电动汽车燃料电池系统性能与优化设计研究

燃料电池系统的优化设计与性能评价是燃料电池电动汽车的重要研究方向。因此，本论文基于质子交换膜燃料电池电堆及其辅助系统的的结构、特性和功能，提出了一种燃料电池电动汽车质子交换膜燃料电池系统计算理论和方法，构建了完整的燃料电池系统输出性能模型，针对燃料电池系统的输出性能开展了优化研究，并对本文提出的设计理论方法和数值模型进行了实验研究与验证。主要研究工作和创新点体现如下： 第一、燃料电池电堆是质子交换膜燃料电池系统的核心组成部分。该系统设计与研究涉及电化学、物理、机械和电子等多学科交叉领域。因此，本论文首先综合分析了现有质子交换膜燃料电池电堆建模理论与方法的优势与不足，基于燃料电池电堆内部复杂的电化学反应机理，以燃料电池电堆输出性能为主要研究目标，从燃料电池电堆整体的角度出发，提出了燃料电池电堆的电动势和全部电势损失（如：活化损失、浓度损失和欧姆损失）的计算理论和方法，从而构建了一种可以表征电堆输出性能的燃料电池电堆数值模型。该模型结合了理论模型和经验模型两种建模方法的优点，既可以利用燃料电池的实测数据保障模型的准确性，又可以利用理论模型的数学公式提高模型的通用性和可移植性，为构建燃料电池系统的数值模型及其优化设计奠定了理论基础。 第二、一个完整的燃料电池系统由燃料电池电堆和燃料电池辅助系统两部分组成。燃料电池系统除了燃料电池电堆外，还包括冷却系统、加湿系统、供氧系统、和供氢系统等辅助系统。因此，燃料电池系统的性能不仅取决于燃料电池电堆的性能，还同时取决于燃料电池辅助系统的性能。这些辅助系统不仅保障了燃料电池电堆的正常运行，其性能的优劣还会严重影响着燃料电池系统的输出性能。然而，现有燃料电池系统仿真数值模型中极少量化研究辅助系统对燃料电池系统性能的影响。为此，本论文基于车用质子交换膜燃料电池辅助系统的结构与功能，分析研究了燃料电池发热和散热的主要方式和机理，提出了燃料电池的热能和散热计算方法，构建了燃料电池发热和散热数值模型。从燃料电池辅助系统性能的角度出发，提出了燃料电池辅助系统的空压机、冷却水泵、冷却风扇和加湿泵等组成部分的理论计算公式，构建了一种可量化的燃料电池辅助系统性能模型。该模型既充分反映燃料电池车用燃料电池辅助系统的各个组成部分的性能，又可以进行有效的系统工作参数优化研究，具有良好的实用性和通用性，为燃料电池辅助系统的优化设计提供了一种新理论和新方法。 第三、本研究基于提出的燃料电池电堆模型与辅助系统模型，构建了完整的车用质子交换膜燃料电池系统输出性能模型,提出了适用于燃料电池车用质子交换膜燃料电池系统的切实可行的多变量优化方法，并分别采用序列二次规划法和内点法在MATLAB和KNITRO优化平台上对输出性能模型开展了优化研究。数值仿真结果表明：构建的燃料电池系统模型可有效地优化燃料电池系统工作参数，优化参数后的燃料电池系统输出功率提高了26%，为改善燃料电池车整车性能和优化设计电动汽车燃料电池系统工作参数提供了有价值的理论依据和计算方法。 第四，采用加拿大维多利亚大学燃料电池电动汽车实验室的测试平台和一低速燃料电池车，针对优化前后的燃料电池车开展了对比实验研究。实验研究表明，采用本论文提出的燃料电池系统计算方法、数值模型和优化方法优化后的燃料电池车综合动力性能都有了明显提高，其中，最大加速度提高了25%，最大速度提高了7.3%，进一步验证了本论文所提出的燃料电池系统数值模型和优化方法的正确性和有效性。