混合燃料電池汽車的能量消耗監控策略

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混合燃料電池汽車的能量消耗監控策略

燃料電池汽車一方面能夠回收再生制動能量提高車輛效能，另一方面其傳動系統中附加的能量模塊有利于減少能量消耗和能量分配最優化。能量管理系統（Energy Management System, EMS）作為上層控制策略分配燃料電池和儲能系統（本文中為鋰電池組）的輸出能量，具有極為重要的作用。

利用VEHLIB搭建兩種模型：正向模型根據駕駛員輸入得到最終輸出車速，計算得到各車輛狀態變量，可用于驗證系統動力學和控制規則；反向模型用于優化控制策略，如根據所需車速得到異步電機目標電流值。電池模塊中，充電狀態（State of Charge）定義為累積能量與最大能量的比值，對于混合動力汽車，該值在40%～80%之間。聚合物交換膜（PEM）燃料電池模型基于CEA半經驗公式，包括空氣、氫氣和冷卻子系統等，其中空氣回路對燃料電池系統的動態響應有著重要影響。該模型中空氣回路元件只考慮壓縮機和燃料電池陰極，主要參數為陰極壓強和空氣流量，最終得到兩者的非線性關系公式。

為了控制非線性動力學系統，采用基于線性狀態反饋觀測器的非線性控制規則。根據平面度理論，將陰極壓強與空氣流量作為狀態變量，使得系統轉化為線性動力學系統，且其中所有變量均為可控、可觀測（全線性系統）。考慮到在總能量和充電系數范圍內減少氫氣消耗量，根據反轉模型得到燃料電池輸出能量，基于Pontryaguin最大值原理并采用漢密爾頓函數（Hamiltonian Function）對動態系統進行優化。

對研究內容進行仿真分析，選取新歐洲駕駛循環（NEDC）作為測試工況。試驗結果表明，燃料電池空氣循環采用非線性控制規則后，控制變量陰極電壓和空氣流量與參考值之間誤差極小，驗證了優化算法的有效性。

Ramon da Fonseca et al. 2012 12th International Conference on Control, Automation and Systems.

編譯：張為榮