燃料电池汽车阳极喷射系统控制策略开发

A版燃料电池汽车阳极喷射系统控制策略开发吴兵王丙龙马丽上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804【摘要】提出了在燃料电池汽车阳极系统采用阳极喷射器INJECTOR技术调节氢气流量的方案；利用计算机仿真技术，建立用4个凸轮控制阳极喷射器4个喷嘴的开启时刻及开启时间长度的控制策略及其仿真模型；仿真结果和实验数据相吻合，为燃料电池汽车供氢系统的发展提供参考，也为整车供氢系统控制策略开发储备了技术。【ABSTRACT】THEPROGRAMOFTHEAPPLICATIONOFPOSITIVEINJECTORTECHNOLOGYTOADJUSTHYDROGENFLOWINHYDROGENSUPPLYSYSTEMOFFUELCELLVEHICLEISPROPOSEDTHECONTROLSTRATEGYANDSIMULATIONMODELTHATUSESFOURCAMSTOCONTROLTHEOPENINGTIMEANDLENGTHOFTIMEOFFOURINJECTORSISESTABLISHEDTHERESUHISCONFORMEDWITHTHEEXPERIMENTALDATA，WHICHPROVIDESREFERENCEFORTHEDEVELOPMENTOFHYDROGENSUPPLYSYSTEMANDPREPARESTECHNOLOGYFORTHEDEVELOPMENTOFTHECONTROLSTRATEGYOFHYDROGENSUPPLYSYSTEM【关键词】燃料汽车喷射器控制策略DOI103969JISSN10074554201103O10引言燃料电池汽车行驶的路面状况、爬坡角度、载发，用好局部，全过程策划，分阶段实施的科学新理念。我们要把电动汽车产业纳入系统工程原理、规律和机制中求发展，充分引入自组织理论，使电动汽车科技与企业的成长、发展和演变，能进入自组织运行的产物，实现从无机到有机，从分散到集中，从简单到复杂，从单一到融合，从初级到高级，从无序到核心，从滞后到持续，从稳定到突破，充分体现出电动汽车产业应有的自适应性和进化论的价值。控制论是系统工程的重要方法论。控制论是一个系统为另一系统按照设定目标和状态进行的收稿日期201012134重量、速度及加速度等因素变化时，要求电堆的功率及供氢系统的氢流量不同。目前，国内在供氢系统流量调节方面的研究报道比较少。因此，本文提出在电堆阳极入口加阳极喷射器方案，并开规律性活动，控制的主体往往通过科学流、技术流、信息流，使被控的客体能达到设定目标，不同地区和企业可以按不同状态的要求，在施控中心信息不断反馈情况下，形成不同的指令体系，对不同对象实行多样化、分层次、递阶式的控制，达到电动汽车各阶段规划都能很好实施的优化效果。我们期望国家即将公布的新能源汽车产业发展规划20102020，能更多地进行系统工程的思索和安排，这对于实现规划的总体和细分化目标都有很大好处。陈光祖上海汽车201103发阳极喷射器4个喷嘴的打开时刻和喷嘴开启时间长度的控制策略，以实现氢流量的调节，满足汽车行驶时不同工况的需求，为燃料电池汽车供氢系统的发展提供参考，也为整车供氢系统控制策略开发储备了技术。1供氢系统及阳极喷射器燃料电池汽车的供氢系统主要由储氢气瓶、开关阀、减压阀、阳极喷射器等配合完成，如图1所示。储氢气瓶用来储存高压氢气，其中气体压力可高达35MPA甚至70MPA，其上附带压力传感器、电磁阀和温度传感器等元件以检测氢气的压力、温度等各项指标，保证用氢安全。开关阀是控制氢气输送到电堆的开关设备。当系统接收到供氢允许命令后，开关阀打开，储氢系统开始向电堆提供氢气；当系统收到停止供氢命令时，开关阀关闭，停止向电堆供氢。减压阀的作用是将储氢气瓶供给的高压氢气减压至电堆所需的氢气压力，通常采用分级减压方案。阳极喷射器由4个喷嘴并行组成。通过调节4个喷嘴的开启时刻和开启时间长度，能调节氢气流量，调节电堆的功率，以满足燃料电池汽车行驶过程中不同工况的需要。电堆的作用是使阳极的氢气与阴极的空气反应，生成水并释放能量，给燃料电池汽车提供动力。堡量HH垦H塾墨H皇图1供氢系统简图阳极喷射器的简图如图2所示。喷射器主要由4个喷嘴并行组成。各喷嘴上均有控制信号的输入端口。4个喷嘴的工作状态分别由各自的控制信号决定，但喷射器出口的总流量与4个喷嘴的工作状态有关。喷射器能实现调节气体流量的工作原理是4个控制信号输送到4个喷嘴，分别控制其打开、打开时间、关闭。控制信号为脉冲信号。脉冲为高电平1时，喷嘴打开；脉冲为低电平0时，喷嘴关闭。控制信号的脉冲宽度代表喷嘴的打开时间长度。控制信号的频率代表喷嘴的打开上海汽车201103次数。信号的脉冲越宽、频率越大，则喷嘴的打开时间越长，喷射器出口的流量越大；反之，信号的脉冲越窄、频率越小，喷射器出口的流量小。在本文中，4个喷嘴脉冲信号的频率随时间任意变化，而脉冲宽度保持不变。匦噩T图2阳极喷射器简图2控制策略喷嘴2喷嘴3喷嘴421控制目标实现单个喷嘴打开频率变化，而打开时间宽度保持不变；实现4个喷嘴分别在一个周期的0、T4、T2、3T4处打开，其中为变化的值。因此，对应到控制信号时，各个喷嘴的脉冲信号频率须随时间任意变化，而脉冲信号的宽度随时问保持不变；4个喷嘴的脉冲信号在一个周期的0、T4、T2、3T4处相继变为高电平，其中为变化的值。22控制策略采用AMESIM软件提供的信号库、机械库，建立4个喷嘴的控制信号策略，如图3所示。该策略主要包括自定义数据输入元件、比例元件、凸轮元件、滤波元件、常量、函数、输出端口。4个信号输出端口1、2、3、4分别接4个喷嘴信号输入端口1234凸轮元件的作用是，生成脉冲频率随时间变化的脉冲信号。原理是，定义凸轮上椎子位移为脉冲轨迹，为最大值是1的轨迹，由位移传感器输出凸轮的位移信号，位移信号最大值为1，该信号为脉冲信号。自定义数据输入元件的作用是自定义信号频率，使脉冲信号的频率随时间变化。比5图3阳极喷射器控制信号的模型例元件的作用是将输入乘以转化系数，将频率转化为凸轮转速。滤波元件的作用是，将信号值大于1的值过滤成1，信号值小于0的值过滤为0，以调整信号为标准的脉冲信号。常量元件的作用是设置脉冲宽度值。函数元件的作用是定义脉冲宽度与频率之间的关系。4个凸轮机构的初始相位依次为0、一2、一叮、一3R2，陆续相差RR2，从而实现4个脉冲信号在一个周期的0、T4、T2、3T4处相继变为高电平。凸轮的转速输入为随机信号。脉冲宽度设置为定值10MS，从而整个过程中脉冲宽度为定值。3仿真与实验31仿真模型为研究喷射器系统的特性，建立阳极喷射器系统的仿真模型，如图4所示。仿真模型包括气源、阳极喷射器、阳极喷射器控制信号、压力表、流量计、流量计信号、负载节流器。仿真步长设置为0001S，仿真时间设置为20S。气源气体设置为氮气，气源压力为027MPA，其它元件的压力默认为标准气压值，01MPA。4个喷嘴的控制信号如图4左下方所示，其原理同图3所示，其中转速设置为随时间阶梯递增的斜坡信号。流量计信号的作用是精确模拟实际流量计的原理。在模型的右端，建立了节流负载器。鉴于AMESIM元件库中的流量计是按步长读取数值，也即每个步长运行结束都能输出对应时6匦巫要一一T图4喷射器仿真模型刻的流量值。而实验中的流量计是按每100MS积分取算术平均值读取数据。在图4模型中的流量计处，设计了精确模拟实验流量计的分段积分取算术平均值环节。分段积分取算术平均值环节主要包括积分元件、脉冲信号元件、比例元件、采样元件、输出端口。积分元件的作用是将AMESIM提供的流量计数据在100MS内积分。脉冲信号元件的作用是建立积分时间，100MS，也即积分元件在每个100MS内重新积分。比例元件的作用是将每个100MS内积分得到的值除以100，得到算术平均值。采样元件的作用是将该算术平均值取出。因此，通过上述各元件的配合，能实现精确模拟实际流量计的工作。在设计脉冲信号以建立分段积分时间处，信号的脉冲周期为100MS，高电平脉冲宽度为99ILLS。原因是，在脉冲信号中，一个脉冲的结束与下一个脉冲的开始之间须存在时间间隙，才能达到分段的目的。99MS与100MS几乎近似，因此可以近似地认为积分器是按100MS积分。在积分元件的输出端，采用比例元件，计算99MS内积分输出值的算术平均值，并将流量单位从GS转化为LMIN。在比例元件输出端，采样元件每隔100MS将该算术平均值取出。在采样元件输出端，其数据为每间隔100MS的流量数据。32仿真结果与实验结果对比仿真结果和实验结果如图5所示，图中的横坐标为时间T，单位为S；纵坐标为流量Q，单位为上海汽车2OL103霜LMIN。图中平滑曲线1表示喷嘴出口的流量随时间变化的实验数值；折线2表示喷嘴出口的流量随时间变化的仿真值。从图5中可以看出，实验结果和仿真结果均表明，阳极喷射器出口的流量随着时间的增加而增大。原因是，随着时间的增加，在实验中，喷嘴的打开频率逐渐增加，而每次打开的时间长度保持不变。因此，喷嘴出口的流量逐渐增大。在仿真模型中，凸轮转速逐渐增加，也即喷嘴打开频率随着时问逐渐增加，阳极喷射器的出口流量逐渐增加。实验值和仿真值吻合得很好。言图5喷射器出口流量特性在仿真的初始阶段，特性曲线2上有个较大的值，表明开始阶段的流量非常大，与实验值不一致。原因是，在仿真的初始阶段，气源压力为027MPA，流量计处管子的压力为默认值01MPA，二者压差较大，因此，导致开始阶段的气体流量大；而实验的流量计反应时间比较长，因此，初始阶段的大流量值没显示。在仿真模型中，随着管子内气体增多，管子处的压力迅速升高，并与气源处的压力相差较小，管子的流量迅速恢复到接近实验值，如图曲线2所示。在本文的实验和仿真中，阳极喷射器4个喷嘴的打开频率逐渐增大，每次打开的时间长度保持不变，阳极喷射器出口的流量逐渐增大。如果使4个喷嘴的打开频率任意变化，也即自定义喷嘴的打开频率，同时保持喷嘴每次的打开时间长上海汽车2011O3度，能实现喷射器出口的流量按自定义的流量变化；改变打开时间长度，能调节流量变化。因此，阳极喷射器能很好地实现调节供氢系统氢气流量，以调节电堆功率，满足燃料电池汽车不同行驶工况的需要。4结语燃料电池汽车行驶的路面状况、爬坡角度、载重量、速度及加速度等因素变化时，要求电堆的功率及供氢系统的氢流量不同。本文提出了燃料电池阳极人口采用喷射器调节氢气流量的方案；建立了用4个凸轮控制阳极喷射器4个喷嘴的开启时刻及开启时问长度的控制策略及其AMESIM模型；仿真结果和实验数据项吻合，为燃料电池汽车供氢系统的开发研究提供理论参考，也为整车供氢系统控制策略开发储备了技术。参考文献1陈全世，仇斌，谢起成，等燃料电池电动汽车M北京清华大学出版社，2005，520602SABINEP，MARIONP，ANDREASJMETHODSFORSTATEOFCHARGEDETERMINATIONANDTHEIRAPPLICATIONSJJOURNALOFPOWERSOURCE，2001，961131203AHMADAP，STEVEB，MATTHEWKANAPPROACHFORDESIGNINGTHERMALMANAGEMENTSYSTEMSFORELECTRICANDHYBRIDVEHICLEBATTERYPACKSFORPRESENTATIONATTHEFOURTHVEHICLETHERMALMANAGEMENTSYSTEMSCONFERENCEANDEXHIBITIONCLONDON，19994AND