CN103248289B - 一种车载燃料电池发动机背压控制*** - Google Patents

一种车载燃料电池发动机背压控制*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种车载燃料电池发动机的背压控制***，包括控制模块和背压阀本体，所述的背压阀本体包括驱动电机(直流无刷电机)、减速齿轮组、阀门、复位弹簧以及位置传感器，所述的驱动电机连接减速齿轮组，所述的阀门的前端与减速齿轮组连接，后端与复位弹簧连接，所述的位置传感器设置在阀门上，其特征在于，所述的控制模块包括控制器和电机驱动器，所述的控制器连接位置传感器以及汽车的发动机ECU，所述的电机驱动器的输入端连接控制器，输出端连接驱动电机。与现有技术相比，本发明可靠性好，使用维修方便，控制策略易于实现，有利于提高燃料电池汽车的动力性、经济性、可靠性等性能。

Description

一种车载燃料电池发动机背压控制***
技术领域
本发明涉及汽车新能源技术领域，特别是一种车载燃料电池背压控制***。
背景技术
在中压(或高压)PEMFC***中，一方面，高的工作压力提高了燃料电池堆的功率密度；另一方面，提供高压空气的设备，如压缩机，会比低压电堆的风机消耗更多的功率，从而增加燃料电池发动机***的辅助***功耗。针对空压机***，在同样的流量以及转速下可对应诸多背压压力，从而会出现不同的***效率。因此，在不同工况点需要实时控制空气***达到最佳空压机转速和背压，从而可以较大减少辅助***功耗，另外还可以提升电堆寿命(在供气不足的情况下会大大降低电堆寿命)。目前，背压控制部件极少应用CAN总线接口以及CANopen协议，这在车载应用中是相当不便的；而且，背压控制实时性较强，不适合在AUTOSAR架构下实现软件开发。另外，燃料电池发动机***中的空压机背压和流量耦合较强。为了提高***性能，需要进一步优化现有的控制策略。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车载燃料电池发动机背压控制***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种车载燃料电池发动机背压控制***，包括控制模块和背压阀本体，所述的背压阀本体包括驱动电机、减速齿轮组、阀门、复位弹簧以及位置传感器，所述的驱动电机连接减速齿轮组，所述的阀门的前端与减速齿轮组连接，后端与复位弹簧连接，所述的位置传感器设置在阀门上，所述的控制模块包括控制器和电机驱动器，所述的控制器连接位置传感器以及汽车的发动机ECU，所述的电机驱动器的输入端连接控制器，输出端连接驱动电机；
所述的控制器接收来自发动机ECU控制指令，并根据由位置传感器获取的阀门当前位置信息，输出对应的控制信号给电机驱动器，由电机驱动器直接控制驱动电机的转动，使其通过减速齿轮组带动背压阀的阀门张开相应的角度。
所述的驱动电机为直流无刷电机。
所述的传感器与汽车的发动机ECU之间通过CAN通讯接口连接，并采用CANopen协议进行数据通讯。
所述的控制器在PID调节的基础上，安排过渡过程(对给定信号进行整形、滤波)并增加高增益观测器，所述的高增益观测器接收反馈信号，与输入信号进行PID调节后，由电机驱动器控制驱动电机的转动。
与现有技术相比，本发明的背压阀采用一种全新的结构，不只将驱动电机集成在阀门内，而且将背压阀控制器和电机驱动也集成在整个背压阀的电子元件部分，通过CAN口并采用CANopen协议实现和发动机ECU的通信，实施背压调节。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是控制器的控制信号线路图；
图3是控制器的控制策略图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种车载燃料电池发动机背压控制***，包括控制模块和背压阀本体，背压阀本体包括驱动电机(直流无刷电机)6、减速齿轮组7、阀门8、复位弹簧9以及位置传感器5，控制模块包括控制器3和电机驱动器4。驱动电机6连接减速齿轮组7，阀门8的前端与减速齿轮组7连接，后端与复位弹簧9连接，由复位弹簧9进行复位。位置传感器设置5在阀门8上，控制器3分别连接位置传感器5以及汽车的发动机ECU 2，电机驱动器4的输入端连接控制器3，输出端连接驱动电机6。
为了获得较为紧凑的控制装置，驱动电机6输出的扭矩首先通过减速齿轮组7的减速增扭，然后带动阀门8克服复位弹簧9的扭矩转动到相应的开度，位置传感器5实时反馈阀门8的开启位置，并将其转换为电压信号传送给控制器3。控制器3接收来自发动机ECU 1控制指令，并根据由位置传感器5获取的阀门当前位置信息，输出对应的控制信号给电机驱动器4，由电机驱动器4直接控制驱动电机6的转动，使其通过减速齿轮组7带动背压阀的阀门8张开相应的角度。
图2为控制器的控制信号线路图，θr为控制器输入的期望转角通过CAN总线进行连接和通讯，θf为阀门实际转角通过模拟电压信号(0～5V)进行通讯，还连接了电机驱动器，另外有12V的电源为控制器供电。
控制器控制策略如图3所示，与以往控制策略的不同点在于采用了自抗扰控制框架，自抗扰控制框架是一种新型非线性鲁棒控制框架，它依靠期望轨迹与实际轨迹的误差大小和方向来实施反馈控制，并通过***总扰动实时轨迹来达到动态补偿线性化，它不依赖被控对象的具体数学模型，而是基于过程误差的有效调节方法。控制器由两部分组成：安排过渡过程，高增益观测器。1)合理安排过渡过程使得进入控制算法的给定值不突变，而是按照某种期望特性的变化，这是一种解决快速性和***超调之间矛盾的有效方法。譬如，经典控制论中也常会采用前置滤波器(常采用一阶惯性环节)进行输入信号整形滤波。但在自抗扰控制器架构下的过渡过程安排通过选择离散形式的跟踪微分器不仅仅能延缓给定输入信号，而且还能准确提取其微分量，同时快慢又比较适中。2)高增益观测器能够通过已知的转角信息和模型信息估计出角速度信息，这比传统微分器具有更强的鲁棒性。
传感器与汽车的发动机ECU之间通过CAN通讯接口2来传送控制指令，CAN通讯口2采用CANopen协议。CANopen协议是CAN-in-Automation(CiA)定义的标准之一，提供了分布式控制***的一种实现方案，CANopen在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展：或简单或复杂。
在不背离本专利本质的情况下，可将控制***结构上做相应改动或者根据需要增加相应的传感器，但这些相应的变动都应属于本专利所属的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种车载燃料电池发动机背压控制***，包括控制模块和背压阀本体，所述的背压阀本体包括驱动电机、减速齿轮组、阀门、复位弹簧以及位置传感器，所述的驱动电机连接减速齿轮组，所述的阀门的前端与减速齿轮组连接，后端与复位弹簧连接，所述的位置传感器设置在阀门上，其特征在于，所述的控制模块包括控制器和电机驱动器，所述的控制器连接位置传感器以及汽车的发动机ECU，所述的电机驱动器的输入端连接控制器，输出端连接驱动电机；
所述的控制器接收来自发动机ECU控制指令，并根据由位置传感器获取的阀门当前位置信息，输出对应的控制信号给电机驱动器，由电机驱动器直接控制驱动电机的转动，使其通过减速齿轮组带动背压阀的阀门张开相应的角度；
所述的控制器在PID调节的基础上，安排过渡过程对给定信号进行整形、滤波，并增加高增益观测器，所述的高增益观测器接收反馈信号，与输入信号进行PID调节后，由电机驱动器控制驱动电机的转动。
2.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池发动机背压控制***，其特征在于，所述的驱动电机为直流无刷电机。
3.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池发动机背压控制***，其特征在于，所述的传感器与汽车的发动机ECU之间通过CAN通讯接口连接，并基于CANopen协议进行通讯。
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