燃料電池汽車動力總成控制策略

鐘再敏，魏學哲，孫澤昌

(同濟大學汽車學院，上海200092)

摘要：討論了燃料電池汽車的動力總成負載均衡、動力蓄電池充電態閉環控制、燃料電池發動機功率的預測調節，以及電機回饋制動控制策略等問題；解析了動力總成控制器的算法實現，并示例性地給出了實車轉鼓探測結果。探測結果聲明，針對電電混合動力總成提出的基本控制策略能充足考慮動力總成各組成部件的動力和經濟特性，具有一定的實用價值。

傳統內燃機汽車動力總成是通過燃燒將儲存在燃油內的化學能轉化為機械能輸出，而燃料電池轎車動力總成則是通過所謂的冷燃燒反應，首先將化學能轉化為電能，然后通過驅動電機將電能轉化為機械能輸出，或反過來通過電機的回饋制動功能將汽車行駛的動能轉化為電能儲存起來。因此，燃料電池汽車動力總成的控制有許多特有的命題需要深入開展理論和實驗研究。本文著重從控制原理的角度對其中的幾個問題展開討論，最后結合某型燃料電池轎車動力總成的開發，簡單解析前述控制策略的算法實現和實車轉鼓探測結果，對所提出的控制策略進行驗證。

1電電混合燃料電池汽車動力總成方案

現階段，車載燃料電池發動機的冷車啟動、動態應和慢和回饋制動能的儲存三方面問題的存在，決定了燃料電池汽車動力總成配置中非得有一個車載輔助儲能部件。現有燃料電池概念車中通常采用超級電容或動力蓄電池包完成上述輔助儲能功能。依據不同技術特征，儲能元件有高能量型和高功率型之分。一般來說，動力蓄電池有高功率型和高能量型的區別，而超級電容基本均作為高功率型儲能部件使用。

圖1給出了某型燃料電池轎車動力總成中采用的動力蓄電池作為輔助儲能元件的電電混合燃料電池汽車動力總成原理結構圖。

在上述動力總成結構中，采用電流閉環控制的DC/DC變換器與蓄電池包并聯，將燃料電池發動機的電能輸出變換到動力蓄電池包的電壓等級，共同為電機及其驅動控制器供電。DC/DC變換器一方面作為燃料電池發動機的負載運行，另一方面作為電源與動力蓄電池包并聯工作。該系統中功率動態分配主要通過控制如下3個控制參數實現：

(1)燃料電池發動機的輸出功率上限。該值決定了給定時刻動力總成中化學能轉化成電能的能力。燃料電池發動機的當前輸出功率受當前燃料電池發動機的工作溫度、氫/氧供應量等諸多工作條件的影響，而其中一些條件的改變表現為大慣性特性。因此，燃料電池發動機的瞬時功率輸出能力由其當前工作狀態決定，這就體現為發動機的輸出功率上限。

(2)DC/DC變換器的輸出功率。該功率代表了單位時間內動力總成中化學能實際轉化成電能的多少。在前述燃料電池發動機輸出功率限制下，發動機實際輸出功率大小是由DC/DC變換器控制的，而DC/DC變換器的功率輸出的動態應和要比燃料電池發動機快得多。

(3)電機及逆變器的輸出功率。電機及逆變器的輸出體現了電能與機械能相互轉化的速度。電驅動狀態下，電能轉化成機械能輸出；回饋制動模式下，機械能轉化成電能儲存到動力蓄電池包中。

2動力總成控制基本原理及實現

動力總成控制的基本原理就是依據駕駛員的指令輸入，協調動力總成各主要部件共同工作，調節各環節能量轉換的速率大小與方向，在兼顧經濟性指標的前提下，實現駕駛員期待的動力性能。該控制功能的可靠實現主要依靠如下幾方面詳盡控制策略的實行。

2.1燃料電池發動機的負載均衡策略

電電混合的燃料電池汽車具有多種電能供應裝置，汽車的瞬時負載要怎么樣合理地分配到不同的能源裝置上，就是通常所說的負載均衡策略。實用的負載均衡策略是在考慮動力總成部件特性、能源經濟性等諸多影響因素的基礎上提出的。

在圖1給出的動力總成結構圖中，因為DC/DC變換器采用恒流控制，因此動力蓄電池包瞬時功率完全取決于電機逆變器所需直流功率和DC/DC變換器的輸出功率之差。因為電機逆變器的輸出基本趨勢是跟隨駕駛員的操縱指令變化的，所以，該動力系統中負載均衡主要是通過調節DC/DC變換器的輸出功率實現的。

在負載均衡策略中，電機負載大小是計算DC/DC變換器輸出功率的主要根據，目前常用的算法主要有慣性濾波和加權滑動均勻算法2種。前者是通過調節燃料電池發動機的輸出功率以滿足車輛行駛阻力中的慢變分量需求，而后者是通過調節發動機的輸出功率來平衡車輛行駛過程中均勻阻力，以達到期待的經濟性。

在樣車動力總成控制器采用的加權滑動均勻算法中，將逆變器的輸出功率在過去給定時間內的加權滑動均勻值，作為DC/DC變換器的電流設定根據。在加權滑動均勻計算中，最近的數據權值相對大一些；隨著數據變老，其權值變小。

2.2電池充電態的閉環控制

電電混合的燃料電池汽車中的輔助供電部件(動力蓄電池包或者超級電容)的作用基本可以歸納為如下2種：提供附加瞬時功率(auxiliary power unit，APU)，增加續駛里程(range extender，RE)。而輔助供電部件的充電狀態(state of charge，SOC)的閉環控制目標對于APU和RE有很大的不同。一般來講，對于APU部件主要是保證其始終保持在最佳的充電態，這樣才能保證隨時可以提供所需的附加瞬態功率輸出或吸收盡可能多的回饋制動能量；而作為RE使用的輔助供電部件充電態的控制往往更多考慮效率盡可能地高，避免能量的不必要轉換，因此對RE的充電態干預不如APU強烈。

動力總成控制算法的任務之一就是依據既定的SOC控制目標，保證期待的SOC值。但SOC的調節非得通過電池實際電流大小來實現，因此踐行中采用了圖2中給出的SOC和電流的閉環控制結構。

前面提到了，動力蓄電池包和電機逆變器之間電壓耦合的結果使得電池實際電流跟隨電機負載變化，因此對于電池電流閉環控制來講，電機負載是作為擾動引入到被控制對象(動力總成)上。在樣車踐行中增加了電機負載擾動(逆變器電流輸入)測試，并通過抗干擾前饋控制環節補償電池電流控制器的精度和調節速度。

2.3燃料電池發動機功率的預測調節

燃料電池發動機負載均衡策略給出了燃料電池發動機和DC/DC變換器系統當前輸出功率的設定大小。但是，燃料電池發動機的實際輸出功率還非得考慮燃料電池發動機當前準許輸出功率的限制，即燃料電池發動機的瞬時輸出功率能力限制了其實際輸出功率。因此，在保證經濟性的前提下，為了提高燃料電池發動機的輸出應和速度，可以在動力總成控制算法中通過預測調節，依據負載變化趨勢提前調節發動機功率設定，從而提高燃料電池發動機的負載跟隨能力。

在踐行中，采用了依據加速踏板微分補償和負載均衡算法輸出超前控制2種預測調節環節。前者主要是從駕駛員的加速動作來判斷其加速意圖，在驅動電機負載電流變化之前就對燃料電池發動機的工作狀態進行干預，從而改進整車的動力性；后者給出的燃料電池發動機功率預期值體現了既定的負載均衡策略，但正如前面討論過的，該預期值要受到燃料電池發動機當前準許輸出功率的限制，不能得到完全執行。但是，通過這里的負載均衡算法輸出超前控制，可以對發動機當前準許輸出功率進行干涉和預測調節，達到有效提高動力性能的目的。

2.4回饋制動控制辦法

具有能量儲存部件的電動車具有一個傳統汽車不具有的回饋制動特性，就是可以通過電機的電能回饋功能在制動過程中將汽車的動能轉化為電能儲存到能量儲存部件中，以實現制動能的回收，達到節能的目的。

回饋制動的強度可以通過控制電機加以控制。現有的電動車回饋制動的操作控制有2種主要方式，一種是通過加速踏板控制，另一種是通過制動踏板控制。前者主要是考慮到目前汽車的制動系統依然以機械方式為主，而回饋制動和機械制動機構的協同工作需要對制動踏板進行較大的改動，因此，目前電機驅動的電動車大多采用一個電子加速踏板同時控制電機的加速和回饋制動；后者主要使用在一些安裝了電助力制動裝置的汽車上，但其控制和實現都比較復雜，可靠性也是非得考慮的問題，因此尚未得到推廣。

在通過加速踏板控制回饋制動強度的使用中，一般選用加速踏板開始的一段區間作為回饋制動控制行程，依此控制回饋制動強度。該控制辦法可操作性好，簡單實用，但缺點是加速過程中踏板非得首先通過回饋制動行程，不符合傳統內燃機汽車的駕駛習慣，駕駛員的主觀感覺不好。

在樣車踐行中，筆者提出了僅通過加速踏板控制回饋制動強度的辦法。與傳統控制辦法不同的是，該控制辦法不設回饋制動行程，而是通過測試駕駛員放開加速踏板的速度通過滑動加權均勻來控制回饋制動強度，再結合當前車速、輔助儲能部件的當前充電態等狀態信息控制電機回饋制動強度。該控制辦法的優勢是能夠體現駕駛員的制動意圖，模擬了傳統內燃機汽車發動機倒拖的狀態；缺點是不能精確控制回饋制動強度，但這可以通過認真的標定匹配工作加以彌補。

2.5動力總成控制算法的實現及驗證

結合某型燃料電池轎車的研制開發，參照前面討論的燃料電池轎車動力總成控制原理，就完成了動力總成控制器的實現。其基本結構原理圖如圖3所示，駕駛員的指令輸入和動力總成狀態觀測器的輸出共同傳給動力總成狀態調控模塊(powertrain state controller，PTSC)，由能量均衡控制模塊(energy balancing controller，EBC)依據PTSC的輸出調節動力總成狀態，實現既定的控制策略。

前面討論到的燃料電池發動機負載均衡策略、充電態的閉環調節、電機回饋制動控制等算法均聚集到PTSC中實現，而電池電流閉環控制、電機負載擾動前饋控制、燃料電池發動機功率的預測調節等策略則主要由EBC完成。

當然，上述控制功能只是動力總成控制器功能的一部分，其他一些必要的診斷、測試和狀態維護等功能是動力總成控制器基本功能。比如PTSC的緊要功能之一就是維護并實現如圖4所示的動力總成驅動模式狀態轉移圖。

圖5給出了上述控制策略在某型燃料電池轎車實車轉鼓探測中，載荷交替變化時負載均衡控制結果。其中，DC/DC的電流輸出即代表了燃料電池發動機的實際輸出功率，電機電流為車輛實際負載，而電池電流實際值體現了輔助能源的充放電狀態。

由圖5可以看出，實驗結果基本實現了既定的動力總成控制策略。在實驗中，電機電流輸出始終跟隨駕駛員的指令，如圖2中描述的，該電機電流實際值以擾動量的形式引入到動力總成中。在負載均衡算法控制下，燃料電池發動機和動力蓄電池作為APU使用時，分擔電機負載電流中不同頻率分量，在保證整車動力性的前提下兼顧整車的經濟指標，并保持動力總成始終處于最佳工作狀態。

3結論

本文重點討論燃料電池汽車的動力總成控制中特有的一些問題，系統比較了現有的主要技術路線，也提出很多獨有的處理方案，并給出踐行中采用的可行性算法。詳盡涉及動力總成負載均衡、動力蓄電池充電態閉環控制、燃料電池發動機功率的預測調節，以及電機回饋制動控制策略等方面問題的解。樣車轉鼓探測結果聲明，將上述控制策略和相應的控制算法使用于踐行當中可以取得滿意的控制效果，對類似開發工作有一定的參考價值。

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