将粒子的位置和速度限制在一定的空间内[13].3.2 改进粒子群算法传统PSO算法中，c1、c2、ω通过影响粒子向个体最优位置、全局最优位置移动的速度和对粒子速度的继承能力，对算法的迭代过程产生较大影响.为解决粒子群算法在迭代寻优过程中速度较慢的问题，本文选用一种改进的粒子群优化算法.在经典PSO算法的基础上，引入了粒子随机衰减因子α ，收敛速度β 和γ 参数，并在初期对其赋予初值.其中α∈[0,1] ，它随迭代次数而改变；β 可表征算法收敛速度的快慢，呈正相关；γ 为α 的迭代更新表达式中的常量.式中：αk 为第 k 次迭代的α 值.粒子位置更新过程的改进为式中： Pbest,k 为第 k 次迭代时粒子的当前位置；gbest为全局最优解； r 为随机数； S 为取值区间大小.该更新算式中摒弃了传统算法中个体最优位置与当前位置的差值，同时引入了α、β 和γ ，加快了算法的收敛速度，提高了算法的全局搜索能力.图3为改进粒子群优化算法的流程.图3 改进粒子群优化算法流程Fig.3 Flow chart of IPSO3.3 基于IPSO的混合动力系统最优设计本文利用MATLAB平台实现了改进粒子群优化算法（improved PSO，IPSO），对混合动力系统的超级电容个数和动力电池个数进行了最优化的设计.算法基本参数、目标函数和自变量约束方程是最重要的3项内容.（1）算法基本参数的设置根据经验以及试凑的方法，本文将针对燃料电池混合动力系统的IPSO基本参数设置为：种群规模为 50；维度为 2；迭代次数为 200 次；α = 0.2；β =0.5；γ = 0.98.（2）多目标优化数学模型（目标函数）的建立选取混合动力系统的总质量和总体积作为优化的目标，并作归一化处理，可得燃料电池混合动力系统的总质量和总体积数学计算模型.式中： F1 和 F2 分别为混合动力系统的总质量和总体积； m、分别为质量和体积，下标FC、SC、B分别对应燃料电池、超级电容和动力电池系统，下标contrast表示传统方法； x1 和 x2 分别为超级电容和动力电池个数.采用线性加权和法，将上述多目标优化问题转化成单目标优化问题，即本文在实际工程中经多次试验，最终取两权重系数分别为λ1 = 0.7，λ2 = 0.3.（3）针对自变量的约束方程的建立混合动力系统在列车加速启动、匀速爬坡、最大时速运行时均需要保证列车的能量和功率需求.在这三种关键过程中，燃料电池、超级电容和动力电池均配合出力.以加速过程为例，混合动力系统的能量功率约束式为式中： P 和 E 分别为功率和能量，下标FC、SC和B分别对应燃料电池、超级电容和动力电池系统；ηDC-DC 为DC/DC变换器效率； t 为加速时间.同时，需要考虑基于原型车改造的混合动力列车可供容纳混合动力系统的最大体积与重量限制，作为混合动力系统设计的上限.质量的约束方程可表示为式中： mmax 为最大质量； Sm_FC、Sm_SC、Sm_B 为附加质量系数，是因辅助设备而额外附加的质量简化，辅助设备包括氢气罐、箱体和连接线、电力电子器件和辅机等.同理，体积的最大限制约束方程可表示为式中： max 为最大体积； SV_FC、SV_SC、SV_B 为附加体积系数，是因辅助设备而额外附加的体积简化.3.4 多目标优化参数匹配结果将求解过程循环运行30次，记录每次迭代产生的目标函数值的平均值，得到如图4所示的适应度函数收敛曲线.图4 目标函数收敛曲线Fig.4 Convergence curve of objective function如图4所示，目标函数收敛于0.5693，对应的自变量x1和x2取值分别为124、337.即燃料电池混合动力系统最优参数匹配设计结果为：2套燃料电池；124个超级电容；337个动力电池.4 验证与分析（1）混合动力系统参数匹配传统方法和多目标优化方法结果对比如表5所示.表5 两设计方案结果对比Tab.5 Comparison of the two design methods参数传统方法多目标优化方法燃料电池数量/套 22超级电容数量/个 160124动力电池数量/个 668337系统总质量/kg 6939.905765.33系统总体积/m37.546.54由表5可得，多目标优化设计后，系统的总质量和总体积分别为原方案的83.075%和86.696%.由第3节的设计结果和储能设备单体参数数据，可得混合动力系统最大可储存的能量为式中： ESC max 和 EB max 分别为超级电容、动力电池的最大可储存能量； nSC 和 nB 分别为超级电容和动力电池的数量.混合动力系统的所有设备联合工作时，可提供的最大功率为式中： PSC max 和 PB max 分别为超级电容、动力电池可提供的最大功率.经双向DC/DC、逆变器和牵引电机的效率折算，混合动力系统能提供的最大牵引功率为（2）混合动力系统可行性验证首先考察列车的加速启动过程，假设列车从静止开始加速，初始加速度为1 m/s2.燃料电池、超级电容和动力电池配合工作，列车的速度时间曲线和加速度-时间曲线如图5所示.图5 加速启动过程的速度、加速度Fig.5 Speed-time curve during start-up acceleration如图5所示，列车从静止持续加速，经过32.24 s可加速到时速70 km/h，满足原型车的最高时速设计指标.当牵引电机工作在恒转矩区时，列车的加速度变化不大，为0.97～1.00 m/s2，满足原型车的最大加速度设计指标；当电机工作在恒功率区时，由于牵引力逐渐减小，导致加速度损失较大.经牵引计算，该混合动力列车最大可以爬升坡度约为85.5‰的坡道，满足原型车的最大爬坡性能指标，并可以持续行驶约732.5 m的路程.5 结论（1）在进行燃料电池混合动力有轨电车参数匹配时，传统设计方法是一种可行的方案，其能够满足列车的动力性能需求.（2）在满足系统动力性能的基础上，基于多目标优化的参数匹配方法可有效减小系统的重量和体积，分别为传统方法的83.075%和86.696%.车辆经32.24 s加速可达70 km/h，最大爬坡能力为85.5‰，持续爬坡能力为732.5 m，满足设计要求.（3）为同型燃料电池混合动力有轨电车配置2套150 kW燃料电池，124个超级电容（48 V，165 F）；337 个动力电池（3.7 V，9 A•h）.致谢：国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心开放课题（NEEC-2017-B01）.【相关文献】[1]侯明，衣宝廉.燃料电池技术发展现状与展望[J].电化学，2011，18(1)： 1-13.HOU Ming， YI Baolian.Progress and perspective of fuel cell technology[J].Journal of Electrochemistry，2011， 18(1)： 1-13.[2]陈维荣，钱清泉，李奇.燃料电池混合动力列车的研究现状与发展趋势[J].西南交通大学学报，2009，44(1)： 1-6.CHEN Weirong， QIAN Qingquan， LI Qi.Investigation status and development trend of hybrid power train based on fuel cell[J].Journal of Southwest Jiaotong University， 2009， 44(1)： 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氢燃料电池整车动力系统参数匹配方法研究
氢燃料电池整车动力系统参数匹配方法研究
周锋;姜珮;胡囧涛;温凯凯;张颖谦
【期刊名称】《汽车科技》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】燃料电池整车动力匹配在燃料电池整车研发设计中属于十分重要的一环,直接关系到燃料电池整车动力性和经济性,但目前市面上暂无成熟的动力系统参数匹配方法。
基于上述情况,结合已开发的全功率和混合动力架构车型,以整车指标为基础,结合动力学理论以及测试经验,提出燃料电池汽车动力系统参数匹配方法,并选择全功率和混合动力车型进行实车验证,进一步证实了该整车动力匹配方法的合理性,对燃料电池整车动力匹配集成以及参数选型有较好的借鉴意义。
【总页数】6页(P10-15)
【作者】周锋;姜珮;胡囧涛;温凯凯;张颖谦
【作者单位】国家汽车质量检验检测中心(襄阳);东风汽车集团有限公司研发总院【正文语种】中文
【中图分类】U473.4
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电动汽车动力总成的参数匹配方法分析
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皇献清;李军
【期刊名称】《汽车工业研究》
【年(卷),期】2018(000)005
【摘要】本文以实现电动汽车的动力性、经济性和增加续驶里程为目标,对电动汽车总成系统的参数进行了匹配分析.研究了电机参数、传动比参数和电池参数的匹配方法,分析了选择各参数的方法并做了优缺点的对比,最后实现合理选择匹配参数以达到总成各部件的匹配最优.
【总页数】5页(P57-61)
【作者】皇献清;李军
【作者单位】
【正文语种】中文
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2006年(第28卷)第8期汽车工程AutomotiveEngineering2006(Vo.l28)No.82006163燃料电池汽车动力总成结构配置及参数优化匹配贠海涛,万钢,孙泽昌(同济大学汽车学院,上海 201804)[摘要] 结合燃料电池大客车动力系统的实际开发过程,分3个步骤阐述燃料电池汽车动力总成结构配置和参数匹配的一般方法。
第1步,通过分析燃料电池的特性论证了动力总成结构配置的优化解决方案。
第2步,通过分析不同类型功率部件特性阐述了主要功率部件选型的依据,并且根据设计性能要求进行动力总成主要部件基本参数设计。
第3步,进行燃料电池混合动力总成参数优化匹配的研究。
仿真和实验台测试的结果证明所设计的燃料电池大客车动力总成满足要求。
关键词:燃料电池汽车,动力总成,结构配置,参数匹配AStudyonConfigurationandParametersOptimizationofDrive-trainforFuelCellVehicleYunHaitao,WanGang&SunZechangAutomobileSchool,TongjiUniversity,Shanghai 201804[Abstract] Aimingatthedevelopmentofafuelcellbusdrive-train,ageneralmethodoftheconfigurationandparametersoptimizationofadrive-trainforfuelcellvehicleispresentedwiththreesteps.Firs,taconfiguration schemeofhybriddrive-trainsystemisadoptedbasedontheanalysisonthecharacteristicsoffuelcel;lSecond,ac-cordingtotheperformancerequirementsoffuelcellvehicle,theappropriatetypesofmajorpow ercomponentsareselectedandtheirbasicparametersaredefined;Third,anoptimizingsimulati oniscarriedoutontheparametersofhybridpowersystemoffuelcellbus.Theresultsofsimulatio nandtestsshowthattherequirementsoffuelcellbusareme.tKeywords:Fuelcellvehicle,Drive-train,Configuration,Parametersoptimization系统结构简单等优点,但同时也存在一些问题。
1 前言从能量转换角度看,燃料电池汽车与传统汽车有着本质的区别,这就要求燃料电池汽车动力系统采用全新的结构形式。
文中在深入分析燃料电池动力系统特性的基础上,结合燃料电池大客车动力系统的实际开发过程,系统研究并提出了燃料电池汽车动力总成结构设计及参数匹配的一般方法。
(1)输出特性偏软图1是某40kW燃料电池堆的输出特性曲线,可以看出燃料电池的输出特性偏软,作为车用电源,无法满足负载频繁剧烈的变W燃料电池化,因此必须在电机控制图1 某40k器和燃料电池之间增加必要的功率部件进行阻抗匹堆的输出特性曲线2 结构配置燃料电池作为车用电源有效率高、污染小、传动配。
实践证明,采用直流变换器DC/DC,可以很好[1]地起到阻抗匹配的作用,燃料电池和DC/DC合并作为车用动力电源。
79# 730#汽车工程2006年(第28卷)第8期(2)启动时间长、动态响应差、功率密度低、成本高、无法吸收回馈能量采用矢量控制的车用驱动电机可方便地实现四象限运行,使制动能量的回收成为可能。
而燃料电池无法吸收回馈能量。
另外用燃料电池作为单一电源,还存在两个问题,一是其启动时间长,动态响应速度较慢,无法满足车辆运行过程中负载的快速变化需求,二是燃料电池功率密度较低、成本高,若仅以燃料电池满足峰值功率需求,势必会造成整备质量和成本的增加。
在燃料电池发动机(FCE)和电机控制器之间增加峰值功率系统(PPS),不仅可以吸收回馈能量、降低成本,而且可以弥补FCE启动时间长、动态响应差的缺点。
采用这种结构的动力系统称为燃料电池混合动力系统,其结构如图2所示。
广泛应用。
开关磁阻电机应用较少。
由于大客车的功率需求较大,导致电机功率和体积增加,对控制器件要求提高,并且不利于整车布置,因此适宜采用多电机驱动的方案。
可采用两种结构:一种是多电机输出转矩耦合;另一种是采用轮毂电机技术,后者控制较为复杂[2]。
31112 电机性能参数确定3111211 理想车用电机的转矩理想车用电机的特性可以用图3表示[3]。
转折转速nb以下以Tmax恒转矩运行,以上以Wb恒功率运行。
采用先进的矢量控制方法的高速电机输出特性与车辆行驶时车速范围宽、低速转图3 理想的车用电机转矩大要求相一致[4]。
矩根据上述分析,需要确定的电机性能参数包括:最大功率、最高转速、最大转矩、转折转速等。
下面通过分析车辆在不同工况下的受力情况和能量转换设计电机参数。
图2 燃料电池混合动力系统结构示意图3111212 车辆的纵向动力学平衡方程车辆行驶时纵向动力学受力平衡方程式为Ft=Ff+Fw+Fi+Fj(1)式中各项分别为作用到车轮上的驱动力、地面滚动阻力、空气摩擦阻力、坡度阻力和加速阻力。
展开为CDAvTtGTig5dv=mgf++mgi+Em(2)2111518dtr式中Tt为电机输出转矩;GT为电机输出轴至车轮之间的传动效率;r为轮半径;ig为传动比;m为整车质量;f为地面滚动阻力系数;CD为空气阻力系数;A为车辆迎风面积;v为车速;i为路面坡度;E为车辆旋转质量转换系数。
3111213 电机性能参数确定(1)最高转速nmax根据最高设计车速,初定传动比ig,即可确定电机最高转速。
增大电机最高转速有利于降低其体积、减小质量,但会使传动比增大,从而加大传动系统的体积、质量和传动损耗。
应综合考虑多方因素。
由于电机转速较高,因此传动比一般取值较大,为8~15。
初选ig=12,得nmax\4642r/min。
(2)最高转矩Tmax、最大功率Pmax和额定转速nbTmax综上所述,采用混合动力方式可以很好解决燃料电池作为车用电源存在的不足,文中所研究的燃料电池客车即采用了这种结构形式。
3 动力部件选型和基本参数设计燃料电池大客车的主要相关数据如表1所示。
表1 整车参数和设计性能要求最高车速(峰值)/km#h-1最高车速(持续)/km#h-1最大爬坡度/%0~50km/h加速时间/s轮胎半径/mm70631530480轮胎滚动阻力系数空气阻力系数迎风面积/m2整备质量/kg满载质量/kg01016016581751200016000311 电机31111 电机选型目前,可用作车用驱动电机的有直流电机、交流感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机、开关磁阻电机等。
交流异步电机由于结构简单、坚固,且控制性能好,被欧国家和美国广泛采用。
永磁同步电机2006(Vo.l28)No.8贠海涛,等:燃料电池汽车动力总成结构配置及参数优化匹配# 731#转矩,并且最大转矩工作的转速范围为0~最大爬坡转速,由此初定额定转速和最大功率,然后以此校核静止加速时间和最高车速。
由式(2)可得最大转矩mgfcosA++mgsinA21115\@r=1159(N#m)GTig(3)式中A为路面坡度角,若要求最大爬坡车速vp=20km/h,对应转折转速nb=1326r/min。
最大功率为Pmax\Tmax@nb9550=161(kW)Emvdv12960v-CDAv3900r/min时电机实际运行外特性与理想设计外特性基本吻合,高于3900r/min时最大输出功率开始逐渐减小。
另外,由此图可以方便地校核车辆的动力性。
从图4可知电机最高运行转速,从而可以计算最高车速为68km/h,不能满足要求,需要对传动比进行修正。
CDAvp2Tmax(4)校验静止加速时间为tf=GPTvpfvvpGTPmaxmgfvmgiv--vp3600360076140Emvdv129603=1618(s)CDAvmgfvmgiv---3600360076140maxf+(5)式中vf为加速过程的截止车速。
最高车速vmax行驶时所需的功率由式(2)得Pcmax=mgfvmax360076140=8314kW<Pmax+CDAvmax+mgivmax3/GT(6)图4 电机外特性曲线和行驶阻力曲线经过上述分析可以确定电机,对于样车设计试制,在现有方案中比较选取可以节约试制成本,缩短开发时间。
经对比,选择某电机公司提供的双电机解决方案。
其主要参数指标如表2所示。
表2 电机及其控制性能参数电机类型电机形式峰值转矩/N#m额定转速/r#min-1最高转速/r#min-1交流异步电机控制方法空间矢量变频控制10623693336(1)最大传动比传动比应满足车辆最高车速要求。
最高车速时PcW,对应电机转速为4502r/min,有max=8314k2@nmax@P@rig[=1116(7)60@vmax@1000/3600(2)最小传动比传动比还应满足一定车速下的最大爬坡度2CDAvpmgfcosA++mgsinA21115ig\@r=1111(8)GTTmax(3)传动比设计结果由上述计算得传动比应满足:1111[ig[1116,图4(b)所示为ig=1115时电机外特性曲线和阻力曲线,可以看出,最高爬坡度能够达到15%,由电机最高运行转速可以计算最高车速为7017km/h,静加tf双电机转矩耦合输出/kW126020006000/kW峰值效率/%额定电压/V31113 传动比电机确定之后应确定传动比,并以此校核动力性。
图4分别给出电机理想设计、实际运行、实测的外特性曲线以及行驶阻力曲线。
由图可以看出低于# 732#汽车工程2006年(第28卷)第8期312 燃料电池发动机(FCE)31211 燃料电池(FC)选型现在的研究成果表明能作为车用电源的最佳型FC是质子交换膜型燃料电池(PEMFC)31212 FCE参数设计足PFCEGDCF\PmaxrGm+PA=212(kW)(9)[2]述分析选定蓄电池,表3给出了所选蓄电池的主要参数。
表3 蓄电池主要参数类型容量/A#h比能量#/W#h#kg-1比功率*/W#kg-1锂离子电池3080800电压范围/VSOC允许范围/%最大放电功率*/kW最大充电功率*/kW285~35025~75130100。