燃料电池混合动力汽车控制策略研究

第 3 期 何洪文等 : 燃料电池混合动力汽车控制策略研究
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数值决定于膨胀机/ 电机/ 压缩机的工况 MAP 图.
图 3 燃料电池发电系统组成 Fig. 3 Schematic of pressured fuel cell system
燃料电池发电系统的启动特性 、V 2I 特性以及 动态响应特性对混合动力系统控制策略的设计至关 重要[7 ] ,测试结果如图 4 、图 5 所示. 燃料电池发电 系统的冷起动时间为 6155 s , 额定净输出功率为 58191 kW ,系统效率为 42 %.
燃料电池混合动力系统控制方程为
Pd3 = f (λd , nm) ,
(1)
I
3 D
=
Pd3 /
UB ,
(2)
Pb3 = f ( cSOC) ,
(3)
Pf3 = Pd3 + Pb3 .
(4)
表 1 燃料电池混合动力中型客车整车参数
Tab. 1 Parameters of the f uel cell hybrid middle bus
何洪文 , 林逸 , 魏跃远
(北京理工大学 机械与车辆工程学院 , 北京 100081)
摘 要 : 提出一种燃料电池功率主导轻型混合动力汽车的整车控制策略. 构建了燃料电池混合动力系统构型 ,建 立了高压燃料电池发电系统控制约束模型 ,制定了 7 种工作模式和以燃料电池输出功率为主导 、电池组 SOC 维持 型的控制逻辑. 整车试验结果表明 ,燃料电池输出功率能很好地跟踪驾驶员踏板的功率需求 ,整车燃氢经济性为 21464 kg/ 100 km.
图 4 燃料电池发电系统冷起动性能 Fig. 4 Cold starting performance of t he FCE
图 5 FCE 系统综合性能 Fig. 5 Power performance of t he FCE
由于燃料电池发电系统中压缩机 、膨胀机以及
调节阀等惯性调节环节的存在 , 为保证燃料电池堆
为 FCE 压缩机工况状态 ,λc = 0 表示压缩机处于工
况调节中 ,λc = 1 表示压缩机处于稳定运行工况;
Δ Pf 为 FCE 功率加载速率 , kW·s - 1 ; Pf - max (λ) 为压 缩机处于某个工况 λ稳定运行时 FCE 所允许输出
的最大功率 ; Pf - min 为 FCE 稳定输出功率最小值 ; Pf - max为 FCE 稳定输出功率最大值.
目前对燃料电池混合动力系统中起电2电耦合 作用的 DC/ DC 变换器的控制方式主要有两种 :电 压控制方式和电流控制方式. 电流控制对功率分配 控制策略的执行方式比较直接 , 控制效果要优于电
图 2 燃料电池混合动力中型客车动力系统
Fig. 2 Power train of fuel cell hybrid middle bus
类别 整车
类型
总质 量/ kg 4 930
整备质 量/ kg 4 195
额定电 额定容 最大电 压/ V 量/ (A·h) 流/ A
额定功 率/ kW
工作电 压/ V
5 min 峰值 功率/ kW
额定转速/ (r·min - 1)
最高转速/ (r·min - 1)
ESS
Ni M H
FCE
高压
312
27
表 2 燃料电池混合动力系统工作模式列表 Tab. 2 Working modes for the FCE hybrid system
工作模式
ESS 驱动 FCE 驱动 混合驱动 ESS 充电 再生制动 ESS 混合充电 ESS 补充充电
FCE 停机 工作 工作 工作 停机 工作 工作
状态
ESS 放电 零电流 放电 充电 充电 充电 充电
1 燃料电池混合动力系统
燃料电池混合动力系统主要有如图 1 所示的两 种典型构型. 燃料电池间接驱动构型 (图 1a) 中 , 燃
收稿日期 : 2006 11 30 基金项目 : 国家部委基础科研项目 ( K0304050201) 作者简介 : 何洪文 (1975 —) ,男 ,博士 ,讲师 , E2mail :hwhebit @bit . edu. cn.
Key words : cont rol st rategy ; power t rain ; f uel cell ; hybrid elect ric vehicle
电动汽车将成为 21 世纪的重要交通工具[1 ] . 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直 接转换为电能的装置 , 其系统总效率高达 50 % , 被 认为是今后电动汽车的理想驱动电源 , 目前燃料电 池汽车已开始上路运营[2 ] . 燃料电池辅以其他储能 元件 (蓄电池 、超级电容器等) 构成的混合动力系统 , 可以降低系统成本 , 系统同时具有制动能量回馈功 能 ,系统效率也得到一定的提高 ,但多能源的动力系 统结构也给整车控制策略带来了一定的挑战. 黄勇 等提出了一种燃料电池发动机和镍氢电池组通过双 向电源变换器实现功率混合的动力系统 , 设计了一 种升压电源变换器 , 实现了混合动力系统输出功率
3 Δ Pf = min (| Pf - max (λ) - Pf ( k) | , 515)
λc = 0 λc = 1.
(7)
FCE 卸载约束方程为
Pf ( k + 1) = max ( Pf3 , Pf - min) .
(8)
式中 : k , k + 1 为第 k , k + 1 时刻 , k = 1 , 2 , 3 , …;λc
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北 京 理 工 大 学 学 报 第 27 卷
料电池发电系统 ( FCE) 的输出经单向 DC/ DC 变换 器后实现与储能系统 ( ESS) 的电 电耦合 ; 而燃料电 池直接驱动构型 (图 1b) 中 , FCE 的输出直接与电机 控制器 (DC/ AC) 连接 , ESS 通过双向 DC/ DC 变换 器的调节实现与 FCE 的电 电耦合 , ESS 与 FCE 经 DC/ AC 共同向驱动电机 (MO T) 输出功率.
压控制方式[6 ] . 综上所述 , 在设计燃料电池混合动力中型客车
时 ,采用了燃料电池间接驱动和电流控制型降压 DC/ DC 构型 ,如图 2 所示. 系统参数见表 1.
图 1 燃料电池混合动力系统构型 Fig. 1 Fuel cell hybrid system
燃料电池直接驱动构型中 ,为满足车辆良好的 动力性 , FCE 必须具有良好的动态特性和 V 2I 特 性 ,同时 ,为避免 FCE 瞬时大功率放电导致的母线 电压过低损坏燃料电池堆 , FCE 的额定功率取值也 相对偏高. 燃料电池间接驱动构型中 , 由于 DC/ DC 变换器的作用 ,实现了 FCE 与 ESS 的功率耦合和电 压隔离 ,有利于对 FCE 优化调节 , 在目前燃料电池 的技术水平下 ,是一种经济实用的混合动力系统构 型[5].
DC/ DC 停机 工作 工作 工作 停机 工作 工作
MO T 电动 电动 电动 电动 发电 发电 停机
对储能电池组 ESS 的目标功率控制如下 :
的自适应控制[3 ] . 何彬等通过仿真对驱动模式下的 恒压控制 、离线能量分配控制 、在线能量分配控制三 种控制策略进行了分析讨论 , 并认为有必要对三种 策略进行有效的组合以达到良好的综合性能[4 ] . 作 者结合混合动力燃料电池中型客车的开发 , 从发挥 燃料电池发电系统的功率跟随特性并满足控制要求 出发 ,完成了一种控制策略的设计和实践 ,取得了良 好的效果.
第 27 卷 第 3 期 2007 年 3 月
北京理工大学学报 Transactions of Beijing Institute of Technology
文章编号 :100120645 (2007) 0320223205
Vol. 27 No. 3 Mar. 2007
燃料电池混合动力汽车控制策略研究
135
55 310～450
MO T DC/ DC
AC 降压型
336
45
225
55
77
1 780
4 500
65
2 燃料电池发电系统控制特性
燃料电池混合动力中型客车所采用的高压直接 氢燃料电池发电系统的组成如图 3 所示. 系统采用 了质子交换膜燃料电池 ,由压缩机供应空气 ,通过氢
气调节阀随动空气压力供应氢气并采用混合外加 湿. 在额定功率输出条件下 , 电堆阳极侧氢气压力 为 0125 MPa ,阴极侧空气压力为 0127 MPa , 能量效 率为 53 % ,电池组循环冷却水出口温度低于 78 ℃. 在部分负荷条件下 , 氢气压力低于 0125 MPa , 具体
3 混合动力系统控制策略
针对燃料电池发电系统的功率控制特性 , 以提 高混合动力系统的综合能量利用效率为目标 , 采用 FCE 功率跟踪控制策略 ,即 FCE 输出功率的绝大部 分用于驱动车辆行驶 , 而储能电池组用于起动 FCE 并在汽车行驶过程中提供瞬时的峰值功率 , 回收再 生制动能量. 针对控制策略的实施 , 制定了表 2 所 示的 7 种工作模式.
阳极 、阴极侧始终具有合适的压力 、温度 、湿度 、流量
参数 ,在加载过程中应对功率加载速率做适当的限
制 ,在减载过程中为保持良好的动态响应能力 ,可在
短时间内卸载到最低允许功率.
FCE 目标功率约束方程为 Pf - min ≤Pf3 ≤Pf - max .
(5)
FCE 加载约束方程为
Pf ( k + 1) = min ( Pf ( k) +Δ Pf , Pf3 ) , ( 6 )
图 2 中 , Pf3 为 FCE 目标功率 ; Uf 为 FCE 工作 电压 ; If 为 FCE 工作电流 ; Pb3 为储能电池组目标 充/ 放电功率 ; cSOC为 ESS 荷电状态 ; Pd3 为与驾驶 员踏板对应的整车驱动目标功率 ; ID3 为 DC/ DC 变 换器控制目标电流 ; UB 为动力母线电压 ; IB 为动力 母线电流 ; nm 为电机转速 ;λd 为驾驶员踏板指令 ; BMS 为 ESS 管理系统 ; PI 为比例积分控制器.
关键词 : 控制策略 ; 动力系统 ; 燃料电池 ; 混合动力汽车 中图分类号 : U 46312 文献标识码 : A
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Study on the Control Strategy f or a Fuel Cell Hybrid Vehicle
HE Hong2wen , L IN Yi , WEI Yue2yuan
(School of Mechanical and Vehicular Engineering , Beijing Institute of Technology , Beijing 100081 , China)
Abstract : A new cont rol st rategy for a f uel cell2oriented hybrid elect ric vehicle is proposed. The f uel cell hybrid elect ric vehicle power t rain is built up and cont rol2limitation model for t he high2pressure f uel cell engine is set up . Seven working modes are established and t he cont rol logic to realize t he f uel cell as t he primary power source and maintain t he SOC of battery pack is const ructed. Experimental result s indicated t hat t he f uel cell power can follow t he driver’s requirement s very well. The hybrid vehicle’s hydrogen consumption is up to 21464 kg/ 100 km.