鐘再敏，魏學(xué)哲，孫澤昌

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海200092)

摘要：討論了燃料電池汽車的動力總成負(fù)載均衡、動力蓄電池充電態(tài)閉環(huán)控制、燃料電池發(fā)動機(jī)功率的預(yù)測調(diào)節(jié)，以及電機(jī)回饋制動控制策略等問題；介紹了動力總成控制器的算法實(shí)現(xiàn)，并示例性地給出了實(shí)車轉(zhuǎn)鼓測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，針對電電混合動力總成提出的基本控制策略能充分考慮動力總成各組成部件的動力和經(jīng)濟(jì)特性，具有一定的實(shí)用價值。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車動力總成是通過燃燒將儲存在燃油內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(yīng)，首先將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，或反過來通過電機(jī)的回饋制動功能將汽車行駛的動能轉(zhuǎn)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試驗(yàn)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(jié)合某型燃料電池轎車動力總成的開發(fā)，簡單介紹前述控制策略的算法實(shí)現(xiàn)和實(shí)車轉(zhuǎn)鼓測試結(jié)果，對所提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

1電電混合燃料電池汽車動力總成方案

現(xiàn)階段，車載燃料電池發(fā)動機(jī)的冷車啟動、動態(tài)響應(yīng)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必須有一個車載輔助儲能部件。現(xiàn)有燃料電池概念車中通常采用超級電容或動力蓄電池組完成上述輔助儲能功能。根據(jù)不同技術(shù)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(qū)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(jié)構(gòu)圖。

在上述動力總成結(jié)構(gòu)中，采用電流閉環(huán)控制的DC/DC變換器與蓄電池組并聯(lián)，將燃料電池發(fā)動機(jī)的電能輸出變換到動力蓄電池組的電壓等級，共同為電機(jī)及其驅(qū)動控制器供電。DC/DC變換器一方面作為燃料電池發(fā)動機(jī)的負(fù)載運(yùn)行，另一方面作為電源與動力蓄電池組并聯(lián)工作。該系統(tǒng)中功率動態(tài)分配主要通過控制如下3個控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)：

(1)燃料電池發(fā)動機(jī)的輸出功率上限。該值決定了給定時刻動力總成中化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的能力。燃料電池發(fā)動機(jī)的當(dāng)前輸出功率受當(dāng)前燃料電池發(fā)動機(jī)的工作溫度、氫/氧供應(yīng)量等諸多工作條件的影響，而其中一些條件的改變表現(xiàn)為大慣性特性。因此，燃料電池發(fā)動機(jī)的瞬時功率輸出能力由其當(dāng)前工作狀態(tài)決定，這就體現(xiàn)為發(fā)動機(jī)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(nèi)動力總成中化學(xué)能實(shí)際轉(zhuǎn)化成電能的多少。在前述燃料電池發(fā)動機(jī)輸出功率限制下，發(fā)動機(jī)實(shí)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(tài)響應(yīng)要比燃料電池發(fā)動機(jī)快得多。

(3)電機(jī)及逆變器的輸出功率。電機(jī)及逆變器的輸出體現(xiàn)了電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的速度。電驅(qū)動狀態(tài)下，電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能輸出；回饋制動模式下，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能儲存到動力蓄電池組中。

2動力總成控制基本原理及實(shí)現(xiàn)

動力總成控制的基本原理就是根據(jù)駕駛員的指令輸入，協(xié)調(diào)動力總成各主要部件共同工作，調(diào)節(jié)各環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)換的速率大小與方向，在兼顧經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)駕駛員期望的動力性能。該控制功能的可靠實(shí)現(xiàn)主要依賴如下幾方面具體控制策略的實(shí)施。

2.1燃料電池發(fā)動機(jī)的負(fù)載均衡策略

電電混合的燃料電池汽車具有多種電能供應(yīng)裝置，汽車的瞬時負(fù)載如何合理地分配到不同的能源裝置上，就是通常所說的負(fù)載均衡策略。實(shí)用的負(fù)載均衡策略是在考慮動力總成部件特性、能源經(jīng)濟(jì)性等諸多影響因素的基礎(chǔ)上提出的。

在圖1給出的動力總成結(jié)構(gòu)圖中，因?yàn)镈C/DC變換器采用恒流控制，因此動力蓄電池組瞬時功率完全取決于電機(jī)逆變器所需直流功率和DC/DC變換器的輸出功率之差。因?yàn)殡姍C(jī)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(tǒng)中負(fù)載均衡主要是通過調(diào)節(jié)DC/DC變換器的輸出功率實(shí)現(xiàn)的。

在負(fù)載均衡策略中，電機(jī)負(fù)載大小是計算DC/DC變換器輸出功率的主要依據(jù)，目前常用的算法主要有慣性濾波和加權(quán)滑動平均算法2種。前者是通過調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)動機(jī)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(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的輸出功率來平衡車輛行駛過程中平均阻力，以達(dá)到期望的經(jīng)濟(jì)性。

在樣車動力總成控制器采用的加權(quán)滑動平均算法中，將逆變器的輸出功率在過去給定時間內(nèi)的加權(quán)滑動平均值，作為DC/DC變換器的電流設(shè)定依據(jù)。在加權(quán)滑動平均計算中，最近的數(shù)據(jù)權(quán)值相對大一些；隨著數(shù)據(jù)變老，其權(quán)值變小。

2.2電池充電態(tài)的閉環(huán)控制

電電混合的燃料電池汽車中的輔助供電部件(動力蓄電池組或者超級電容)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(xù)駛里程(range extender，RE)。而輔助供電部件的充電狀態(tài)(state of charge，SOC)的閉環(huán)控制目標(biāo)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(tài)，這樣才能保證隨時可以提供所需的附加瞬態(tài)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(tài)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(zhuǎn)換，因此對RE的充電態(tài)干預(yù)不如APU強(qiáng)烈。

動力總成控制算法的任務(wù)之一就是根據(jù)既定的SOC控制目標(biāo)，保證期望的SOC值。但SOC的調(diào)節(jié)必須通過電池實(shí)際電流大小來實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)踐中采用了圖2中給出的SOC和電流的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

前面提到了，動力蓄電池組和電機(jī)逆變器之間電壓耦合的結(jié)果使得電池實(shí)際電流跟隨電機(jī)負(fù)載變化，因此對于電池電流閉環(huán)控制來講，電機(jī)負(fù)載是作為擾動引入到被控制對象(動力總成)上。在樣車實(shí)踐中增加了電機(jī)負(fù)載擾動(逆變器電流輸入)檢測，并通過抗干擾前饋控制環(huán)節(jié)補(bǔ)償電池電流控制器的精度和調(diào)節(jié)速度。

2.3燃料電池發(fā)動機(jī)功率的預(yù)測調(diào)節(jié)

燃料電池發(fā)動機(jī)負(fù)載均衡策略給出了燃料電池發(fā)動機(jī)和DC/DC變換器系統(tǒng)當(dāng)前輸出功率的設(shè)定大小。但是，燃料電池發(fā)動機(jī)的實(shí)際輸出功率還必須考慮燃料電池發(fā)動機(jī)當(dāng)前允許輸出功率的限制，即燃料電池發(fā)動機(jī)的瞬時輸出功率能力限制了其實(shí)際輸出功率。因此，在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下，為了提高燃料電池發(fā)動機(jī)的輸出響應(yīng)速度，可以在動力總成控制算法中通過預(yù)測調(diào)節(jié)，根據(jù)負(fù)載變化趨勢提前調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)功率設(shè)定，從而提高燃料電池發(fā)動機(jī)的負(fù)載跟隨能力。

在實(shí)踐中，采用了根據(jù)加速踏板微分補(bǔ)償和負(fù)載均衡算法輸出超前控制2種預(yù)測調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。前者主要是從駕駛員的加速動作來判斷其加速意圖，在驅(qū)動電機(jī)負(fù)載電流變化之前就對燃料電池發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)，從而改進(jìn)整車的動力性；后者給出的燃料電池發(fā)動機(jī)功率預(yù)期值體現(xiàn)了既定的負(fù)載均衡策略，但正如前面討論過的，該預(yù)期值要受到燃料電池發(fā)動機(jī)當(dāng)前允許輸出功率的限制，不能得到完全執(zhí)行。但是，通過這里的負(fù)載均衡算法輸出超前控制，可以對發(fā)動機(jī)當(dāng)前允許輸出功率進(jìn)行干涉和預(yù)測調(diào)節(jié)，達(dá)到有效提高動力性能的目的。

2.4回饋制動控制方法

具有能量儲存部件的電動汽車具有一個傳統(tǒng)汽車不具有的回饋制動特性，就是可以通過電機(jī)的電能回饋功能在制動過程中將汽車的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存到能量儲存部件中，以實(shí)現(xiàn)制動能的回收，達(dá)到節(jié)能的目的。

回饋制動的強(qiáng)度可以通過控制電機(jī)加以控制。現(xiàn)有的電動汽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(tǒng)仍然以機(jī)械方式為主，而回饋制動和機(jī)械制動機(jī)構(gòu)的協(xié)同工作需要對制動踏板進(jìn)行較大的改動，因此，目前電機(jī)驅(qū)動的電動汽車大多采用一個電子加速踏板同時控制電機(jī)的加速和回饋制動；后者主要應(yīng)用在一些安裝了電助力制動裝置的汽車上，但其控制和實(shí)現(xiàn)都比較復(fù)雜，可靠性也是必須考慮的問題，因此尚未得到推廣。

在通過加速踏板控制回饋制動強(qiáng)度的應(yīng)用中，一般選用加速踏板開始的一段區(qū)間作為回饋制動控制行程，依此控制回饋制動強(qiáng)度。該控制方法可操作性好，簡單實(shí)用，但缺點(diǎn)是加速過程中踏板必須首先通過回饋制動行程，不符合傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的駕駛習(xí)慣，駕駛員的主觀感覺不好。

在樣車實(shí)踐中，筆者提出了僅通過加速踏板控制回饋制動強(qiáng)度的方法。與傳統(tǒng)控制方法不同的是，該控制方法不設(shè)回饋制動行程，而是通過檢測駕駛員放開加速踏板的速度通過滑動加權(quán)平均來控制回饋制動強(qiáng)度，再結(jié)合當(dāng)前車速、輔助儲能部件的當(dāng)前充電態(tài)等狀態(tài)信息控制電機(jī)回饋制動強(qiáng)度。該控制方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠體現(xiàn)駕駛員的制動意圖，模擬了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車發(fā)動機(jī)倒拖的狀態(tài)；缺點(diǎn)是不能精確控制回饋制動強(qiáng)度，但這可以通過認(rèn)真的標(biāo)定匹配工作加以彌補(bǔ)。

2.5動力總成控制算法的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

結(jié)合某型燃料電池轎車的研制開發(fā)，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(shí)現(xiàn)。其基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示，駕駛員的指令輸入和動力總成狀態(tài)觀測器的輸出共同傳給動力總成狀態(tài)調(diào)控模塊(powertrain state controller，PTSC)，由能量均衡控制模塊(energy balancing controller，EBC)根據(jù)PTSC的輸出調(diào)節(jié)動力總成狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)既定的控制策略。

前面討論到的燃料電池發(fā)動機(jī)負(fù)載均衡策略、充電態(tài)的閉環(huán)調(diào)節(jié)、電機(jī)回饋制動控制等算法均集中到PTSC中實(shí)現(xiàn)，而電池電流閉環(huán)控制、電機(jī)負(fù)載擾動前饋控制、燃料電池發(fā)動機(jī)功率的預(yù)測調(diào)節(jié)等策略則主要由EBC完成。

當(dāng)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、檢測和狀態(tài)維護(hù)等功能是動力總成控制器基本功能。比如PTSC的重要功能之一就是維護(hù)并實(shí)現(xiàn)如圖4所示的動力總成驅(qū)動模式狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖5給出了上述控制策略在某型燃料電池轎車實(shí)車轉(zhuǎn)鼓測試中，載荷交替變化時負(fù)載均衡控制結(jié)果。其中，DC/DC的電流輸出即代表了燃料電池發(fā)動機(jī)的實(shí)際輸出功率，電機(jī)電流為車輛實(shí)際負(fù)載，而電池電流實(shí)際值體現(xiàn)了輔助能源的充放電狀態(tài)。

由圖5可以看出，試驗(yàn)結(jié)果基本實(shí)現(xiàn)了既定的動力總成控制策略。在試驗(yàn)中，電機(jī)電流輸出始終跟隨駕駛員的指令，如圖2中描述的，該電機(jī)電流實(shí)際值以擾動量的形式引入到動力總成中。在負(fù)載均衡算法控制下，燃料電池發(fā)動機(jī)和動力蓄電池作為APU使用時，分擔(dān)電機(jī)負(fù)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并保持動力總成始終處于最佳工作狀態(tài)。

3結(jié)論

本文重點(diǎn)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(tǒng)比較了現(xiàn)有的主要技術(shù)路線，也提出很多獨(dú)有的解決方案，并給出實(shí)踐中采用的可行性算法。具體涉及動力總成負(fù)載均衡、動力蓄電池充電態(tài)閉環(huán)控制、燃料電池發(fā)動機(jī)功率的預(yù)測調(diào)節(jié)，以及電機(jī)回饋制動控制策略等方面問題的解。樣車轉(zhuǎn)鼓測試結(jié)果表明，將上述控制策略和相應(yīng)的控制算法應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中可以取得滿意的控制效果，對類似開發(fā)工作有一定的參考價值。