燃料电池发动机系统控制方案研究绪论

　　第一章 绪论

　　1.1 引言。

　　随着世界石油储量的持续减少，地球生态环境的不断恶化，能源和环境问题已经成为制约各国经济持续发展的重要因素。同时国民经济的发展和社会的进步，汽车在国民经济和现代生活中的作用地位日益显着。一个国家汽车保有量的增长，通常被认为是该国社会繁荣和人民生活质量提高的主要标志。然而汽车数量的增长，将导致汽车燃料供需矛盾以及汽车排放污染对生态环境的加剧。自改革开放以来，我国对发展汽车工业的认识在不断地深化，八届人大已把汽车工业确定为优先发展的四大支柱产业之一。据统计，近10年来我国汽车产量平均增长率保持在13%左右，保有量平均增长率保持在12%左右。我国目前汽车保有量1600万辆，年产量为200多万辆，汽车排放污染的压力会越来越大。特别是像北京、上海、广州等大城市，机动车的保有量以每年5%以上的速度快速增长，机动车排放己成为城市大气污染的一个主要来源。目前我国城市机动车的保有量与一些发达国家相比虽然不算多，甚至还低，但机动车辆污染却比国外严重，这主要因为国内汽车技术水平低，与国外差距在10年以上，部分机动车（如农用车）的差距甚至更大。技术水平的低下直接造成单车排放的碳氢化合物、一氧化碳、氧化氮分别是1992年美国新车排放量的14.5倍、11.8倍、3.3倍。不难预料，随着我国国民经济的发展，人民生活水平的提高，汽车保有量不断增加，车用燃料的供需矛盾将会更加突出，而城市汽车排放污染也会日益严重。因此高效、节能、清洁、舒适性及安全性的电动汽车的研究与开发，引起了世界各国的高度关注[1,2].
　　
　　电动汽车是集机、电、化学各学科领域的高新技术于一体，它可分为纯电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）3 种。由于燃料电池具有效率高、污染少、噪声小、产生的剩余热量可以再利用、燃料补充迅速、燃料易于获得和工作持久可靠等优点，在汽车应用领域极具潜力，因此燃料电池电动汽车成为当今世界各国大力开发的热点[3],燃料电池车将是治理汽车尾气污染的根本出路和最现实的措施[4].

　　1.2 国内外发展现状。

　　自从20世纪60年代以来，由于燃料电池汽车具有环保意义，因此各大汽车制造商都在寻找检验产品并最终投放市场的途径。2000~2003年发展情况，日本的产量最大；2004年统计数据，显示欧洲为最大生产商，其主要制造商是戴姆勒-克莱斯勒（简称戴克）公司。通过调查，笔者发现燃料电池汽车应用最多的地区却是在北美（包括美国和加拿大），占据了全部汽车数量的55%.2005年北美的市场上充斥着戴克公司的FCells、福特公司的Focus燃料电池汽车以及通用公司的Hydrogen3,但几乎没有日本汽车。

　　将概念车和汽车模型转变为实际用车尚需时日，并且需要厂商的共同努力。

　　各大主要汽车制造商仍然制定了生产燃料电池汽车的周密计划：戴克汽车公司已经投入生产60辆；通用公司计划到2008年生产40辆；大众公司到2005年末生产15辆；现代起亚公司到2005年末已生产5辆。

　　目前，许多国家在燃料汽车的研究方面取得可喜成果。

　　（1）欧洲。

　　戴克公司不仅一直是燃料电池汽车发展的领导者，而且是全世界最大的燃料电池汽车厂商，它的进步更确保了产品商业化的实现。从1994年开发的第一辆燃料电池汽车NECAR,到最近亮相的新车，戴克公司在A级F-Cell燃料电池汽车继续进行道路试验的同时，又开发了B级F-Cell汽车。明显改2002年5月，戴克公司的燃料电池轿车NECARS横穿美国，从西部的三藩市到达东部的华盛顿，全程5250km,平均车速112km/h,仅发生一次冷却水管的小故障。2005年4月，BALLARD公司宣布的目标是到2010年他们生产的燃料电池堆寿命将提高到5000h.新车采用巴拉德的燃料电池先进技术，通过减少燃料消耗，增加车载储氢量使续驶里程增加到400km（在原始NECAR基础上增加了260km）。大众公司并不是燃料电池汽车研发的领导者，尽管它没有前者的优势，但它通过吸收其他制造商的经验开发了HyMotion.在研究探索氢燃料电池的同时，大众公司还在积极开发生物燃料项目。

　　戴姆勒-奔驰（Daimler-Benz）汽车公司于1997年将A型小轿车改造成甲醇重整型燃料电池汽车，由Ballaed公司生产的燃料电池堆安装在车前部的座位下方，甲醇储罐和重整器则安装在车后部座位下方，汽车乘员从原来的4人减为2人。该车装甲醇40kg,续行里程400km[5].奔驰于1996年推出了装有两个微型燃料电池组，每组有150只燃料电池，这些燃料电池有两块电极板、氢气和氧气从外部进入，涂有贵金属的电解质象三明治一样嵌在电极板中间。与传统系统相比，其质量约减少2/3,功率质量由21kg/kW降至6kg/kW,而功率不变[6].

　　法国已开发成功使用"远程"燃料电池的电动汽车"Fever",它以低温储存的氢和空气作燃料，功率30kW,电压为90V,采用先进的电子控制系统对电力输出进行控制，并把制动时制动动能储存在蓄电池里，以备汽车起动或加速时使用。

　　英国研究燃料电池汽车已有30多年的历史，1968年开发了使用表面只Pt.Ru（钉）合金作催化剂的300DMFC（甲醇燃料电池）；1992年英国能源部门成立了国家燃料电池开发中心，现正致力于固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells,SOFC）组合燃料处理系统的研究，重点是开发燃料供应、重整炉、气体净化的空气压缩等方面技术。质子交换膜燃料电池PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFC）的研究重点则是改善催化材料的性能并探索Pt利用率和对CO的耐受允许值。发展目标是开发出8个一组的输出功率1.2kW的工作面积为300cm2的燃料电池。APS宣布将开发5个一组的SPFC系统，并在此基础上生产5kW和10kW的燃料电池的燃料电池，体积功率为1kW/L,以利于商业化装车使用[7,8].

　　（2）美国。

　　美国己对磷酸型燃料电池（PhosphoricAcid Fuel Cells,PAFC）作动力的大客车进行路试，下一步将研究于轿车的DMFC.现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池，其效率比内燃机提高1倍，而造成的污染只有内燃机的5%.福特公司是巴拉德的另一个主要汽车合作商，其继续2004年的技术路线，采用氢内燃机，Model-U型流行款，深受美国人的喜爱。在大家的期望下，福特于2005年开发了Focus燃料电池汽车，在此之前福特进行了颇多的路面试验，包括加利福尼亚、范库弗峰和CEP柏林项目。

　　通用公司在欧宝Zafera的基础上开发了Hydrogen3,其应用的新型滑板底盘最先出现在Hy-Wir（全球首辆可驾驶的线传操控燃料电池车）上，燃料电池驱动系统由20块相互串联在一起的燃料电池单体组成的电池组产生电力，通过氢气储存罐向燃料电池堆提供氢气。其0~100km的加速时间约为16s,最大时速达到160km.

　　一次充气续驶里程分别可达400km.在对Hydrogen3进行日常性能试验的同时，通用公司也在拓展更多的创造性研究领域，从2005年开始开发压缩氢存储系统，并在车展上展出了新燃料电池概念车Sequel.Sequel使用了通用汽车最新一代氢燃料电池和线传操控电子控制技术，是目前全球燃料电池车中扭矩最大的车型。

　　（3）日本。

　　丰田公司的混合动力汽车Prius在海外市场占尽先机，同时厂家也没有忽视对燃料电池汽车等下一代清洁汽车的开发及商业化研究。氢燃料电池汽车被丰田看作是环保汽车的最终目标，世界范围内运行的该公司生产的示范车已经超过20辆。现在日本和美国接受路上测试的FCHV-5是丰田公司于2001年生产的第五代燃料电池汽车。

　　本田公司非常重视产品的研发应用，开发出先进的燃料电池汽车Honda-FCX.该车装有86kW的PEM电池，是惟一一辆通过美国环境保护局（EPA）和加州空气资源部（CARB）鉴定的零排放燃料电池汽车。更引人注目的是本田公司计划在美国将FCX出租给个人，租金为每月500美元，同出租给公司或政府的租金相同，以便其新车更快的进入市场。2005年2月，日产公司宣布研制成功其首个作为燃料电池汽车动力装置的燃料电池组，新开发的电池组比现有供应商提供的电池组体积更小、动力更充沛，只用60%的体积就能提供相同的功率。同时也宣布研制成功了新的高压氢气存储系统，尽管汽缸体积没有变化，但压强从原来的35Mpa扩大到现在的70Mpa,使氢气的存储能力增加了30%,因而加大续驶里程[9].

　　（4）中国。

　　近年来，中国政府一直十分重视燃料电池汽车技术的发展，将燃料电池系统、燃料电池轿车和城市客车列入"863"计划（2001~2005）。在"十五"期间，科技部共投入了8.8亿元人民币支持蓄电池电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的研究开发工作。以大连物化所为牵头单位，全面开展了PEMFC的电池材料与电池系统研究。经过近十年的发展，现已取得较大进展。目前，清华大学、同济大学等国内科研单位均已自主开发出了燃料电池城市客车和轿车。清华大学已开发出三代5辆燃料电池混合动力公交车，至2005年底累计试运行了33000km.

　　同济大学开发出了10辆燃料电池轿车，并在2004年上海比比登挑战赛上，在污染物排放、油耗、噪音等5个方面获得A级成绩，得到业界的广泛好评[10].

　　北京富源燃料电池公司很多年前就开始研究轻型汽车PEMFC技术，1998年联合清华大学汽车工程学院开发出中国第一辆燃料电池汽车，在高尔夫球场车上安装5kW燃料电池堆。1999年与清华大学开发出乘用车。最近富源公司正在研发测试140kW的车用PEM燃料电池。在1999年12月开幕的99北京国际汽车环保技术与产品展览会上展出了由清华大学和北京富原新技术开发总公司联合研制的我国第一辆以燃料电池为动力源的电动游览观光车，标志着当时我国电动车的最新技术水平。上海神力科技有限公司与中科院上海有机化学研究所等单位合作，到2001年己单独或合作完成了4项国家重点科研攻关任务，开发了5个系列的燃料电池产品SL1,SL2,SL3,SL4,SL5.其中包含了3种PEMFC电动车样车。SL1系统1~15kW,可用作摩托车、游览车、城市工程车、游艇等交通工具动力，也可用作备用电源、不间断电源、移动电源、家用电站等；SL2系列20~50kW,可用作轿车、中巴等交通工具或用作小型电站；SL3系列100~1000kW,可用作电动自行车、助力车的动力或用作背负式电源。到2001年已研制出我国首辆采用自行研制开发的PEMFC作为发动机，使用氢气为燃料，以空气为氧化剂的电动游览观，乘员数9人，一次携带燃料的续驶里程为300km,程度25~30km/h,可实现零排放。经中科院上海文献情报中心查阅检索，表明神力公司在技术上己达到"国内领先水平，并进入了国际先进水平行列",已被认定为上海市高新技术成果转化项目。2001年一辆以纯氢为燃料的30kW的PEMFC电动中巴在我国成功运行，该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7PEMFC的水平。该中巴车是我国第一辆真正意义上的燃料电池驱动的电动汽车，拥有自主知识产权，将对我国的环保、能源及交通等领域产生深远的影响，开辟了绿色动力的新纪元[11].

　　1.3 课题研究的意义及来源。

　　能源作为人类现代文明的支柱产业之一，起来越受到人们的高度重视。与此同时，能源消耗所产生的各种废气的排放导致的温室效应引起的环境问题己成为全球最为关注的热点之一，是日益深刻的社会问题。环境污染不仅给人类及生物生存空间带来了严重威胁，而且会给子孙后代留下无穷的隐患。全世界的科学家与有识之士纷纷呼吁各国政府与产业部门，在大力研究开发新能源，加快解决能源危机的同时，保护地球环境，保护人类生存的空间。鉴于这一迫切的问题，从八十年代开始发达国家率先在寻求以高效、节能、低公害为最终目标，研究开发清洁、高效的燃料电池这一能源与环保相统一的"绿色技术".加速燃料电池的实用化对保护地球环境，防止大气污染和温室效应是一个积极可行的策略，对于能源、环境这两项涉及人类社会重大问题的解决具有战略意义[12].

　　1.4 主要研究内容。

　　建立一套25kW燃料电池发动机系统，包括氢气供给系统、空气供给系统、冷却水管理系统、功率测量系统、报警系统。

　　燃料电池汽车与传统汽车的区别主要在于由燃料电池动力系统替换了传统的内燃机动力系统。燃料电池动力系统为燃料电池电动汽车设计研究与开发的主要内容[13,14].本文主要进行燃料电池发动机的控制系统的研究，控制系统的好坏对燃料电池电堆的性能、安全和寿命具有决定性影响。燃料电池发动机控制系统的管理，是从系统集成和整体的角度，控制和优化燃料电池电堆发电的过程。将燃料电池发动机各子系统进行完善的管理，最大的限度的发挥电堆的效率，提高能源的利用率，改善整个电动汽车动力系统的性能。将要研究的工作具体概括起来有以下几点内容：

　　（1）燃料电池发动机控制系统的总体方案设计。根据燃料电池发动机所要达到的性能指标，进行总体方案设计，并结合实际的情况，选择适合本系统的控制方案。以嵌入式微处理器MCU（Micro Controller Unit）为核心，实现燃料电池发动机控制系统的硬件系统。完成各个接口模块的设计，并使该控制系统具有较好的抗干扰能力。

　　（2）燃料电池控制器与车身控制器CAN局域网络的设计。研究信息数据，制定数据的标识符、帧的名称、传输方向、数据长度、数据的具体内容等，研究并运用一种新的仿真工具--CANoe,通过对这个网络进行仿真，来分析网络的设计是否合理，信息数据是如何传递。

　　（3）燃料电池发动机控制策略的研究。控制策略的好坏会直接影响燃料电池工作性能及整个电动汽车的效率，由于汽车的机动性，使燃料电池的输出功率有较大的波动。所以结合燃料电池发动机特殊的应用场合，基于整车能量控制策略，对燃料电池在不同工作环境下的工作状态进行分析。

　　（4）完成燃料电池发动机控制系统的软件流程设计。基于MCU软件开发平台，将运用C语言和汇编语言编程的方式，实现整个控制软件流程的设计。为方便程序设计和代码的编译和调试，使整个流程清楚、有条理，采用模块化的编程思想，将软件的任务进行分配，并采用数字滤波技术，使控制优化。

　　（5）开展燃料电池发动机控制系统中的算法研究。在设计好的硬件平台上，论文将进一步研究适合燃料电池发动机的控制算法。阐述了PID控制器在燃料电池发电系统中的应用，并针对电堆控制系统的关键和难点：循环冷却水出堆温度的控制，分别引入PID控制器与Fuzzy-PID控制器，对建立的冷却循环水系统控制，运用MATLAB进行仿真分析，并研究其对温度的控制效果。