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原文传递燃料电池汽车动力系统控制技术研究

论文题名：	燃料电池汽车动力系统控制技术研究
关键词：	燃料电池汽车;汽车动力系统;动力蓄电池;状态观测器;状态反馈;系统控制;优化管理策略;功率平衡;平衡控制;经济性;系统功率;统数学模型;控制算法;动力总成控制系统;设计;燃料电池发动机;汽车动力总成;能量管理策略;控制理论;仿真分析
摘要：	燃料电池汽车是最近十年来清洁汽车领域的研究热点之一，由于高效率、零排放等突出优点，被认为最有希望替代内燃机汽车成为下一代公路运输工具的主流。本文以国家“863”计划燃料电池轿车专项及其动力总成控制系统子课题为背景，重点针对电-电混合燃料电池汽车动力系统控制问题进行深入的理论和应用研究。动力系统控制是燃料电池汽车的核心技术之一。对于电-电混合燃料电池汽车动力系统这样一个具有多能源的复杂动态系统来讲，优化控制和容错控制是动力系统控制的两大主要任务。其中优化控制的目的在于提高系统稳定性和整车经济性，而容错控制的目的主要是提高系统可靠性。由于系统结构复杂，而且主要部件如燃料电池、动力蓄电池存在非线性和时变性，使得上述问题在设计过程中缺乏必要的理论依据，疲于基本控制实现而难于深入探索系统潜能。本文基于对所研究的电-电混合燃料电池汽车动力系统特性的深入理解和把握，运用现代控制理论的基本思想和设计方法，以提高动力系统控制稳定性和整车经济性为研究目标，重点就燃料电池汽车动力系统功率平衡控制算法和能量优化管理策略进行了深入的理论和应用研究。首先，建立了包括燃料电池发动机、DC/DC(直流/直流变换器，direct current/direct current convertor)、动力蓄电池、电机及其控制器在内的燃料电池汽车动力系统数学模型。基于根据系统结构和总体控制方案抽象出的等效电路模型，通过合理的简化和抽象，建立燃料电池发动机、DC/DC、动力蓄电池、电机及其控制器的数学方程式，采用最小二乘参数辨识方法确定数学方程式中的未知参数，从而建立了用于系统功率平衡控制算法设计的燃料电池汽车动力系统数学模型，实现了动力系统的解析描述。并以此为基础建立了燃料电池汽车的离线仿真模型。然后，运用现代控制理论中的状态反馈控制思想，提出了基于状态反馈的动力系统控制结构，在此控制结构的框架下，采用极点配置法设计了状态反馈矩阵；采用龙伯格状态观测器理论解决了部分状态变量物理不可测量的问题；采用卡尔曼滤波器理论实现了最优状态估计。从而形成了实用的基于状态反馈的燃料电池汽车动力系统功率平衡控制算法。采用三种典型循环工况进行离线仿真分析和实车转鼓试验验证，结果证明所设计的功率平衡控制算法很好的达到既定的控制目标，并且能够充分考虑整车动力性和经济性，具有很强的实用价值。文中提出了基于龙伯格状态观测器的车载辅助动力蓄电池SOC(荷电状态， state ofcharge)控制方法。基于系统数学模型，采用龙伯格状态观测器理论，解决了状态变量蓄电池开路电压在系统运行过程中物理不可测量的问题，从而使状态反馈成为可实现的控制律，以此为基础采用闭环反馈，实现了动力蓄电池 SOC的稳定控制与调节，从而形成了基于龙伯格状态观测器的车载动力蓄电池 SOC控制方法。文中通过理论和试验两个方面深入分析和论证了该方法用于车载动力蓄电池SOC控制的可行性和有效性。由于龙伯格状态观测器可以单独基于动力蓄电池模型建立，因此该方法的应用不局限于所研究的燃料电池汽车动力系统，对于其它具有辅助动力蓄电池的混合动力车辆同样具有实用价值。最后，进行了燃料电池汽车能量管理策略的经济性优化研究。针对电-电混合燃料电池汽车动力系统的一般结构形式，深入研究了其能量管理策略的经济性优化问题，提出了基于动态逻辑规则的燃料电池汽车能量优化管理策略，并通过离线仿真分析得到动态逻辑规则中优化的充放电刚度系数。实车转鼓试验验证证明，所提出的能量优化管理策略合理有效，能够在实现系统功率平衡控制和满足整车动力性的基础上，提高整车的经济性，对于电-电混合燃料电池汽车的经济性优化研究具有一定的借鉴意义。上述研究工作，现代控制理论的基本思想和方法贯穿于其中，整个过程经历了动态数学建模——模型参数估计——系统控制综合——离线仿真分析—— 实车试验验证的完整过程，各个环节前后衔接，实现了动力系统的解析描述、控制目标的量化表述、控制规律的解析设计，使本文最终形成了基于模型的、系统的燃料电池汽车动力总成控制系统设计方法，对于燃料电池汽车动力总成控制系统的设计和开发具有重要的指导意义和实用价值。关键词：燃料电池汽车，数学建模，功率平衡控制，状态反馈，能量优化管理策略
作者：	贠海涛
专业：	车辆工程
导师：	万钢;孙泽昌
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学汽车学院
学位年度：	2006
正文语种：	中文