[摘要] 根据燃料电池轿车ＤＣ/ＤＣ变换器的特点和功能建立其模型,给出了控制ＤＣ/ＤＣ变换器的一种策略和故障诊断的方法。利用ｌａｂｖｉｅｗ软件进行仿真,仿真结果表明:这种方法可以安全有效地控制ＤＣ/ＤＣ变换器,并为车辆控制器的其他模块提供了相应的接口。
关键词:燃料电池轿车,ＤＣ/ＤＣ变换器,故障诊断,ＣＡＮ总线
1 前言
ＤＣ/ＤＣ变换器(以下文中简称变换器)是燃料电池轿车动力系统中一个重要部分。它的主要功能是把不可调的直流电源变为可调的直流电源。如何有效地控制变换器的各个参数,不仅关系到ＦＣＥ(ＦｕｅｌＣｅｌｌＥｎｇｉｎｅｅｒ)和ＢＭＵ(ＢａｔｔｅｒｙＭａｎａｇｅ ｍｅｎｔＵｎｉｔ)的正常运行,而且也关系到整个燃料电池轿车的动力性能、能源利用效率及其他控制系统稳定可靠的运行。建立故障诊断试验台的目的是验证车辆控制器(ＶＭＳ)中故障诊断功能的执行情况,并确保其在各种工况下能够正确可靠地工作。其中主要包括验证各种故障码的形成过程和失效控制策略的执行情况。故障诊断试验台采用半物理在环形式的仿真试验台,试验台中ＶＭＳ以硬件在环的形式存在,而变换器以虚拟仿真的形式存在,故障诊断试验台与ＶＭＳ之间采用ＣＡＮ总线输入/输出相连接。
2 变换器仿真模型
动力总成控制单元可以控制燃料电池发动机的输出功率,但是燃料电池发动机的输出电压随输出功率的变化有较大的波动。从图1中可以看出:ＦＣＥ的工作特性较软,因此很有必要配置一个变换器来改善其输出特性。
变换器的主要工作过程如下。
(1)动力总成控制单元获得变换器当前的工作状态,并结合系统和其他零部件的工作状态向变换器发出控制指令来命令其启动或停机。
(2)为了准确地分配车辆的功率需求,ＤＣＦ控制单元需要精确地计算变换器的工作效率,为此需要知道变换器的输入电压、输入电流和输出电压、输出电流,然后根据变换器的性能曲线来计算其工作效率。
(3)ＤＣＦ控制单元需要根据燃料电池发动机ＦＣＥ输出功率的计算结果、变换器的预期效率和高压系统的线路电压计算出变换器需要输出的工作电流,然后指令变换器输出该电流。
变换器及其相关系统的结构简图如图2所示,从图中可知变换器的输入/输出参数分别与燃料电池发动机模块和蓄电池组模块的参数有直接关系。
在ＤＣＦ控制单元中,其主要原理就是根据ＶＭＳ的控制信号(ＤＣＦＥｎａｂｌｅ、ＤＣＦＴｒＭｏｄｅ和ＤＣ ＦＩＳｅｔ)和变换器自身的输入参数(ＤＣＦＶｉｎＩｓ和ＤＣ ＦＩｉｎＩｓ)来计算出需要输出的电流、电压、变换器的运行状态以及当前的温度[3]。ＤＣＦ功能模块采用转换效率曲线来描述变换器的工作特性,所以在这个模型中ＤＣＦ的效率特性曲线是一个很关键的函数。ＤＣＦ模型控制参数见表1。
变换器的效率与其输出功率和输入电压有关,图3为变换器的效率曲线。
变换器模型中涉及的其他模型的特性函数为
由此,可以建立起变换器的数学模型,仿真模型的流程图见图4。
在实际工程中并不是每个量都需要精确计算的,在这里部分数据采用了先定义脉谱图,然后插值计算的方法,试验结果表明不但满足要求,而且还增强了实时性。
3 故障诊断试验台的设计.
3 1 故障诊断试验台需要实现的功能
为了确保ＶＭＳ在各种工况下稳定地工作和正确验证故障诊断功能,故障诊断试验台应具有以下主要功能。
(1)为ＶＭＳ的各种输入信号线提供正确的输入信号。
(2)及时准确地接收ＶＭＳ各种输出信号线发送的信号。
(3)及时准确地接收和发送ＣＡＮ总线的信号。
(4)虚拟的变换器能正确地接收ＶＭＳ的各种控制指令,并对各种控制指令作出正确的响应和向ＶＭＳ发送虚拟变换器的当前状态值。
(5)虚拟变换器能够产生各种等级下的不同故障码,并将故障等级发送到ＶＭＳ和监测ＶＭＳ对该故障等级的控制策略。
(6)通过手工和自动相结合的方式调节虚拟变换器输入到ＶＭＳ的各种信号,使ＶＭＳ可在硬件在环仿真试验台中处于各种工作状态。
(7)及时显示ＶＭＳ产生的各种故障码。
(8)监测ＶＭＳ故障诊断功能和失效策略的正确性。
3 2 故障诊断试验台的硬件设计
3 2 1 故障诊断试验台
试验台硬件连接如图5所示。
3 2 2 数据采集卡
采用ＮＩ公司的ＤＡＯＣａｒｄ 6062Ｅ数据采集卡,它具有16路12位模拟输入通道,2路12位模拟输出通道,8路数字输入输出通道和2个32位计数器,扫描速率为500ｋ/ｓ。
3 2 3 制作ＡＯ输出接口电路
接口电路的2路输入分别与数据采集卡的2路ＡＯ输出通道相连接,2路输出分别与ＶＭＳ的ＤＩＯ接插件的管脚相连接。
3 2 4 制作ＡＩ输入接口电路
接口电路的4路输入分别和ＶＭＳ的ＤＩＯ接插件管脚相连接,而输出分别与数据采集卡的4路ＡＩ输入通道相连接。
3 2 5 ＣＡＮ总线接口卡
采用广州周立功公司的ＵＳＢＣＡＮ接口卡。它具有2路ＣＡＮ总线接口,每路ＣＡＮ总线的传输效率为500ｋ/ｓ,并遵循ＣＡＮ2 0Ｂ通信协议。
3 3 故障诊断试验台的软件设计
变换器是燃料电池轿车动力系统中一个重要部件,一旦变换器出现故障,将直接影响到整车的加速性能、爬坡能力、最大行驶里程等动力性能,甚至整车的安全性。所以非常有必要确立变换器在非正常工作过程中的各种故障码和对应的故障等级,以便ＶＭＳ可以根据不同的故障码、故障等级采取相应的失效策略。变换器部分故障码的描述见表2。
从试验数据可得到变换器的工作过程:正常状态工作在效率90%左右的区域,而且将ＦＣＥ的271 54Ｖ的输出电压升到370 21Ｖ。当产生Ｐ1301的故障码时,变换器首先将输出电流降为0,效率也就降为0,即实现了紧急停机的目标,保护了其他的零部件免受损害。
4 结论
试验台仿真结果表明,该ＤＣＦ模块完全可以实现预定的功能。能够正确地计算输出参数:包括额定功率、输出电压、输出电流、转换效率、工作环境温度等,同时能够及时地发送变换器的故障状态,可以有效地检测ＶＭＳ的相应状态信息,记录存储故障状态、故障等级、故障次数等参数。验证了ＶＭＳ控制策略可以确保车辆在各种工况下安全可靠的工作。
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