電動(dòng)汽車(chē)燃料電池系統(tǒng)性能與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)是燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的重要研究方向。因此，本論文基于質(zhì)子交換膜燃料電池電堆及其輔助系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)、特性和功能，提出了一種燃料電池電動(dòng)汽車(chē)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)計(jì)算理論和方法，構(gòu)建了完整的燃料電池系統(tǒng)輸出性能模型，針對(duì)燃料電池系統(tǒng)的輸出性能開(kāi)展了優(yōu)化研究，并對(duì)本文提出的設(shè)計(jì)理論方法和數(shù)值模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證。主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)如下：
　　第一、燃料電池電堆是質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的核心組成部分。

2、該系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究涉及電化學(xué)、物理、機(jī)械和電子等多學(xué)科交叉領(lǐng)域。因此，本論文首先綜合分析了現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池電堆建模理論與方法的優(yōu)勢(shì)與不足，基于燃料電池電堆內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以燃料電池電堆輸出性能為主要研究目標(biāo)，從燃料電池電堆整體的角度出發(fā)，提出了燃料電池電堆的電動(dòng)勢(shì)和全部電勢(shì)損失（如：活化損失、濃度損失和歐姆損失）的計(jì)算理論和方法，從而構(gòu)建了一種可以表征電堆輸出性能的燃料電池電堆數(shù)值模型。該模型結(jié)合了理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢煞N建

3、模方法的優(yōu)點(diǎn)，既可以利用燃料電池的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)保障模型的準(zhǔn)確性，又可以利用理論模型的數(shù)學(xué)公式提高模型的通用性和可移植性，為構(gòu)建燃料電池系統(tǒng)的數(shù)值模型及其優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　第二、一個(gè)完整的燃料電池系統(tǒng)由燃料電池電堆和燃料電池輔助系統(tǒng)兩部分組成。燃料電池系統(tǒng)除了燃料電池電堆外，還包括冷卻系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、和供氫系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。因此，燃料電池系統(tǒng)的性能不僅取決于燃料電池電堆的性能，還同時(shí)取決于燃料電池輔助系統(tǒng)的性能。這些

4、輔助系統(tǒng)不僅保障了燃料電池電堆的正常運(yùn)行，其性能的優(yōu)劣還會(huì)嚴(yán)重影響著燃料電池系統(tǒng)的輸出性能。然而，現(xiàn)有燃料電池系統(tǒng)仿真數(shù)值模型中極少量化研究輔助系統(tǒng)對(duì)燃料電池系統(tǒng)性能的影響。為此，本論文基于車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池輔助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，分析研究了燃料電池發(fā)熱和散熱的主要方式和機(jī)理，提出了燃料電池的熱能和散熱計(jì)算方法，構(gòu)建了燃料電池發(fā)熱和散熱數(shù)值模型。從燃料電池輔助系統(tǒng)性能的角度出發(fā)，提出了燃料電池輔助系統(tǒng)的空壓機(jī)、冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇和加濕

5、泵等組成部分的理論計(jì)算公式，構(gòu)建了一種可量化的燃料電池輔助系統(tǒng)性能模型。該模型既充分反映燃料電池車(chē)用燃料電池輔助系統(tǒng)的各個(gè)組成部分的性能，又可以進(jìn)行有效的系統(tǒng)工作參數(shù)優(yōu)化研究，具有良好的實(shí)用性和通用性，為燃料電池輔助系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新理論和新方法。
　　第三、本研究基于提出的燃料電池電堆模型與輔助系統(tǒng)模型，構(gòu)建了完整的車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)輸出性能模型,提出了適用于燃料電池車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的切實(shí)可行的多變量?jī)?yōu)

6、化方法，并分別采用序列二次規(guī)劃法和內(nèi)點(diǎn)法在MATLAB和KNITRO優(yōu)化平臺(tái)上對(duì)輸出性能模型開(kāi)展了優(yōu)化研究。數(shù)值仿真結(jié)果表明：構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)模型可有效地優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)工作參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)后的燃料電池系統(tǒng)輸出功率提高了26％，為改善燃料電池車(chē)整車(chē)性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)燃料電池系統(tǒng)工作參數(shù)提供了有價(jià)值的理論依據(jù)和計(jì)算方法。
　　第四，采用加拿大維多利亞大學(xué)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試平臺(tái)和一低速燃料電池車(chē)，針對(duì)優(yōu)化前后的燃料電池車(chē)