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原文传递基于出行工况预测的全功率燃料电池汽车控制策略研究

论文题名：	基于出行工况预测的全功率燃料电池汽车控制策略研究
关键词：	全功率燃料电池汽车;燃料电池系统;空气供给系统;控制策略;出行工况预测
摘要：	本文以全功率燃料电池汽车为研究对象，考虑到燃料电池系统的动态响应特性，对燃料电池系统空气供给系统控制策略进行研究，最后基于出行路线的预测工况等信息，完成了整车能量管理策略的优化，提升了整车经济性。　　首先，本文依据燃料电池工作原理对燃料电池系统各核心部件进行建模，包括电堆模型以及空气供给系统模型等，经过验证所建立的模型可以正确模拟不同电流请求下的电堆的输出功率以及压缩机的功率消耗。同时基于所建立的燃料电池系统模型得到了燃料电池输出特性曲线用于后续整车能量管理策略研究。　　然后，本文针对建立的燃料电池系统模型研究空气供给系统的控制策略。在不同的负载电流请求下，空气供给系统压缩机需要向电堆提供适当压力和流量的空气，保证电堆内部化学反应顺利进行。压缩机提供的入堆空气流量可以用氧气过量比表征，考虑到压缩机等附件的功率消耗问题，本文发现在不同大小负载电流请求下空气供给系统均对应一个最优氧气过量比，在最优氧气过量比下，燃料电池净输出功率可以达到最优。于是本文通过标定得到不同大小的负载电流对应的最优氧气过量比并将其作为空气供给系统的控制目标，针对空气供给系统设计了PID、MPC以及ADRC三种控制算法，经过比较发现ADRC控制算法在负载电流请求发生阶跃的情况下，氧气过量比超调量更小，压缩机工作效率相对更高，控制效果良好。　　其次，本文考虑到负载电流请求大幅度阶跃变化时，压缩机工作点有可能超出喘振包络线，压缩机发生喘振现象并对压缩机自身以及燃料电池电堆造成损害，本文通过引入背压阀开度控制，将压缩机工作点很好的控制在了安全区域内。　　然后，本文进行了基于出行工况预测的整车能量管理策略研究。首先针对传统功率跟随策略进行了改进，在整车驱动功率分配时优化燃料电池需求功率的分布，优化燃料电池开启以及关闭的间隔时间，并对需求功率变化率进行限制，同时为避免空气系统响应滞后于负载电流变化速度，将整车需求功率信号分为高频功率信号和低频功率信号，由燃料电池承担低频需求功率，动力电池承担高频需求功率。　　最后，本文选取了一条出行路线并对其出行路况信息进行预测，根据预测得到的工况信息用于本文提出的改进能量管理策略，同时基于预测工况信息，保证空气供给系统压缩机在工况迅速变化之前可以提前供气，进一步减小氧气过量比超调量，优化压缩机工作点分布，提高压缩机工作效率，结果表明本文提出的基于工况预测的能量管理策略不仅解决了燃料电池频繁开启关闭以及需求功率变化率过快的问题，而且有效的提升了燃料电池系统输出功率在高效率区间的分布情况，相比较与传统的功率跟随策略，燃料电池系统平均工作效率提升了4.69%，有效的提升了整车经济性能。
作者：	高玉坤
专业：	车辆工程
导师：	李建华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022