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)域的研究熱點之一，由于高效率、零排放等突出優(yōu)點，被認為最有希望替代內(nèi)燃機汽車成為下一代公路運輸工具的主流。本文以國家“863”計劃燃料電池轎車專項及其動力總成控制系統(tǒng)子課題為背景，重點針對電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)控制問題進行深入的理論和應(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)計過程中缺乏必要的理論依據(jù)，疲于基本控制實現(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，運用現(xiàn)代控制理論的基本思想和設(shè)計方法，以提高動力系統(tǒng)控制穩(wěn)定性和整車經(jīng)濟性為研究目標，重點就

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、DC/DC(直流/直流變換器，direct current/direct current convertor)、動力蓄電池、電機及其控制器在內(nèi)的燃料電池汽車動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。基于根據(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、DC/DC、動力蓄電池、電機及其控制器的數(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)計的燃料電池汽車動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，實現(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，采用極點配置法設(shè)計了狀態(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現(xiàn)了最

5、優(yōu)狀態(tài)估計。從而形成了實用的基于狀態(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)工況進行離線仿真分析和實車轉(zhuǎn)鼓試驗驗證，結(jié)果證明所設(shè)計的功率平衡控制算法很好的達到既定的控制目標，并且能夠充分考慮整車動力性和經(jīng)濟性，具有很強的實用價值。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)運行過程中物理不可測量的問題，從而使狀態(tài)反饋成為可實現(xiàn)的控制律，以此為基礎(chǔ)采用閉環(huán)反饋，實現(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用價值。最后，進行了燃料電池汽車能量管理策略的經(jīng)濟性優(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)。實車轉(zhuǎn)鼓試驗驗證證明，所提出的能量優(yōu)化管理策略合理有效，能夠在實現(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)濟性，對于電-電混合

8、燃料電池汽車的經(jīng)濟性優(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?！Ｐ蛥?shù)估計——系統(tǒng)控制綜合——離線仿真分析——實車試驗驗證的完整過程，各個環(huán)節(jié)前后銜接，實現(xiàn)了動力系統(tǒng)的解析描述、控制目標的量化表述、控制規(guī)律的解析設(shè)計，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)計方法，對于燃料電池汽車動力總成控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義和實