车用燃料电池空气供给系统控制方法研究

在过去几十年中,传统汽油、柴油汽车的尾气排放导致全球污染严重,所以全球对零排放的汽车的需求量急剧增加。其中,氢燃料电池(Hydrogen Fuel Cell,HFC)汽车由于其高效率、高功率密度以及零排放等优点逐渐成为传统汽油、柴油汽车的替代品。在HFC运行过程中,其空气供给系统的控制品质影响着HFC的整体输出特性。在汽车的行驶过程中会遇到各种复杂的工况,在汽车面对这些工况时,精确控制空气进气流量从而满足整车对HFC输出功率的需求显得尤为重要。所以对空气供给系统的高效控制成为了当下在HFC领域的研究热点,本论文针对空气供给系统的高效控制做了以下方面的研究:本文在检索了很多国内外关于HFC及其空气供给系统文献资料的基础上,对HFC建模及其空气供给系统的控制方法的研究现状进行了概括。根据HFC的特点,搭建了HFC电压模型、空气供给系统以及燃料供给系统三部分仿真模型。介绍了模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的基本原理,并针对本文所用的准无限时域模型预测控制(Quasi-infinite Horizon Model Predictive Control,QHMPC)进行了详细的介绍。然后在所搭建的数学模型的基础上,提出了一些状态量难以观测问题的解决方案,并根据该方案提出了一种状态量估计器,接着提出了一种针对空气压缩机转速的QHMPC控制器。最终通过在相同条件下与PI调节的仿真对比验证了在动态及静态特性两方面本文所提出的QHMPC控制器都要优于PI调节。本文针对HFC空气供给系统不仅提出了QHMPC控制方案,并且针对空气供给系统控制中极其重要的一环——节气门控制,开发并设计了相配套的控制器。针对节气门的控制需求设计了相应的控制器硬件电路,主要包含了单片机系统电路、CAN收发芯片及相关电路、输出电路等部分。然后提出了一种针对节气门的PID控制算法,并围绕该控制算法做了软件的底层代码配置以及应用层程序的设计,包括了初始化、主循环以及定时中断函数等主要模块。最后将所设计的节气门控制器用于博世节气门的控制,实验结果表明所设计的PID控制算法动态响应性较好,能够很快的响应设定开度的变化,静态特性的表现也较好,稳态误差较小,可以满足对稳态误差的要求。