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燃料電池汽車動(dòng)力總成控制策略

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1695次  |  2019年09月02日  

鐘再敏,魏學(xué)哲,孫澤昌


(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海200092)


摘要:討論了燃料電池汽車的動(dòng)力總成負(fù)載均衡、動(dòng)力蓄電池充電態(tài)閉環(huán)控制、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率的預(yù)測(cè)調(diào)節(jié),以及電機(jī)回饋制動(dòng)控制策略等問(wèn)題;介紹了動(dòng)力總成控制器的算法實(shí)現(xiàn),并示例性地給出了實(shí)車轉(zhuǎn)鼓測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明,針對(duì)電電混合動(dòng)力總成提出的基本控制策略能充分考慮動(dòng)力總成各組成部件的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)特性,具有一定的實(shí)用價(jià)值。


傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車動(dòng)力總成是通過(guò)燃燒將儲(chǔ)存在燃油內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出,而燃料電池轎車動(dòng)力總成則是通過(guò)所謂的冷燃燒反應(yīng),首先將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出,或反過(guò)來(lái)通過(guò)電機(jī)的回饋制動(dòng)功能將汽車行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)。因此,燃料電池汽車動(dòng)力總成的控制有許多特有的命題需要深入開展理論和試驗(yàn)研究。本文著重從控制原理的角度對(duì)其中的幾個(gè)問(wèn)題展開討論,最后結(jié)合某型燃料電池轎車動(dòng)力總成的開發(fā),簡(jiǎn)單介紹前述控制策略的算法實(shí)現(xiàn)和實(shí)車轉(zhuǎn)鼓測(cè)試結(jié)果,對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。


1電電混合燃料電池汽車動(dòng)力總成方案


現(xiàn)階段,車載燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的冷車啟動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢和回饋制動(dòng)能的儲(chǔ)存三方面問(wèn)題的存在,決定了燃料電池汽車動(dòng)力總成配置中必須有一個(gè)車載輔助儲(chǔ)能部件。現(xiàn)有燃料電池概念車中通常采用超級(jí)電容或動(dòng)力蓄電池組完成上述輔助儲(chǔ)能功能。根據(jù)不同技術(shù)特征,儲(chǔ)能元件有高能量型和高功率型之分。一般來(lái)說(shuō),動(dòng)力蓄電池有高功率型和高能量型的區(qū)別,而超級(jí)電容基本均作為高功率型儲(chǔ)能部件使用。


圖1給出了某型燃料電池轎車動(dòng)力總成中采用的動(dòng)力蓄電池作為輔助儲(chǔ)能元件的電電混合燃料電池汽車動(dòng)力總成原理結(jié)構(gòu)圖。


在上述動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)中,采用電流閉環(huán)控制的DC/DC變換器與蓄電池組并聯(lián),將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電能輸出變換到動(dòng)力蓄電池組的電壓等級(jí),共同為電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器供電。DC/DC變換器一方面作為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載運(yùn)行,另一方面作為電源與動(dòng)力蓄電池組并聯(lián)工作。該系統(tǒng)中功率動(dòng)態(tài)分配主要通過(guò)控制如下3個(gè)控制參數(shù)實(shí)現(xiàn):


(1)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率上限。該值決定了給定時(shí)刻動(dòng)力總成中化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的能力。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前輸出功率受當(dāng)前燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度、氫/氧供應(yīng)量等諸多工作條件的影響,而其中一些條件的改變表現(xiàn)為大慣性特性。因此,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)功率輸出能力由其當(dāng)前工作狀態(tài)決定,這就體現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率上限。


(2)DC/DC變換器的輸出功率。該功率代表了單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)力總成中化學(xué)能實(shí)際轉(zhuǎn)化成電能的多少。在前述燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率限制下,發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率大小是由DC/DC變換器控制的,而DC/DC變換器的功率輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要比燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)快得多。


(3)電機(jī)及逆變器的輸出功率。電機(jī)及逆變器的輸出體現(xiàn)了電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的速度。電驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下,電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能輸出;回饋制動(dòng)模式下,機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存到動(dòng)力蓄電池組中。


2動(dòng)力總成控制基本原理及實(shí)現(xiàn)


動(dòng)力總成控制的基本原理就是根據(jù)駕駛員的指令輸入,協(xié)調(diào)動(dòng)力總成各主要部件共同工作,調(diào)節(jié)各環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)換的速率大小與方向,在兼顧經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的前提下,實(shí)現(xiàn)駕駛員期望的動(dòng)力性能。該控制功能的可靠實(shí)現(xiàn)主要依賴如下幾方面具體控制策略的實(shí)施。


2.1燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載均衡策略


電電混合的燃料電池汽車具有多種電能供應(yīng)裝置,汽車的瞬時(shí)負(fù)載如何合理地分配到不同的能源裝置上,就是通常所說(shuō)的負(fù)載均衡策略。實(shí)用的負(fù)載均衡策略是在考慮動(dòng)力總成部件特性、能源經(jīng)濟(jì)性等諸多影響因素的基礎(chǔ)上提出的。


在圖1給出的動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)圖中,因?yàn)镈C/DC變換器采用恒流控制,因此動(dòng)力蓄電池組瞬時(shí)功率完全取決于電機(jī)逆變器所需直流功率和DC/DC變換器的輸出功率之差。因?yàn)殡姍C(jī)逆變器的輸出基本趨勢(shì)是跟隨駕駛員的操縱指令變化的,所以,該動(dòng)力系統(tǒng)中負(fù)載均衡主要是通過(guò)調(diào)節(jié)DC/DC變換器的輸出功率實(shí)現(xiàn)的。


在負(fù)載均衡策略中,電機(jī)負(fù)載大小是計(jì)算DC/DC變換器輸出功率的主要依據(jù),目前常用的算法主要有慣性濾波和加權(quán)滑動(dòng)平均算法2種。前者是通過(guò)調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率以滿足車輛行駛阻力中的慢變分量需求,而后者是通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率來(lái)平衡車輛行駛過(guò)程中平均阻力,以達(dá)到期望的經(jīng)濟(jì)性。


在樣車動(dòng)力總成控制器采用的加權(quán)滑動(dòng)平均算法中,將逆變器的輸出功率在過(guò)去給定時(shí)間內(nèi)的加權(quán)滑動(dòng)平均值,作為DC/DC變換器的電流設(shè)定依據(jù)。在加權(quán)滑動(dòng)平均計(jì)算中,最近的數(shù)據(jù)權(quán)值相對(duì)大一些;隨著數(shù)據(jù)變老,其權(quán)值變小。


2.2電池充電態(tài)的閉環(huán)控制


電電混合的燃料電池汽車中的輔助供電部件(動(dòng)力蓄電池組或者超級(jí)電容)的作用基本可以歸納為如下2種:提供附加瞬時(shí)功率(auxiliary power unit,APU),增加續(xù)駛里程(range extender,RE)。而輔助供電部件的充電狀態(tài)(state of charge,SOC)的閉環(huán)控制目標(biāo)對(duì)于APU和RE有很大的不同。一般來(lái)講,對(duì)于APU部件主要是保證其始終保持在最佳的充電態(tài),這樣才能保證隨時(shí)可以提供所需的附加瞬態(tài)功率輸出或吸收盡可能多的回饋制動(dòng)能量;而作為RE使用的輔助供電部件充電態(tài)的控制往往更多考慮效率盡可能地高,避免能量的不必要轉(zhuǎn)換,因此對(duì)RE的充電態(tài)干預(yù)不如APU強(qiáng)烈。


動(dòng)力總成控制算法的任務(wù)之一就是根據(jù)既定的SOC控制目標(biāo),保證期望的SOC值。但SOC的調(diào)節(jié)必須通過(guò)電池實(shí)際電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn),因此實(shí)踐中采用了圖2中給出的SOC和電流的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。


前面提到了,動(dòng)力蓄電池組和電機(jī)逆變器之間電壓耦合的結(jié)果使得電池實(shí)際電流跟隨電機(jī)負(fù)載變化,因此對(duì)于電池電流閉環(huán)控制來(lái)講,電機(jī)負(fù)載是作為擾動(dòng)引入到被控制對(duì)象(動(dòng)力總成)上。在樣車實(shí)踐中增加了電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)(逆變器電流輸入)檢測(cè),并通過(guò)抗干擾前饋控制環(huán)節(jié)補(bǔ)償電池電流控制器的精度和調(diào)節(jié)速度。


2.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率的預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)


燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載均衡策略給出了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和DC/DC變換器系統(tǒng)當(dāng)前輸出功率的設(shè)定大小。但是,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率還必須考慮燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前允許輸出功率的限制,即燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)輸出功率能力限制了其實(shí)際輸出功率。因此,在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下,為了提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出響應(yīng)速度,可以在動(dòng)力總成控制算法中通過(guò)預(yù)測(cè)調(diào)節(jié),根據(jù)負(fù)載變化趨勢(shì)提前調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率設(shè)定,從而提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載跟隨能力。


在實(shí)踐中,采用了根據(jù)加速踏板微分補(bǔ)償和負(fù)載均衡算法輸出超前控制2種預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。前者主要是從駕駛員的加速動(dòng)作來(lái)判斷其加速意圖,在驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載電流變化之前就對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行干預(yù),從而改進(jìn)整車的動(dòng)力性;后者給出的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率預(yù)期值體現(xiàn)了既定的負(fù)載均衡策略,但正如前面討論過(guò)的,該預(yù)期值要受到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前允許輸出功率的限制,不能得到完全執(zhí)行。但是,通過(guò)這里的負(fù)載均衡算法輸出超前控制,可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前允許輸出功率進(jìn)行干涉和預(yù)測(cè)調(diào)節(jié),達(dá)到有效提高動(dòng)力性能的目的。


2.4回饋制動(dòng)控制方法


具有能量?jī)?chǔ)存部件的電動(dòng)汽車具有一個(gè)傳統(tǒng)汽車不具有的回饋制動(dòng)特性,就是可以通過(guò)電機(jī)的電能回饋功能在制動(dòng)過(guò)程中將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到能量?jī)?chǔ)存部件中,以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能的回收,達(dá)到節(jié)能的目的。


回饋制動(dòng)的強(qiáng)度可以通過(guò)控制電機(jī)加以控制。現(xiàn)有的電動(dòng)汽車回饋制動(dòng)的操作控制有2種主要方式,一種是通過(guò)加速踏板控制,另一種是通過(guò)制動(dòng)踏板控制。前者主要是考慮到目前汽車的制動(dòng)系統(tǒng)仍然以機(jī)械方式為主,而回饋制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu)的協(xié)同工作需要對(duì)制動(dòng)踏板進(jìn)行較大的改動(dòng),因此,目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車大多采用一個(gè)電子加速踏板同時(shí)控制電機(jī)的加速和回饋制動(dòng);后者主要應(yīng)用在一些安裝了電助力制動(dòng)裝置的汽車上,但其控制和實(shí)現(xiàn)都比較復(fù)雜,可靠性也是必須考慮的問(wèn)題,因此尚未得到推廣。


在通過(guò)加速踏板控制回饋制動(dòng)強(qiáng)度的應(yīng)用中,一般選用加速踏板開始的一段區(qū)間作為回饋制動(dòng)控制行程,依此控制回饋制動(dòng)強(qiáng)度。該控制方法可操作性好,簡(jiǎn)單實(shí)用,但缺點(diǎn)是加速過(guò)程中踏板必須首先通過(guò)回饋制動(dòng)行程,不符合傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的駕駛習(xí)慣,駕駛員的主觀感覺不好。


在樣車實(shí)踐中,筆者提出了僅通過(guò)加速踏板控制回饋制動(dòng)強(qiáng)度的方法。與傳統(tǒng)控制方法不同的是,該控制方法不設(shè)回饋制動(dòng)行程,而是通過(guò)檢測(cè)駕駛員放開加速踏板的速度通過(guò)滑動(dòng)加權(quán)平均來(lái)控制回饋制動(dòng)強(qiáng)度,再結(jié)合當(dāng)前車速、輔助儲(chǔ)能部件的當(dāng)前充電態(tài)等狀態(tài)信息控制電機(jī)回饋制動(dòng)強(qiáng)度。該控制方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠體現(xiàn)駕駛員的制動(dòng)意圖,模擬了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖的狀態(tài);缺點(diǎn)是不能精確控制回饋制動(dòng)強(qiáng)度,但這可以通過(guò)認(rèn)真的標(biāo)定匹配工作加以彌補(bǔ)。


2.5動(dòng)力總成控制算法的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證


結(jié)合某型燃料電池轎車的研制開發(fā),參照前面討論的燃料電池轎車動(dòng)力總成控制原理,就完成了動(dòng)力總成控制器的實(shí)現(xiàn)。其基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示,駕駛員的指令輸入和動(dòng)力總成狀態(tài)觀測(cè)器的輸出共同傳給動(dòng)力總成狀態(tài)調(diào)控模塊(powertrain state controller,PTSC),由能量均衡控制模塊(energy balancing controller,EBC)根據(jù)PTSC的輸出調(diào)節(jié)動(dòng)力總成狀態(tài),實(shí)現(xiàn)既定的控制策略。


前面討論到的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載均衡策略、充電態(tài)的閉環(huán)調(diào)節(jié)、電機(jī)回饋制動(dòng)控制等算法均集中到PTSC中實(shí)現(xiàn),而電池電流閉環(huán)控制、電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)前饋控制、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率的預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)等策略則主要由EBC完成。


當(dāng)然,上述控制功能只是動(dòng)力總成控制器功能的一部分,其他一些必要的診斷、檢測(cè)和狀態(tài)維護(hù)等功能是動(dòng)力總成控制器基本功能。比如PTSC的重要功能之一就是維護(hù)并實(shí)現(xiàn)如圖4所示的動(dòng)力總成驅(qū)動(dòng)模式狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。


圖5給出了上述控制策略在某型燃料電池轎車實(shí)車轉(zhuǎn)鼓測(cè)試中,載荷交替變化時(shí)負(fù)載均衡控制結(jié)果。其中,DC/DC的電流輸出即代表了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率,電機(jī)電流為車輛實(shí)際負(fù)載,而電池電流實(shí)際值體現(xiàn)了輔助能源的充放電狀態(tài)。


由圖5可以看出,試驗(yàn)結(jié)果基本實(shí)現(xiàn)了既定的動(dòng)力總成控制策略。在試驗(yàn)中,電機(jī)電流輸出始終跟隨駕駛員的指令,如圖2中描述的,該電機(jī)電流實(shí)際值以擾動(dòng)量的形式引入到動(dòng)力總成中。在負(fù)載均衡算法控制下,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力蓄電池作為APU使用時(shí),分擔(dān)電機(jī)負(fù)載電流中不同頻率分量,在保證整車動(dòng)力性的前提下兼顧整車的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),并保持動(dòng)力總成始終處于最佳工作狀態(tài)。


3結(jié)論


本文重點(diǎn)討論燃料電池汽車的動(dòng)力總成控制中特有的一些問(wèn)題,系統(tǒng)比較了現(xiàn)有的主要技術(shù)路線,也提出很多獨(dú)有的解決方案,并給出實(shí)踐中采用的可行性算法。具體涉及動(dòng)力總成負(fù)載均衡、動(dòng)力蓄電池充電態(tài)閉環(huán)控制、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率的預(yù)測(cè)調(diào)節(jié),以及電機(jī)回饋制動(dòng)控制策略等方面問(wèn)題的解。樣車轉(zhuǎn)鼓測(cè)試結(jié)果表明,將上述控制策略和相應(yīng)的控制算法應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中可以取得滿意的控制效果,對(duì)類似開發(fā)工作有一定的參考價(jià)值。


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