本文選題：電動汽車　切入點(diǎn)：燃料電池系統(tǒng)　出處：《湖南大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能評價(jià)是燃料電池電動汽車的重要研究方向。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汽車質(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，針對燃料電池系統(tǒng)的輸出性能開展了優(yōu)化研究，并對本文提出的設(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。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勢和全部電勢損失（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建模方法的優(yōu)點(diǎn)，既可以利用燃料電池的實(shí)測數(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)對燃料電池系統(tǒng)性能的影響。為此，本論文基于車用質(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用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的切實(shí)可行的多變量優(yōu)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)化平臺上對輸出性能模型開展了優(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%，為改善燃料電池車整車性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)電動汽車燃料電池系統(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)燃料電池電動汽車實(shí)驗(yàn)室的測試平臺和一低速燃料電池車，針對優(yōu)化前后的燃料電池車開展了對比實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究表明，采用本論文提出的燃料電池系統(tǒng)計(jì)算方法、數(shù)值模型和優(yōu)化方法優(yōu)化后的燃料電池車綜合動力性能都有了明顯提高，其中，最大加速度提高了25%，最大速度提高了7.3%，進(jìn)一步驗(yàn)證了本論文所提出的燃料電池系統(tǒng)數(shù)值模型和優(yōu)化方法的正確性和有效性。
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【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM911.4;U469.72

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1588639