燃料电池插电式混合动力轿车关键技术研究

随着汽车工业的快速发展,机动车造成的能源短缺和尾气排放已经成为了世界各国亟待解决的问题之一。新能源汽车的研究和推广为汽车行业的可持续发展和人们的快捷便利出行提供了基础和保障。根据世界各国新能源汽车的发展规划以及我国关于新能源汽车“三纵三横”的发展战略,基于现有纯电动汽车开展插电式混合动力汽车的开发和研究,特别是基于燃料电池的插电式混合动力汽车,一方面可以有效提高纯电动汽车的续航里程,另一方面也实现了完全的零排放。基于整车开发计划,主要开展整车动力系统仿真、控制系统集成、燃料电池系统热管理和供氢系统安全控制等方面的研究。首先构建燃料电池插电式混合动力汽车动、燃料电池发动机等模型,提出如何设计燃料电池插电式混合动力系统参数的方法。通过整车功率及能量分析初步确定动力系统关键参数,及对整车动力性、经济性的影响。其次,从整车控制系统角度对车辆的高低压系统和控制系统及策略进行了方案设计及整车的实现,基于典型燃料电池轿车的动力系统分析,提出了相应的电电混合动力构型;完成整车控制架构及高低压唤醒系统方案设计,建立基于开关模型的有限状态分层控制策略及预测模型的电机功率控制策略。结果表明,通过相关策略优化可以保证整车动力输出能够持续平稳并提前对功率需求进行预判和调整,同时优化用于功率分配中的控制策略,保证了能量管理更满足整车行驶需求。再次,开展整车热管理优化及仿真研究。为充分利用燃料电池电堆的余热,将燃料电池电堆的余热与动力电池冷却系统和轿厢供暖系统相关联。首先对动力电池包内单体放热情况进行分析,依据不同放电倍率下的单体温度变化情况拟定动力电池包内的液流管路,通过对不同环境、不同电堆输出功率等情况下电堆余热对动力电池单体温度的改变,研究动力电池及燃料电池热管理的最优方案。同时,在冬季车辆正常运行过程中利用电堆的余热给乘员舱加热,减少动力电池的消耗。最后,针对燃料电池汽车供氢系统中的高压氢气瓶及相关阀体管路在车辆发生碰撞时的安全性,利用LS-DYNA和Abaqus分析模型和方法分别对氢气瓶级后舱碰撞后的状态及氢气瓶缠绕层的影响进行分析。研究发现,安装氢气瓶后车辆发生后碰时,乘员受到较大的影响,因此对于燃料电池汽车需要加强对于碰撞情况下轿厢乘员的保护研究。此外,为保证氢气瓶在受到碰撞时能够安全不发生泄漏爆炸等情况,分析氢气瓶在碰撞工况下的安全性受到工作压力和铺层设计的影响。结果表明内部工作压力越大,氢气瓶在碰撞过程中应力的峰值越大,随着螺旋铺层的角度的增加,环向铺层承载减小而螺旋铺层纤维承载逐渐增加。通过燃料电池插电式混合动力汽车关键技术的开发,完成功能样车的试制工作,经过整车实际道路测试,其中最高车速达到150km/h,0~50km/h加速时间5.56s,60km/h等速续驶里程240 km(35MPa),基本达到了设定的技术要求,完成功能样车的设计开发任务目标。