CN1883981A - 一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法 - Google Patents

一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法，属于燃料电池汽车研发技术领域。整车控制器根据司机的驾驶意图(钥匙信号、油门踏板信号、制动踏板信号、档位信号)计算出电机的目标转矩，同时根据电机的转速，计算出电机的功率需求，整车控制器根据电机的功率需求和蓄电池的工作状态信号，得到燃料电池系统的目标输出功率的大小；整车控制器依据燃料电池输出功率与输出电压的关系，得到DC/DC变换器的目标输入电压，并将该指令送给DC/DC变换器。DC/DC变换器根据目标输入电压和实际输出电流进行PI闭环控制，从而实现对燃料电池系统输出功率的直接控制。本发明控制精度较高，响应速度较快；验证取得较好效果。

Description

一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法
技术领域
本发明涉及一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法，属于燃料电池汽车研发技术领域。
背景技术
由于燃料电池汽车具有运行噪声低、高效和零排放等优良性能被广泛认为是未来汽车工业的发展趋势，国家“十五”863计划专门设立了燃料电池轿车和燃料电池城市客车的项目，燃料电池汽车的研发已经成为推动我国汽车工业实现跨越式发展的重大举措。燃料电池汽车动力系统的相关技术是燃料电池汽车研发技术领域内的关键技术之一。
燃料电池动力系统是燃料电池汽车的核心部分，是决定燃料电池汽车整车性能的关键，也是其不同于传统内燃机汽车、蓄电池电动汽车以及油-电混合动力汽车的重要标志。一般来说，燃料电池汽车的动力系统主要由燃料电池系统(包括燃料电池电堆、燃料电池辅助设备以及燃料电池控制器等)、蓄电池(或超级电容)及其管理系统、电机及其电机控制器以及电力电子装置(如DC/DC变换器、逆变器、电子开关等)等组成。它使用高效(工作效率可达40％以上)、清洁(排放物为洁净的水)的燃料电池系统替代了效率较低且工作时会产生污染物排放的内燃发动机，并辅助以可以充放电的辅助动力装置——蓄电池(或超级电容等)，弥补了燃料电池系统峰值功率输出能力差、动态响应慢以及不能回收制动能量等缺陷。因此，如图1所示的燃料电池动力系统被广泛认为是未来汽车的理想的动力系统之一。
在图1所示的燃料电池动力系统中，燃料电池系统之后连接DC/DC变换器，而后与电机控制器相连接，通过电机控制器驱动电机工作；在DC/DC变换器与电机控制器相连接的直流母线上，并接蓄电池。在这种动力系统结构中，燃料电池系统作为主要的动力来源，而蓄电池作为辅助动力装置。DC/DC变换器在燃料电池动力系统中的作用是控制燃料电池系统的输出功率，进而达到合理分配燃料电池系统和蓄电池输出功率的目的。
目前的技术关键在于，如何通过DC/DC变换器来控制燃料电池系统的输出功率。通常的方法有两种：一种是通过控制DC/DC变换器的输出电压来控制燃料电池系统的输出功率。如图2所示，整车控制器根据司机的驾驶意图(钥匙信号、油门踏板信号、制动踏板信号、档位信号)计算出电机的目标转矩，同时根据电机的转速，计算出电机的功率需求，根据电机的功率需求和蓄电池的工作状态信号，得到燃料电池系统的目标输出功率的大小，同时依据蓄电池的工作状态，根据经验计算DC/DC变换器的目标输出电压，并将该指令送给DC/DC变换器。DC/DC变换器根据目标输出电压和实际输出电压进行PI闭环控制。如果燃料电池系统实际输出功率和目标输出功率相等，则执行下一步控制，否则重新计算DC/DC变换器的目标输出电压。这种控制方法，控制的响应时间比较快，可以达到几个毫秒到十几个毫秒；但控制精度较差，通过控制，燃料电池系统实际输出功率和目标输出功率之间差值在几个千瓦到十个千瓦之间；另一种控制方法是通过控制DC/DC变换器的输出电流来控制燃料电池系统的输出功率。如图3所示，整车控制器根据司机的驾驶意图(钥匙信号、油门踏板信号、制动踏板信号、档位信号)计算出电机的目标转矩，同时根据电机的转速，计算出电机的功率需求，根据电机的功率需求和蓄电池的工作状态信号，得到燃料电池系统的目标输出功率的大小，同时依据蓄电池的工作状态，根据经验计算DC/DC变换器的目标输出电流，并将该指令送给DC/DC变换器。DC/DC变换器根据目标输出电流和实际输出电流进行PI闭环控制。如果燃料电池系统实际输出功率和目标输出功率相等，则执行下一步控制，否则重新计算DC/DC变换器的目标输出电流。这种控制方法，控制的响应时间较前一种方法要慢，可以达到数十毫秒到数百毫秒；但控制精度较高，通过控制，燃料电池系统实际输出功率和目标输出功率之间差值在数百瓦到数千瓦之间；这两种控制方法都没有对燃料电池系统的输出功率进行直接控制。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种燃料电池系统的输出功率控制方法，通过控制DC/DC变换器的输入电压来控制燃料电池系统的输出功率。这种控制方法，响应时间达到几个毫秒到十几个毫秒之间，同时对燃料电池输出功率的控制误差达数十瓦。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：根据燃料电池系统输出功率和燃料电池系统输出关系，即根据燃料电池系统输出电压随燃料电池系统输出功率的增大而降低的特点和二者一一对应的关系，将燃料电池系统输出电压(也是DC/DC变换器的输入电压)作为控制量，从而实现对燃料电池系统输出功率的直接控制。
一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
第1步：整车控制器根据钥匙信号、油门踏板信号、制动踏板信号、档位信号计算出电机的目标转矩；
第2步：整车控制器根据电机的目标转矩和转速，计算出电机的功率需求；
第3步：整车控制器根据电机的功率需求和蓄电池的工作状态信号，得到燃料电池系统的目标输出功率的大小；
第4步：整车控制器依据燃料电池系统输出功率与输出电压的关系，得到DC/DC变换器的目标输入电压；
第5步：整车控制器将DC/DC变换器的目标输入电压指令送给DC/DC变换器，DC/DC变换器根据目标输入电压和实际输出电流进行PI闭环控制，从而实现对燃料电池系统输出功率的直接控制；
第6步：如果燃料电池系统实际输出功率和目标输出功率相等，整车控制器则执行下一步控制，否则重新计算DC/DC变换器的目标输入电压。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比有以下优点：1)本发明的车用燃料电池系统输出功率控制方法通过对燃料电池系统输出电压的控制进而实现对燃料电池系统输出功率的直接控制，控制精度较高，对燃料电池系统输出功率的控制误差达数十瓦；2)由于采用燃料电池系统输出电压(即DC/DC变换器的输入电压)作为控制参数，所以控制响应速度较快，响应时间达到几个毫秒到十几个毫秒之间。
附图说明
图1是车用燃料电池动力系统结构示意图。
图2是现有的一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法示意图。
图3是现有的另外一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法示意图
图4是本发明提出的车用燃料电池系统输出功率的控制方法示意图。
具体实施方式
参照图4，图4是本发明提出的车用燃料电池系统输出功率的控制方法示意图。一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法，该方法用DC/DC变换器来直接控制燃料电池输出功率的输出，具体表现为：在图1所示的燃料电池动力系统中，整车控制器根据司机的驾驶意图(钥匙信号、油门踏板信号、制动踏板信号、档位信号)计算出电机的目标转矩，同时根据电机的转速，计算出电机的功率需求，根据电机的功率需求和蓄电池的工作状态信号，得到燃料电池系统的目标输出功率的大小，依据燃料电池输出功率与输出电压的关系，得到DC/DC变换器的目标输入电压，并将该指令送给DC/DC变换器。DC/DC变换器根据目标输入电压和实际输出电流进行PI闭环控制，从而实现对燃料电池系统输出功率的直接控制。如果燃料电池系统实际输出功率和目标输出功率相等，则执行下一步控制，否则重新计算DC/DC变换器的目标输入电压。
根据本发明的一个实施例为：
一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
第1步：整车控制器根据钥匙信号、油门踏板信号、制动踏板信号、档位信号计算出电机的目标转矩；
第2步：整车控制器根据电机的目标转矩和转速，计算出电机的功率需求；
第3步：整车控制器根据电机的功率需求和蓄电池的工作状态信号，得到燃料电池系统的目标输出功率的大小；
第4步：整车控制器依据燃料电池系统输出功率与输出电压的关系，得到DC/DC变换器的目标输入电压；
第5步：整车控制器将DC/DC变换器的目标输入电压指令送给DC/DC变换器，DC/DC变换器根据目标输入电压和实际输出电流进行PI闭环控制，从而实现对燃料电池系统输出功率的直接控制；
第6步：如果燃料电池系统实际输出功率和目标输出功率相等，整车控制器则执行下一步控制，否则重新计算DC/DC变换器的目标输入电压。
本发明在国家“十五”863燃料电池城市客车的项目研制的燃料电池城市客车中进行验证，取得了较好的预期控制效果。

Claims (1)

1、一种车用燃料电池系统输出功率的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
第1步：整车控制器根据司机的钥匙信号、油门踏板信号、制动踏板信号、档位信号计算出电机的目标转矩；
第2步：整车控制器根据电机的目标转矩和转速，计算出电机的功率需求；
第3步：整车控制器根据电机的功率需求和蓄电池的工作状态信号，得到燃料电池系统的目标输出功率的大小；
第4步：整车控制器依据燃料电池系统输出功率与输出电压的关系，得到DC/DC变换器的目标输入电压；
第5步：整车控制器将DC/DC变换器的目标输入电压指令送给DC/DC变换器，DC/DC变换器根据目标输入电压和实际输出电流进行PI闭环控制，从而实现对燃料电池系统输出功率的直接控制；
第6步：如果燃料电池系统实际输出功率和目标输出功率相等，整车控制器则执行下一步控制，否则重新计算DC/DC变换器的目标输入电压。
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