氢燃料电池重卡整车控制策略的研究

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氢燃料电池汽车具有清洁高效、燃料来源多样、续驶里程长等优势,因此受到了广泛关注。控制策略作为氢燃料电池汽车核心技术之一,其优劣对于整车动力性、经济性、可靠性等各项性能都有直接影响。本文以氢燃料电池重卡为研究对象,以控制策略为核心,开展了动力系统核心部件选型与匹配、整车控制策略、能量管理策略以及整车建模与控制策略仿真优化等方面的研究,主要工作如下:(1)综合分析氢燃料电池汽车各种动力系统结构的优缺点,确定了氢燃料电池重卡以燃料电池作为主能量源、以动力电池作为辅助能量源的混合动力系统结构,根据氢燃料电池重卡的需求和动力系统各部件分类及特点完成其选型,并以整车参数和性能设计指标为依据,完成了核心部件的参数匹配计算。(2)根据氢燃料电池重卡整车控制系统的结构和功能,从整车驱动控制、AMT换挡控制、制动能量回收控制三个方面进行整车控制策略的研究。整车驱动控制策略将驾驶员对加速踏板的操作通过线性关系转化为对电机输出转矩的需求。AMT换挡策略以汽车加速时间最小为目标,通过加速踏板开度和当前车速确定当前挡位。制动能量回收策略考虑了行驶安全和燃料经济性,对再生制动力和机械制动力进行合理分配。(3)对氢燃料电池重卡能量管理策略进行研究,确定了燃料电池系统及动力电池的适宜工作区间,分析了功率跟随控制策略的控制逻辑和执行方式。考虑到频繁变化的输出功率对燃料电池造成的冲击,提出了一种基于低通滤波的自适应能量管理策略,通过自适应低通滤波器和逻辑规则对整车需求功率进行分配,保证燃料电池系统输出功率的稳定。(4)基于MATLAB/Simulink环境搭建了氢燃料电池重卡整车仿真模型。采用前向、后向仿真结合的方法,对动力系统参数匹配的合理性及控制策略的有效性进行验证,仿真结果表明,氢燃料电池重卡达到了动力性要求。从燃料经济性和燃料电池系统输出功率波动程度两方面,对功率跟随控制策略和基于低通滤波的自适应能量管理策略进行对比,仿真结果表明,基于低通滤波的自适应能量管理策略燃料经济性与功率跟随策略基本相当,但能够有效抑制燃料电池系统输出功率的波动,并使其波动度下降38.12%。最后以提高氢燃料电池重卡燃料经济性和燃料电池耐久性为目标,采用Pareto遗传算法对自适应低通滤波器进行多目标优化,并在保证燃料电池系统工作效率和整车氢耗水平的前提下,使燃料电池系统输出功率波动度进一步下降9.28%。
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