第1章 緒論

1.1 燃料電池汽車動力系統(tǒng)概述

我國汽車行業(yè)經(jīng)歷了這些年來的高速增長，形成了巨大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，汽車保有量穩(wěn)步上升。同時，當今社會也面臨著能源短缺和環(huán)境污染兩大嚴峻的問題，為了可持續(xù)發(fā)展，越來越多的國家制定了更為嚴苛的排放、能耗法規(guī)，汽車行業(yè)的變革顯得刻不容緩。在這一背景下，以純電動汽車、燃料電池汽車為代表的純電驅動新能源汽車將成為今后發(fā)展的方向。燃料電池汽車因其能量密度高、能量轉化效率高、環(huán)境友好的特點，具有廣闊的發(fā)展前景。燃料電池的主要工作原理是燃料與氧化劑的化學能轉換為電能，其中質子交換膜燃料電池的反應物為氫和氧，反應產(chǎn)物為水和電能，具有清潔、高效的特點。

燃料電池動力系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動機、輔助動力源（蓄電池）、DC/DC變換器、驅動電機及各相應的控制器，以及機械傳動與車輛行駛機構等組成。燃料電池汽車開發(fā)過程中，動力系統(tǒng)的測試驗證是其中的重要環(huán)節(jié)。針對燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試驗證的要求，國內外學術機構和企業(yè)開發(fā)了不同規(guī)格和結構的燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試平臺。該類平臺的主要功能單元包括人機交互系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、其他電源系統(tǒng)、DC/DC變換器系統(tǒng)、電驅動系統(tǒng)、測功機系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)等。

在小型燃料電池動力系統(tǒng)測試平臺方面，Corbo等開發(fā)了一套小型燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試平臺，可完成整套動力系統(tǒng)的匹配和性能測試^[1]。Thounthong等開發(fā)了一套燃料電池/超級電容雙能量源測試系統(tǒng)，并分析比較了該系統(tǒng)中單一能量源供電與雙能量源供電的效果^[2]。Vural開發(fā)了一套5kW燃料電池/超級電容動力系統(tǒng)測試平臺，可完成動力系統(tǒng)性能測試^[3]。Mohammad Salah開發(fā)了一套5kW燃料電池/動力蓄電池動力系統(tǒng)測試平臺，該平臺可完成動力系統(tǒng)動態(tài)性能測試及能量管理控制策略研究^[4]。Vehicle Projects LLC采用CompactRIO嵌入式控制器與LabVIEW圖形化設計軟件，來設計用于燃料電池的控制系統(tǒng)，使用NI CompactRIO控制器來監(jiān)視和控制燃料電池機車和控制器局域網(wǎng)（CAN）總線的安全和運行^[5]。另外，采用基于NI VeriStand的實時測試環(huán)境，Wineman Technology公司的INERTIA控制附加軟件，以及NI PXI的硬件測試系統(tǒng)，創(chuàng)建了硬件在環(huán)（HIL）測試系統(tǒng)，使其能夠仿真、控制、監(jiān)測福特汽車公司開發(fā)的乘用車燃料電池動力系統(tǒng)模型^[6]。

在車載燃料電池動力系統(tǒng)測試平臺開發(fā)方面，武漢理工大學開發(fā)了一套燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)綜合測試平臺，該平臺可完成30kW燃料電池/動力蓄電池動力系統(tǒng)測試，為動力系統(tǒng)的控制、性能的測試以及工況的模擬提供了可靠的平臺，并可完成系統(tǒng)管理策略與部件測試等關鍵技術^[7]。合肥工業(yè)大學與博世技術中心合作開發(fā)了超級電容與燃料電池發(fā)動機混合動力系統(tǒng)測試平臺，該測試平臺可滿足額定功率為70kW的燃料電池發(fā)動機的動力系統(tǒng)測試^[8]。另外，吉林大學、清華大學、同濟大學等高校和研究機構，開發(fā)了針對燃料電池發(fā)動機、DC/DC變換器、電機及控制器的關鍵部件測試平臺^[9-11]。燃料電池動力系統(tǒng)包含了諸多不可測量，或難以測量的量，這些量對于整個動力系統(tǒng)又是不可或缺的。利用若干可測量并通過合適的算法進行估計、推斷和預測出這些量，已經(jīng)成為解決上述問題的一種有效途徑。

現(xiàn)階段燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展還不完善，開發(fā)測試驗證體系不夠完備，現(xiàn)有燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試平臺存在一定局限性。完成整套燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試，往往需要集成外部軟硬件資源。現(xiàn)有測試平臺主要以動力系統(tǒng)關鍵部件（驅動電機、燃料電池等）測試臺架為主，缺少聯(lián)動設備。針對大功率車載燃料電池發(fā)動機/動力蓄電池構成的動力系統(tǒng)測試平臺較少，無法滿足該類動力系統(tǒng)的開發(fā)測試需求。另外，若出現(xiàn)某一動力系統(tǒng)關鍵部件缺失的情況，現(xiàn)有測試平臺無法實現(xiàn)該類情況的測試，無法實現(xiàn)軟硬件結合測試。

針對現(xiàn)有測試平臺的不足，需要引入新的開發(fā)測試方法，開發(fā)新型燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試平臺，滿足開發(fā)測試的需要。