燃料电池电动车整车控制器研究

1、第26卷第5期2004年5月武汉理工大学学报JOURNAL OF W UHAN UN I VERSI T Y OF TECHNOLOG Y V o l .26N o.5M ay 2004燃料电池电动车整车控制器研究吴友宇,谢长君,张成才,杨菊芳(武汉理工大学信息工程学院,武汉430070摘要:介绍了燃料电池电动车整车控制系统的组成,分析了整车控制器的作用,详细讨论了踏板及档位处理方法。提出了基于模糊逻辑控制理论的驾驶控制策略和能量流管理策略,并设计了一个基于D SP 的带光纤接口的整车控制器硬件系统。装车试验表明控制器软硬件设计合理,取得了满意的控制效果。关键词:燃料电池电动车;整车控制器;模

2、糊逻辑;策略;D SP中图分类号:U 469.72文献标识码:A 文章编号:167124431(20040520077203Study on Veh icle Con troller of Fuel Cell Electr ica l Veh icleW U Y ou 2y u ,X IE Chang 2jun ,ZH A N G Cheng 2ca i ,YA N G J u 2f ang(Schoo l of Info r m ati on Engineering ,WU T ,W uhan 430070,Ch ina Abstract :T h is paper introduces t

3、he constructi on of contro l system in fuel cell electrical veh icle (FCEV .T he functi ons of the veh icle contro ller are analyzed .T he p rocessing m ethod of pedal and stepp ing s w itch is discussed indetail.Based on fuzzy logic contro l theo ry ,the strategies of steering contro l and pow er f

4、low m anagem ent are put fo r w ard .T he veh icle contro ller hardw are is based on D SP and is designed w ith an op tical fiber interface .T he experi m ent show s that the hardw are design of veh icle contro ller is reasonable and the result of the contro l is satisfying .Key words :fuel cell ele

5、ctrical veh icle ;veh icle contro ller ;fuzzy logic ;stategy ;digital signal p rocessing收稿日期:2004201219.基金项目:湖北省重大科技攻关项目(2003AA 103B .作者简介:吴友宇(19632,女,副教授.E 2m ail :w uyouyu 1sina .com1燃料电池电动车控制系统燃料电池和蓄电池共同驱动的电动车称为燃料电池电动车1(FCEV :fuel cell electric veh icle 。在FCEV 中,燃料电池作主电源,蓄电池为辅助电源。燃料电池电动车控制系统框图见图1

6、。它由整车控制器、燃料电池发动机、镍氢电池包、驱动系统、车轮等部件组成,各部件通过CAN (con tro ller area netw o rk 总线2,3组成一个分布式控制系统,信号传输介质为光纤。FCEV 的主电源是燃料电池发动机4,它由燃料电池本体和DC DC 变换器组成。燃料电池本体的特性较软,即FC 输出电压随负载变化较大,经大功率的DC DC 可转换成稳定、可控的直流电源。FCEV 的辅助电源为镍氢电池包,其作用是:1在燃料电池启动时提供电能;2FCEV 加速或爬坡时提供电能;3在FCEV 再生制动时回收制动反馈能量3;4停车时为控制系统、照明系统、等车载电气设备提供电能。燃料电

7、池发动机和镍氢电池包并联组成一个288V 的高压直流电源。驱动系统由电机(含减速器和电机控制器组成。电机控制器DM OC 445与电机构成的驱动系统类似于传统的车用发动机,它设置为恒扭矩(恒电流工作方式。燃料电池电动车控制系统的工作过程如下:操纵踏板信息u p 经踏板挡位处理模块处理后,转换成驱动系统的扭矩给定量u 3m ,u 3m 与实际扭矩u m 的偏差e m 输入模糊逻辑控制器FL C (fuzzy logic con tro ller ,FL C 是一个驾驶策略控制器,其输出u i 原本可以直接去控制驱动系统的扭矩,但由于车上有燃料电池和镍氢电池2个电源,因此必须根据u i 的大小和2

8、个电源的当前状况确定能量流向及2个电源的分配比例,并实现配比控制,这一工作由能量流管理模块实现。最终将能量流管理模块的输出u 3i 作为DM OC 445的电流给定信号去控制电机驱动电流(控制驱动系统扭矩,直到扭矩偏差e m =0为止 。图1燃料电池电动车控制系统框图2整车控制器2.1整车控制器的组成及工作原理整车控制器ECU (electrical con tro l un it 由踏板档位处理、操纵控制策略FL C 和能量流管理3个模块组成。与传统的车辆一样,整车控制系统并不是一个转速 车速闭环控制系统,而是一个扭矩闭环控制系统。系统根据驾驶员操纵的踏板、挡位转换开关和再生制动选择开关三者

9、共同控制电机的电流。挡位转换开关实现挡位划分,用于设置加速时扭矩权重系数。再生制动选择开关是一个单刀双掷开关,当开关扳向ON ,选择再生制动(将电动车的动能和势能再生转化为电能储存在蓄电池中3,替代汽车制动时将车辆的动能和势能转化成热耗散,可对电机反馈能量进行回收,电机对蓄电池充电;扳向O FF ,选择机械制动,用于在湿滑的路面上行驶使用AB S 制动,提高行驶的安全性。当挡位转换开关一定时,用踏板信息u p 控制电机的电流,从而达到控制电机输出扭矩。驾驶员根据负荷、道路情况及车速表读数调整“踏板位置”以获得期望的车速,整车控制器则协助驾驶员实现驾驶意图。故整车控制器的主要作用是:1根据驾驶员

10、操纵的踏板信息实现车辆的运动控制;2根据负荷大小,以及燃料电池发动机和镍氢电池包的状态,对能量流向及分配比例实施控制。重点介绍整车控制器操纵控制策略FL C 模块及能量流管理模块。2.2操纵控制策略F LC 模块使用的踏板与传统踏板有很大的区别,该踏板将加速、制动和怠速操纵集成一体。操纵控制策略是一个驾驶操纵专家系统,它总结操纵FCEV 的经验,用模糊逻辑推理方法来实现。FCEV 的加速、减速特性、稳速特性与扭矩和扭矩变化速率是密切相关的,采用传统手法,用扭矩偏差e m 及其变化率e m c 构成一个二维模糊逻辑控制器FL C 来实现操纵控制策略。具体实现方法是采用结构简单、实施方便、 在线运

11、行速度快的解析式图2驱动、制动过渡过程87武汉理工大学学报2004年5月法5来表述模糊控制规则。图2为驱动、制动过渡过程示意图,图2中u 3m d 和u 3m b 为扭矩给定值,u m d 和u m b 为实际驱动、制动扭矩,驱动、制动扭矩偏差分别表示为e m d =u m d -u 3m d 和e m b =u 3m b -u m b ,驱动、制动扭矩偏差变化率分别表示为e m cd =e m cd (k -e m cd (k -1和e m cb =e m cb (k -e m cb (k -1。由于u m d 的值越大驱动扭矩越大,而u m b 则正好相反,值越小制动扭矩越大;因此扭矩偏差

12、e m d 和e m b 定义不同,前者为实际值减给定值,后者为给定值减实际值;这样定义可使驱动和制动控制策略具有某种相似性,便于理解、分析和使用。操纵控制策略FL C 框图见图3,e m 、e m c 经量程转换和整量化后得到EM 和EM C ,经算法运算得到控制量U K ,U K 再经判决得到控制量的增量u i ,积分u i 得到控制量u i 。图3操纵控制策略FL C 结构框图驱动、制动模糊控制算法均采用公式法,其算法为U K =EM +(1-EM C 式中,取值0.40.6,偏差大时取=0.4,偏差中等时取=0.5,偏差小时取=0.6。式中没有对U K 进行取整运算,这样做可使控制作用

13、更细腻一些。图4能量流控制流程图2.3能量流管理模块多能源系统中,为合理调配电能设置了能量流管理模块。依据负荷和各能源状况,FCEV 能量流管理流程见图4,由SO C 分档、工作模式判别、能量配比、配比控制等4个模块组成。SO C 分档:SO C (state of charge ,荷电状态是一个反映电池剩余电量的参数。镍氢电池包ECU 采用安时法测量SO C ,测量结果通过CAN 总线传输到整车控制ECU 。能量流管理模块则将SO C 模糊化为1、2、10等10档或10个单点模糊集。图5整车控制ECU 结构框图FCEV 工作模式划分为4种:启动加速 爬坡模式,燃料电池发动机和镍氢电池都为主能

14、量流;正常工作模式,燃料电池发动机为主能量流,镍氢电池为辅助能量流;镍氢电源充电模式,在轻载期间,燃料电池发动机在向电机提供所需的能量的同时向镍氢电池充电;减速 制动模式,镍氢电池回收再生制动能量3。能量配比:按其工作模式的不同,两电源对负载承担的具体份额不同,即各工作模式的具体配比方案不同;其配比总原则是:让镍氢电池处于最佳状态,即SO C 在5、6两档,在这种状态下镍氢电池能吞能吐,有利于提高整车效率。配比控制模块:以分配给镍氢电池的份额为约束条件,调节燃料电池发动机的输出功率,将镍氢电池电流控制在配额值。3整车控制ECU整车控制ECU 由TM S 320L F 2407D SP 6为核心

15、组成,其结构框图见图5。TM S 320L F 2407系嵌入式微控制器,嵌入有8路10位ADC 、CAN 总线控制器。ADC 0用于转换踏板机械位移为数字量,CAN 总线用于和其它ECU 交换信息,CAN 总线的传输介质为<=1mm 的塑料光纤,CAN 网络拓扑结构为星形。数字量输入信号D I :挡位、制动、倒车、风格、巡航、方向机等;数字量输出信号DO :DC 345电源控制、DC 345使能、DM OC 445电源控制、DM OC 445使能。4结语将整车控制器用于燃料电池电动车,该车各主要部件参数:燃料电池发动机输出功率25k W ;镍氢电池包:12A h 、288V ;DC D

16、C 变换器:连续功率25k W 、峰值功率60k W 、输出电压范围100400V ;电机:25k W ,最大驱动电流132A (直流侧,电机控制器参数与电机配套。整车扭矩的控制周期为50m s ,能量流的控制周期为20m s 。整车控制器装车后进行了相关试验,系统起、制动特性良好,配比控制精度即镍氢电池的充、放电流偏差±5A ,满足整车技术指标要求。(下转第83页97第26卷第5期吴友宇,等:燃料电池电动车整车控制器研究作用下的系统仿真通用离散相似仿真算法:第1步根据同时递推求和公式,求取F (T 、G (T 和G a (T ;第2步求取G b (T 、G c (T ;第3步判断U

17、 (t 类型;第4步根据U (t 类型选择离散相似仿真模型式(3、或式(5、或式(6、或式(7,计算X (k +1,k =0,1,2,;第5步根据式(4计算Y (k 。如果给定系统的传递函数模型,则要先化为状态方程模型再按上述各步进行仿真。如果系统式(1是病态系统2,3,则在计算F (T 、G (T 和G a (T 时,还要采取折半加倍措施1。5结语不同类型决策输入下的离散相似仿真模型具有统一形式,并且F (T 、G (T 和G a (T 采用同时递推求和算法,提高了离散相似仿真算法的有效性,并保证了很高的仿真精度。该算法还可以推广应用于不同类型输入下的病态系统高精度仿真。参考文献1孙增圻,袁

18、曾任.控制系统的计算机辅助设计M .北京:清华大学出版社,1988.2T ien D Bui .So lving Stiff D ifferential Equati on in the Si m ulati on of Physical System s J .Si m ulati on ,1990,29(5:6774.3王侃,张金隆.动态系统的病态反应J .武汉理工大学学报,2003,25(10:6064.(上接第79页参考文献1Sun L iqing ,Sun Fengchun ,Chen Yong .T he D esign and T rial M anufacture of Fuel Cell Car P ro to type A .T he 19thInternati onal Battery ,H ybrid Fuel Cell E lectric V eh icles Sympo sium &Exh ibiti on C .Ko rea :I JA T ,2002.7279.2邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计M .北京:北京航空航天大学出版社,1996.3Sco tt Paul B ,M azaika D avid M .H ybrid 2electric Fuel Cell Bus T est and D emonstrati on A