[摘要] 针对燃料电池客车动力系统的结构形式,作者在分析了整车控制系统的功能需求后,完成了整车控制系统的设计,实现了车载控制器局域网络(ＣＡＮ)通信、能量管理策略、驾驶员意图解释和故障诊断处理等功能。随后建立了基于ｄＳＰＡＣＥ的快速控制器原型,并利用台架试验进行了硬件在环仿真调试。最后通过实车道路行驶试验验证了整车控制系统的可行性。
关键词:燃料电池客车,整车控制系统,能量管理
1 前言
作为解决全球能源与环境问题的一种切实可行的方案,燃料电池汽车的研发已成为当今汽车领域发展的前沿课题之一。在作者研究的燃料电池客车中,其动力驱动系统采用了由燃料电池、辅助蓄电池和超级电容3种能量源混合配置的结构形式(图1)。在汽车行驶过程中,燃料电池作为主能量源提供驱动汽车所需的功率;蓄电池则用来提供不足功率或吸收多余功率;超级电容主要用于回收和输出瞬间大电流(比如制动能量回收等)。按照一定的控制策略,由整车控制系统对三者输出或输入的功率进行合理的优化分配,从而可以在满足汽车动力性能的基础上获得较高的燃油经济性。
整车控制系统是燃料电池客车开发过程中的一个重要环节。作者就图1中燃料电池客车的整车控制系统的设计作具体的阐述。
2 燃料电池客车整车控制系统的描述
燃料电池客车的动力系统是一个多能源动力总成系统,包括电机、燃料电池发动机、蓄电池、ＤＣ/ＤＣ转换器和超级电容等多种零部件,各部件之间通过电气动力总线实现物理连接。下面从2个角度分别对燃料电池客车的整车控制系统进行描述。
(1)从分布式分层控制系统的角度描述燃料电池汽车的控制系统,实现其拓扑分离和功能分离,如图2所示。
此结构分为3层,最底层是汽车零部件具体的执行层,有一定的自适应和极限保护功能;中间层是汽车的协调层,也就是着重研究的整车控制系统,它一方面根据驾驶员的各种操作和汽车当前的状态解释出驾驶员的意图,另一方面,根据执行层的当前状态,做出最优的协调控制;最高层是汽车控制系统的组织层,这里把驾驶员或者自动驾驶仪看作最高等级的控制器。
(2)从能量流的角度来描述整车控制系统的结构(图3),包括了一些重要的数据流和控制流信号。整车控制系统的核心是需求功率分配的问题。从这个意义上说,图3主要用于能量管理策略的分析和设计。
图3中主要包括如下一些重要模块:(1)驾驶员;(2)驾驶员解释器;(3)汽车运动控制;(4)能量分配;(5)车辆动态系统;(6)各执行部件模型。
以上从2个不同角度来描述燃料电池客车的整车控制系统,二者的描述是相互联系,互为补充的。比如,图2中的协调层就相当于图3中的驾驶员意图解释器、汽车运动控制和功率分配3个模块的功能和。图2中的组织层相当于图3中的驾驶员模型。
3 整车控制系统的设计
燃料电池客车整车控制系统主要包括以下4个方面的功能。
(1)ＣＡＮ总线通信、数据采集。
(2)对驾驶员的操作和其他信号分析,以实现驾驶员意图解释。
(3)控制汽车的各子部件协调工作,实现汽车的运动控制。
(4)故障诊断和异常情况处理。
在设计过程中,作者采用ＣＡＮ总线技术来实现动力驱动系统中各个子部件之间的通信与数据采集。同时采取了有效的故障诊断处理与保护机制,保证了整车控制系统可以从多种途径获取燃料电池汽车的各种故障信息,并根据其特点做出最佳的故障处理。
下面将着重介绍上述的(2)、(3)两项内容。
3 1 驾驶员意图解释
这项功能是基于驾驶员的输入信号和当前的汽车状况对驾驶员意图进行解释。对应图3中的驾驶员意图解释器模型,图4对该模型进行了具体描述。其关键是得到驾驶员转矩命令图(图5)。
理论研究和实车道路试验的结果都表明:当电机转速接近零的时候,较小的油门踏板应该解释出较大的驾驶员转矩命令来克服汽车起步时较大的阻力,一旦汽车起步后驾驶员转矩命令应该迅速下降,减小起步加速度,使汽车起步比较平稳,符合驾驶员起步时的意图。另外,在同一电机转速下,驾驶员转矩命令和油门踏板的位置不成线性比例关系。通过调节图5中的驾驶员转矩命令图可以改善操纵平顺性和舒适性。
3 2 工作模式切换和能量管理策略
在驾驶员意图解释的基础上,优化控制汽车各个子部件,以实现驾驶员的驾驶意图。整车控制系统一方面需要让多个能量源工作在合适的工作模式下,另一方面要实现汽车能量效率的优化控制。图6给出了燃料电池汽车的工作模式切换图。其中最重要的模式是正常行驶模式。
作者仅对蓄电池和燃料电池发动机两种能源的动力系统的能量管理策略进行阐述,暂时不考虑超级电容。正常行驶模式有蓄电池纯电动和混合动力两种驱动模式。基于硬件在环仿真和实车道路试验,可以得到燃料电池发动机的开关控制逻辑,从而可以实现汽车工作模式之间的切换。工作模式切换规则的完善是借助了基于ｄＳＰＡＣＥ的硬件在环仿真手段来实现的。
从图7可知,功率分配策略的任务就是要在尽量满足驾驶员需求功率Ｐｄ的前提下,对燃料电池功率Ｐｅ和蓄电池功率Ｐｂ进行分配。这里需要指出的是,Ｐｂ>0为放电,Ｐｂ<0为充电。
燃料电池客车功率分配控制策略的总体方案如图8所示。在进行功率分配之前,首先要利用车速传感器来获取车辆速度,根据油门踏板和车速得到驾驶员需求转矩,通过传感器测量蓄电池的输出电压和输出电流得到蓄电池荷电状态ＳＯＣ(ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ)值。功率分配的具体控制策略如下所述。
在步骤Ｓ0中,根据驾驶员需求转矩和车辆速度计算得到驾驶员需求功率Ｐｄ(参照图5)。
在步骤Ｓ1中,根据蓄电池ＳＯＣ和驾驶员需求功率Ｐｄ得到蓄电池局部最优的输出功率Ｐｂ1,具体的计算采用了模糊推理的方法[8]。在模糊推理系统中,Ｐｄ和蓄电池ＳＯＣ是模糊输入,Ｐｂ1是模糊输出,详细的模糊规则参见表1,ＳＯＣ控制模糊系统的输入输出变量的隶属度函数如图9所示。
在步骤Ｓ2中,以Ｐｄ-Ｐｂ1为输入,对燃料电池系统输出功率的变化率进行控制。通过传感器测量燃料电池的输出电压和输出电流,可以计算得到当前燃料电池的功率为Ｐｅ0,并且确定一个单位控制周期内燃料电池功率允许变化量ΔＰｅ。燃料电池平稳运转的输出功率Ｐｅ1为
可见,步骤Ｓ2就是利用ΔＰｅ来限制燃料电池系统的功率发生剧烈变化,确保燃料电池系统工作平稳。
在步骤Ｓ3中,根据燃料电池系统和蓄电池状况决定当前情况下混合动力系统总体的约束,即当前情况下燃料电池系统和蓄电池所能提供的最大功率Ｐｄｍａｘ,由此得到
4 实车道路行驶试验
以ｄＳＰＡＣＥ为基础开发了快速整车控制器原型,笔记本电脑通过高速串行接口与ｄＳＰＡＣＥ相连,信号调理板通过一个标准接插件与ｄＳＰＡＣＥ相连。
基于该原型进行了多次硬件在环仿真试验,对汽车的工作模式切换、燃料电池的开关控制等控制逻辑进行了验证和改进。
实车道路试验是对快速整车控制器原型进行全面真实的测试,并且比较各种控制策略的能量效率和动力特性,为整车控制器ＥＣＵ的研究积累了经验。
图10所示为某次道路行驶试验的结果。在第10ｓ的时候,燃料电池系统启动成功。由于此时蓄电池ＳＯＣ比较高(大致为60%),对锂离子蓄电池充电的电压需求超出了主ＤＣ/ＤＣ转换器的安全工作范围,所以能量管理策略是优先使用燃料电池系统的功率,即使燃料电池系统有富裕的功率,也不对锂离子蓄电池充电。这一点很容易从Ｐｂ曲线看出。在第2252ｓ的时候,燃料电池系统发生故障,整车控制系统关闭燃料电池系统,进入蓄电池纯电动工作模式,顺利地返回到出发地点。
对蓄电池ＳＯＣ比较低的情况下的能量管理策略也进行了相关的道路试验。试验结果如图11所示。此时,锂离子蓄电池的ＳＯＣ大约为30%,开路电压只有390Ｖ左右。在混合动力工作模式下,如果当前需求功率比较小,燃料电池系统就用富裕的功率给蓄电池充电(10Ａ左右);如果当前需求功率比较大,燃料电池系统首先满足驾驶员的功率需求,当燃料电池系统的功率不足以满足驾驶员功率需求时,则由蓄电池开始输出功率以满足驾驶员的功率需求。
5 结论
开发的整车控制系统,在国家863重大专项“燃料电池城市客车”项目中得到了实际的应用。截至2003年底,其第一轮样车的试验平台车已在北京市郊区运行了2000多ｋｍ。基于台架试验的硬件在环仿真和实车道路行驶试验证明整车控制系统是可行的、可靠的。
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