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基于超級(jí)電容的燃料電池汽車控制結(jié)構(gòu)

越來越多的燃料電池汽車（FCV）采用儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS, Energy Storage Subsystem）來解決使用壽命和成本問題，提出了一種使用超級(jí)電容（SC）作為FCV二級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案。

研究車輛由兩個(gè)主要子系統(tǒng)構(gòu)成：儲(chǔ)能子系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。其中，儲(chǔ)能子系統(tǒng)采用氫氣燃料電池和超級(jí)電容作為主、次要儲(chǔ)能元件，并分別接有濾波電感和直流斬波器輸出母線電壓；驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由電壓型逆變器、感應(yīng)電機(jī)和傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系3個(gè)部分組成。

能量宏觀表達(dá)法（EMR）作為一種新的建模方法能夠根據(jù)模塊間能量流動(dòng)關(guān)系對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行宏觀的圖形描述，直觀地表達(dá)出各模塊和物理量之間的相互關(guān)系。對(duì)儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行EMR建模，主要包含能量源（儲(chǔ)能系統(tǒng)和電阻負(fù)載）、能量累加單元（濾波電感、電容）、能量傳遞單元（電壓型逆變器）、傳遞向量及普通單元。在EMR模型基礎(chǔ)上，借助反轉(zhuǎn)規(guī)則對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行反轉(zhuǎn)推演（Inversion-based Control）可以得到儲(chǔ)能、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要的速度和電流控制。

為滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量和儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效運(yùn)用要求，通過反轉(zhuǎn)推演設(shè)計(jì)了兩種FCV控制結(jié)構(gòu)。第1種優(yōu)化路徑將控制超級(jí)電容電壓及其總電流值（耦合值），分為燃料電池輸出電流和超級(jí)電容輸出電流兩部分并分別對(duì)其進(jìn)行控制。第2種優(yōu)化路徑將燃料電池的輸出電流作為干擾，測(cè)量出變量值并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。相比而言，硬件結(jié)構(gòu)上第2種優(yōu)化路徑將多出一個(gè)用作測(cè)量燃料電池電流值的傳感器。

在Simulink環(huán)境中進(jìn)行城市循環(huán)工況仿真，即給驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)一個(gè)參考速度而得到母線電流值。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)CV兩種控制結(jié)構(gòu)所得到的燃料電池和超級(jí)電容輸出電壓值基本相同。相比而言，控制結(jié)構(gòu)1簡單易行且由于電流分布輸入更具靈活性，可認(rèn)為第1種優(yōu)化路徑更具優(yōu)勢(shì)。

L.Gauchia et al. 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.

編譯：張為榮