燃料電池汽車(chē)整車(chē)控制策略設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：
2022-06-02
質(zhì)子交換膜燃料電池被認(rèn)為是車(chē)用燃料電池的最佳選擇。但如果燃料電池汽車(chē)只有燃料電池一個(gè)動(dòng)力源，就會(huì)有成本高、動(dòng)態(tài)性能差和不能進(jìn)行制動(dòng)能量回收等缺點(diǎn)。所以，目前的燃料電池汽車(chē)主要采用混合驅(qū)動(dòng)模式，即在具有燃料電池的基礎(chǔ)上，增加蓄電池或者超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源。
1引言
質(zhì)子交換膜燃料電池被認(rèn)為是車(chē)用燃料電池的最佳選擇。但如果燃料電池汽車(chē)只有燃料電池一個(gè)動(dòng)力源，就會(huì)有成本高、動(dòng)態(tài)性能差和不能進(jìn)行制動(dòng)能量回收等缺點(diǎn)。所以，目前的燃料電池汽車(chē)主要采用混合驅(qū)動(dòng)模式，即在具有燃料電池的基礎(chǔ)上，增加蓄電池或者超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源。
多動(dòng)力源系統(tǒng)的能量管理策略是整車(chē)控制的核心，如何協(xié)調(diào)燃料電池和其它電源之間的供能是燃料電池汽車(chē)開(kāi)發(fā)中必須解決的問(wèn)題。
2燃料電池汽車(chē)的結(jié)構(gòu)
本文研究對(duì)象為燃料電池卡車(chē)，其結(jié)構(gòu)如圖1。
本車(chē)主要由動(dòng)力電池、BMS、燃料電池及DCF，多合一控制器，電機(jī)等組成。動(dòng)力電池由電池模組、銅排、箱體、高壓線(xiàn)束、低壓線(xiàn)束、MSD、BDU及電池管理系統(tǒng)等組成，主要作用為新能源車(chē)提供電能的吸收、存儲(chǔ)和供應(yīng)，BMS具有對(duì)電池電壓、電流和溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)高壓安全管理、電池狀態(tài)估算、均衡管理、充放電管理、故障診斷和警示等功能，避免電池過(guò)充、過(guò)放，延長(zhǎng)電池壽命;本系統(tǒng)采用48Ah電芯，系統(tǒng)成組1并152串，額定電壓554.8V，額定電量26.3kWh。
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由永磁同步電機(jī)和電機(jī)控制器組成，電機(jī)主要作用是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，為車(chē)輛提供驅(qū)動(dòng)力，電機(jī)控制器主要作用是控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩;電機(jī)布置于車(chē)輛中部，縱置形式，電機(jī)控制器布置于駕駛室下方，采用高壓平臺(tái)，具有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)速控制、主/被動(dòng)放電、轉(zhuǎn)矩能力反饋、降額輸出、能量回收、高壓互鎖、快斷接插件、電位均衡、診斷及容錯(cuò)控制等功能。
氫系統(tǒng)主要由儲(chǔ)氫、加注、供氫、排空等部件組成，其主要功能是為燃料電池系統(tǒng)提供具有穩(wěn)定壓力的氫氣。
儲(chǔ)氫功能：主要由氫瓶、瓶閥組成，用于保證氫氣的儲(chǔ)存安全。
加注功能：由加注受氣頭、單向閥及管路組成了氫加注系統(tǒng)。
供氫功能：通過(guò)兩級(jí)減壓實(shí)現(xiàn)氫系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定輸出，同時(shí)設(shè)置泄壓閥保障供氫管路的安全。
排空功能：用于氫系統(tǒng)的置換、維護(hù)及檢修。本系統(tǒng)采用P230型燃料電池系統(tǒng)，額定功率40kW，氫瓶的額定儲(chǔ)氫壓力35MPa，Ⅲ型瓶。
3燃料電池車(chē)整車(chē)控制策略設(shè)計(jì)
燃料電池電動(dòng)車(chē)的整車(chē)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能:駕駛員需求信息識(shí)別、動(dòng)力系統(tǒng)的工作狀態(tài)控制、燃料電池系統(tǒng)的啟停控制、多能源能量管理功率分配控制、CAN網(wǎng)絡(luò)通信及系統(tǒng)故障診斷等，見(jiàn)圖2。
整車(chē)控制系統(tǒng)(VCU)作為上層控制單元負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)動(dòng)力子系統(tǒng)的運(yùn)行，采集駕駛員控制輸入信號(hào)，向各子控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，動(dòng)力系統(tǒng)各子控制器的主要功能是接收整車(chē)控制器的指令，控制相應(yīng)部件動(dòng)作，并向整車(chē)控制器反饋部件的狀態(tài)信息。整車(chē)控制系統(tǒng)的核心是能量管理。
在驅(qū)動(dòng)模式下，能量管理系統(tǒng)對(duì)燃料電池和蓄電池的能量流動(dòng)進(jìn)行合理有效的分配，在滿(mǎn)足汽車(chē)功率需求的同時(shí)，提高整車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性。在制動(dòng)模式下，蓄電池充電電流允許的情況下，能夠有效地回收制動(dòng)能量，提高整車(chē)能量利用率。VMS通過(guò)輸入信號(hào)分析駕駛員意圖，做出扭矩需求的解釋?zhuān)S后根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)部件的當(dāng)前狀況對(duì)駕駛員的扭矩需求進(jìn)行限制，最后再根據(jù)車(chē)輛的當(dāng)前工作狀態(tài)選擇合適的工作模式，并應(yīng)用該模式下的能源管理策略，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。
VMS在這個(gè)過(guò)程中的控制策略決定了燃料電池車(chē)的動(dòng)力性能，燃料經(jīng)濟(jì)性，以及動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的壽命。因此控制策略需要完成以下幾點(diǎn)的任務(wù)：
(1)駕駛員需求解釋模塊。負(fù)責(zé)對(duì)駕駛員的加速踏板、剎車(chē)踏板開(kāi)度信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)解釋駕駛員的扭矩需求。
(2)將駕駛員的意圖轉(zhuǎn)化為動(dòng)力系統(tǒng)的扭矩的需求，由電機(jī)轉(zhuǎn)化為真實(shí)的扭矩輸出。
(3)根據(jù)實(shí)際的能量需求，通過(guò)能量分配模塊，將能量的需求在燃料電池和動(dòng)力電池系統(tǒng)之間合理地分配，保證較高的燃料經(jīng)濟(jì)性。
(4)通過(guò)能量管理模塊的合理分配，調(diào)整蓄電池適當(dāng)?shù)爻潆姾头烹姡瑢?duì)蓄電池的SOC進(jìn)行管理，使其保持在合適的范圍內(nèi)。
(5)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的負(fù)載進(jìn)行限制，保證該部件的壽命及安全性。因此，駕駛員需求解釋模塊和能量分配模塊需要緊密地協(xié)作，來(lái)為了完成上述的任務(wù)。
此燃料電池車(chē)工作狀態(tài)有如下幾種工況：
◆汽車(chē)起步:由于燃料電池從啟動(dòng)到對(duì)外做功，需要一些必要的準(zhǔn)備，這時(shí)由動(dòng)力電池給燃料電池系統(tǒng)提供啟動(dòng)電源;車(chē)輛純電行駛，同時(shí)當(dāng)動(dòng)力蓄電池SOC較高時(shí)，純電動(dòng)行駛。
◆輕載工況：若蓄電池SOC過(guò)低時(shí)，則燃料電池必須啟動(dòng)，燃料電池單獨(dú)提供能量驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛同時(shí)給蓄電池充電。此時(shí)燃料電池的輸出功率等于負(fù)載功率和動(dòng)力電池充電功率之和。若蓄電池SOC在正常范圍，則盡量讓燃料電池工作在高效點(diǎn)，不足和多余部分由蓄電池補(bǔ)充或吸收。
◆重載工況：燃料電池高效工作點(diǎn)的輸出功率無(wú)法滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性要求，這時(shí)必須請(qǐng)求增大燃料電池的功率輸出來(lái)跟隨功率變化。
只要蓄電池SOC沒(méi)有達(dá)到上限，燃料電池除了滿(mǎn)足需求功率，還要給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池SOC低于下限時(shí)，燃料電池工作在最大功率點(diǎn)附近，給蓄電池供電，以保護(hù)蓄電池。
蓄電池SOC在正常范圍時(shí)，燃料電池則在提供需求功率的同時(shí)以恒定功率給它充電。如果燃料電池峰值功率無(wú)法滿(mǎn)足功率需求，則讓蓄電池補(bǔ)充燃料電池峰值功率的不足。這時(shí)，蓄電池起到了覆蓋功率波動(dòng)，提高峰值功率和改善瞬態(tài)輸出特性的作用。
◆汽車(chē)制動(dòng):要求動(dòng)力電池盡量吸收全部的再生回饋電能，不考慮再生制動(dòng)對(duì)制動(dòng)性能及車(chē)輛穩(wěn)定性的影響。只有當(dāng)再生制動(dòng)已達(dá)到最大制動(dòng)能力但還不能滿(mǎn)足制動(dòng)要求時(shí)，機(jī)械制動(dòng)才起作用。
◆怠速充電：當(dāng)車(chē)輛怠速時(shí)，如果動(dòng)力電池SOC過(guò)低，則用燃料電池給動(dòng)力電池充電。在燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)，其輸出功率一般不宜太大或太小，以保證燃料電池系統(tǒng)在高效率區(qū)工作，同時(shí)，燃料電池系統(tǒng)輸出功率的變化速率也不宜太大。
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