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车用质子交换膜燃料电池及其混合动力系统性能研究

王金龙  
【摘要】: 本文是结合本课题组承担的教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目“燃料电池—蓄电池混合动力汽车仿真分析与控制”进行的相关研究。研究内容涉及到车辆工程、电化学、流体力学、计算机仿真以及自动控制理论等多门学科。论文对质子交换膜燃料电池性能及其混合动力系统进行深入、系统的理论分析与试验研究,完成的主要研究工作及取得的研究结果如下: 论文在总结国内外学者对质子交换膜燃料电池研究工作的基础上,用三维计算流体动力学(CFD)方法建立了质子交换膜燃料电池阳极和阴极模型,使用多重物理量耦合分析软件Comsol Multiphysics对PEMFC阳极和阴极内部的流动和传质性能进行了仿真计算,详细讨论PEMFC工作参数和结构参数对阳极和阴极反应气体流动与分布特性及电流密度分布的影响。以某国产500W质子交换膜燃料电池电堆为核心构建了燃料电池试验系统,测试了PEMFC的性能,并通过试验验证了PEMFC直流道CFD仿真模型的正确性,同时试验考察PEMFC电堆的动态响应和大负荷长时间运转特性以及启动特性。提出了PEMFC电堆效率的计算方法,利用试验系统测试了PEMFC电堆的效率,分析了影响PEMFC工作效率的主要因素,根据效率特性探讨了提高车用燃料电池能源效率的途径。然后,以国产某经济型轿车为原型车,利用Advisor软件建模分析了整车经济性与动力性,并通过与原车经济性与动力性试验结果的比较证实了所建模型及仿真分析结果的正确性。接着,对该车型的动力传动系统进行燃料电池混合动力的虚拟改装,讨论确定了燃料电池混合动力系统的控制策略,建模计算了燃料电池混合动力轿车的燃油经济性和动力性,同时分析比较了不同混合动力度下燃油经济性结果,选择匹配了最佳混合动力度配置,并以最小燃油消耗为目标,优化了燃料电池混合动力系统的主要参数。 论文的研究结果对于PEMFC的性能改善及其结构与工作参数的优化,对提高车用燃料电池混合动力系统的能源效率具有一定的理论价值和实际意义。


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