模拟燃料电池混合动力公交车技术特拉华大学

燃料电池混合动力公交车(FCHB)航天飞机特拉华大学学生和教师在校园6-mile表达路线作为高度可见的氢燃料电池技术的权力和利益。公共汽车是零排放,比柴油同行安静;它可以加油,保持在一个位置,减少基础设施成本;及其混合设计使其特别有效的启动和停止驾驶城市公交线路和相对较低的速度。

使用MATLAB^®和仿真软金宝app件^®FCHB特拉华大学的研究人员建模,分析数据从许多机载传感器,提高了电源管理策略,为燃料电池汽车优化设计获得关键的见解。

金宝app模型使我们能够回答设计问题那将是非常昂贵的硬件迭代通过试错的答案。例如,我们运行模拟显示总线将如何执行如果我们两倍或三倍的燃料电池堆栈的大小。其他模拟显示会发生什么,如果我们减少了电池的4000磅到2000磅。我们模拟改变底盘和整个车辆的重量分布。通过分析这些模拟的结果,我们可以看到如果某个设计更为高效,每英里消耗的氢越少了,或者如果它在电池可以减少压力。我们可以分享我们的发现公共汽车制造商,如,使用它们来改善未来的设计。

多年,多总线研究工作

由联邦运输管理局,FCHB计划于2005年开始开发和证明燃料电池公共汽车和氢气站在特拉华州。2007年第一个燃料电池公共汽车投入使用;第二,在2009年(图1)。该计划最终将包括四个公交车,每个合并设计改进和教训它的前身。

特拉华大学的什么集FCHB有别于其他世界各地的燃料电池公共汽车被测试是其相对较低的成本。公共汽车成本约50%低于同等规模的燃料电池公共汽车目前在操作,在很大程度上是因为我们使用硬混合设计。在这个设计中,燃料电池主要用于给电池充电,不直接驱动车辆,使我们能够使用一个未来更少的昂贵燃料电池。燃料电池堆栈在我们第一次公共汽车,例如,提供20千瓦总功率,而可比公交车使用栈5到10倍。大约20千瓦(27-horsepower)燃料电池提供相同数量的权力作为草坪拖拉机发动机,但它有能力运送数十人在校园里。

结合的燃料电池,电池在混合设计中,已被证明能够完全支持我们22英尺(6.7米)的公共汽车载有22坐10站乘客。公共汽车在校园附近的氢站加油由液化空气集团。全面推动和带电时,公交车有180英里(290公里)。

建模第一班公共汽车

我们建模总线及其所有组件使用一个模型库开发的电力研究所(EPRI),我们的一个财团的合作伙伴。金宝app线性调频(光、快速和可修改的)图书馆是灵活和容易应用于各种混合动力汽车平台。使用欧洲提供的设计规范,我们建立基线参数的主要模型组件,包括底盘、传输、牵引电机、电池、燃料电池系统,和权力组合器(图2)。此外,我们模拟了平衡的植物,包含所有所需的辅助设备的燃料电池堆栈,包括氢气循环泵、空气压缩机、冷却剂泵。大约有6个输入,每个动力组件和完整的模型生产30多个输出,包括电池的电荷状态,燃料电池输出,氢消费,再生制动能力。模型是复杂的和复杂的,但与每个组件捕获模型块,很容易管理所有子系统在整个系统。金宝app

来验证我们的模型,我们用GPS接收器检测总线和十多个传感器,测量电压、电流、温度、流速、湿度在关键位置上每个旅行。然后我们模拟相同的驱动周期模型和实测数据和仿真结果进行比较。金宝app我们的模型的预测匹配的车辆数据在5%,这给了我们信心,该模型可以作为一个可靠的设计工具。此外,我们分析了MATLAB中的测量数据了解性能不同的季节性和日复一日。

提高了电源管理策略

在混合动力汽车,车载发电机的电源管理策略决定了活跃在任何给定的时间和速度什么发电。我们的第一个公共汽车是一个相当基本的电源管理策略。电池电荷状态降到65%以下时,系统开始激活燃料电池充电电池。如果系统要求立即最大功率,交付的燃料电池,但这样做效率低下,因为它是在其最优操作区域。我们的第一个目标之一是改进这一策略。

我们用MATLAB和Simulink仿金宝app真评估电源管理策略,将知识的计划路线保持燃料电池堆栈操作更加一致的最高效率点。用MATLAB脚本很容易几个模拟运行和修改模型的策略或其他方面在每次运行。我们使用这种方法来识别策略,取得了最佳组合的性能和效率。然后我们实现策略通过更新上可编程序逻辑控制器(PLC)。模拟使我们能够确定最优时间激活燃料电池在其日常驾驶循环,这样结合燃料电池和电池的输出将满足汽车的需求为剩下的旅行,从而锻炼了镍镉电池和保护氢。

改进第二公共汽车

敏感性分析中发挥了至关重要的作用帮助我们识别方法来提高性能。每个主要组件的动力系统参数,可以修改在未来的设计。我们开发了MATLAB仿真软件的脚本,修改这些参数模型编程,把他们从-30% + 30%的当前值。金宝app然后我们为多个参数自动运行这些脚本。当模拟完成,我们使用MATLAB分析我们积累了大量的数据和识别和情节最影响性能的参数。

当公共汽车制造商开始设计和建造中的第二个总线系列中,我们已经学习了很多关于关键性能参数、燃料电池和电池动力,燃料电池和电池在整个驱动周期操作。我们模拟验证了汽车制造商决定双燃料电池堆栈大小大约40千瓦(图3)。

虽然这个改变将能够减少电池容量,我们决定使用相同的镍镉电池包,以避免需要重新设计一个新的包。燃料电池堆栈翻倍增加公共汽车的平均运行速度从18英里每小时35英里,匹配我们的仿真软件模拟预测的结果。金宝app变化也使完成要求更多公交路线和道路使用要求提高最低速度。

我们的公共汽车都配备了一个创新的电池电压监测(CVM)系统设计,在特拉华大学的捏造。系统使我们能够了解更多关于燃料电池堆栈在非常详细的级别,因为它可以检测很低或高电压超过100个体细胞的堆栈。CVM系统扫描和记录这些电压每秒钟一次。我们可以通过细胞实时监测结果链接,在实验室里传输数据到服务器,或分析记录的测量后,在MATLAB软件的首选数据采集、分析和可视化。

我们的第三个总线

第三个总线包含重大设计变更。像第二个总线,它将有一个40千瓦的燃料电池堆栈,但是我们从镍镉电池锂离子,这将减少电池包的重量从4000磅到1500磅。锂电池有一个优秀的寿命和充、放电的速度更快、更频繁,这将使我们探索新的电源管理策略模型。金宝app提高性能,动力系统将能够驱动更大的总线速度更高的持续;巴士3和4 30英尺长,会携带10比22的公交车乘客。

作为正在进行的研究的一部分,我们的一个研究生最近完成了一篇论文,他探讨了使用超级电容器的混合存储系统和燃料电池和电池。他在仿真软件模拟了超级电容器并将它们纳入我们的FCHB模型来模拟和测金宝app试先进的电源管理策略,利用超级电容器快速充电和放电特性。这项研究是一个极好的例子,仿真软件在这个字段的值;金宝app这将是非常昂贵和耗时的探索这些想法在现实硬件。金宝app仿真软件不仅使探索可能的,但它产生的结果是非常可靠的。研究生已经被使用与燃料电池公共汽车公司在加州,他在哪里应用经验他FCHB程序。

作为一个研究员和教员,我发现FCHB程序非常可喜。我们的研究生做了出色的工作,当我们看到公共汽车穿过校园我们知道模拟了显著改善其性能。这可不是常有的事,这样的学术活动收益直接和实用价值。