增程式燃料电池轿车动力总成控制策略的研究

增程式燃料电池轿车动力总成控制策略的研究
作者：雷银，等
来源：《中小企业管理与科技·上中下旬刊》 2015年第7期
雷银1 袁飞2
1.同济大学电子与信息工程学院上海201804；
2.上海燃料电池汽车动力系统有限公司上海201804
摘要：针对一种基于分布式四轮实时驱动方案的燃料电池轿车，在保证车辆良好的动力性、经济性、可靠性、安全性为目标的前提下，设计了整车转矩控制策略、能量分配及制动能量回
收策略、故障诊断策略和整车控制逻辑，并示例性的给出了实车转鼓测试结果，测试结果表明
上述控制策略具有一定的可行性。

关键词：燃料电池轿车；分布式驱动；转矩控制；能量管理
0 引言
为缓解能源危机对汽车行业的影响，近年来国内外大力发展新能源汽车，而燃料电池汽车
因具有无污染、高效率、适用广、可快速补充能量及具有模块化等特点被认为是今后替代内燃
机汽车的理想汽车。

作为纯电驱动的汽车，如何通过改善驱动系统的效率来提高电池能量利用
率从而达到增加续驶里程的目的则是电动汽车的关键问题之一。

1 增程式燃料电池轿车动力系
统结构
电动汽车的驱动系统主要分为两种———集中式驱动系统和分布式驱动系统。

分布式驱动
相对于集中式具有结构紧凑、传动链短、效率高等优点，其中分布式驱动又分为轮内直接驱动（轮毂电机）和轮边减速驱动两种形式。

本文的研究对象采用2 前轮短半轴加轮毂电机+2 后
轮边电机加减速机构的驱动方拓扑案。

2 仿真模型的结构
分布式驱动电动汽车仿真模型。

模型包括行驶工况（DrivingCycle）、驾驶员模块（Driver）、驱动单元（Driving Unit）和整车动力学（Vehicle）等模块。

驾驶员模块（Driver Conotroller）由PID 调节器、制动力控制单元组成，主要作用是根
据速度跟随误差调节需求输出力矩，确保仿真车速和目标工况车速一致。

驱动模块（Driving Unit）由转矩分配计算和功率计算两部分组成，包括电机的外特性曲线、电机效率图、减速器效率计算模块。

减速器效率计算子模块（Gear Efficiency Calculation）与电机相连的减速器的效率和电机输出功率密切相关，随着功率的变化而变化，减速器损耗在20%和2%之间变化（参见国标“电动客车用驱动电机系统”征求意见稿中有关数据）。

3 整车控制策略
整车动力控制系统采用分布式分层控制的结构，根据驾驶员的指令输入，通过CAN 网络协
调动力系统总成各零部件共同工作，调节各环节能量转换的速率大小与方向，在兼顾经济性的
前提下实现驾驶员期望的动力性能。

3.1 能耗规律最优转矩控制策略
由于分布式驱动系统与集中式驱动系统在功能实现上的重要区别之一，在于分布式驱动系
统由多电机组成，可根据电机能效特点分配转矩，实现能效优化控制。

以一种前轮为轮毂电机，后轮为轮边减速电机的分布式驱动为例，考虑到实际直线行驶中必须尽可能保持左右车轮驱动
力/制动力的平衡，问题可简化车辆一侧的转矩分配计算。

3.2 能量管理策略
燃料电池增程式纯电动城市物流车具有多种电能供应装置，汽车的瞬时负载如何合理地分
配到不同的能源装置上，就是通常所说的负载均衡策略。

实用的负载均衡策略是在考虑动力总
成部件特性、燃料经济特性等诸多因素的基础上提出的。

3.3 驾驶员意图解析
驾驶员意图解析是对驾驶员的操作和其他信号的分析，是整车动力系统控制策略的核心。

具体来说，根据驾驶员动作分析其驾驶意图，并综合考虑动力系统状态，计算驾驶员对电机的
期望转矩，然后向电机驱动系统发出指令，使燃料电池汽车的行驶状态尽可能快速、准确地达
到工况要求和满足驾驶员的驾驶目的。

3.4 档位与模式切换策略
燃料电池汽车的行驶状态由档位和行车模式共同决定。

档位切换决定汽车的行驶方向，档
位由D、N 和R 三档组成：D 为前进挡，R为倒车档，驻车时档位须停留在N 档。

每次换档需
要将换挡锁止机构上提，然后可以前后换至所需档位。

3.5 故障诊断及容错控制
依赖于模型的故障诊断技术的核心思想是用解析冗余取代硬件冗余，以系统的数学模型为
基础，利用观测器（组）、等价空间方程、Kalman 滤波器、参数模型估计和辨识等方法产生残差，然后基于某种准则或阈值对该残差进行评价和决策。

4 结论
分布式驱动电动汽车已成为电动汽车技术领域的重要发展方向。

轮毂/轮边电机驱动系统结构紧凑、传动高效，不仅具有极佳的动力学性能，可以大幅提高车辆的操纵性和稳定性，又在
提高整车效率、改善能量利用率等方面更具潜力。

本文讨论了分布式驱动燃料电池新能源汽车
结构的动力系统相关控制策略，具体涉及能量管理、能耗规律最优转矩控制、故障诊断等。

同
时上述相关控制策略和控制算法已经在项目样车上实现，并通过转鼓实验验证取得满意的控制
效果。

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