多燃料电池混合动力系统硬件在环实验平台研究

发布时间：2020-03-19 08:53

【摘要】：多燃料电池混合动力系统模块众多、结构复杂,需要合适的能量管理策略及控制方式确保其稳定、高效地运行。在系统控制器的研制过程中,需要对系统进行大量的测试,特别是动态环境下的测试。直接在实物系统上进行测试,不仅容易烧毁元器件,缩短燃料电池使用寿命,而且还存在着研发周期长、成本高等问题。将半实物仿真技术引入多燃料电池混合动力系统控制器的研发设计阶段,搭建硬件在环实验平台,可以实时地检测控制器的性能,缩短研发周期,节约研发成本,为系统能量管理策略的设计与验证提供很好的实验平台。首先,本文通过分析燃料电池系统常用的混合动力形式以及多燃料电池系统的电气架构,确定多燃料电池混合动力系统采用燃料电池加超级电容的混合动力形式,多燃料电池模块采用并联电气结构。通过分析电力电子半实物仿真平台的仿真需求,比较现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和CPU分别作为系统仿真器的优劣,结合多燃料电池混合动力系统的整体结构,提出了基于FPGA+CPU架构的硬件在环实验平台的整体设计方案。其次,本文对实验平台中虚拟的多燃料电池混合动力系统进行了半实物仿真建模及验证。针对在FPGA中搭建多DC/DC电路模型时,如何提高模型仿真速度的同时,尽可能降低电力电子编程难度,本文提出了模块化建模的并行计算策略。该建模策略方便简洁,而且各元器件模块并行计算使得模型仿真速度极快,单步仿真步长可达0.1us。为了使硬件在环实验平台中的实时仿真模型逼真地模拟电力电子系统的实际行为,本文提出将功率损耗集成到电力电子建模中,搭建逼真的多DC/DC仿真电路模型。结合理论分析和实际元器件的分析,建立了开关管、二极管、电感、电容等元器件的损耗等效模型。针对多燃料电池混合动力系统的能量管理策略,本文提出采用动态规划算法(Dynamic Programming,DP),以燃料电池氢耗量为主要优化目标,在全局工况已知的情况下,设计最优的能量分配方式,通过设计PI控制方式,完成半实物仿真系统中实物控制器的设计。最后,基于平台整体架构进行软硬件设计,搭建硬件在环实验平台实物,并进行实验分析。半实物仿真策略验证实验表明,该实验平台仿真速度快精度高,达到控制器实时控制验证的效果,为多燃料电池混合动力系统能量管理策略的设计与验证提供了很好的实验平台。优化控制策略验证实验表明,动态规划能量管理策略下的系统氢耗量更低,在燃料经济性方面更有优势。
【图文】：

原理图,多燃料,混合动力系统,整体结构

最后经过一个二极管整流桥进行 AC/DC 变换，得到高变比的直流输出电压。输出电压 Vout与输入电压 Vin的关系为如式（2-2）所示，其中m 为变压器的电压变比，α 为 PWM 波的占空比。2out inV = mα V(2-2)VinVoutQ1Q3Q4Q2T1D1D3D2D4LC图 2-6 DC/AC/DC 变换器电路原理图DC/DC converterD1D4+Q1Q4Lfc1Dfc1RL1

电路模块,组合图

node...element 2element nelement 3UUIIIUI图 3-5 多支路节点它四支路，五支路，或者更多支路的节点，，相应的交，并在 Quartus II 软件中封装成子模块。当构建不同地调用来组合连接新的电路拓扑模型。这样，构建新复杂的编程，只需要不同模块的连接组合，类似于在型。通过采用高度并行化的计算策略，交互连接模块s，实时仿真数据可以以极高的速度进行传输。同需求，不同的单元器件模块通过交互连接模块进行的电路拓扑模型。以 boost 升压电路为例，其组合连示。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4

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