基于超級電容的燃料電池汽車控制結構

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基于超級電容的燃料電池汽車控制結構

越來越多的燃料電池汽車（FCV）采用儲能系統（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電容（SC）作為FCV二級儲能系統的方案。

研究車輛由兩個主要子系統構成：儲能子系統和驅動子系統。其中，儲能子系統采用氫氣燃料電池和超級電容作為主、次要儲能元件，并分別接有濾波電感和直流斬波器輸出母線電壓；驅動子系統由電壓型逆變器、感應電機和傳統機械傳動系3個部分組成。

能量宏觀表達法（EMR）作為一種新的建模方法能夠根據模塊間能量流動關系對系統進行宏觀的圖形描述，直觀地表達出各模塊和物理量之間的相互關系。對儲能和驅動系統進行EMR建模，主要包含能量源（儲能系統和電阻負載）、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模型基礎上，借助反轉規則對系統模型進行反轉推演（Inversion-based Control）可以得到儲能、驅動系統的控制結構，以及驅動系統需要的速度和電流控制。

為滿足驅動系統的能量和儲能系統的高效運用要求，通過反轉推演設計了兩種FCV控制結構。第1種優化路徑將控制超級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電容輸出電流兩部分并分別對其進行控制。第2種優化路徑將燃料電池的輸出電流作為干擾，測量出變量值并對其進行補償。相比而言，硬件結構上第2種優化路徑將多出一個用作測量燃料電池電流值的傳感器。

在Simulink環境中進行城市循環工況仿真，即給驅動子系統一個參考速度而得到母線電流值。仿真結果表明，FCV兩種控制結構所得到的燃料電池和超級電容輸出電壓值基本相同。相比而言，控制結構1簡單易行且由于電流分布輸入更具靈活性，可認為第1種優化路徑更具優勢。

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

編譯：張為榮