（光学工程专业论文）基于dspace系统的燃料电池动力系统硬件在环仿真.pdf

摘要在世界能源和环境危机日益严峻的形势下，氢燃料电池电动汽车因具有能源来源广泛、较高的热效率和零排放特性而被认为是未来最有前景的替代车辆。由于燃料电池电动汽车动力系统采用电气连接加上控制策略比较复杂，所以电控系统成为燃料电池电动汽车的一项关键技术。由于传统的控制器开发方法开发效率低、开发周期长，人们迫切希望能找到一种全新的开发方法。这样，基于d s p a c e 的“v - c y c l e ”模式就诞生了。其过程包括功能设计与离线仿真、快速控制原型、代码自动生成、硬件在回路仿真和标定例试。本文就是采用d s p a c e 对整车控制器进行硬件在环仿真来在线检验整车控制器的控制性能，在开发的过程中尽早发现错误，缩短开发周期。建模是硬件在环的重要一步，重点难点也在此。本文首先对进行了燃料电池动力系统建模，具体包括燃料电池、蓄电池、电机、车轮以及整车模型。在建模的过程中先对各部件的工作原理、工作特性进行了分析、然后给出了数学模型，进而建立了s i m u l i n k 模型。为了验证模型的正确性并可以代码的形式下载到d s p a c e 中，作者先在模型中加入a d v i s o r 已有的控制策略，经调试后，让系统在m a t l a b 中进行了离线仿真，然后下载到d s p a c e 中进行仿真，最终保证了模型的可行性。最后，通过d s 2 2 1 0 接口板将控制器接入d s p a c e 系统中，在模型中引入r t i 模块并进行必要的设置从而解决了整车控制器和模型的通信问题。然后在c o n t r o l d e s k 中建立了监控界面，成功地实现了硬件在环仿真，并得到仿真结果。通过对仿真结果的分析，证明整车控制器性能良好，达到了预期的控制效果。关键词：燃料电池、电动汽车、动力系统、硬件在环仿真a b s t r a c tu n d e rt h es i t u a t i o no fm o r ea n dm o r es e r i o u se n e r g ya n de n v i r o n m e n te r i s i si nt h ew o r l d , n 圮f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) h a sb e e nc o n s i d e r e da st h eb e s ta l t e r n a t i v ev e h i c l ei nt h ef u t u r e ，b e c a u s ei th a sa b t m d a n tf u e l1 s o u r c e ，h i 曲e f f i c i e n c ya n dz e r oe m i s s i o n t oi n c r e a s et h eh i g h e s to u t p u t - p o w e r , e r l s u r et h ef u e lc e l le n g i n ew o r ks m o o t h l y ，a n dr e r s et h eb r a k ee n e r g y , s o m ef c e vu s eb a t t e r ya si t sa s s i s t a n te n e r g ys o u r c 它b e s i d e s t h ec o n n e e t i o nb e t w e e nt h ee n e r g ys o u n 瑚a n dt h em o t o ri sn o tt h r o u g hm e c h a n i s mb u te l e c t r i c ，s ot h e c o n t r o l l e ro ft h ef c e vb e c o m e sv e r yc o m p l e xa n da l s ob e c o m e sak e yt e c h n i q u e b e c a u s ed e v e l o p p i n gt h ef c e vc o n t r o l l e ru s i n gt h et r a d i t i o n a lm e t h o di sv e r yi n e f f i c i e n ta n dt h ed e v e l o p - c y c l ei sv e r yl o n g ，p e o p l ew a n tt of i n dan e ww a y t h e n ,t h e v - c y c l e ”m e t h o db a s e do nd s p a c ec o m e si n t ob e i n g t h e v - c y c l e ”i n c l u d e sf u n e t i o nd e s i g n i n ga n do f f - l i n es i m u l a t i o n , r a p i dc o n t r o lp i 吲矧 y i 跫，c o d ec r e a t i n ga n t o m a t i c l y , h i l s sa n dd e m a r c a t e t e s t 1 1 l i sa r t i c l ei sj u s tt oc a r r yo u th i l s sb yd s p a c et ov a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ef c e vc o n t r o l l e ro nl i n e i tc a l lh e l pf i n de i t o r sd u r i n gt h ec o n 廿o l l e rd e v e l o p m e n ta n dc o r r e c tt h ee i t o i 墨i nt i m e 。m o d e l l i n gi sai m p o r t a n ta n da h a r dp a r ti nt h eh i l s sp r o c e s s f i r s t , t h ea r t i c l ec r e a t e dt h em o d e lf o rt h ef c e vp o w e rs y s t e mi n c l u d i n gf u e lc e l le n g i n e n i m hb a t t e r y , m o t o r , w h e e la n dv e h i c l e i nt h ep e r i o do f m o d e l l i n g , t h ea r t i c l ea n a l y s e dt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co f t h ep a r t s ，c r e a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n ds i m u l i n km o d e l s t h e n , t h ea r t i c l ea d d e dt h ec o n 仃o lm o d e lf r o mt h ea d v i s o rt ot h eh i l sm o d e ld e b u gi t a n de n s u r et h a ti tc a nb ed o w n l o a d e dt ot h ed s p a c e i nt h ee n d , 1 1 塘c o n t r o l l e rw a sc o n n e c t e dt ot h ed s p a c et h r o u g ht h ed s 2 2 1 0b o a r d 1 f 1 圮r t im o d e l sw a sa l s oa d d e dt ot h em o d e l s o m ep a r a m e t e r sw e r es e t t e d a f t e rb u i l dt h ec o n t r o l d e s ki n t e r f a c e , t h eh i l s sc a nb es t a r t e d s o m eu s e f u ld a t ew a so b t a i n e d b ya n a l y z i n gt h ed a t a , i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e ri sg o o d k e yw o r d s ：f u e lc e l l ，e l e c t r i cv e h i c l e ，p o w e rs y s t e m ，h i l s武汉理工大学硕士论文1 1 前言第1 章绪论自1 8 8 6 年人类发明第一辆汽车以来，汽车工业在全世界范围内得到了飞速发展，极大地促进了人类社会的进步，深刻地改变了人类的生活方式，汽车工业发展的水平也成为衡量一个国家经济和科技实力的重要标志。预计到2 0 1 0 我国汽车的产量要达到1 0 0 0 万辆以上，汽车保有量是7 0 0 0 万辆左右。2 0 2 0 年的时候，总保有量1 5 亿辆，每年的产量会达到2 0 0 0 万辆。2 0 0 5 年全球汽车的保有量达到了8 亿辆，预计到2 0 2 0 年全球汽车保有量将达到1 2 亿辆“1 。如此庞大的汽车拥有辆将对世界能源和环境造成不可估量的压力。( b p 世界能源统计2 0 0 6 ) 的数据表明，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产4 0 年嘲。而传统汽车的燃料均来自于石油，因此未来几十年石油短缺将不可避免。此外，汽油燃烧的时候会释放出c o 、c 0 2 ，h c 和n o x 、s c h等有害气体；柴油燃烧的时候除了会释放出以上有害气体外，还会排放大量的微粒。众所周知，c 啦是造成温室效应的罪魁祸首，而汽车又是c 0 2 气体产生的重要来源；而c o 、h c 、n o x 、s 0 2 和微粒会污染城市的大气，损害了人们的身体健康，s 0 2 还会产生酸雨 1 3 1 ；此外，噪声污染也是燃油车排放的另一种污染，一个城市的噪声污染中有8 0 是由燃油车造成的，而这其中发动机的噪声又占了主要部分：一般轿车的车外加速行驶噪声中，发动机噪声约占5 5 ；大中型汽车的车外加速噪声中，发动机噪声约占6 5 嘣3 1 。由此可见，传统汽车对环境造成的危害可想而知。如果我们我们不寻找新型汽车替代能源的话，在不久的将来，全世界将面临严重的能源危机和环境危机。在这一背景下，人们开始将目标转向了电动汽车的研究上。从2 0 世纪后半叶开始，各国纷纷开发各种类型的电动汽车，包括纯电动电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。纯电动汽车是完全以二次电池( 如铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等) 提供动力的汽车，它被认为是汽车工业的未来，由于蓄电池技术没有完全过关，加上面临充电等基础设施建设等问题，纯电动汽车离产业化还有一定时间：混合动力电动汽车是纯电动汽车开发中有利于市场化而发展的一种新车型，它一般采用内燃机和电动机两种动力，以内燃机和储能元件( 如高性能电池或超级电容器) 通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需的动力。由于混合动力武汉理工大学硕士论文电动汽车使用了内燃机作为动力，所以仍然不能摆脱对于石油资源的依赖性，也避免不了环境污染问题，所以只能是一种过渡车型：燃料电池则是以燃料电池电动汽车是以燃料电池作为动力源的电动汽车。燃料电池是利用氢气和氧气( 或空气) 在催化剂的作用下直接经电化学反应产生电能的装置。具有无污染，只有水作为排放物的优点。但现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段，此外，燃料电池的理想燃料氢气，在制备、供应、储运等方面距离产业化还有大量的技术与经济问题有待解决，在车上存储大量压缩氢气的安全性也需要认真对待。但是，燃料电池汽车由于具有纯电动汽车的安静、高效和零排放等特点，同时又不受蓄电池的行驶里程限制，加上氢原料的来源极其广泛，被认为是二十一世纪最有前景的汽车【4 l 。1 2 燃料电池电动汽车的技术优势及发展现状1 2 1 燃料电池的技术优势燃料电池电动汽车之所以被认为是未来最有前途的汽车是因为它有很多独特的优点，包括无污染、热效率高、氢来源广泛、能够高效率运行而且过载能力强等【5 】【6 】。1 零污染或超低污染对于采用氢气为燃料的f c e v ，排放的产物只有水，属于“零污染”排放；对于采用甲醇或者汽油重整技术的汽车，排放物中也只有少量的c o 、碳氢化合物和n o x 等有害气体，属于“超低污染”，此外，f c e v 因为没有运动件和运动副的摩擦损耗，大大降低了噪声，符合2 l 世纪人们对环保的更加严格的要求。2 热效率高内燃机汽车的发动机将燃料的化学能转化为机械能，然后通过传动装置驱动汽车，其综合效率只有约1 1 ；而碳氢化合物燃料经重整，由燃料电池转化为电能，再由电动机和驱动系统驱动汽车，其综合效率可达3 4 ，为内燃机汽车的三倍，因此比起内燃机汽车，f c e v 更加节能。3 氢能源来源广泛氢气可以通过水的电解产生，地球上7 0 0 4 以上的面积都是水，所以氢气的来源可以说是无穷无尽；除了电解水产生，氢气还可以有碳氢化合物重整产生，化工副产品也是氢的来源之一。4 在宽广的范围内保持高效率运行且过载能力强在额定功率下运行时，燃料电池组的效率可达6 0 左右；在部分功率下运行时，效率可达7 0 左右；而在过载功率下运行时，效率可达5 0 5 5 。燃料电武汉理工大学硕士论文池的功率范围宽，效率高且效率受负载的影响小，过载能力强，在短时间内的过载能力可达到2 0 0 0 , 4 ，可以很好的提高f c e v 的动力性能和加速性能。1 2 2 国外燃料电池电动汽车研发现状嘲嘲在车载p e m f c 方面，由于研发及商业化需要大量的资金，政策支持，己远非少数公司所能独立支持的。目前，美国、欧洲和日本的汽车厂家都在加紧开发燃料电池技术。美国在这方面的表现的非常积极。2 0 0 2 年美国能源部制定了“氢路线图计划”。在未来5 年内，将投入3 0 亿美元用于开发氢燃料电池技术。2 0 0 5 年3 月，美国能源部、通用汽车公司和戴姆勒一克莱斯勒公司宣布，在未来5 年内合作开发新一代氢燃料电池汽车。欧盟计划到2 0 1 5 年共投入2 8 亿欧元发展氢燃料电池汽车。日本在质子交换膜燃料电池发面的投入预算是2 0 0 5 年约3 0 0 亿日元，2 0 1 0年预计4 0 0 0 亿日元。国际上，美国燃料电池p l u gp o w e r 公司、加拿大的巴拉德能源系统公司等都是燃料电池技术研发较为先进的公司。其中p l u gp o w e r 的常压运行燃料电池运行寿命已超过l 万小时。巴拉德能源系统公司在这方面起步较早，其在燃料电池技术的研发上在世界同行中也是先进的，是车用质子交换膜燃料电池的主要提供商，为世界上很多汽车公司提供燃料电池。巴拉德公司提出b a l l a r d sh a tt d c kd e m o n s t r a t i o n 示范计划，2 0 0 4 年完成了9 2 5 ，0 0 0 k r a 的路上试验，展示了巴拉德公司研制的燃料电池在满足可行性和商业化的道路上所取得的可喜成就。这种用于示范的燃料电池堆的突出特点是：铂催化剂的用量比常规的燃料电池少3 0 ，燃料电池堆可以在- 2 0 的条件启动，持续运行了2 2 0 0 小时以上( 实际行驶循环试验) ，而燃料电池堆的性能并没有显著降低。1 通用汽车公司的线传操控h y - w i r e 燃料电池车、“氢动三号”( h y d r o g e n 3 ) 燃料电池汽车车、s e q u e l 燃料电池车通用汽车公司的线传操控h y - w i r e 燃料电池车是世界首辆可驾驶线传操控燃料电池车，除采用情燃料电池作为动力来源之外，h y - w i r e 还采用了来自于航空技术的线传控制技术从而彻底改变了传统汽车的机械操控观念。“氢动三号”燃料电池汽车原型车2 0 0 4 年9 月胜利完成欧洲马拉松式示范运行。它横跨欧洲1 4个国家，行程9 6 9 6 公里，花费了5 周半时间，相当于欧洲许多轿车一年行驶的平均里程，中途一次也没有发生意外停车，证明了燃料电池技术可靠性和发展潜力。s e q u e l 燃料电池车是使用燃料电池与线传技术的全轮驱动汽车，它的前部采用三相异步电机，具有一体化供电电路与行星齿轮，它的后轮采用两台三相永磁武汉理工大学硕士论文同步轮毂电机，最高时速为1 4 5 公里每小时，行驶里程达4 8 0 公里。2 福特汽车公司新型“f o c u s ”燃料电池汽车福特汽车公司新型“f o c u s ”燃料电池汽车采用b a l l a r d 燃料电池发动机，增加了一个3 0 0 伏电池组以及线传制动和电液系列再生制动系统，使可乘载四人的福特“f o c u s ”燃料电池汽车的行驶里程达到2 9 6 - - 3 2 2 公里，最高车速达到1 2 9公里，j 、时。1 2 3 国内燃料电池电动汽车研究现状啪嘲在国家政府、汽车企业、高校的共同努力下，我国燃料电池及燃料电池汽车的研究和开发取得了飞速的发展。国内在燃料电池研究和开发方面有着先进水平的企业有：上海神力科技公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、北京实际富愿燃料电池发动机、燃料电池游览车、燃料电池发电站等5 个系列的燃料电池产品，其中燃料电池发动机、游览车已经实现了销售，建立了全套的中小功率( o 1 k w 3 0 k w ) 与大功率( 3 0 k w 5 0 k w ) 的质子交换莫燃料电池发动机及其动力系统集成制造技术的设备体系，具备批量生产能力。北京飞驰绿能电源技术有限责任公司已开发出额定功率从几十瓦到几十千瓦四个系列的燃料电池电堆以及氢空、氢氧燃料电池，并具备生产数十千瓦质子交换莫燃料电池的能力。北京世纪富原燃料电池有限公司研制出具有自主知识产权的1 5 k w ，5 k w ，1 0 k w ，3 0 k w ，4 5 k w ，7 5 k w 的燃料电池电堆等。大连新能源动力股份有限公司是以中国科学院大连化物所为主体以及兰州长城电工股份有限公司、大连盛道集团股份有限公司、杭州南都电源集团有限公司、海南新大洲摩托车股份有限公司、安徽宁国天成科技发展有限公司等六个单位联合组建的。大连化物所在燃料电话的研究、开发方面以及达到或超过国际水平；成功的组装了几十瓦、几百瓦、千瓦、5 千瓦级的质子交换莫燃料电池；其中五千瓦的质子交换莫燃料电池的质量比为1 0 0 k w l ；开创了具有我国特色的碳铂催化剂、电极、电极莫电极三合一组件、电池双极板等尖端技术。1 同济大学的“超越一、二、三号”系列燃料电池轿车“超越二号”燃料电池轿车采用桑塔纳3 0 0 0 为原型车装配而成，它的每百公里氢能消耗量从“超越一号”的1 3 9 千克下降到1 0 3 千克。与“超越一号”相比，“超越二号”的加速时间有较大的提高，从起步加速到1 0 0 公里只需2 6 7秒，比“超越三号”整整缩短了2 0 秒，最高时速1 1 8 公里，持续里程达到1 9 7公里。“超越三号”的持续里程已达到2 0 0 公里，其中重量较超越二号减轻8 5 千克；输出功率达到每小时5 0 k w ，比超越二号提高了1 0 千瓦；燃料效率由4 0 提高到4 5 。超越系列燃料电池轿车均采用上海神力科技公司生产的燃料电池发武汉理工大学硕士论文动机。2 清华大学的“清能一号”、“清能三号”燃料电池城市客车“清能一号”、“清能三号”是是燃料电池城市客车，长x 宽x 高为1 1 ，0 2 0x 2 ，4 9 0 x 3 ，4 2 0 r a m ，总车重1 5 ，5 0 0 k ，乘员3 8 人，最大速度为6 5 k w h ，最大爬坡度1 5 ，装备了上海神力科技公司的第二代，城市客车用燃料电池发动机。“清能一号”、“清能三号”行驶里程自2 0 0 5 年运行以来已突破1 2 0 0 0 公里和7 0 0 0公里，燃料电池发动机性能依然稳定。3 武汉理工大学的。楚天一号”2 0 0 4 年8 月武汉理工大学与东风汽车公司联手，成功研制出以2 5 k w 质子交换膜燃料电池作为动力的轿车“楚天一号”。1 3 燃料电池电动汽车电控系统发展现状及趋势电控系统是燃料电池电动汽车的大脑，它负责对燃料电池系统、电机驱动系统、动力转向系统、再生制动系统和其他辅助系统进行监测和管理。电控技术主要包括各总成部件子系统和整车系统的控制策略和控制方法，随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化，变结构控制、模糊控制，神经网络、自适应控制、专家系统及遗传算法等非线性智能控制技术，都将应用于燃料电池电动汽车的电控系统中。在设计电控系统时需要进行以下技术工作阴：( 1 ) 优化整车系统的能量分配。( 2 ) 确定整车处于最佳的行驶模式。( 3 ) 再生制动时，合理地调整再生能量。( 4 ) 适时进行温度控制。( 5 ) 诊断整车系统的工作状况等。因此，在燃料电池电动汽车开发及产业化过程中，设计其电控系统可按如下技术路线进行：根据设计要求，提出控制目标，确定子系统和整车系统的控制策略和控制算法，进行系统的硬件、软件设计、基于c a n 总线技术的控制系统设计和系统调试等。1 3 1 电控系统传统开发方法传统的控制系统开发方法一般分为以下几步明：1 ) 根据调查情况用文字说明的方式定义需求和设计目标2 ) 根据过去的经验提出系统的结构3 ) 由硬件人员设计并制造硬件电路武汉理工大学硕士论文4 ) 由控制工程师设计控制方案，并将控制规律用方程的形式描述出来5 ) 由软件人员采用手工编程的方式实现控制规律6 ) 由系统工程师或电子专家将代码集成于硬件电路中7 ) 用真实控制对象或测试台对系统进行测试这样，传统的控制器开发方法具有开发效率低、投入大、周期长的缺点。但是，在当今社会，市场对产品的需求呈现多样性、快速性的趋势，这就使企业的新品开发面临着多样性需求与快速开发之间的矛盾；同时对控制系统鲁棒性及可靠性的要求也日益增加；另外并行工程( 即：设计、实现、测试和生产准备同时进行) 被提上了日程。这样，传统的电控系统开发方法势必被革新，新的电控系统开发方法应运而生。1 3 2 电控系统现代开发方法越来越多的汽车厂商与汽车电子开发商已经意识到，采用现代计算机辅助开发工具建立集成式的电控单元开发方法，可以使汽车电控单元的各个开发阶段之间有效地衔接起来。该开发方法可以支持从功能定义直到最终产品测试的整个汽车电控单元的开发过程，通过统一的开发工具可以减少手工编程的工作量并且能够避免许多人为的错误，在保证产品开发的可靠性的基础上，缩短电控单元的开发周期，降低开发风险和开发成本。汽车电控单元现代开发方法即为所谓的“v 模式”开发方法，具体内容如图1 1 所示。“v - c y c l e 模式”开发方法包括：功能设计与离线仿真瑚速控制原型代码自动生成硬件在回路仿真一标定像9 试。“v 模式”现代开发方法符合国际汽车行业标准( a s a m a s a p , a s s o c i a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o no fa u t o m a t i o n a n dm e a s u r e m e n ts y s t e m s t a n d a r d i z a t i o no fa p p l i c a t i o n c a l i b r a t i o ns y s t e m ) ，构成汽车电控单元从开发、测试到标定的一体化解决方案。国外著名的汽车电子开发商( 如；a u d i ，a v l ，b m w ，b o s c h , r i c a r d oe n g ，s i e m e n sv d o ，f o r d 等) 普遍采用这一开发方法进行汽车电控单元的开发【9 l 。除此之外，一些汽车电子开发商还利用现代开发方法中的一些关键开发手段对现有的开发方法进行改进，例如：d a l m l e r c h r y s l e r 利用d s p a c e 快速原型硬件系统进行主动车身控制器( a b c ，a c t i v eb o d yc o n t r 0 1 ) 的开发。t r w 利用代码自动生成工具t a r g e t l i n k 开发新型的汽车安全带主动控制牵引器，该安全带牵引器将根据汽车的运动状态自动调节安全带的松紧程度，仅用1 8 个月就完成模型开发到产品代码的生成。国外汽车电子开发商在进行电控系统开发时，也常常使用属于现代开发方法快速控制原型的旁路开发技术。因为，在大多数新控制算法的开发过程中，很少开发一个全新的算法，一般都是对现有算法进行改进。这武汉理工大学硕士论文些改进包括：完善或提高现有算法的功能；在现有算法中增加新的功能。当原有电控单元需要增加新的功能时，可以在原有电控单元的基础上，把实时硬件系统作为新功能的功能原型，进行新功能控制算法的开发。这样可以在新的电控单元还没有制造出来时，就利用现有的电控单元和i o 接口对新功能的算法进行测试。然后，直接把新功能集成到新电控单元的代码中，完成新功能的开发。例如在发动机电控单元中集成新的怠速控制或熄火诊断功能。用快速控制原型的旁路技术实现这些简单功能已经成为这些新功能开发的标准方法。采用旁路技术开发新功能时，利用实时硬件系统仿真新功能，原有的电控单元被用来执行原有代码并提供i o 接口。旁路技术的优势还在于开发全新的电控单元是可以利用原有电控单元的电缆与y o 接口【1 0 l 【1 l l 。菲亚特公司采用d s p a c e 快速控制原型硬件系统来开发新型的柴油机的尾气再循环电控单元。通过c a n 总线的旁通技术，无需改变电控单元的内部程序，就可以对新的控制算法进行研究，大大减轻了开发难度并缩短了开发时间。另外，一些外国汽车电子开发商利用诸如r a p i d h a w k 等直接面向产品硬件的硬件系统对标准的“v - c y c l e 模式”开发方法的快速控制原型到产品软件过程进行改进，形成基于结构的开发方法。d s p a c e 进行产品开发遵循的就是如图卜1 所示的v - c y c l e 模式嘲。该模式由五个步骤组成：功能设计与s i m u l i n k 仿真、功能原型与旁路技术、自动代码生成、采用硬件在环技术进行e c u 测试及参数标定。下面分别对这几个部分进行简要说明。图1 1 利用d s p a c e 进行硬件在环仿真的v - c y c l e 流程1 功能设计与s i m u l i n k 仿真控制方案的设计也不再采用过去的那种先将对象模型简化成手工可以处理武汉理工大学硕士论文的形式，再根据经验进行手工设计的方式，而是用诸如m a t l a b s i m u l i n k 等计算机辅助建模及分析软件建立对象尽可能准确的模型，并进行离线仿真，从而避免了传统设计过程中，由于对象过于简化，也没有相应的计算机辅助设计工具做支持而带来的到试验阶段才发现所设计的方案根本就不能满足实际对象要求的尴尬局面。2 功能原型与旁路技术按现代设计方法，方案设计结束后，无须再象过去那样花极大的耐心等待软件工程师进行手工编程，再由电子工程师将代码集成于硬件电路中，而是利用计算机辅助设计工具自动将控制方案框图转换为代码并自动下载到硬件开发平台，从而快速实现控制系统的原型，并且包括了实际系统中可能包括的各种i o ，软件及硬件中断等实时特性。之后，就可以利用计算机辅助试验测试管理工具软件进行各种试验，以检验控制方案对实际对象的控制效果，并随时修改控制参数，直到得到满意的结果为止。即使是模型需要相当大的修改，从修改到下一次对原型的测试也只需要几分钟的时间。从而在最终实现控制方案之前，就已经对可能得到的结果有了相当的把握，避免过多的资源浪费和时间消耗。3 自动代码生成将模型转换为产品代码是开发过程中最关键的一步。过去这种转换完全是通过手工编程实现，现代开发方法则不同，产品代码的大部分是自动生成的。对大多数工程师而言，如果能够加快开发速度，损失代码的部分实时运行效率是可以接受的，如：自动生成代码的运行效率不低于手工代码的1 0 ，内存占用量不超过手工代码的l o 。4 硬件在环仿真( h i l s ，h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n )有了控制系统的初样，并不意味着计算机辅助设计工具( 软件腰件) 就没有用了。相反，现在由于控制系统所完成的功能日渐复杂，对其进行全面综合的测试，特别是故障情况和极限条件下测试就显得尤为重要。但如果用实际的控制对象进行测试，很多情况是无法实现的，抑或要付出高昂的代价( 如：对汽车电控单元的测试就包括不同车型，不同路况，不同环境( 雨、雪、风、冰等) 下的测试，如果用真实的汽车必然要花费相当长的时间，付出高昂测试费用) 。但如果用计算机辅助设计工具对控制对象进行实时仿真，就可以进行各种条件下的测试，特别是故障和极限条件下的测试。而这正是传统开发方法所不具备的。5 参数标定在现代的开发流程中，参数标定已经从最后阶段逐渐前移到设计早期。特别是在原型与测试阶段调整阶段可以大大减少实际标定所需的时间。在未来，d s p a c ei 具将包括强大的标定与测试系统，以保证在开发的所有阶段都可武汉理工大学硕士论文以对e c u 进行标定。基于结构的汽车电控单元开发方法的目的是消除快速控制原型模型与生成产品代码模型之间的差异。两者之间的差异包括：从浮点型转换到定点型；集成产品i o 和定时触发；实时操作系统( r t o s ，r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 集成或任务定时；其他r t o s 功能，如共有存储器。反观国内的汽车电子行业，由于从事电控单元开发的时间较短，还没有形成较为成熟的开发经验与开发方法。目前，除了一些大学、研究所和合资公司( 如吉林大学、三院3 l 所和一汽技术中心) 开始采用现代开发方法进行汽车电控单元的开发以外，基本上还在采用传统的开发方法进行汽车电子产品的开发。但是，随着国内汽车电子开发商与国外同行之间交流的不断增加，正在逐渐地了解和接受这种先进的汽车电控单元开发方法，并开始应用到汽车电控产品的开发中。1 4 本文的主要研究内容本文的研究内容是基于d s p a c e 的平台上对“楚天一号”燃料电池电动汽车的整车控制器进行t t l l s 仿真，以验证整车控制器的整车控制和能量流管理模块的控制效果。为了建立硬件在环仿真系统，本文致力于搭建燃料电池动力系统s i m u l i n k 模型，包括燃料电池、蓄电池、电机及整车模型，并以代码的形式下载到d s p a c e 中，与整车控制器相连，组成硬件在环仿真系统。通过对仿真结果的分析，验证整车控制器能否完成能量流的合理分配，能否保证蓄电池的s o c 值在规定范围内变动以及控制器能否完成整车控制，使电机能够准确响应驾驶员的踏板命令，使汽车能够按给定的车速行驶。武汉理工大学硕士论文第2 章燃料电池电动汽车系统组成2 1 燃料电池电动汽车的分类2 1 1 燃料电池的分类燃料电池电动汽车是以燃料电池作为动力源的电动汽车，它直接将燃料的化学能转变为电能，经电动机驱动车辆行驶。按照燃料电池的电解质类型分类，目前正在研究的燃料电池可分碱性燃料电池( a l k a l i n ef u e lc e l l ，a f c ) 、磷酸燃料电池( p h o s p h o r i ca c i df u e lc e l l ，p a f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ，m c f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o l i do x i d ef u e lc e l l ，$ o f c ) 、质子交换膜燃料电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l 。p e m f c ) 五种类型。1 1 2 1 1 7 1表2 1 各类型燃料电池对比表各种类型燃料电池对比表类型电解质导电离子工作温度燃料氧化剂碱性燃料电池k o ho h 一8 0 0 c纯氢纯氢质子交换膜燃料电池质子交换膜h +8 0 1 0 0o c氢气、重整氢空气磷酸燃料电池h 3 p ) 4h +2 0 0o c重整氢空气熔融碳酸盐燃料电池n a 2 c 0 3c 0 3 2 6 5 0o c重整氢、天然气空气固体氧化物燃料电池z r 0 2 - - y 2 0 30 2 一1 0 0 0 0 c净化气、天然气空气质子交换膜燃料电池是目前最有前途的电动汽车动力源，与其他几种燃料电池相比主要有以下几个方面的突出优点【1 3 】：l 、功率密度高，是前面几种燃料电池中功率密度最高的一种，因此在同样的功率情况下可以减小体积，非常适合于电动汽车使用；2 、采用固体电解质，不会出现电解液的变形、移动、蒸发等问题；3 、工作温度低，启动迅速，适合于电动汽车使用；4 、对空气中的二氧化碳( c 0 2 ) 不敏感；5 、p e m f c 中唯一的液体是水，腐蚀性相对较小；6 、电池间隙小，有利于燃料电池本体的高电压设计。同p a f c 一样，p e m f c 的主要缺点是需要使用贵重金属铂( p t ) 作为电极反应催化剂。武汉理工大学硕士论文2 1 2 燃料电池电动汽车驱动形式的分类“钟町“町燃料电池电动汽车按照驱动型式分为纯燃料电池驱动和混合驱动两种。纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。其主要缺点是：1 、燃料电池所需功率大，成本昂贵；2 、对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求；3 、不能进行制动能量回收。基于这种不利因素，目前的燃料电池汽车主要采用的是混合驱动型式，即在燃料电池的基础上，增加了一组电池或超级电容作为一个动力源。图2 1 是采用“燃料电池+ 电池”( f c + b ) 混合驱动型式的燃料电池汽车的动力系统结构图。考虑到目前燃料电池系统自身的一些特殊要求，例如，在起动图2 lf c + b 结构时空压机或鼓风机需要供电，电堆需要加热，氢气和空气需要加湿等，同时也是为了能够回收制动能量，因而将电池和燃料电池系统结合起来形成混合动力驱动系统。该系统降低了燃料电池系统的功率和动态特性的要求，同时也降低了燃料电池系统的成本，但却增加了驱动系统的重量、体积和复杂性，也增加了电池的维护、更换费用。根据燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例不同，燃料电池混合动力汽车可分为能量混合型和功率混合型两大类。在燃料电池开发的早期，由于技术水平的限制，燃料电池的功率较小，还难以满足车辆的功率需求。在车辆行驶的过程中燃料电池只能提供整车功率需求的一部分，不足的部分还需要其他动力源如电池来提供，采用这种混合驱动型式的武汉理工大学硕士论文汽车即为能量混合型燃料电池电动汽车。能量混合型燃料电池汽车为了满足一定的性能指标，往往需要配备较大容量的电池组，从而导致了整车的自重增加、动力性变差、布置空间紧张。能量混合型燃料电池电动汽车的燃料电池可以经常在系统较高的额定区域内工作。但每次运行结束后，除了需要加注氢燃料外，还需要采用地面电源为电池充电。随着燃料电池技术的不断成熟，燃料电池性能的逐渐提高，燃料电池所提供的功率比例在不断增加，这样就可以减少电池的容量，从而减轻车重、提高动力性等。但为了回收制动能量，还需要一定数量的电池，但电池只提供整车所需功率中很小的一部分。燃料电池作为主能量源，电池作为辅助动力源，车辆需要的功率主要由燃料电池提供，电池只是在燃料电池启动、汽车爬坡和加速时提供功率，在汽车制动时回收制动能量。采用这种混合驱动型式的驱车即为功率混合型燃料电池电动汽车。目前，燃料电池混合动力汽车的驱动型式多种多样，除了前面介绍的“f c + b ”外，近年来，功率混合型燃料电池电动汽车开始出现“f c + c “的驱动型式，即采用燃料电池与超级电容组合，完全摒弃了寿命短、成本高、使用要求复杂的电池。采用超级电容的突出特点是寿命长和效率高，可大大降低使用成本，有利于燃料电池汽车的商业化推广和使用。此外，可以将电池和超级电容共同作为燃料电池汽车的辅助能量源，即采用“f c + b + c ”的驱动型式。该型式是在总线上再并联一组超级电容，用于提供( 吸收) 加速( 紧急制动) 的尖峰电流，从而减轻电池的负担，延长其使用寿命。2 1 3 燃料电池电动汽车能量流控制策略的分类“帅帕传统内燃机混合动力汽车是内燃机与电机之间驱动力的合成，即在两个动力源之间进行动力分配。在燃料电池混合动力电动车中则是电与电的合成，即要进行的是功率分配。开关模式与功率跟随模式是燃料电池一蓄电池混合动力系统的两种基本的控制策略，它们的侧重点有所不同。开关模式的基本思想为：对燃料电池进行最优控制，即以最低氢气消耗为目标调节燃料电池使其在某一工作点工作，该工作点是燃料电池最佳效率点，使燃料电池始终工作于相对低的氢气消耗区，由蓄电池作为功率均衡装置来满足具体的汽车行驶功率要求。功率跟随模式的基本思想为：当蓄电池荷电状态在蓄电池荷电状态最低设定值与最高设定值之间时，燃料电池应在某一设定的范围内输出功率，输出功率不仅要满足车辆驱动要求，还要为蓄电池组充电，该功率称为均衡功率( 即对蓄电武汉理工大学硕士论文池进行能量补充使其在最佳的s o c 状态) 。可见，这两种控制方式各有所侧重，开关模式侧重于控制燃料电池处于最佳状态，它固定了燃料电池的工作点，这样在实现上会变得很容易，即只要燃料电池启动，它将总在某一最佳固定点工作，而不须考虑蓄电池的充放电状态( s o c ) ，但这使蓄电池以较深的充放电进行循环，从而会影响蓄电池的寿命，而且这种影响会随不同的工况明显变化。有研究结果表明，这种控制策略不适合电一电混合动力电动车，其动力性较差，燃油经济性比功率跟随模式低9 1 1 6 。而且，对于燃料电池系统而言，由于直接以氢为燃料不存在排放问题，因此汽车行驶过程中关闭燃料电池系统没有意义。相反燃料电池系统对温度、湿度、压力等工作环境要求很高，反复启动会给燃料电池系统的控制及寿命带来许多不利影响。功率跟随模式则是侧重于控制蓄电池在最佳状态，控制蓄电池总工作在最优的区域内，并时刻对蓄电池进行充放电，即让蓄电池总处在设定的电量范围附近以浅循环充放电工作，从而保持蓄电池总在一定量的荷电状态。这样虽然增加了对燃料电池系统进行控制的难度，但所有这些对蓄电池寿命非常有利。本文在后续研究中将选择功率跟随模式作为整车的控制方式。2 2 本文研究的燃料电池电动汽车组成2 2 1 本文研究的燃料电池电动汽车驱动系统组成嘲嘲嘲本文研究的燃料电池电动汽车是在东风雪铁龙爱丽舍轿车的基础上开发而成的，动力传输系统主要由氢罐、燃料电池及其控制系统、d c d c 变换器、镍氢电池及其管理系统、电机及电机控制器、减速器、车轮等部件组成。这样，在原车的基础上省去了离合器和变速器，减速器也和电机安装成一体形成“机电一体化”的结构。燃料电池采用质子交换膜车载纯氢燃料电池，燃料电池最大功率为2 5 k w ，在去除燃料电池本体及附属设备和车载其他设备用电后，实际用于驱动车辆的只有2 0 k w 。由于燃料电池功率不高，为了增加汽车动力性和覆盖功率波动，故增加了一组镍氢电池作为辅助动力源，这样也可以回收制动能量，起到提高整车效率和续驶里程的作用。镍氢电池包由2 4 个容量为1 2 a h 的单体镍氢电池组成，其输出电压为2 8 8 伏，其作用是：l 、在燃料电池发动机启动时提供电能2 、f c e v 加速或爬坡时提供电能3 、在f c e v 再生制动时回收再生制动反馈能量武汉理工大学硕士论文4 、停车时为控制系统、照明系统、信号、仪表板、电气设备提供能量由燃料电池的工作特性可知，输出特性相对较软。燃料电池在加负载的起始阶段，电压下降很快，并且随着负载的增加，电流增大，输出电压也随着曲线以比普通电池大得多的斜率下降。这显然不能满足电动汽车的使用要求。此外，输出功率频繁的波动还会导致燃料电池效率的下降。因此，该燃料电池电动轿车在燃料电池和母线之间加上了一d c d c 变压器作为稳压装置，来保证工作电压的稳定。表2 - 2a c 2 2 电机的主要参数性能参数数值性能参数数值性能参数数值峰值扭矩9 0 n m连续扭矩4 0 n m名义转速4 5 0 0 r m p最大转速1 2 0 0 0 r m p最大电流1 8 0 a连续功率1 4 k w重量3 9 k峰值效率9 8 峰值功率5 0 k w直径2 5 0 m m长度4 1 0 m r n最小名义电池电压2 8 8 v最小工作电压2 5 2 v最小名义电池电压3 3 6 v最大工作电压4 0 0 v最大带电电压4 5 0 v最小最大工作温度- 4 肚8 0s o l e c t r i aa c 2 2 - ya n dd m o c 4 稻t t = 2 8 8 n o m , i m o t1 2 的a 秘。、p o u l o t w l一t m m l02 0 0 04 0 0 06 0 捌) 0 时1 0 0 2 os p e e d ( t o m )专宝f1 2图2 2a c 2 2 电机特性图本文介绍的燃料电池电动轿车驱动电机使用的是美国s o l e c t r i a ( 太阳电) 公司的交流电机a c 2 2 ，主要应用于三相电机的控制，特别是电动车，混合动力车懈阳幻mo硒柏筠：；嚣己诣5o【jl互lj霎o武汉理工大学硕士论文和燃料电话车的驱动系统，电机的主要参数如表2 - 2 所示。该交流电机的驱动系统采用新设计的a c 2 2 电机并配备a t l 2 0 0 p p 减速器，在减速器内有差速机构与驻车制动装置。该驱动装置能使用与4 5 4 k g 至1 5 8 0 k g 的电动汽车前轮驱动，减速器速比为1 0 。其特点为：采用高效三相交流电机；电机与减速器全封闭结构；减速器精磨斜齿轮。该驱动装置配用d m o c 控制器采用空间矢量p w m 控制技术实现宽转速高效运转。a c 2 2 电机特性见图2 - 2 。2 2 2 本文研究的燃料电池电动汽车电控系统组