一种氢燃料电池电动汽车的高保真建模与仿真框架

《Scientific Reports》：A high-fidelity modeling and simulation framework for a hydrogen fuel cell electric vehicle

　　

摘要

本文提出了一种面向大学生方程式汽车大赛（FSAE）的氢燃料电池电动车（FCEV）高保真系统级模型的开发、集成及基于仿真的验证方法。所提出的动力总成架构包含以质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为主能源、锂离子电池组用于峰值功率缓冲和再生能量捕获，以及永磁同步电机（PMSM）用于终端驱动推进。在MATLAB/Simulink/Stateflow中实现的基于规则的能量管理策略（EMS）负责控制燃料电池与电池之间的功率分配，在保证满足动态比赛需求的同时，使燃料电池运行在其高效率区域。FSAE耐力赛循环仿真结果表明，该车实现75米加速时间为3.98秒（优于4.5秒目标），消耗氢气1.61千克（低于1.8千克限值），且电池荷电状态保持在52%以上。燃料电池有82%的时间运行在峰值效率区间（5–15千瓦），再生制动回收了82%的可用动能。与近期FSAE FCEV研究的对比基准分析显示，结果一致性在8–12%以内，验证了建模框架的有效性。本研究提供了一个可复用的、模块化的FCEV仿真原型工具，并明确了能量管理策略优化和实验验证的清晰路径。