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电动自行车用燃料电池混合动力系统设计.rar

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    电动自行车 燃料电池 混合 动力 系统 设计
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    国内图书分类号:TP18,TM911 密级:公开国际图书分类号:621.3西 南 交 通 大 学研 究 生 学 位 论 文电动自行车用燃料电池混合动力系统设计年 级 二 O 一一级 姓 名 田维民 申请学位级别 工学硕士 专 业 电力系统及其自动化 指 导 老 师 陈维荣 教授 二零一四 年 五 月Classified Index:TP18,TM911U.D.C: 621.3Southwest Jiaotong UniversityMaster Degree Thesis DESIGN OF FUEL CELL HYBRID POWER SYSTEM FOR ELECTRIC BICYCLEGrade: 2011Candidate: Tian Wei-MinAcademic Degree Applied for : Master Of Science In EngineeringSpeciality: Power System and Its AutomationSupervisor: Prof. Chen Wei-RongMay, 2014西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密□,在 年解密后适用本授权书;2.不保密□,使用本授权书。(请在以上方框内打“√” )学位论文作者签名: 指导老师签名:日期: 日期:西南交通大学硕士研究生学位论文 第 I 页西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:在 Simulink 仿真平台上,搭建峰值电流控制模式的两相交错并联 Buck 变换器电路模型和燃料电池/锂电池混合动力系统模型,并仿真验证了燃料电池混合动力系统的可控性;提出一种以燃料电池输出电压钳位控制为基础的燃料电池混合动力能量管理策略,研制了一套电动自行车用燃料电池混合动力系统,并实验验证所提出的混合动力能量管理策略的有效性和可靠性。本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名:日期:西南交通大学硕士研究生学位论文 第 II 页摘 要当今世界能源匮乏日益严重,新能源的应用作为一种有效的解决途径,已逐渐成为各国研究的热点。电动自行车是当今社会重要的交通工具,不仅方便百姓出行,而且可缓解城市交通拥堵。如果将燃料电池作为电动自行车的主动力源,锂电池作为辅助动力源,使其成为高效率、低排放的混合动力系统,则不失为一种解决环境污染和城市噪音问题的可行方案。本文重新设计电动自行车的动力和控制系统,将原由铅酸蓄电池单独提供动力的电动自行车改装为由燃料电池和锂电池共同提供动力的混合动力电动自行车。根据燃料电池、锂电池和电动自行车的各自特性,设计适用于电动自行车的燃料电池混合动力系统。在 Simulink 仿真平台上,搭建峰值电流控制模式的两相交错并联 Buck 变换器电路模型和燃料电池/锂电池混合动力系统模型,同时进行了仿真实验。仿真结果表明:各子系统及混合动力系统模型搭建正确,混合动力系统能量可控。基于燃料电池输出特性,提出一种以燃料电池输出电压钳位控制为基础的燃料电池混合动力能量管理策略。在该策略下,燃料电池和锂电池总工作于其安全运行区域,且燃料电池输出功率波动相对较小。相比于传统的直接功率控制的能量管理策略,当燃料电池外部环境发生改变或处于亚健康状态时,该策略可有效保护燃料电池,提高能源利用效率,延长燃料电池使用寿命。同时该策略可对锂电池充电进行有效管理,保证锂电池的充电安全,延长锂电池的使用寿命。为了验证该燃料电池混合动力系统能量管理策略的有效性,研制了一套电动自行车用燃料电池混合动力系统。同时,搭建混合动力系统测试平台。通过实验数据,测试并验证了能量管理策略的有效性和可靠性。最后,实验测试表明:本文所设计的燃料电池混合动力系统可以为电动自行车提供充足动力,并且动态响应快。除此之外,两动力源的功率分配合理。关键词:燃料电池;电动自行车;混合动力系统;能量管理策略西南交通大学硕士研究生学位论文 第 III页AbstractNowadays, as a result of energy shortage, the research of new energy has become a hotspot of the world. As an important way of transportation in today's society, electric bikes not only facilitate us to go out, but also can ease the urban traffic congestion. An electric bike hybrid power system with the fuel cell as the main energy and the lithium bettery as the auxiliary energy has the benefits of high efficiency and low-emission and is an alternative to solve the environmental pollution and urban noise problems.This thesis converts the original electric bike power system of single lead-acid battery to hybrid power system of fuel cell and lithium battery by redesigning the power and control system of the electric bike. According to the dynamic performance of the fuel cell, lithium battery and electric bike, the fuel cell hybrid power system for electric bike has been designed.Based on Simulink, a two phase interleaved buck converter circuit model controlled by peak-current and a fuel cell/ lithium battery hybrid power system model have been built. And a simulation experiment has been done. The simulation result shows that the models of each subsystem and the hybrid power system are correct and the energy of hybrid power system can be controlled.Based on the output characteristics of fuel cell, a fuel cell hybrid power system energy management strategy based on clamping control of fuel cell output voltage is proposed. With this strategy, the fuel cell and the lithium battery work in safe operational region, and the fluctuation of fuel cell output power is relatively small. Compared with the traditional energy management strategy of direct power control, this strategy can effectively protect the fuel cell, improve energy utilization efficiency and prolong the lifetime of fuel cell when the external environment changes or the fuel cell is in subhealth state. Simultaneously, this management strategy can effectively control the charging of lithium battery, ensure the safety and prolong the lifetime of lithium battery.In order to verify the effectiveness of the fuel cell hybrid power system energy management strategy, a fuel cell hybrid power system for electric bikes has been developed. And a test platform for hybrid power system has been constructed. The effectiveness and reliability of the energy management strategy has been tested and verified by the experiment data. The experiment shows that the fuel cell hybrid power system designed in this thesis can 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 IV 页provide sufficient power for the electric bike and has a fast transient response. Other than that, it is reasonable to the power allocation of the two sources.Key words: Fuel Cell; Electric Bike; Hybrid Power System; Energy Management Strategy西南交通大学硕士研究生学位论文 第 V 页目 录第 1 章 绪论 .............................................................................................................................11.1 研究意义 .......................................................................................................................11.2 国内外研究现状 ...........................................................................................................31.2.1 燃料电池电动自行车 ...........................................................................................31.2.2 燃料电池用级联 DC/DC 变换器 ...........................................................................41.2.3 燃料电池混合动力系统能量管理技术 ...............................................................41.3 本文主要研究内容 .......................................................................................................5第 2 章 燃料电池混合动力系统简介 .....................................................................................72.1 质子交换膜燃料电池 ...................................................................................................72.2 锂电池 ...........................................................................................................................82.3 燃料电池混合动力系统 ...............................................................................................92.3.1 燃料电池混合动力系统拓扑结构 .......................................................................92.3.2 燃料电池混合动力系统控制策略 .....................................................................102.4 本章小结 .....................................................................................................................11第 3 章 燃料电池混合动力系统仿真 ...................................................................................123.1 燃料电池混合动力系统简化 .....................................................................................123.2 燃料电池混合动力系统建模 .....................................................................................133.2.1 燃料电池与锂电池模型 .....................................................................................143.2.2 DC/DC 变换器建模 ..............................................................................................143.2.3 能量管理系统建模 .............................................................................................173.3 仿真验证和结果分析 .................................................................................................193.3.1 系统参数设置 .....................................................................................................193.3.2 仿真验证及结果分析 .........................................................................................213.4 本章小结 .....................................................................................................................25第 4 章 电动自行车用燃料电池混合动力系统硬件设计 ...................................................264.1 燃料电池混合动力电动自行车总体结构及模块介绍 .............................................264.2 燃料电池输出特性分析 .............................................................................................294.3 硬件实现原理 .............................................................................................................304.3.1 DC/DC 变换器输出功率控制 ..............................................................................31西南交通大学硕士研究生学位论文 第 VI 页4.3.2 DC/DC 变换器输出电压控制 ..............................................................................314.3.3 燃料电池输出电压钳位控制 .............................................................................334.3.4 锂电池充电电流管理 .........................................................................................354.4 混合动力系统能量管理策略原理及控制流程 .........................................................354.4.1 燃料电池混合动力系统能量管理策略原理 .....................................................364.4.2 燃料电池混合动力系统能量管理策略控制流程 .............................................374.5 硬件设计及编程 ..........................................................................................................384.5.1 DC/DC 变换器 ......................................................................................................384.5.2 燃料电池输出电压钳位模块 .............................................................................434.5.3 锂电池充电电流检测电路 .................................................................................454.5.4 STM32 控制器及编程 ..........................................................................................464.5.5 弱电供电单元 .....................................................................................................484.6 电动自行车用燃料电池混合动力系统硬件设备图 .................................................494.7 本章小结 .....................................................................................................................50第 5 章 电动自行车用燃料电池混合动力系统及样车测试 ...............................................515.1 混合动力系统实验测试平台搭建 ..............................................................................515.2 DC/DC 变换器效率测试 ..............................................................................................535.3 电动自行车行驶工况测试 .........................................................................................535.4 混合动力系统实验测试及结果分析 .........................................................................555.4.1 第一组实验测试 .................................................................................................555.4.2 第二组实验测试 .................................................................................................585.4.3 第三组实验测试 .................................................................................................615.4.4 系统测试总结 .....................................................................................................645.5 燃料电池混合动力电动自行车样车测试 .................................................................655.6 本章小结 .....................................................................................................................66结 论 .....................................................................................................................................67致 谢 .....................................................................................................................................69参考文献 .................................................................................................................................70攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 .........................................................................74西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 页第 1 章 绪论1.1 研究意义能源是人类赖以生存和发展的物质基础,能源的研究和利用对现代社会的发展起着至关重要的作用 [1, 2]。近年来,随着世界人口数量的剧增和经济的快速发展,能源消耗日益增大。世界范围内的能源短缺和环境污染问题日益严重,对经济的可持续发展带来严重的影响。太阳能,风能以及氢能等清洁和可再生能源的开发与利用已成为全球能源发展的必然趋势,因此对新能源的应用与研究受到了世界各国的高度重视,并得到快速发展[3-7]。随着中国经济的快速发展,能源缺口日益增大,能源和能源安全在国民经济中占据的地位日益突出。煤炭作为我国最主要的能源,不但环境污染严重,而且能源利用水平低,浪费大。高增长、高消耗和高污染的能源现状使我国正面临严峻的能源形势[8, 9]。因此长期坚持合理的能源利用策略,大力推广节能技术和推进新能源的开发与应用,在我国具有非常重要的战略意义 [2, 10]。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)是一种采用氢能作为燃料,通过氢氧反应将化学能直接转化为电能的新型发电装置。质子交换膜燃料电池是21世纪对人类社会产生重要影响的高新科技之一,也被认为是未来人类战略能源的发展方向之一。由于质子交换膜燃料电池具有高效、安全、环保和功率密度高等突出优点,因此在电力、通信以及交通运输等领域具有巨大的应用和发展前景 [3, 11-14]。考虑到国家的安全战略和国民经济的可持续发展,大力发展燃料电池发电技术和提升应用水平显得越发重要。与传统的燃油助力车相比,电动自行车可较好地解决其尾气排放带来的污染和城市噪音问题。由于其轻便灵活、节能环保、价格适中的优势,成为人们短途出行的理想工具。并且世界原油价格不断上涨,依靠科技进步,大力发展电动自行车,在支持国家能源发展战略、方便百姓出行、缓解城市交通拥堵等方面,都具有重要的现实意义 [15-17]。截止 2010年年底,中国的电动自行车数量总量已经超过1.4亿辆,社会普及率达到10% 。其中 2010年的年产量达到2954万辆,同比增长33%,预计到2015年年产量将达到4000万辆。从数量上看,中国现已经成为名副其实的“电动自行车王国” [18-20]。如此庞大的数字背后,影响着千千万万的家庭和个人的生活与工作,也对我国的能源消费产生一定影响。因此,目前不只电动汽车受到各汽车厂商的重视,各国政府也正大力扶持电动自行车的发展,促进都市电动自行车的普及 [21]。
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