燃料電池汽車動力系統(tǒng)控制技術(shù)研究.pdf

1、燃料電池汽車是最近十年來清潔汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，由于高效率、零排放等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為最有希望替代內(nèi)燃機(jī)汽車成為下一代公路運(yùn)輸工具的主流。本文以國家“863”計(jì)劃燃料電池轎車專項(xiàng)及其動力總成控制系統(tǒng)子課題為背景，重點(diǎn)針對電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)控制問題進(jìn)行深入的理論和應(yīng)用研究。動力系統(tǒng)控制是燃料電池汽車的核心技術(shù)之一。對于電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)這樣一個具有多能源的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)來講，優(yōu)化控制和容錯控制是動力系

2、統(tǒng)控制的兩大主要任務(wù)。其中優(yōu)化控制的目的在于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和整車經(jīng)濟(jì)性，而容錯控制的目的主要是提高系統(tǒng)可靠性。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且主要部件如燃料電池、動力蓄電池存在非線性和時變性，使得上述問題在設(shè)計(jì)過程中缺乏必要的理論依據(jù)，疲于基本控制實(shí)現(xiàn)而難于深入探索系統(tǒng)潛能。本文基于對所研究的電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)特性的深入理解和把握，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論的基本思想和設(shè)計(jì)方法，以提高動力系統(tǒng)控制穩(wěn)定性和整車經(jīng)濟(jì)性為研究目標(biāo)，重點(diǎn)就

3、燃料電池汽車動力系統(tǒng)功率平衡控制算法和能量優(yōu)化管理策略進(jìn)行了深入的理論和應(yīng)用研究。首先，建立了包括燃料電池發(fā)動機(jī)、DC/DC(直流/直流變換器，direct current/direct current convertor)、動力蓄電池、電機(jī)及其控制器在內(nèi)的燃料電池汽車動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型?；诟鶕?jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總體控制方案抽象出的等效電路模型，通過合理的簡化和抽象，建立燃料電池發(fā)動機(jī)、DC/DC、動力蓄電池、電機(jī)及其控制器的數(shù)學(xué)方程

4、式，采用最小二乘參數(shù)辨識方法確定數(shù)學(xué)方程式中的未知參數(shù)，從而建立了用于系統(tǒng)功率平衡控制算法設(shè)計(jì)的燃料電池汽車動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了動力系統(tǒng)的解析描述。并以此為基礎(chǔ)建立了燃料電池汽車的離線仿真模型。然后，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)反饋控制思想，提出了基于狀態(tài)反饋的動力系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，在此控制結(jié)構(gòu)的框架下，采用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)了狀態(tài)反饋矩陣；采用龍伯格狀態(tài)觀測器理論解決了部分狀態(tài)變量物理不可測量的問題；采用卡爾曼濾波器理論實(shí)現(xiàn)了最

5、優(yōu)狀態(tài)估計(jì)。從而形成了實(shí)用的基于狀態(tài)反饋的燃料電池汽車動力系統(tǒng)功率平衡控制算法。采用三種典型循環(huán)工況進(jìn)行離線仿真分析和實(shí)車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的功率平衡控制算法很好的達(dá)到既定的控制目標(biāo)，并且能夠充分考慮整車動力性和經(jīng)濟(jì)性，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。文中提出了基于龍伯格狀態(tài)觀測器的車載輔助動力蓄電池SOC(荷電狀態(tài)，state ofcharge)控制方法?；谙到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用龍伯格狀態(tài)觀測器理論，解決了狀態(tài)變量蓄電池開路

6、電壓在系統(tǒng)運(yùn)行過程中物理不可測量的問題，從而使?fàn)顟B(tài)反饋成為可實(shí)現(xiàn)的控制律，以此為基礎(chǔ)采用閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)了動力蓄電池SOC的穩(wěn)定控制與調(diào)節(jié)，從而形成了基于龍伯格狀態(tài)觀測器的車載動力蓄電池SOC控制方法。文中通過理論和試驗(yàn)兩個方面深入分析和論證了該方法用于車載動力蓄電池SOC控制的可行性和有效性。由于龍伯格狀態(tài)觀測器可以單獨(dú)基于動力蓄電池模型建立，因此該方法的應(yīng)用不局限于所研究的燃料電池汽車動力系統(tǒng)，對于其它具有輔助動力蓄電池的

7、混合動力車輛同樣具有實(shí)用價值。最后，進(jìn)行了燃料電池汽車能量管理策略的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化研究。針對電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)形式，深入研究了其能量管理策略的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化問題，提出了基于動態(tài)邏輯規(guī)則的燃料電池汽車能量優(yōu)化管理策略，并通過離線仿真分析得到動態(tài)邏輯規(guī)則中優(yōu)化的充放電剛度系數(shù)。實(shí)車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)驗(yàn)證證明，所提出的能量優(yōu)化管理策略合理有效，能夠在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡控制和滿足整車動力性的基礎(chǔ)上，提高整車的經(jīng)濟(jì)性，對于電-電混合

8、燃料電池汽車的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化研究具有一定的借鑒意義。上述研究工作，現(xiàn)代控制理論的基本思想和方法貫穿于其中，整個過程經(jīng)歷了動態(tài)數(shù)學(xué)建模——模型參數(shù)估計(jì)——系統(tǒng)控制綜合——離線仿真分析——實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證的完整過程，各個環(huán)節(jié)前后銜接，實(shí)現(xiàn)了動力系統(tǒng)的解析描述、控制目標(biāo)的量化表述、控制規(guī)律的解析設(shè)計(jì)，使本文最終形成了基于模型的、系統(tǒng)的燃料電池汽車動力總成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對于燃料電池汽車動力總成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)