燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的非線性主動(dòng)滑模控制

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燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的非線性主動(dòng)滑模控制

燃料電池汽車中，單一的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)無法快速地提供峰值驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)也難以回收制動(dòng)能量。為此，加入了超級電容作為儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃料電池模塊混合構(gòu)建了混合燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。在同一控制周期內(nèi)，混合動(dòng)力系統(tǒng)附加的一個(gè)驅(qū)動(dòng)自由度需要建立能量管理規(guī)則對兩者進(jìn)行電流分配，以減少氫原料的消耗。

動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換鏈由兩個(gè)DC/DC模塊構(gòu)成，燃料電池組連接一個(gè)升壓斬波器向DV母線輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓值；超級電容后接一個(gè)雙向斬波器，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電時(shí)工作在升壓模式，回收制動(dòng)能量時(shí)工作在降壓模式，其輸入、輸出電流依據(jù)能量管理算法遵循指定規(guī)律。為了描述這一狀態(tài)空間模型的控制邏輯，采用了基于非線性滑模控制下的不連續(xù)瞬態(tài)模型，完成了整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)和斬波器的瞬時(shí)狀態(tài)模型。滑模控制能夠克服系統(tǒng)的不確定性，響應(yīng)速度快，并且對外界噪聲干擾及參數(shù)擾動(dòng)有很強(qiáng)的魯棒性。

布爾空間狀態(tài)前饋控制的缺陷限制了連續(xù)反饋函數(shù)的運(yùn)用，替換成海維塞德函數(shù)（單位階躍函數(shù)），以此作為滑模控制中超平面設(shè)計(jì)的依據(jù)。超平面的設(shè)計(jì)選擇具體分為兩步：①選擇非線性的微分同胚映射將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)形式；②合成出一個(gè)新的線性平面框架。依次進(jìn)行上述兩步工作得到最終的滑模，系統(tǒng)將在達(dá)到條件下保持在該平面，基于李雅普諾夫函數(shù)和歐幾里得規(guī)范對系統(tǒng)進(jìn)行魯棒分析，確保其穩(wěn)定有效。

對連接至燃料電池的升壓斬波器和動(dòng)力系統(tǒng)控制進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真分析。仿真結(jié)果表明，在車輛起步、加速階段，超級電容能夠給出一個(gè)瞬時(shí)電流補(bǔ)償給燃料電池；而在制動(dòng)階段，燃料電池獨(dú)立工作，超級電容則進(jìn)入充電狀態(tài)回收制動(dòng)能量，整個(gè)系統(tǒng)電流分配明確且系統(tǒng)穩(wěn)定無振蕩。

M. D. Bougrine et al. Proceedings of the 3rd International Conference on Systems and Control, Algiers, Algeria, October 29-31, 2013.

編譯：張為榮