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燃料电池动力系统硬件在环仿真开发

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燃料电池动力系统硬件在环仿真开发何彬邝志彬曹建文吴仕明He,bin Kuang,zhibin Cao,jianwen Wu,shiming[摘要] 建立了燃料电池硬件在环仿真系统平台,包括燃料电池动力系统各部件模型和控制系统底层软硬件平台,对多能源动力系统能量管理的不同控制算法进行了分析.硬件在环仿真系统在动力控制系统开发中得到了广泛的应用,并对恒压控制算法进行了台架试验、验证了硬件在环仿真系统的有效性.
关键字:燃料电池汽车; 动力总成控制; 硬件在环仿真HIL Simulation of Fuel Cell Vehicle Powertrain System[Abstract] With the built of powertrain model and hardware and software platform of powertrain controller, (HIL) simulation platform is developed. Different control strategies on the energy distribution of multi-power sources are studied. Application to the design of powertrain control system shows the powerful strength of HIL simulation system. Bench test results show the accuracy of HIL simulation model and the satisfactory performance of the constant voltage control strategy.
Keywords: Fuel Cell Vehicle; Powertrain control; HIL simulation
1 前言由于能量效率高,环境污染小,燃料电池电动车是未来汽车很有前途的发展方向.自20世纪90年代以来,由于人们对环境、能源问题的日益重视以及燃料电池技术的进展,燃料电池电动车的开发迅速推进、世界主要的汽车公司如戴姆勒-克莱斯勒等纷纷推出自己的燃料电池概念车,我国也在十五863项目中设立了燃料电池城市客车重大专项.
燃料电池辅与其他蓄能元件(蓄电池,超级电容等)、构成混合动力系统结构,可以降低系统成本,同时系统具有制动能量回馈功能,燃油经济性也得到一定的提高.但多能源的动力系统结构和燃料电池发动机本身的新颖和复杂性,给动力总成控制系统的开发带来了巨大的挑战.硬件在环仿真技术是了解系统物理机理的有效工具,并在控制系统的开发中发挥重要作用,可对其控制效果和控制逻辑进行基本验证、从而大大降低开发成本和试验强度,同时也极大地缩短了开发周期[1.
2 动力总成及其控制系统结构图1 燃料电池动力控制系统示意图燃料电池动力系统采用串连式混合动力结构,其能量流和信息流如图1所示.系统中各部件都具有独立的控制器,以对各部件的工作和调节进行精确和优化控制.同时,出于整个动力系统的动力性,经济性的优化考虑,系统中又引入了总成控制器,以对整个系统进行能量管理,功率分配及各部件的协调控制.总成控制器不面向实物部件,而是以各部件控制器为控制对象,属于上层控制;部件控制器直接面向实物部件,通过具体的可执行量去控制部件工作,属于底层控制.这种系统布置和控制方案体现了多级分布式控制系统的思想.分布式控制系统由于控制器较多,因而各控制器间信息交换需求增大,在考虑系统能量分配的同时,还必须对系统的信息流进行有效管理;该系统控制器间的数据通讯采用了CAN总线网络协议以满足实时控制的要求.
3 硬件在环仿真平台设计
3.1 仿真系统结构目前支持MatlabSimulink建模的实时仿真工具主要有三种:Matlab提供的底层软件驱动模块Real-Time Windows Target和xPC Target,dSPACE系统.前两者与各种通讯接口卡配合使用,成本底;但底层硬件,软件开发及实时监控的任务大,IO接口有限.dSPACE提供了集成的软硬件系统,丰富的IO接口,可配置实时监控平台,并生成独立运行的实时代码.本文选择dSPACE作为实时仿真的工具,将燃料电池动力系统模型及各部件控制器均置于dSPACE系统中.
动力控制系统硬件上使用了32位高端微控制器,以满足多能源动力系统控制算法的要求.由于燃料电池动力系统存在DC-DC变换器,电机逆变器和燃料电池发动机空气压缩机等强电干扰,控制器采用隔离,滤波,屏蔽等手段,进行了一系列电磁兼容设计:数字模块,CAN模块和SCI模块均进行电源隔离供电,其信号进行光电隔离和滤波处理;模拟量通过Butterworth二阶滤波处理.
动力控制系统软件上使用实时操作系统,按照OSEKVDX规范要求进行软件平台设计;开发了FLASH在线编程功能,使得控制器代码升级和数据标定变得非常方便;进行了控制器实时监控系统的开发,通过SCI串行通讯与上位机进行信息传输.
整个硬件在环仿真系统的结构如图2所示.图2 硬件在环仿真系统结构图
3.2 动力系统模型在MatlabSimulink平台上建立的动力系统模型如图3所示.燃料电池发动机模型主2要考虑了电堆的稳态特性和空气子系统的动态响应DC-DC变换器的建模基于其效率特性MAP图[ 5,由于其动态响应很快、模型中没有考虑;蓄电池模型由一个可变电压源和一个可变内阻串联而成[ 5;电机稳态模型基于其效率特性MAP图,动态模型由一阶惯性环节近似.
图3燃料电池动力系统模型
3.3 控制算法开发直接氢气燃料电池发动机污染物排放为零,燃料电池混合动力控制系统的目标是在满足加速性能的同时,提高燃油经济性,并保证燃料电池,蓄电池工作在允许的范围.
动力系统控制器首先根据司机的各种驾驶指令和各部件状态信息对动力系统工作模式进行判断、并在条件满足时进行模式间的平滑转换,保证系统安全可靠的运行、如图4所示.
图4 动力系统控制算法整体框架对于司机一定的功率需求,多能源的动力系统结构决定了需对能量进行合理,有效的分配、从而使燃料电池发动机和蓄电池工作在较优的状态.DC-DC变换器是能量分配控制的执行器,其控制方式分恒压源和恒流源两种控制方式.基于DC-DC的两种不同控制方式,下面对两种能量分配控制策略进行讨论.
恒压控制的基本思路如图5所示.在燃料电池发动机的输出功率小于Pmax时,DC-DC变换器输出始终恒定在某一预设电压U0;当DC-DC变换器输出功率达到对应于燃料电池最大功率点时,DC-DC变换器输出电压和电流成反比关系,输出功率保持恒定;当功率需求继续增加,由于DC-DC变换器的电流限制,输出功率下降很快.该方法控制简单,能量在发动机和蓄电池之间进行自动分配、母线恒定值限制了蓄电池的过放;但如果发动机的动态性能比较差,结果可能因保护作用使DC-DC频繁切断.
图5 恒压源控制策略示意图基于蓄电池SOC修正的在线分配控制采用了两级模式选择的控制方案.第一级模式选择为SOC模式选择,即是根据蓄电池的SOC状态选择优先充电模式,正常行驶模式或优先放电模式,在算法的具体实现上采用了容差控制的划分方法,如图6所示.
图6 基于容差控制的SOC模式划分
第二级模式选择为功率需求模式选择,对燃料电池发动机功率进行调节.燃料电池发动机功率调节值由总线功率,SOC模式及燃料电池动态特性共同确定,目标是调节燃料电池功率状态、尽量让燃料电池发动机工作在预期的优化状态、并使蓄电池同时工作在较优的状态.
4 HIL系统应用及试验验证硬件在环仿真系统在燃料电池动力控制系统开发中的应用主要体现在以下几个方面:
a. 控制系统底层软件平台的测试.对底层软件平台的内核任务调度OS模块,任务间通讯COM模块及外围通讯CAN模块,SCI模块和QADC模块等功能进行调试.
b. 控制系统故障诊断功能的检验.由于燃料电池混合动力系统的复杂性,完善的安全故障处理是保证燃料电池汽车安全,可靠运行的重要条件.这些故障处理包括蓄电池充放电电流过大,蓄电池SOC过低,燃料电池发动机和蓄电池工作温度过高,氢气泄漏等、硬件在环仿真系统可以方便地对各种故障进行模拟从而检验控制系统的可靠性.
c. 控制算法的检验、对控制参数进行初步优化,标定.图7为利用恒压控制算法进行硬件在环仿真和实际台架试验的结果对比、可见硬件在环仿真系统很真实地模拟了燃料电池动力系统的特性;DC-DC变换器等部件动态特性模型的完善将进一步提高仿真系统的精度.在恒压控制方式中、正常工作模式下,燃料电池发动机提供合适的功率以满足汽车的功率需求,同时提供一定的修正功率以保持蓄电池最佳工作区域;加速模式下,蓄电池提供瞬时辅助功率以满足加速性能的要求.
图7循环工况实验结果HIL 仿真台架试验
5 结论本文针对燃料电池混合动力系统复杂的控制系统结构,开发了动力系统硬件在环仿真系统,包括燃料电池动力系统模型和控制系统软硬件,能量管理控制算法.它作为动力系统控制器的开发调试平台,可以方便地模拟各种故障,对控制算法的效果进行迅速的检验.台架试验验证了硬件在环仿真系统仿真模型的精确性和控制算法的可行性;包括动态模型在内的动力系统模型的完善和控制算法的优化将进一步提高硬件在环仿真系统的水平.
参考文献[1] 朱辉、王丽清. 硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用. 设计计算研究[2] 何彬,卢兰光、欧阳明高. 车用燃料电池系统特性的仿真研究. 汽车工程[3] auxiliary power unit (APU) for automotive applications. IEEE Proceedings of Vehicular Technology Conferenc[4] K.H.Hauer, R.M.Moore andSRamaswamy. The hybridized Fuel Cell Vehicle Model of the University of California Davis. SAE SP[5] 周洁敏. 混合动力系统建模与仿真[硕士学位论文. 北京:清华大学汽车工程系,(2002)
作者简介:何彬男,籍贯:湖南郴州人、清华大学汽车工程系在读博士研究生,主要从事电动汽车方面的研究.
Authors brief Introduction: He Binmale, university, doctor candidate, his current research interests auto.清华大学汽车工程系) 何彬中国矿业大学(北京)) 邝志彬曹建文吴仕明时间s

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