燃料电池汽车能量管理策略及案例

本书以通俗易懂的语言、形象的曲线分析图、列有详细数据的表格，介绍了燃料电池汽车的能量控制；从燃料电池的动力系统结构出发，对动力系统的不同部件的特性和建模方法进行了分析；介绍了燃料电池汽车的能量管理策略，并精心分析了控制实例。本书的编写是基于作者团队十余年科研教学及产业应用经验的总结，所提供的设计案例对标国际技术前沿，力求兼顾理论指导和工程应用并举。

以氢燃料电池为动力的新能源汽车由于具有续驶里程长、清洁（零排放）等优点，具有极大的发展潜力。然而，高昂的氢气价格、动力源的快速退化，造成了燃料电池汽车较高的使用成本，为了降低燃料电池汽车的使用成本，有必要对燃料电池的动力系统性能进行优化。在现有材料技术水平短时间内难以取得革命性提升的背景下，可从能量管理控制策略层面入手，优化燃料电池的功率输出特性，在取得较高的燃料经济性的同时又能延缓燃料电池的性能衰减速率，延长其使用寿命，降低其使用成本。大量的研究者在该领域付出了巨大的努力，提出了多种有效的能量管理策略。
本书以通俗易懂的语言和图表介绍了燃料电池汽车的能量控制。笔者从燃料电池的动力系统结构出发，对动力系统的不同部件的特性和建模方法进行了分析，同时介绍了燃料电池汽车的能量管理策略，并精心分析了控制实例，能够加深读者的印象，提升读者的感性认识和认知水平。
本书共分为6章。第1章介绍了国内外燃料电池汽车能量管理策略的研究意义与现状。第2章介绍了燃料电池汽车动力系统的拓扑结构，并介绍了燃料电池的建模和仿真技术。第3章分析了燃料电池作为动力源的特性，包括其经济性、耐久性和动态响应特性，在耐久性的相关内容中，对燃料电池的典型退化工况进行了介绍和建模。第4章分析了蓄电池作为动力源的耐久性问题。第5章提出了能量管理策略的三级模糊评价体系，并通过仿真对评价体系进行了验证。第6章结合典型案例介绍了基于瞬时优化、基于庞特里亚金极小值原理、基于退化自适应、基于小波变换算法以及基于动态规划的能量管理策略。
本书适合具有一定燃料电池汽车能量控制研究基础的读者阅读，可作为高等院校本科生、研究生学习燃料电池汽车能量系统控制的教材，也可以作为汽车工程师学习参考的资料。
本书由同济大学宋珂副教授和北京亿华通科技股份有限公司李飞强博士撰写，并设计开发了书中实例。本书中所有实例都经过笔者亲自测试验证。在本书撰写过程中，得到了同济大学汽车学院和北京亿华通科技有限公司许多同人的大力支持和帮助，谨此致谢。也衷心感谢化学工业出版社编辑团队为本书顺利出版所做出的努力。由于笔者水平有限，书中难免出现疏漏，诚望读者批评指正。

著者

本书系统介绍了燃料电池汽车的燃料电池- 蓄电池混合电源动力系统构型、燃料电池以及锂电池性能衰减的影响因素和机理；给出了详细的燃料电池和锂电池建模方法与步骤、可拓展的燃料电池汽车多目标能量管理评价方法；提供了多种先进的燃料电池汽车混合电源能量管理控制策略。本书的编写是基于作者团队十余年科研教学及产业应用经验的总结，所提供的设计案例对标国际技术前沿，力求兼顾理论指导和工程应用。
本书适合具有一定燃料电池汽车能量控制研究基础的读者阅读，可作为高等院校本科生、研究生学习燃料电池汽车能量系统控制的教材，还可以作为汽车工程师学习参考的资料。

第1章 绪论 001
002 1.1 燃料电池汽车能量管理策略研究背景和意义
003 1.2 燃料电池汽车研究现状
004 1.3 国内外燃料电池汽车能量管理策略研究现状

第2章 燃料电池汽车动力系统建模与仿真 011
012 2.1 动力系统结构及参数
013 2.2 整车模型
015 2.3 动力系统关键部件模型
015 2.3.1 燃料电池建模
017 2.3.2 蓄电池建模
020 2.3.3 电机及其控制器建模
024 2.4 参数配置
025 2.5 仿真工况介绍及设计
025 2.5.1 常规仿真循环工况介绍
026 2.5.2 新工况构造
029 2.6 本章小结

第3章 燃料电池特性 031
032 3.1 燃料电池的经济性
032 3.1.1 经济性影响因素分析
036 3.1.2 蓄电池等效氢耗量计算
038 3.2 车用燃料电池性能衰减机理分析
038 3.2.1 燃料电池关键组件的性能衰减机理分析
042 3.2.2 水热管理系统对燃料电池性能衰减的影响
045 3.2.3 几种典型车载工况下燃料电池的性能衰减机理分析
054 3.3 燃料电池衰减模型的建立
056 3.3.1 燃料电池衰减模型的建立
059 3.3.2 燃料电池衰减模型的仿真结果
061 3.4 燃料电池系统建模与控制
061 3.4.1 燃料电池辅助部件模型
063 3.4.2 燃料电池电堆模型
073 3.4.3 模型仿真分析
075 3.4.4 燃料电池空气进气系统的控制
078 3.4.5 基于实验数据的模型修正及仿真分析
081 3.4.6 燃料电池模型与DC/DC 转换器的集成
081 3.5 本章小结

第4章 蓄电池的耐久性建模 083
084 4.1 锂离子电池耐久性影响因素分析
086 4.2 锂离子电池衰减模型
093 4.3 本章小结

第5章 燃料电池汽车能量管理策略三级模糊综合评价体系 095
096 5.1 三级模糊评价体系的建立
098 5.2 各层影响因素之间权重系数的确定
099 5.2.1 第三层评价指标权重系数的确定
102 5.2.2 第二层评价指标权重系数的确定
105 5.2.3 第一层评价指标权重系数的确定
105 5.3 第三层评价指标的量化及其评价
105 5.3.1 考虑燃料经济性的评价指标
111 5.3.2 考虑燃料电池使用寿命的评价指标
114 5.4 本章小结

第6章 燃料电池汽车能量管理策略案例 117
118 6.1 基于瞬时优化的能量管理策略
118 6.1.1 功率损失方程
119 6.1.2 功率分配方案求解
121 6.1.3 仿真实验结果
124 6.2 基于庞特里亚金极小值原理的能量管理策略
124 6.2.1 极小值原理综述
128 6.2.2 综合考虑燃料经济性和电源系统耐久性的近似PMP 策略
146 6.2.3 仿真结果对比分析
153 6.3 基于退化自适应的能量管理策略
153 6.3.1 燃料电池退化后性能模型
160 6.3.2 燃料电池系统的性能退化
163 6.3.3 退化自适应的能量管理策略
179 6.4 基于小波变换算法的能量管理策略
179 6.4.1 小波变换用于信号的分解与重构
182 6.4.2 工况信息已知的小波变换能量管理控制策略
198 6.4.3 实时小波变换能量管理控制策略
207 6.5 考虑燃料电池动态响应的全局优化能量管理策略
207 6.5.1 基于动态规划的能量管理策略
211 6.5.2 考虑燃料电池动态响应能力的改进DP
212 6.5.3 仿真分析
216 6.6 本章小结

参考文献 217