第1章 绪论

1.1 燃料电池汽车动力系统概述

我国汽车行业经历了这些年来的高速增长，形成了巨大的产业规模，汽车保有量稳步上升。同时，当今社会也面临着能源短缺和环境污染两大严峻的问题，为了可持续发展，越来越多的国家制定了更为严苛的排放、能耗法规，汽车行业的变革显得刻不容缓。在这一背景下，以纯电动汽车、燃料电池汽车为代表的纯电驱动新能源汽车将成为今后发展的方向。燃料电池汽车因其能量密度高、能量转化效率高、环境友好的特点，具有广阔的发展前景。燃料电池的主要工作原理是燃料与氧化剂的化学能转换为电能，其中质子交换膜燃料电池的反应物为氢和氧，反应产物为水和电能，具有清洁、高效的特点。

燃料电池动力系统主要由燃料电池发动机、辅助动力源（蓄电池）、DC/DC变换器、驱动电机及各相应的控制器，以及机械传动与车辆行驶机构等组成。燃料电池汽车开发过程中，动力系统的测试验证是其中的重要环节。针对燃料电池汽车动力系统测试验证的要求，国内外学术机构和企业开发了不同规格和结构的燃料电池汽车动力系统测试平台。该类平台的主要功能单元包括人机交互系统、燃料电池系统、其他电源系统、DC/DC变换器系统、电驱动系统、测功机系统、数采系统等。

在小型燃料电池动力系统测试平台方面，Corbo等开发了一套小型燃料电池汽车动力系统测试平台，可完成整套动力系统的匹配和性能测试^[1]。Thounthong等开发了一套燃料电池/超级电容双能量源测试系统，并分析比较了该系统中单一能量源供电与双能量源供电的效果^[2]。Vural开发了一套5kW燃料电池/超级电容动力系统测试平台，可完成动力系统性能测试^[3]。Mohammad Salah开发了一套5kW燃料电池/动力蓄电池动力系统测试平台，该平台可完成动力系统动态性能测试及能量管理控制策略研究^[4]。Vehicle Projects LLC采用CompactRIO嵌入式控制器与LabVIEW图形化设计软件，来设计用于燃料电池的控制系统，使用NI CompactRIO控制器来监视和控制燃料电池机车和控制器局域网（CAN）总线的安全和运行^[5]。另外，采用基于NI VeriStand的实时测试环境，Wineman Technology公司的INERTIA控制附加软件，以及NI PXI的硬件测试系统，创建了硬件在环（HIL）测试系统，使其能够仿真、控制、监测福特汽车公司开发的乘用车燃料电池动力系统模型^[6]。

在车载燃料电池动力系统测试平台开发方面，武汉理工大学开发了一套燃料电池电动汽车动力系统综合测试平台，该平台可完成30kW燃料电池/动力蓄电池动力系统测试，为动力系统的控制、性能的测试以及工况的模拟提供了可靠的平台，并可完成系统管理策略与部件测试等关键技术^[7]。合肥工业大学与博世技术中心合作开发了超级电容与燃料电池发动机混合动力系统测试平台，该测试平台可满足额定功率为70kW的燃料电池发动机的动力系统测试^[8]。另外，吉林大学、清华大学、同济大学等高校和研究机构，开发了针对燃料电池发动机、DC/DC变换器、电机及控制器的关键部件测试平台^[9-11]。燃料电池动力系统包含了诸多不可测量，或难以测量的量，这些量对于整个动力系统又是不可或缺的。利用若干可测量并通过合适的算法进行估计、推断和预测出这些量，已经成为解决上述问题的一种有效途径。

现阶段燃料电池汽车产业发展还不完善，开发测试验证体系不够完备，现有燃料电池汽车动力系统测试平台存在一定局限性。完成整套燃料电池汽车动力系统测试，往往需要集成外部软硬件资源。现有测试平台主要以动力系统关键部件（驱动电机、燃料电池等）测试台架为主，缺少联动设备。针对大功率车载燃料电池发动机/动力蓄电池构成的动力系统测试平台较少，无法满足该类动力系统的开发测试需求。另外，若出现某一动力系统关键部件缺失的情况，现有测试平台无法实现该类情况的测试，无法实现软硬件结合测试。

针对现有测试平台的不足，需要引入新的开发测试方法，开发新型燃料电池汽车动力系统测试平台，满足开发测试的需要。