混合燃料电池汽车的能量消耗监控策略



混合燃料电池汽车的能量消耗监控策略

燃料电池汽车一方面能够回收再生制动能量提高车辆效能，另一方面其传动系统中附加的能量模块有利于减少能量消耗和能量分配最优化。能量管理系统（Energy Management System, EMS）作为上层控制策略分配燃料电池和储能系统（本文中为锂电池组）的输出能量，具有极为重要的作用。

利用VEHLIB搭建两种模型：正向模型根据驾驶员输入得到最终输出车速，计算得到各车辆状态变量，可用于验证系统动力学和控制规则；反向模型用于优化控制策略，如根据所需车速得到异步电机目标电流值。电池模块中，充电状态（State of Charge）定义为累积能量与最大能量的比值，对于混合动力汽车，该值在40%～80%之间。聚合物交换膜（PEM）燃料电池模型基于CEA半经验公式，包括空气、氢气和冷却子系统等，其中空气回路对燃料电池系统的动态响应有着重要影响。该模型中空气回路元件只考虑压缩机和燃料电池阴极，主要参数为阴极压强和空气流量，最终得到两者的非线性关系公式。

为了控制非线性动力学系统，采用基于线性状态反馈观测器的非线性控制规则。根据平面度理论，将阴极压强与空气流量作为状态变量，使得系统转化为线性动力学系统，且其中所有变量均为可控、可观测（全线性系统）。考虑到在总能量和充电系数范围内减少氢气消耗量，根据反转模型得到燃料电池输出能量，基于Pontryaguin最大值原理并采用汉密尔顿函数（Hamiltonian Function）对动态系统进行优化。

对研究内容进行仿真分析，选取新欧洲驾驶循环（NEDC）作为测试工况。试验结果表明，燃料电池空气循环采用非线性控制规则后，控制变量阴极电压和空气流量与参考值之间误差极小，验证了优化算法的有效性。

Ramon da Fonseca et al. 2012 12th International Conference on Control, Automation and Systems.

编译：张为荣