燃料电池电动汽车控制系统研究

燃料电池电动汽车控制系统研究与设计1
谢长君
（武汉理工大学自动化学院， 武汉 430070）
摘 要：燃料电池电动汽车因其节能低排放发展前景十分看好。

本文研究了燃料电池电动汽车控制系统，提出了多能源混合动力系统的方案，引入分层递阶智能控制思想，对控制系统进行了分析，并通过比较车载三种能源，对多能源能量管理策略进行了研究和优化。

关键词：燃料电池电动汽车 ；控制系统；多能源混合动力系统；分层递阶智能控制；能量管理策略
1．概述
作为公路交通运输的主体，传统汽车正面临环境保护和能源危机的严峻挑战，发展电动汽车已是相当迫切的要求了。

目前电动汽车分为三种：纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车[1]。

其中采用燃料电池作主要电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车，即Fuel Cell Electric Vehicle(FCEV)。

汽车界人士认为燃料电池具有燃料效率高，质量能量大，功率大，供电时间长，使用寿命长，可靠性高，噪声低及不产生有害排放物等优点，而基于燃料电池的电动汽车是汽车工业的一大革命，是21世纪真正的纯绿色环保车，是最具实际意义的环保车种，也是今后电动汽车发展的方向[2]。

2．燃料电池电动汽车控制系统
燃料电池电动车动力系统实际上是一个多能源混合动力系统，包括燃料电池发动机、镍氢电池包、DC/DC变换器、电机系统以及超级电容等多种零部件，其系统结构框图见图1。

从分布式分层控制系统的角度描述燃料电池电动汽车的控制系统，实现其拓扑分离和功能分离，具体来说采取了分层递阶的智能控制方案，这在第3节将具体描述；从能量流动以及功率分配的角度，燃料电池、镍氢电池以及超级电容3种能量源共同作为整车的动力来源，其中燃料电池通过主DC/DC转换器，超级电容通过副DC/DC转换器变换后与镍氢电池包并网，共同提供整车高压。

燃料电池作为主能源，镍氢电池和超级电容作为辅助能源，3者作为整车能源系统在汽车的各种状态下各自扮自不同的角色，其能量的合理分配是整车控制系统的关键，这将在第4节具体描述。

3．分层递阶智能控制
1基金项目：湖北省科技攻关项目（20051g0004c）。

3.1 三层式递阶智能控制结构
智能控制系统具有分层的递阶结构，一般有三层，即组织层、协调层和执行层。

这些层次是按“精度递增伴随智能递减”的原则构造的，所以完全不同于大系统的分层递阶控制。

燃料电池电动汽车分层递阶智能控制系统结构图见图2。

其中组织层的智能最高，它包括驾驶员解释器、整车动力性控制决策器以及能量管理优化器。

其中驾驶员解释器完成驾驶员操作信息的采集、学习以及解释；整车动力性控制决策器完成整车动力扭矩的计算以及决策输出；能量管理优化器完成整车各种能量的合理分配。

协调层是高智能的组织层和低智能的执行层之间的接口，其基本任务是把组织层的信息调度到执行层。

燃料电池控制器、电机控制器、DC/DC转换器、电池管理系统以及高压配电系统等都属于协调层的范畴。

组织层与协调层采用光纤CAN总线通信，大大增强了抗干扰能力。

执行层是分层递阶智能控制的最低层，它的智能最低但精度最高。

它主要完成数据的检测和采集，以及执行相应协调层的控制命令，并及时反馈当前的状态信息。

3.2 组织层
在整车系统中，组织层扮演着核心角色，属于智能最高的中央处理器范畴，它统筹规划全局，协调各部件使得整车的动力性及经济性最优。

驾驶员解释器是基于驾驶员的输入信号和当前的车况对驾驶员意图进行解释，由此得到驾驶员转矩命令图。

整车动力性控制决策器则根据驾驶员解释器的输出信号及当前车况和各能源的状态进行转矩的限定输出，二者作为一个整体，其结构框图见图3。

如图3所示，根据驾驶员踏板位置以及当前转速及电池SOC值（SOC=State Of Charge）得到电机的转矩输出值，此输出值作为能量管理优化器的输入，能量管理优化器则根据车载三种能源的状态对能量进行合理分配，同时对电机扭矩进行二次限定，得出最终扭矩给电机控制器，从而驱动车轮行驶。

4．能量管理优化策略
4.1 三种能源的特点及功能
整车三种能量源各自具有相应的特点，其中燃料电池作为主能源，持续输出功率大，但是由于特性偏软，故要结合DC/DC转化器转换为稳定的直流高压输出；镍氢电池作为主要的辅助能源，动力性好，能瞬间输出大电流，并且可以提供燃料电池启动所需能量；由于镍氢电池瞬间输出大电流能力有限，而且过大的放电电流会导致电池性能的大大恶化，还有更重要的一点就是其充电电流过大会大大降低电池的寿命，故整车配置了超级电容，并且其能量可以通过副DC/DC变换器控制，这样在大电流输出阶段，超级电容可以和镍氢电池一并输出大电流，更为关键的是在再生制动阶段，超级电容可以回收大电流，大大减小对镍氢电池的伤害[3]。

4.2 整车工作模式
在驾驶员意图解释器的基础上，优化控制汽车各零部件，以实现驾驶员的驾驶意图。

整车控制系统一方面要使三种能源工作在合适的工作模式下，同时还要实现整车能量效率的优化控制。

整车正常工作模式有纯电动模式和混合动力模式，在此只考虑混合动力工作模式，即三种能源都参与动作。

按照汽车的行驶状况，分为六种基本工作状况，即起步工况、加速与超车工况、巡航工况、减速与制动工况、倒车工况和驻车工况，动力系统的基本工作模式包括起步模式、加速模式、减速模式、巡航模式、制动能量回馈等模式。

4.3 能量管理策略
在整车性能和控制仿真中，根据驾驶员踏板指令、车速及道路循环建立起燃料电池输出功率与电机功率分配随电池SOC变化的MAP图，采用FUZZY控制方法，进行能量的动态分配，形成燃料电池电动汽车的控制策略[4]。

在能量分配原理方面采用MAP图控制与模糊控制相结合的综合控制原理，在稳态工况下主要采取MAP图控制，在动态过程（如加速过程）中，采用模糊逻辑控制，确定混合驱动情况下三种能源的分配关系。

在能量管理策略的制定执行过程中，镍氢电池的SOC显得尤为重要。

SOC值反映了电池当前的性能，根据SOC值及汽车目前所处的模式可确定当前三种能源的工作状况，具体见表1所示。

表1 三种能源在不同SOC值下的状态
F -- 燃料电池 F00 -- 燃料电池启动 F01 -- 燃料电池怠速（输出功率维持自身工作）
F11 -- 燃料电池发电
N -- 镍氢电池 N00 -- 镍氢电池充放电基本平衡 N01 — 镍氢电池放电
N11 — 镍氢电池充电
C -- 超级电容 C00 -- 超级电容不工作 C01 — 超级电容放电
C11 — 超级电容充电
5．创新点
本文的创新点在于设计了燃料电池电动汽车控制系统，通过引入分层递阶智能控制思想，实现了燃料电池车的整车智能控制；通过对车用三种能源的比较以及对整车工作模式的分析基础上，提出了智能能量管理策略，并在质子交换膜燃料电池电动汽车上得到了应用，达到了良好的控制效果，基本形成了具有自主知识产权的控制系统雏形。

参考文献：
[1] 邵杰．电动汽车燃料电池和驱动系统的发展．汽车电器，2000
[2] 黄倬，屠海令等．质子交换膜燃料电池的研究开发与应用．北京冶金工业出版社，2000
[3] 程树康，崔淑梅．混合动力电动汽车能量匹配的仿真研究．高技术通讯，2001
[4] 何彬等．燃料电池动力系统硬件在环仿真开发．微计算机信息，2004年第20卷第10期 75－79页
The research and design of fuel cell electric vehicle control
system
XIE Chang-jun, QUAN Shu-hai, DU Chuan-jin
(College of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)
Abstract
The prospect of Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) is very good for it has high efficiency and little emission .In this paper, The author has designed FCEV control system and brought forward the precept of hybrid electrical system The author analyzes the control system by applying the layered-step intelligent control, and besides, designs and optimizes the strategy of energy management by comparing three energy sources in the vehicle.
Keywords: Fuel Cell Electric Vehicle ；control system；hybrid electrical system；layered-step intelligent control；the strategy of energy management
作者简介：谢长君(1980-)，男，湖北荆门人，武汉理工大学自动化学院助教，汽车工程在读博士，主要从事电动汽车控制系统研究，E-mail：jackxie1218@。