（控制科学与工程专业论文）燃料电池轻型客车能量管理系统研究与设计.pdf

摘要 能源枯竭和环境污染已经成为当前社会急需解决的问题，燃料电池电动汽 车以其独特的节能环保优势引起了越来越多国家的重视。如何有效合理地分配、 管理燃料电池电动汽车的能量流，提高车辆的动力性能和工作效率是一个关键 问题。本文以燃料电池轻型客车为研究对象，开展对整车能量管理系统的设计 和研究，主要研究内容如下： 在分析燃料电池性能的基础上，基于自主研发的6 0 k w 燃料电池发动机，提 出了燃料电池锂离子电池混合供电方案，确定了锂电池的电压、容量等主要技 术参数。分析比较国内外几种主流的动力拓扑结构，在此基础之上提出一种燃 料电池通过d c d c 与动力电池并联的拓扑结构，最后对该拓扑结构的能量流向 进行了分析。 以p i c l 8 l f 4 5 8 0 单片机为控制器的核心，设计了燃料电池轻型客车能量管理 系统的硬件系统，它包括接口模块设计、电源模块设计和通讯模块设计。接口 模块设计包括数字量输入输出模块、数模和模数转换模块、频率信号采集模块 和温度采集模块的设计；电源模块设计即为控制芯片和各个接口模块的供电电 源设计；通讯模块设计即为数据采集系统和c a n 通讯网络的设计。 根据整车能量管理系统的控制目标，分析了影响整车能量分配的两个因素， 制定了一种多模型的能量管理策略，并提出了基于模糊监督控制的多模型切换 算法，最后详细分析了该控制策略的实现方法。 整个系统在实际调试中运行稳定，形成了一套适合燃料电池轻型客车的能量 管理策略。通过道路行驶实验，获得了满意的控制效果。 关键词：燃料电池轻型客车，能量管理，多模型，模糊监督控制 a b s t r a c t e n e r g yd e p l e t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a v eb e c o m ep r e s s i n gp r o b l e m si n s o c i e t yt o d a yf u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e sw i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e sf o re n e r g y - s a v i n g a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na t t r a c t e da t t e n t i o nm o r ea n dm o r ec o u n t r i e s h o w e f f e c t i v ea n dr a t i o n a la l l o c a t i o no ff u e le e l le l e c t r i cv e h i c l ee n e r g yf l o w , i m p r o v et h e v e h i c l e sd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n de 伍c i e n c yi sak e yi s s u e i nt h i sp a p t h ea u t h o r a c c o m p l i s ht h er e s e a r c ho nv e h i c l ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e md e s i g n ，w h i c ht a k e s r u e le e l le l e c t r i cb u sa sar e s e a r c ho b j e c t r e s e a r c ha c h i e v e m e n ta sb e l l o w ： w i t hs e l f - d e v e l o p e de n g i n eb a s e d6 0 k wf u e lc e l l t h ea u t h o rd e t e r m i n ef u e lc e l l s a n dl i - b a t t e r yh y b r i dp o w e rs u p p l ys t r u c t u r e ，i d e n t i f i e d1 i t h i u mb a t t e r yv o l t a g e ， c a p a c i t ya n do t h e rm a j o rt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，a n dt h e nc o m p a r es e v e r a lm a i n s t r e a m t o p o l o g yo ft h ef u e le e l le l e c t r i cb u s ，t h el a s t ，o nt h i sb a s i s ，p r o p o s e sas o l u t i o nt h a t f u e le e l lc o n n e c t e db a t t e r yi np a r a l l e lp r o g r a mt h r o u g ht h ed c d c p i c18 l f 4 5 8 0m i c r o c o n t r o l l e ro ft h ec o n t r o l l e rd e s i g n e da st h ec o r eo ff u e le e l l e l e c t r i cb u sp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mh a r d w a r es y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sd e s i g n i n t e r f a c em o d u l e ，p o w e rm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l ed e s i g n i n t e r f a c e m o d u l ed e s i g ni n c l u d e sd i g i t a li n p u ta n do u t p u tm o d u l e s d i g i t a l a n a l o ga n d a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nm o d u l e t h ef r e q u e n c ys i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l ea n dt h e t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o nm o d u l e ；p o w e rm o d u l ed e s i g ns h a l lc o n t r o le h i pa n dv a r i o u s i n t e r f a c em o d u l ep o w e rs u p p l yd e s i g n ；c o m m u n i c a t i o nm o d u l ed e s i g nt h a tf o rd a t a a e q u i s i t i o ns y s t e m sa n dc a n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e s i g n a c c o r d i n gt ov e h i c l ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mc o n t r o lo b j e c t i v e s ，a n a l y z e s t h ei m p a c to fv e h i c l ee n e r g yd i s t r i b u t i o no ft w of a c t o r s b a s e do nf u z z ys u p e r v i s o r y c o n t r o lo fm u l t i m o d e ls w i t c h i n ga l g o r i t h m ad e t a i l e da n a l y s i so ft h er e a l i z a t i o no f t h ec o n t r o ls t r a t e g y i na c t u a lo p e r a t i o n , t h ew h o l es y s t e mh a sr u ns t a b l y , a n de s t a b l i s h e dae n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g yo fr u e le e l le l e c t r i cb u s t h ee l e c t r i cb u sh a ss u c c e s s f u l l yp a s s e d t h ee x p e r i m e n t a t i o n , w h i c ha p p l i e dt h i ss y s t e mh e l df a v o r i t ec o n t r o le f f e c t k e y w o r d s ：f u e lc e l le l e c t r i c b u s ，e n e r g ym a n a g e m e n t ，m u l t i p l em o d e l ，f u z z y s u p e r v i s o r yc o n t r o l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：窖叠k日期：竺堡垒f 丑主l 途签名：聋缓k日期：竺堡垒丑主1 ) 赵 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经 武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ( 呻魄翩( 签名 日期沙p 牟岁i ；i ；l 通 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 燃料电池是一种将氢气的化学能直接转化为电能的电池。燃料电池由于其 功率密度大、能量转化效率高、无污染、工作温度范围宽等良好的性能受到人 们的关注，时代周刊把它评为即将改变人类生活方式的十大高新技术之一1 1 。燃 料电池电动汽车具有低噪声、燃料利用率高、无污染和发展前景好等特点，受 到了国内外专家学者的重视。由于燃料电池电动汽车的广阔前景和重要战略意 义，世界上各发达国家都在积极研究燃料电池相关的技术，同时国家也已将燃 料电池汽车的研发列为“8 6 3 计划 的重大项目。 现在国家的法律法规对汽车尾气排放做出了严格的规定，可以预料将来的 排放限制会越来越严格并向超低污染、零排放发展。而且，类似石油、天然气 之类的矿物燃料将会日渐减少并最终会枯竭、大气污染问题和全球变暖问题将 会越来越严重【2 1 ，这将会使汽车生产商和购买者比以往任何时候都更加关注燃料 经济性的问题，也强迫人们研发能最大程度减少和消除对矿物燃料依赖的动力 装置，比如蓄电池、燃料电池、混合动力汽车等。 目前电动汽车分为三种：纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力汽车。 由于燃料电池转化效率高、能量密度大、无污染、工作温度范围宽、噪音低、 可靠性强、维修性好等优点，因此开发燃料电池汽车，在能源环保形式日益严 峻的情况下倍受瞩目【扪。 本文正是基于燃料电池轻型客车的科技攻关项目，设计开发了轻型客车能 量流管理控制系统，系统中采用分布式c a n 总线技术，运用计算机、模糊控制、 集成电路设计等诸多领域的先进技术，具有智能的能量流控制算法，稳定的控 制性能和良好的性价比。该能量管理系统在上车联调过程中得到了应用，达到 了良好的控制效果。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 2 课题研究意义及课题来源 能源枯竭和环境污染已经成为当前社会急需解决的问题。电动汽车以其独 特的节能环保的优势引起了越来越多专家和学者的重视。在电动汽车的研究和 发展中，其动力系统的设计及其能量管理系统的研究占据着重要的位置【4 5 】。如 何有效合理地分配电动汽车主动力单元与辅助动力单元的能量，提高整车的工 作效率是能量流管理的关键部分。 电动车采用混合动力的主要目的是将主动力能源局限于理想负荷区域工 作，辅助动力单元作为负荷调节从而提高整车的能量利用效率。燃料电池一般 在中小负荷时有比较高的效率，经常配备蓄电池或其他动力电池来调节峰谷负 荷，故在车辆上得到广泛地应用【6 。配备功率较大的燃料电池时，不需要辅助 能源，也可以使它在较高的效率区工作，但是这种车辆的技术难度大、成本高。 一般而言，燃料电池系统的启动，包括对空气压缩机和附件的启动仍需要蓄电 池辅助。因此，采用燃料电池混合动力系统要考虑成本、自质量、体积以及再 生制动能量回收等因素。 燃料电池电动汽车的关键部分是燃料电池发动机，但是它却有两个缺点： ( 1 ) 输出功率的频繁波动会导致燃料电池效率的下降，从而影响燃料电池发动 机的使用寿命；( 2 ) 输出特性偏软，即随着负载的增加，电流增大，输出电压 以非常大的斜率下降。然而，作为一种运行在城市工况下的交通工具，燃料电 池汽车必须具有很强的机动性和稳定性。因此，燃料电池电动汽车能量管理系 统必须克服上述燃料电池发动机的缺点，稳定输出电压，提高能量转化效率、 覆盖峰值波动，以适应不同工况下的行驶要求，充分发挥燃料电池电动汽车节 能和环保的突出优点【8 9 1 。 根据燃料电池的特性，将其应用于电动汽车的动力系统中，必须配备辅助 能源。目前国内外的普遍做法是将燃料电池发动机作为主要能源，提供车辆行 驶的基本功率，辅助能源在加速等瞬态情况下起辅助动力作用，同时回收再生 制动能量【l o 】。燃料电池电动汽车的动力系统采取何种多能源构成方案，是设计 混合动力结构和制定能量分配控制策略的前提，对此国内外主要有以下三种构 成方案： ( 1 ) “燃料电池+ 蓄电池 ( 2 ) “燃料电池+ 超级电容” 2 武汉理一 大学硕士学位论文 ( 3 ) “燃料电池+ 蓄电池+ 超级电容” 1 3 国内外研究现状 1 3 1 燃料电池电动汽车的发展 早期开发燃料电池电动车的时候，由于研发水平有限，燃料电池的功率还 难以满足车辆行驶过程中的功率要求。在燃料电池电动车中，燃料电池只提供 一部分的整车需求功率，不足的部分由其他动力源来补充，采用这种结构形式 的汽车即为能量混合型燃料电池汽车。能量混合型燃料电池汽车为了达到相应 的性能，满足不同的路况，往往需要装备大容量的辅助能源，从而导致整车的 重量超标、性能疲软、空间拥挤 1 2 , 1 3 1 。 随着燃料电池技术的发展，燃料电池各方面的性能也慢慢提高，燃料电池 体积越来越小的同时，所提供的功率也越来越大，这样就可以减少电池的容量。 但为了回收减速和制动情况下回馈的能量，提高能量的利用率，还需要一定数 量的电池 1 4 , 1 5 1 。燃料电池作为主动力源，整车需求的功率主要由燃料电池提供， 电池作为辅助动力源，只是在燃料电池启动、汽车爬坡和加速时“去峰填谷 ， 平滑燃料电池的输出功率，同时在汽车制动时回收制动能量【1 6 1 刀。 目前，燃料电池混合动力汽车的驱动形式多种多样，除了前面介绍的 “f c + b ”，近年来，功率混合型燃料电池汽车开始出现“f c + c ”的驱动形式， 即采用燃料电池与超级电容组合，完全摈弃了寿命短、成本高、使用要求复杂 的电池。采用超级电容的突出优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应用 1 8 , 1 9 】。 1 3 2 整车能量管理研究现状分析 在燃油经济性方面的优势，使得混合动力汽车在汽车业界备受青睐。但不 容忽视的是，混合动力汽车的设计和运行中仍有许多待解决的问题。为了发挥 混合驱动的优势，在混合动力汽车的设计和运行环节，必须要考虑多个能源之 间能量分配的问题。 李果等提出了一种基于预测控制的能量管理算法，被控制量是燃料电池发 动机的输出功率，输入的控制变量是整车电机的需求功率，该算法较好的解决 武汉理j r = 大学硕七学位论文 了燃料电池发动机延时滞后的问题，极大的改善了燃料电池电动车的动力性能。 艾武等通过检测动力电池输入或输出功率的变化情况来判断车载用电设备是否 得到所需功率，采用全数字式的p i d 调节方式，控制d c d c 的输出端功率大小。 d a n w e i “u 等以电池组作辅助能源，达到了燃料电池汽车的负载要求，提出的 能量管理策略实现了整车冷启动。王登峰等利用a d v i s o r 软件对燃料电池混合 动力车的工作模式进行了仿真研究，确定了功率跟随模式是合适的控制策略。 夏建军在深入研究燃料电池、辅助能源性能特点的基础上，根据多能源动力系 统能量匹配控制的目标和原则，制定了一种功率实时自适应控制策略，实现了 多能源的合理分配 2 4 , 2 5 1 。 现行的多能源匹配控制算法往往未能使整车动力性能得以完全发挥，在多 种能源的匹配控制也缺乏协调性，直接导致燃料电池效率的下降。 1 3 3 多模型自适应控制研究现状 传统的自适应控制器设计往往基于一个参数固定或慢时变的系统模型。我们 常常假设操作环境是时不变或慢时变的，随着控制理论的发展和实际过程控制 的需要，要求人们设计出适合于复杂系统( 如系统故障、子系统动态变化、传 感器或执行器故障、外部扰动、系统参数出现大的变化等等) 的控制器。对于 这种复杂的被控系统，利用常规的自适应控制器进行控制往往效果不好，因为 系统从一种操作环境突然变化到另一种操作环境，系统的参数将产生很大的变 化，这时常规自适应控制器中的辨识器难于跟随参数的实际变化，造成模型不 准确，从而基于此模型而设计的控制器性能不佳【4 2 4 3 】。 在这种背景下，人们提出了利用多模型来逼近系统的动态性能，再基于多模 型设计出多模型自适应控制器；这种控制器对复杂系统能达到较好的控制精度、 跟踪速度以及稳定性。 d w l a n e 等将多模型自适应控制应用到飞行器控制系统中。飞行器控制系 统不仅要考虑参数的变化，还要考虑不确定的动态特性。设计多模型控制器考 虑不同的时延、带宽，可获得较好的控制性能 4 0 , 4 。k b k o n s t a i n t i n o v 等利用多 模型状态估计，对飞行器执行器、传感器故障进行检测分析。c y u 等把多模型 方法应用到多变量系统，对一个患有心血管阻塞的病人通过调节两种药物的输 入率来分别控制动脉血压和心脏输出，针对不同病人设计多模型，基于不同模 型采用广义预测控制策略。近些年来国际主要控制杂志有很多这方面的文章发 4 武汉理：r 人学硕十学位论文 表，一些学者对以前的工作做了总结，美国著名学者k s n a r e n d r a 教授在1 9 9 4 年的c d c 会议作大会报告“参数自适应控制结束还是开始”，在自适应控 制的发展方向中着重提出了多模型自适应控制是自适应控制的最新发展方向之 一 4 2 , 4 3 1 。 在这种背景下，人们提出了利用多模型来逼近系统的动态性能，再基于多模 型设计出多模型自适应控制器；这种控制器对复杂系统能达到较好的控制精度、 跟踪速度以及稳定性。从研究现状来看，对于燃料电池电动汽车等复杂系统， 仅仅选择一个参考模型是不现实的，我们需要建立多个模型来对整个行车流程 进行控制。 1 4 主要研究内容 燃料电池轻型客车能量管理系统是整车能量分配的核心控制部分，其主要研 究内容就是整个能量管理系统的软硬件设计及其实现，总的来说有以下几点： ( 1 ) 燃料电池轻型客车混合动力系统结构分析与设计。分析燃料电池轻型 客车的动力系统结构组成，在此基础之上比较三种主流的动力结构，并选择一 种燃料电池通过d c d c 与动力电池并联的结构，最后分析燃料电池轻型客车整 车能量流向。 ( 2 ) 燃料电池轻型客车能量管理系统硬件设计。详细介绍燃料电池轻型客 车能量管理系统的整体硬件设计方案，并对各个接口电路进行分析和说明。 ( 3 ) 燃料电池轻型客车多模型能量管理策略。分析整车两个能源的特性， 提出一种基于模糊切换的多模型能量管理策略，给出目前的具体实施方案。 ( 4 ) 基于上述控制策略，进行了实际路况测试和实验数据分析。简述整车 的实验测试环境，然后在此基础之上给出多模型能量分配的实验数据分析结果。 武汉理。r 大学硕士学位论文 第2 章燃料电池轻型客车混合动力系统结构设计 燃料电池( f u dc e l l ，简称f c ) 用于车辆驱动，为能源问题和环境污染问 题提供了一个有效的解决方案，但是由于燃料电池的输出特性相对偏软，燃料 电池作为单一的能源供电显然不能满足启停频繁的城市公交工况。本章首先以 自主研发的6 0 k w 燃料电池发动机为基础，确定辅助能源的类型，然后分析比较 国内外几种主流的动力拓扑结构，最后在此基础之上提出一种燃料电池通过 d c d c 与动力电池并联的方案。 2 1 燃料电池轻型客车的能源组成 2 1 1 主能源 近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出要求，人们开始转 向开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污 染小等优点，因而受到世界各国的普遍重视【1 2 】。 燃料电池的原理是将氢气中的化学能通过电化学反应直接转化为纯净的电 能。燃料电池的种类繁多，国内外燃料电池研究者一般按照燃料电池的电解质 类型分类【1 3 】。目前正在开发的商用燃料电池，依据电解质类型可以分为五大类： 碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、 固体氧化物燃料电池【1 4 】。 燃料电池轻型客车主能源采用的是质子交换膜燃料电池，它最大的优势在 于它的能量转化效率和工作温度【1 5 】。其最佳工作温度是6 0 7 0 ，而且效率高、 结构紧凑、重量轻，所以特别适合用作交通车辆的移动电源。 燃料电池轻型客车的核心部分是燃料电池，但是燃料电池输出特性偏软， 即随着负载的增加，功率增大，输出电压下降的斜率远远大于普通电池的斜率。 如果输出功率频繁波动，将会大大降低燃料电池的效率。因此仅仅用燃料电池 作为唯一的输出驱动源，还不足以满足燃料电池轻型客车在不同路况下的正常 行驶，必须引入辅助能源来稳定燃料电池输出电压，改善其输出特性，提高能 量转化效率。 6 武汉理：( 大学硕士学位论文 2 1 2 辅助能源 辅助能源是燃料电池轻型客车混合动力系统中的重要组成部分，它可以在 汽车需求功率比较大的情况下，释放存储的能量，从而降低燃料电池的峰值功 率需求，使燃料电池工作在一个较稳定的工况下。而在汽车需求功率比较小的 情况下，存储动力系统多余的能量，或在回馈制动时，吸收制动回馈的能量， 从而提高整个动力系统的能量效率。 超级电容是一种介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能原 件，其储能方式与传统电解质电容不同。传统电容器是通过电极间的电解质在 电势能作用下产生极化效应而存储能量，而电化学电容器是依靠电解质与电极 间形成特有的电双层结构和电极表面的氧化还原反应来存储能量，其容量要远 大于传统电容。正是由于超级电容所具有的可以在短时间大电流充放电( 一次 充放电只需要几分钟) ，循环寿命长( 能反复充放电使用的寿命超过1 0 0 0 0 次， 极限寿命可达1 0 万次，为一般电池的数十倍以上) ，充放电效率高，可正常工 作的温度范围宽等特点，因此在混合动力汽车上作为辅助能源的应用前景广阔 1 4 , 1 5 , 1 6 , 17 】。但是大部分超级电容价格昂贵，材料成本太高，无法大规模的应用到 民用场合。而且超级电容存储的能量有限，多用于需要瞬间大电流放电的场合。 镍氢( n i m h ) 电池属于碱性电池，它的许多基本特性和镍镉( n i c d ) 电池相似。2 0 世纪9 0 年代随着电动汽车，尤其是混合动力汽车研究开发的需要， 氢镍电池向高能量动力电池的方向迅速发展。氢镍电池的优点是：能量密度、 功率密度均高于铅酸电池和镍一镉电池，循环使用寿命在实际电动汽车用电池中 是最高的；快速充电和深度放电性能好，充放电效率高 1 8 , 1 9 】。镍一氢电池的缺点 是：成本高，价格为相同容量铅酸电池的5 8 倍；单体电池电压低( 1 2 v ) ；有 “记忆效应 ，自放电损耗大；对环境温度敏感，电池组热管理要求高。 与上面所述的两种辅助能源相比，锂电池在容量、功率方面均具有较大优 势。锂离子电池主要优点表现在：单位体积的能量高，是氢镍的3 4 倍；使用 寿命长，可达到6 年以上；自放电率低，不到氢镍电池的1 2 0 ；无记忆效应。 锂电池的主要缺点是：安全性差，有发生爆炸的危险；锂离子电池均需保护线 路，防止电池被过充电或过放电。 磷酸铁锂电池以其安全性绝对可靠，循环寿命长，充放电平台稳定等优点 受到全球动力电池专家的大力推崇。它除了锂电池本身的优点之外，还完全解 7 武汉理：【人学硕士学位论文 决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，不会因过充、温度过高、短路、撞击而 产生爆炸或燃烧，而且可大电流2 c 快速充放电，在专用充电器下，1 5 c 充电 4 0 分钟内即可使电池充满，起动电流可达2 c ，而铅酸电池现在无此性能【2 0 】。以 磷酸铁锂电池作为燃料电池轻型客车的辅助动力源，能够利用其大电流快速充 放电的特点来满足频繁启停的城市工况，并且能同时回收制动能量。而且其安 全性能也有了很大的提升。 2 2 燃料电池轻型客车的基本动力结构 2 2 1 燃料电池和动力电池直接并联 燃料电池和动力电池直接并联的结构图如图2 1 所示，燃料电池发动机和磷 酸铁锂电池直接并联在直流母线上，一起给电机及其他整车设备供电。在车辆 启动的时候，锂电池能给燃料电池发动机辅助系统提供启动能量；在加速或者 爬坡时，锂电池可以在开始时段短时间内担任主能源的角色，使燃料电池的输 出功率不至于突变，从而保护燃料电池发动机。但是如前所述，燃料电池输出 特性偏软，当车辆需求功率比较大而且时间比较长的时候，比方说长时间加速， 直流母线的电压会急剧波动，这对电机及整车设备的稳定工作非常不利。 图2 1 燃料电池和动力电池直接并联结构图 2 2 2 动力电池通过d c d c 与燃料电池并联 动力电池通过d c d c 与燃料电池并联的结构图如图2 2 所示，锂电池通过 d c d c 和燃料电池发动机并联在直流母线上。该结构和上述的直接并联结构有 所不同，在这种结构中锂电池是主能源，给车辆的稳定运行提供能量；燃料电 8 武汉理工大学硕七学位论文 池是辅助能源，在锂电池不需要输出能量的时候给锂电池充电。但是这种结构 对锂电池的充放电性能要求特别高，在国内还仅仅只是处于试验阶段，没有大 规模应用于燃料电池电动汽车的动力系统之中。 图2 2 动力电池通过d c d c 与燃料电池并联结构图 2 2 3 燃料电池通过d c d c 与动力电池并联 燃料电池通过d c d c 与动力电池并联的结构图如图2 3 所示，燃料电池为 主能源，锂电池为辅助能源和启动能源。燃料电池通过d c d c 联入直流母线， d c d c 对燃料电池的输出电压进行稳压调节，并根据电机的功率需求调节燃料 电池输出的母线电压。同时d c d c 变换器可以对燃料电池最大输出电流和功率 进行控制，起到保护燃料电池的作用。此外，在d c d c 的输出端并联一个锂电 池来覆盖功率波动，提高峰值功率，以改善燃料电池输出功率的瞬态特性。 图2 3 燃判电池通过d c d c 与动力电池并联结构图 考虑到燃料电池轻型客车的动力性和可靠性，本文选用图2 3 所示的将燃料 电池通过d c d c 与动力电池直接并联入直流母线的方式。 9 武汉理工大学硕十学位论文 2 3 燃料电池轻型客车整车能量流向分析 燃料电池轻型客车的动力结构模型如图2 4 所示，它表示了燃料电池、锂电 池和电机及整车设备的能量分配关系。 p k 1 厂 p f c a 1 1 d ct 1 “ p m d c d c 广_ 、7 、p 、r 、 电机 么 p b ，7 锂电池 图2 - 4 燃料电池轻型客车动力结构模型 其中，p 品为燃料电池的输出功率；p f c 。为燃料电池辅助系统消耗的功率； 为d c d c 的转换效率；r 为锂电池充电和放电的功率，它是有符号的变量，当 锂电池充电的时候为正，放电的时候为负；p m 为电机输入和输出的功率，p i 为 整车需求的功率和再生制动回馈的能量，当整车处于行车状态时为正，处于再 生制动回馈状态时候为负；r m 为电机的能量转化效率。 2 3 i 锂电池单独驱动 当燃料电池轻型客车启动或者燃料电池出现故障的时候，锂电池单独驱动 电机，保证整车的正常行驶。在此工作模式下的能量流向图如图2 5 所示( 黑箭 头表示能量流向) ，其功率关系如下所示： t 1 d c1 1 m ：韵i 邑j 电机 ：伫i 叫电机 4 , - n 啼 t 。 p b 77 锂电池 图2 5 锂电池单独驱动模式能量流向图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 燃料电池单独驱动 = 0 最= 昂+ c 乓= r m 最 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 燃料电池成功启动以后，如果锂电池s o c 值( s t a t eo f c h a r g e ) 低于3 0 ， 为了保证锂电池的s o c 在理想的范围之内( 3 0 一8 0 ) ，燃料电池在驱动整车电 机的同时，也给锂电池充电。在此工作模式下的能量流向图如图2 - 6 所示( 黑箭 头表示能量流向) ，其功率关系如下所示： t i r eq “ 图2 - 6 燃料电池单独驱动模式能量流向图 = + c ( 昂+ b ) = r u 昂 2 3 3 燃料电池和锂电池混合驱动 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 当燃料电池轻型客车处于持续加速或者爬坡状态的时候，整车需求的功率 比较大，而且变化也非常剧烈，此时燃料电池和锂电池同时驱动整车电机。在 此工作模式下的能量流向图如图2 7 所示( 黑箭头表示能量流向) ，其功率关系 如下： 武汉理工大学硕十学位论文 i 荔瓮麦翼磊卜皇、i 动机及其辅r 一0 l 勇罨缝一。烹 t 1 m 图2 7 燃料电池和锂电池混合驱动模式能量流向图 昂= b + c ( 昂+ ) 置= 气 2 3 4 再生制动给锂电池充电 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 当燃料电池轻型客车减速或者下坡的时候，燃料电池仅仅是给自己的辅助 系统供电，保证自身的正常运行。电机此时工作在再生制动状态，回收多余的 动能给锂电池充电。在此工作模式下的能量流向图如图2 8 所示( 黑箭头表示能 量流向) ，其功率关系如下所示： i 燃料电池发 l 动机及其辅 助系统 t 1 d ct 1 m 图2 8 再生制动模式能量流向图 = p r c a 乓= 钆 弓= 昂 1 2 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 武汉理一r = 人学硕士学位论文 2 4 燃料电池轻型客车能量管理系统 如上一节所述，整车在运行时的能量流向非常复杂，要协调好两个能源的 能量分配，并按照上述的四种能量流向模式来运行，一个稳定的能量管理系统 必不可少。能量管理系统与整车各部件的关系如图2 - 9 所示。 图2 - 9 中的虚线表示能量管理系统与整车各部件的信息交流。整车能量管理 系统根据驾驶员操作信息( 油门踏板信号) 来调节d c d c 电流大小，n r 和电机 扭矩死从而控制整车的运行和能量的分配。能量管理系统还通过各种传感器监 控各个部件的工作状态，例如燃料电池输出电流电压、锂电池s o c 、电机转速、 氢气的压力大小和报警信号等，时刻调整能量的配比，提高整车的工作效率。 驾驶员操作 2 5 本章小结 图2 - 9 能量管理系统与整车各部件的关系图 本章详细分析了燃料电池轻型客车的能源组成，在此基础之上比较了三种 主流的动力结构，并选择了种燃料电池通过d c d c 与动力电池并联的结构。 最后分析了燃料电池轻型客车整车能量流向。 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章燃料电池轻型客车能量管理系统硬件设计 基于模块化设计思想，燃料电池轻型客车整车能量管理系统整体硬件电路 分为以下几个模块进行设计：c p u ( 中央处理器) 模块、信号采集与处理电路、 a d 和d a 转换( 模数和数模转换) 单元、电源模块、串行通信模块、c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 通讯模块，其中信号采集与处理电路是本系统的重点，它包括数 字量输入电路、光电隔离电路、二阶有源滤波电路、频压转换电路等，下面对 各功能模块的电路进行设计。 3 1 硬件总体设计 燃料电池轻型客车整车能量管理系统框架如图3 1 所示，它包括燃料电池发 动机、d c d c 控制器、高压氢气系统、电机控制器、电池管理系统和g p r s 无 线采集系统等。 图3 1 整车能量管理系统框架图 为了协调整车两个能源的能量分配，保证整车的动力性和安全性，设计了 整车能量管理控制器。整车能量管理控制器e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 的设 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 计一方面要考虑工程性，另外也要突出其硬件平台的特点。所以，最好能够兼 顾如下几个特点： ( 1 ) 先进性。硬件平台采用p i c l 8 系列单片机为核心，该微控制器可以在 高速移动、苛刻的环境下工作，具有高度的灵活性和可靠性。 ( 2 ) 强大的扩展功能。硬件平台共支持1 0 多个功能模块接口信号的扩展。 ( 3 ) 标准的连接器接口( 可靠易拔插) 设计。 ( 4 ) 支持c a n 2 0 b 总线通信。 ( 5 ) 具有较强的抗干扰能力，通过了e m c 电磁干扰试验。 该硬件平台e c u 包括了c a n 总线、a d 和d a 转换器、i o 、频率采样电 路，r s 2 3 2 用来与液晶显示器相连，同时也把数据通过无线天线发送给远程监控 平台。 3 2 整车能量管理系统接口模块设计 3 2 1 数字量输入输出模块 整车数字量输入信号分为两种：有源数字信号和无源数字信号。有源的数 字量输入信号是指整车电器发出的开关量信号，高电平为+ 2 4 v ，低电平为0 v 。 其具体电路接口图如图3 2 所示。 + 5 、r 图3 2 有源数字输入信号接口电路图 在设计过程中，为了防止外界干扰，数字输入量都进行了光电隔离。光电 隔离器是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器与受光器封装在一起。 当输入端加电信号时，发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流从 1 5 武汉理工人学硕士学位论文 输出端流出，从而实现了“电光电”转换。如图3 2 所示，t l p 5 2 1 是一种常 用的光电隔离器，它使输入端与输出端实现了电气隔离，大大提高了系统的抗 干扰能力。 无源的数字输入信号是指整车控制面板上的按钮对应的开关量信号，其电 源由整车能量管理e c u 提供，高电平为+ 5 v ，低电平为0 v 。其具体电路接口图 如图3 3 所示。 d g n d 图3 - 3 无源数字输入信号接口电路图 u n d 图3 - 4 输出信号接口电路图 从外部得到的数字输入脉冲经传输后往往发生波形变化，当传输线路上的 电容较大时，波形的上升沿将明显变坏；当传输线路较长时，且接受端的阻抗 与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将出现振荡现象。因此在 设计过程中，对于无源的数字信号，都使用施密特触发器对输入信号进行整形。 只要施密特触发器的门槛电压设置得合适，均能受到满意的整形效果。 单片机的输出信号主要是用来驱动继电器，继电器又用来驱动一些外部电 器和电磁阀。这些数字量输出信号通过光电隔离器和外部进行电气隔离，但是 光电隔离器的输出电流还不足以驱动继电器的线圈，因此在设计中使用了一个 n p n 三极管来增加驱动能力，整车输出信号接口电路图如图3 4 所示。 1 6 荆t太甲l 武汉理1 二大学硕士学位论文 3 2 2a d 和d a 转换模块 燃料电池轻型客车能量管理系统中，模拟量采集至关重要，如加速踏板开 度、制动踏板开度、直流母线电压、电流等。通过对传感器进行优化选型，实 现物理模拟量到电压模拟信号的转换。但是单片机并不能直接读取模拟电压信 号，必须通过a d 转换器( 模数转换器) 进行转换。p i c l 8 l f 4 5 8 0 自带有内置的 1 0 位模数转换模块，最小转换时间为8 0 0 n s ，但是在调试过程中发现，单片机自 带a d 的精度和转换时间并不能满足工作要求。因此为了满足信号采样的要求， 在系统中使用了一款外部的模数转换器t l c 2 5 4 3 。t l c 2 5 4 3 是t i 公司设计的一 种1 2 位开关电容逐次逼近模数转换器，它可以通过s p i 总线( 串行外围设备接 口) 与c p u 或其外围的串行口通讯，输出转换结果。其具体电路连接如图3 5 所示。 + 5 v a m l 哳n d 图3 5t l c 2 5 4 3 外部接口电路连接图 p i c l8 l f 4 5 8 0 并没有自带的d a 模块，因此需要外扩一个d a ，来满足整车 能量管理系统中散热风扇的控制。其具体电路连接如图3 - 6 所示。 m a x 5 7 4 2 是m a x i m 公司的一款4 路1 2 位、低功耗、缓冲电压输出的d a 转换器，它具有基准电压两倍的输出电压范围，且它也可以通过s p i 总线与单片 机通讯，能和a d 转换接口模块共用s p i 总线，方便了电路设计。m a x 5 7 4 2 的 输出自带了轨对轨的精密运算放大器，不需要外接运算放大电路，大大的提高 了驱动能力。在断电阶段，参考电压输入引脚是高阻态，更进一步的降低了系 统的总功耗。 1 7 武汉理工大学硕七学位论文 d a c s 5 7 4 2 1 g t c s0 u t d i o c ! 。k 12 s l c l k0 u 1 c 1l 3 v d d0 1r i b 乍叫蹦。； g n do u t a dref ， 一 dagndd5742 图3 - 6m a x 5 7 4 2 外部接口电路连接图 城市客车的工作环境很恶劣，在行驶的过程中不仅要频繁的启停，而且工 作环境的温度也比较高，振动和冲击也经常发生，采集到的信号包含很多噪声 干扰，因此在模数转换芯片t l c 2 5 4 3 之前和m a x 5 7 4 2 之后都加入了r c 滤波 电路来滤除外部引入的干扰。 3 2 3 频率信号采集模块 在行车过程中，为了了解当前整车的状态，车速信号的测量是必不可少的。 但是车速无法直接测量，需要使用车速传感器把车速信号转换为脉冲信号，然 后再将该脉冲信号送入数字电路进行记数和运算，从而得到整车车速。对于脉 冲信号的采集，采用了两种方案：第一种方案是把输入的脉冲信号直接接入单 片机的捕获单元，然后通过软件编程计算出脉冲的频率；第二种方案是通过频 压转换电路把输入的脉冲信号转换成电压信号，然后再通过a d 转换单元计算出 脉冲信号的频率。 对于第一种方案来说，由于车速传感器的驱动能力有限，不足以驱动单片 机的捕获单元，因此在捕获单元的前一级增加一个总线驱动器7 4 h c 2 4 5 ，用以 增加输入脉冲的驱动电流。具体接口电路如图3 7 所示。单片机采到相应的脉冲 信号，通过捕获单元就可计算出脉冲的频率。 对于第二种方案来说，采用l m 3 31 作为频压转换电路的主芯片。l m 3 31 是 美国n s 公司生产的性价比比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、 a d 转换器、线性频率调制解调以及其他相关器件。l m 3 3 1 动态范围宽，可达 1 0 0 d b ；线性度好，最大非线性失真小于0 0 1 ，工作频率低于0 1 h z 时还有很 好的线性关系；外接电路简单，只需要接入几个外部元件就可方便构成或 者f 等变换电路，并且容易保证转换精度。具体转换电路如图3 8 所示。 武汉理工大学硕十学位论文 d g n d 图3 7 单片机捕获单元接口电路图 + 1 2 v 图3 8 频率电压转换电路图 如图3 8 所示，c 5 5 是滤波电容，起到“隔直通交”的作用。c 5 7 也是滤波 电容，滤除输出电压的尖峰抖动。其他的电阻和电容都是按照典型电路来搭配 的，输出电压的大小和电阻电容的大小存在一定的关系，具体公式如下： 舟 叮2 厶x 2 0 9 x 筹葛她，c 5 3 ) o 。 通过上述公式，我们便可以通过对电压的测量，计算出脉冲信号的频率大 小。 3 2 4 温度采集模块 燃料电池轻型客车的温度信号主要是反映锂电池、电机及其他整车电气设 备的工作状态。由于在行车过程中，复杂的城市行车工况会对控制器产生大量 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 的干扰，特别是对模拟信号，因此整车采用数字式的温度传感器d s l 8 8 2 0 对温 度信号进行采集。 d s l8 8 2 0 是美国d a l l a s 公司生产的单线数字温度传感器，提供9 位二进 制的温度读数，提示器件温度。温度信号通过单线接口送入d s l 8 8