燃料电池汽车动力蓄电池管理系统.pdf

第31卷第4期 2006年12月 广的大学学报 自然科学版 Journal of C uangxi University Nat Sci Ed 文章第号 1001叩744S 2006 1斗 292 05 燃料电池汽车动力蓄电池管理系统 硬件在环仿真应用 张毅 杨林 卓域 何小明 上海交通大学汽车电子研究所 上海200030 Vol 31 No 4 Dec 2006 摘要z介绍了燃料电池汽车硬件在环仿真系统的设计 动力镣氮蓄电池组及其管理系统的仿真模骂道 并基于车 辆不同的驾驶工况进行了硬件在环的系统仿真 结果表明蓄电池模型能合理地反映燃料电池汽车运行过程 中蓄电池的能量变化状态 该动力蓄电池硬件在环系统是蓄电池控制器及动力总成控制器开发不可缺少的 平台 关键询 硬 牛在环 Ni MH蓄电池 模型 仿真 中图分类寄 U463文献标i只在马 人 能源和环境是实现经济可持续发展的必要条件 传统汽车的不断增加将使能源短缺和环境污染陷 入恶性键环 燃料电池 混合功fJ汽车可以实现 零排放飞我酿已将其相继列为自家十五 十一五 863 计 划的重大专项 现代汽车电控系统开发 般都采用虚实结合的开发流程 其中硬件在环HILCHardware n Loop 仿真技术对燃料电池汽车各控制系统的开发有着重要意义 l 燃料电池汽车硬件在环坊真平台设计 1 1 硬件在环HIL技术 采用HIL技术 可以提高系统开发效率 降低系统开发难度与成本 提高开发质量 减少系统开发风 险 汀 通过将系统中的关键硬件与复杂的仿真模型集成 可以并行开发系统软 硬件 进行性能评估和各 种费试 包括系统极限扭9试如严酷环境翻试等 所以硬件在环技术已成为现代采用并行工程开发车辆控 制系统不可娥少的一环 作为一种虚实结合调试和验证控制单元的开发平台 硬件在环仿真系统首先应该组括一系列非常 友好的用户界面以使用户设置参数 选择功能 显示结果和进行文档处现等等 其次作为一种系统控制 平台应能合理地调度系统中存在的各种程序钱程 从而提高硬件在环仿真系统的响应速度 并且作为一 种羁试程验证建件的系统拉棋子台 它还应具有草动硬件接口卡的能力 搜据对号更f牛在环命真系统挂靠tl 平台的要求和开发系统控制程序的难路程度 本文选择了美国NI公商 NationaLInstruments 的 LabView 虚拟仪器开发环坡以编制硬件在环仿真系统的控制程序 1 2 硬件在环仿真系统的方案设计 在燃料电池汽车各控制器开发过程中 蓄电池组CBatteryPack 及其管理系统CBatteryPack Control Module 要做到就可以实时在线 又可以进行真线仿真 所以有必要建立BP的模翠及系统硬件 在环的仿真平台 以便调试巳PCM和动力总成控制器CPowertra nControl Module 燃料电地汽车动力总成系统硬件在环仿真平台构成如图l所示 1技稿日期 2006 09 06 修订臼期 2006 11 的 基金项黯 国家科技部 863 项目 2001AA501032 作者简介 张毅0976一 舅 广西柳州人 上海交通大学博士研究生 第4期张毅等 燃料电池汽车动力蓄电池管理系统硬件在环仿真应用 MC 68376 固1硬件在环系统总体结构固 上位PC机系统 监控界面 通 讯程序 整车 模型 电机模 型及动力蓄电 池模型 293 图1中硬件在环系统由虚实两部分部件组成 蓄电池管理器 BPCM 动力总成控制器 PTCM 高 压电管理控制器 Automaticdisconnected module ADM 及仪表盘控制器 JnstrumentPanel Control Module IPCM 采用真实部件 燃料电池发动机 FuelCell Engine FCE DC DC直流变压器 蓄电池 组 BP 驱动电机 DM 由计算机内建立的C语言仿真模型代替 为获得真实的加速踏板信号 HIL系 统里增加了加速踏板模拟输入 在PC机里建立了整车模型 Vehiclemodule system VMS 处理加速 踏板信号 FCE BP及DM模型的运算结果并与BPCM和PTCM通讯 PTCM和BPCM之间采用波特 率500K的CAN通讯方式 由于PC机无法与CAN直接进行通讯 需要一个转换接口 本系统选择了周 立功单片机的USBCAN智能转换卡 实现控制器与PC机之间的CAN通 讯 仿真ECU系统的作用是为提供目 标ECU系统所需要的信号及进行相 应的数据采集而开发的 其主要功能 是根据上位PC机里动力蓄电池模型 电机模型及整车实时仿真数学模型的 输出 产生相应信号输出 包括转速信 号 扭矩信号 传感器信号及相关1 0 信号 给目标ECU系统 使目标ECU 系统按其设定的循环工况工作 测试 目标ECU系统硬件的可靠性 验证控 制策略的正确性 同时采集目标ECU 的输出响应信号 并将这些信号送到 上位PC机系统 供整车实时仿真数学 模型工作使用 图2显示了利用LabView编写的 主程序 它具有友好的显示界面 能以固2BPCM仿真程序工作界面 294 广西大学学报 自然科学版 第31卷 数据和动态曲钱的方式显示蓄电池绵的重要参数 以便监测该子系统 1 3 上位PC棋系统软件设计 由图I可见 仿真系统上位机的软件包括三部分 Labview监控程序 软件模型及通讯系统 为了使 三部分模块协调工作 满足整车控制系统的实时性要求 PC仿真系统里采用了多线程捕程技术 将监控 系统 实时模型及通讯模块分裂用三个线程来实瑰 监控线程在前台 模型及通讯线程在后台运行 Labview与C语言的接口果用动态链接库来实现 通讯线程通过调用USBCAN提供的接口函数 将电 机 动力蓄电池模型的运行参数发送到仿真ECU 同时将目标ECU的反馈偌号接收到PC机 由于多线 程前使用 揉罩了硬件在环仿真模型的实时运行 旦充分地科黑了PC挠的资摞 2 动力蓄电池组模型 蓄电池摸翠主要有容盟RC模盟 PNGV模型E气Ri挝摸型 3J等 其中 PNGV模型的缺陆在于开路 电压的计算有难度 RC模型与Rint模型相比 电压和普电池电荷状态 Stateof Charge SOC 仿真精 度高 4 能较好地表征蓄电池化学反应 故本文基于RC电路建立蓄电池模型 蓄电池姐的参数采用了项 吕开发中实际应用的25Ah NIH蓄电池盟的参数 如单体蓄电池数吕 单体蓄电池票慧 蓄电地组额定 容量 伏安特性曲线等等 2 1 蓄电池模型等效电路 RC模型中NiMH蓄电边攘攘化为两个电容和三个电眩 其等放电路如黯313哥示 电容Cb和Cc撞述 电池系统的储能单元 Cb数值比Cc大一个数麓级 主要表征蓄电池的储能能力 Cc表征电池电极的表面 效应 充放电俯率 温度等影响因素对蓄电池容量的修正 R 代表电化学极化内阻 凡代表浓差极化电 盟 只 表示欧姆电盟 R 孔 R 结合作用反映电边的内磁情况 2 2 蓄电池模盟的数学描述 根据图3所示的等敢电路物理模型 如果将功率需求PBP作为输入变量 蓄电池组端电压V 作为输 出变囊 且规定充电电捷为虫 鼓电电荒为正 那有 IRP T BP BP V 寸 几 lCcIBPdt y RJBPI dt十Cc 友 R cc l lFcc cb ICb Cb 一 C Cb dt Cc R 十R 一 C 一一 C Vcc Ccc IBPdt V产VCb 1十Ch一号 R Vcb R Vcc I R Rc V 一一一十一一 IR 十一一一IIBP 及 Rc R 十Rc R 十R与J町 式中 IBP为蓄电池组输出电流 V I H H H H 为蓄电池组前一次的端电压值 Vcc为 电容Cc南端的电压值 Vcc 1为前一次 电容Cc两端的电压值 V呻为电容Cb两 端的电压值 V中1为前一次电容Cb两 端的电压it1 dt为时间步长 参数凡 凡 丸 Cb和Cc的具体数 值与蓄电池种类 结构 制造工艺 运 行工况及其状态等有关 对同一种电 池 凡 R R Cb和Cc分别是蓄电池 充放电倍惑 SOC 温度 寿命指数 State of health 等的非线性画数 Re R Rc 凡 d 圈3RC电池模型等鼓患路 第4期张毅等 燃料电池汽车动力蓄电池管理系统硬件在环仿真应用295 制总行运制池求计 耐力运况控电需以 用动的工的蓄率可 查 同同前民功耗 量中不不当町的总功 能统出种统啤统的 的寿输四系刮系池 当真丁适仿饵川剧副略粘 Mm 阳时机川成百需燃 过 总个时率合性 配刷刷 m献血呻瞅峭蚓 ME件 在而2组由和 阳如跺眈况 池降率 哇盼盹脏乱r 瞅 wm 勒出如且由 个池时江 IP 了配不二 有一电况制不用证分有阳 芹的蓄工统知 5 验量会在 应制力同系可hu地能 CA AM 肌圄蓄于民每同程燃算功大的池压过同真真料控策置也单的的控动不真 5本好的 m略 压nJ程的嵌示轧不真在计出最统电电 C不仿仿燃成制设修量组型 MM 前附四呵呵段相瞅瞅 叫 出山摆出且可且时叫阿mtm叫出班时时时时时吼叫且向阳叫叫 峭炖挝嗣mMM MUV 捕酬 mw刷刷剧M挝叫附叫一将附栅制呵呵哺瞅都蓄幢叫时都 L配制在都酌A刷 于一型3 池lwt计况可电电元许真的高或别序型池器 标括电真现制啕蓄下兀悦系 基进模乙电 U 中一工序料蓄率允仿组过高级程模电制略为包体仿 3 实控果时略以尔出 I t叫阳组模型i 各初始参数i 主 叫树控制入上一次l 计算结果和蓄电池组功率需求l 计算z 1 RC模型基本参数 2 电池组端电压 3 电流 4 产生热量 并折合为电量损失 5 根据上一次电池温度 决定风扇开关 6 冷却空气流速 换热系数 有效热阻 7 当前电池温度 冷却空气温度 8 发热引起的电量损失 9 电量变化量 10 克放电效率 11 SOC 12 电池组输入输出功率 13 电池组百公里等效汹耗 14 最大允许充放电电流 圄4蓄电池管理系统的仿真程序流程 296 广西大学学报 自然科学版 第31卷 76 75 栩 栅70 创 ffi 6t 孩x 岳阳O 友D 飞iiYstm 夜Dl D 时陶s 一一一 一 一 图5不同工况蓄电池组SOC曲线固6不同能量分配时蓄电池组SOC曲线 4 结论 1 设计了燃料电池汽车硬件在环的仿真平台 建立了动力蓄电池的仿真模型 能够合理地反应蓄 电池组