基于氢燃料电池的电动汽车混合动力系统设计

Advances in Energy and Power Engineering 电力与能源进展, 2020, 8(1), 23-29

Published Online February 2020 in Hans. /journal/aepe

https:///10.12677/aepe.2020.81003

Design of Electric Vehicle Hybrid Power

System Based on Hydrogen Fuel Cell

Chengyuan Chen, Xuejing Xia, Wenxin Zhang, Yitong Liu

China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu

Received: Jan. 28th, 2020; accepted: Feb. 12th, 2020; published: Feb. 19th, 2020

Abstract

Hydrogen energy is a kind of clean energy which can alleviate the shortage of resources in the world. In this paper, hydrogen fuel cells are used as the main power source for electric vehicles. In order to solve the problems of low fuel efficiency, short fuel cell life, and insufficient fuel mileage in hybrid systems, a two-phase interleaved parallel buck circuit is used as the converter, designed the power distribution unit, built the hydrogen fuel cell vehicle hybrid power system simulation model. The simulation results verify that the system can provide sufficient power for the load and has fast dynamic response.

Keywords

Hydrogen Fuel Cell, Hybrid Power System, Two-Phase Staggered Buck Circuit

基于氢燃料电池的电动汽车混合动力系统设计

陈程远，夏雪菁，张雯欣，刘奕彤

中国矿业大学，江苏徐州

收稿日期：2020年1月28日；录用日期：2020年2月12日；发布日期：2020年2月19日

摘要

氢能是一种清洁能源，其使用可以缓解当今世界资源短缺的现状。本文将氢燃料电池作为电动车的主要动力来源，为解决其混合动力系统中燃料利用效率不高、燃料电池寿命不长、燃料汽车续航里程不够等问题，选用两相交错并联buck电路作为变换器，设计功率分配单元，搭建了氢燃料电池车混合动力系统仿真模型，仿真结果验证了该系统能够为负载提供充足的动力，且动态响应迅速。

陈程远等

关键词

氢燃料电池，混合动力系统，两相交错并联buck电路

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1. 引言

日益严重的环境污染和能源消耗问题使人们迫切需要新能源。燃料电池(FC)是一种有前途的分布式电源。它具有高效率、低污染的优点，但缺点是动态性能差、使用寿命短[1] [2]。锂电池(B)能够提供一种管理电气系统(如不间断和便携式电源、可再生能源发电系统和混合动力汽车)。锂电池具有充放电速度快、储能时间长的特点。本文提出了一种以质子交换膜燃料电池为主电源、锂电池为辅助电源(FC + B)的混合动力系统。

电动汽车(EV)的负载是可变的，对不稳定的交通状况，包括频繁的加速、减速，上坡或下坡行驶进行响应。因此，能源管理策略必须能够在负载功率需求变化剧烈时，使得动力系统中氢燃料电池和锂电池合理分配输出功率。

具有反馈控制的DC/DC变换器已广泛用于混合动力车辆。但当前电动车用氢燃料电池混合动力系统在结构设计与能量管理控制方面仍有待深入研究。氢燃料电池特殊的输出特性，对其级联DC/DC变换器提出了与传统电力电源相比更为严格的要求。所以研究和选择适合氢燃料电池级联DC/DC变换器的拓扑结构，对提高电动汽车混合动力系统的燃料利用效率，延长燃料电池的寿命以及提高整个系统的安全性和经济性都有重要的意义。

通过对氢燃料电池车混合动力系统的建模和仿真分析，不仅可以准确的描述该动力系统的特性及行为，而且可以在设计的各阶段对系统的运行参数进行优化调整。因此，本文基于simulink对氢燃料电池车混合系统进行仿真模型搭建以及动态分析。

2. 氢燃料电池车混合动力系统结构及控制

2.1. 氢燃料电池

氢燃料电池采用质子交换膜燃料电池。H2和O2在阳极室和阴极室中分别发生氧化反应和还原反应。

氧化反应产生了H+和e−，质子交换膜将H+传送到阴极，而e−由外部电路传送到阴极[3]。当外部电路连通时，自由移动的e−便可以形成电流，从而向外部电路供电。本文采用MATLAB/Simulink自带的燃料电池模型，其相关参数设置依照H-300质子交换膜燃料技术手册。

在电动汽车应用氢燃料电池时，其体积和重量都十分受限。由matlab得出氢燃料电池输出特性曲线如下图1所示，可以看出当负载功率需求增加时，氢燃料电池输出电压下降较大。在负载功率波动较大时，负载端电压也会出现较大波动。且氢燃料电池不能承受反向电流，会降低能源利用效率。故而尽管氢燃料电池供电优点很多，仅依靠这一动力源无法满足负载需求。因此，本文紧密结合氢燃料电池输出特性，采用DC/DC变换器与氢燃料电池级联的形式，解决上述问题，重点研究混合动力系统的设计。