第1章 緒論

1.1 燃料電池汽車動力系統概述

我國汽車行業經歷了這些年來的高速增長，形成了巨大的產業規模，汽車保有量穩步上升。同時，當今社會也面臨著能源短缺和環境污染兩大嚴峻的問題，為了可持續發展，越來越多的國家制定了更為嚴苛的排放、能耗法規，汽車行業的變革顯得刻不容緩。在這一背景下，以純電動汽車、燃料電池汽車為代表的純電驅動新能源汽車將成為今后發展的方向。燃料電池汽車因其能量密度高、能量轉化效率高、環境友好的特點，具有廣闊的發展前景。燃料電池的主要工作原理是燃料與氧化劑的化學能轉換為電能，其中質子交換膜燃料電池的反應物為氫和氧，反應產物為水和電能，具有清潔、高效的特點。

燃料電池動力系統主要由燃料電池發動機、輔助動力源（蓄電池）、DC/DC變換器、驅動電機及各相應的控制器，以及機械傳動與車輛行駛機構等組成。燃料電池汽車開發過程中，動力系統的測試驗證是其中的重要環節。針對燃料電池汽車動力系統測試驗證的要求，國內外學術機構和企業開發了不同規格和結構的燃料電池汽車動力系統測試平臺。該類平臺的主要功能單元包括人機交互系統、燃料電池系統、其他電源系統、DC/DC變換器系統、電驅動系統、測功機系統、數采系統等。

在小型燃料電池動力系統測試平臺方面，Corbo等開發了一套小型燃料電池汽車動力系統測試平臺，可完成整套動力系統的匹配和性能測試^[1]。Thounthong等開發了一套燃料電池/超級電容雙能量源測試系統，并分析比較了該系統中單一能量源供電與雙能量源供電的效果^[2]。Vural開發了一套5kW燃料電池/超級電容動力系統測試平臺，可完成動力系統性能測試^[3]。Mohammad Salah開發了一套5kW燃料電池/動力蓄電池動力系統測試平臺，該平臺可完成動力系統動態性能測試及能量管理控制策略研究^[4]。Vehicle Projects LLC采用CompactRIO嵌入式控制器與LabVIEW圖形化設計軟件，來設計用于燃料電池的控制系統，使用NI CompactRIO控制器來監視和控制燃料電池機車和控制器局域網（CAN）總線的安全和運行^[5]。另外，采用基于NI VeriStand的實時測試環境，Wineman Technology公司的INERTIA控制附加軟件，以及NI PXI的硬件測試系統，創建了硬件在環（HIL）測試系統，使其能夠仿真、控制、監測福特汽車公司開發的乘用車燃料電池動力系統模型^[6]。

在車載燃料電池動力系統測試平臺開發方面，武漢理工大學開發了一套燃料電池電動汽車動力系統綜合測試平臺，該平臺可完成30kW燃料電池/動力蓄電池動力系統測試，為動力系統的控制、性能的測試以及工況的模擬提供了可靠的平臺，并可完成系統管理策略與部件測試等關鍵技術^[7]。合肥工業大學與博世技術中心合作開發了超級電容與燃料電池發動機混合動力系統測試平臺，該測試平臺可滿足額定功率為70kW的燃料電池發動機的動力系統測試^[8]。另外，吉林大學、清華大學、同濟大學等高校和研究機構，開發了針對燃料電池發動機、DC/DC變換器、電機及控制器的關鍵部件測試平臺^[9-11]。燃料電池動力系統包含了諸多不可測量，或難以測量的量，這些量對于整個動力系統又是不可或缺的。利用若干可測量并通過合適的算法進行估計、推斷和預測出這些量，已經成為解決上述問題的一種有效途徑。

現階段燃料電池汽車產業發展還不完善，開發測試驗證體系不夠完備，現有燃料電池汽車動力系統測試平臺存在一定局限性。完成整套燃料電池汽車動力系統測試，往往需要集成外部軟硬件資源。現有測試平臺主要以動力系統關鍵部件（驅動電機、燃料電池等）測試臺架為主，缺少聯動設備。針對大功率車載燃料電池發動機/動力蓄電池構成的動力系統測試平臺較少，無法滿足該類動力系統的開發測試需求。另外，若出現某一動力系統關鍵部件缺失的情況，現有測試平臺無法實現該類情況的測試，無法實現軟硬件結合測試。

針對現有測試平臺的不足，需要引入新的開發測試方法，開發新型燃料電池汽車動力系統測試平臺，滿足開發測試的需要。