專利名稱：一種車載燃料電池發(fā)動機(jī)背壓控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車新能源技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種車載燃料電池背壓控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在中壓(或高壓)PEMFC系統(tǒng)中，一方面，高的工作壓力提高了燃料電池堆的功率密度；另一方面，提供高壓空氣的設(shè)備，如壓縮機(jī)，會比低壓電堆的風(fēng)機(jī)消耗更多的功率，從而增加燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)功耗。針對空壓機(jī)系統(tǒng)，在同樣的流量以及轉(zhuǎn)速下可對應(yīng)諸多背壓壓力，從而會出現(xiàn)不同的系統(tǒng)效率。因此，在不同工況點需要實時控制空氣系統(tǒng)達(dá)到最佳空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和背壓，從而可以較大減少輔助系統(tǒng)功耗，另外還可以提升電堆壽命(在供氣不足的情況下會大大降低電堆壽命)。目前，背壓控制部件極少應(yīng)用CAN總線接口以及CANopen協(xié)議，這在車載應(yīng)用中是相當(dāng)不便的；而且，背壓控制實時性較強(qiáng)，不適合在AUT0SAR架構(gòu)下實現(xiàn)軟件開發(fā)。另外，燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的空壓機(jī)背壓和流量耦合較強(qiáng)。為了提高系統(tǒng)性能，需要進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有的控制策略。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種車載燃料電池發(fā)動機(jī)背壓控制系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種車載燃料電池發(fā)動機(jī)背壓控制系統(tǒng)，包括控制模塊和背壓閥本體，所述的背壓閥本體包括驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪組、閥門、復(fù)位彈簧以及位置傳感器，所述的驅(qū)動電機(jī)連接減速齒輪組，所述的閥門的前端與減速齒輪組連接，后端與復(fù)位彈簧連接，所述的位置傳感器設(shè)置在閥門上，所述的控制模塊包括控制器和電機(jī)驅(qū)動器，所述的控制器連接位置傳感器以及汽車的發(fā)動機(jī)ECU，所述的電機(jī)驅(qū)動器的輸入端連接控制器，輸出端連接驅(qū)動電機(jī)；所述的控制器接收來自發(fā)動機(jī)ECU控制指令，并根據(jù)由位置傳感器獲取的閥門當(dāng)前位置信息，輸出對應(yīng)的控制信號給電機(jī)驅(qū)動器，由電機(jī)驅(qū)動器直接控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動，使其通過減速齒輪組帶動背壓閥的閥門張開相應(yīng)的角度。所述的驅(qū)動電機(jī)為直流無刷電機(jī)。所述的傳感器與汽車的發(fā)動機(jī)E⑶之間通過CAN通訊接口連接，并采用CANopen協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。所述的控制器在PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，安排過渡過程(對給定信號進(jìn)行整形、濾波)并增加高增益觀測器，所述的高增益觀測器接收反饋信號，與輸入信號進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后，由電機(jī)驅(qū)動器控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的背壓閥采用一種全新的結(jié)構(gòu)，不只將驅(qū)動電機(jī)集成在閥門內(nèi)，而且將背壓閥控制器和電機(jī)驅(qū)動也集成在整個背壓閥的電子元件部分，通過CAN口并采用CANopen協(xié)議實現(xiàn)和發(fā)動機(jī)E⑶的通信，實施背壓調(diào)節(jié)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是控制器的控制信號線路圖；圖3是控制器的控制策略圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例如圖1所示，一種車載燃料電池發(fā)動機(jī)背壓控制系統(tǒng)，包括控制模塊和背壓閥本體，背壓閥本體包括驅(qū)動電機(jī)(直流無刷電機(jī))6、減速齒輪組7、閥門8、復(fù)位彈簧9以及位置傳感器5，控制模塊包括控制器3和電機(jī)驅(qū)動器4。驅(qū)動電機(jī)6連接減速齒輪組7，閥門8的前端與減速齒輪組7連接，后端與復(fù)位彈簧9連接，由復(fù)位彈簧9進(jìn)行復(fù)位。位置傳感器設(shè)置5在閥門8上，控制器3分別連接位置傳感器5以及汽車的發(fā)動機(jī)ECU 2，電機(jī)驅(qū)動器4的輸入端連接控制器3，輸出端連接驅(qū)動電機(jī)6。為了獲得較為緊湊的控制裝置，驅(qū)動電機(jī)6輸出的扭矩首先通過減速齒輪組7的減速增扭，然后帶動閥門8克服復(fù)位彈簧9的扭矩轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的開度，位置傳感器5實時反饋閥門8的開啟位置，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送給控制器3?？刂破?接收來自發(fā)動機(jī)ECU I控制指令，并根 據(jù)由位置傳感器5獲取的閥門當(dāng)前位置信息，輸出對應(yīng)的控制信號給電機(jī)驅(qū)動器4，由電機(jī)驅(qū)動器4直接控制驅(qū)動電機(jī)6的轉(zhuǎn)動，使其通過減速齒輪組7帶動背壓閥的閥門8張開相應(yīng)的角度。圖2為控制器的控制信號線路圖，Θ ^為控制器輸入的期望轉(zhuǎn)角通過CAN總線進(jìn)行連接和通訊，ef為閥門實際轉(zhuǎn)角通過模擬電壓信號(ο 5V)進(jìn)行通訊，還連接了電機(jī)驅(qū)動器，另外有12V的電源為控制器供電。控制器控制策略如圖3所示，與以往控制策略的不同點在于采用了自抗擾控制框架，自抗擾控制框架是一種新型非線性魯棒控制框架，它依靠期望軌跡與實際軌跡的誤差大小和方向來實施反饋控制，并通過系統(tǒng)總擾動實時軌跡來達(dá)到動態(tài)補(bǔ)償線性化，它不依賴被控對象的具體數(shù)學(xué)模型，而是基于過程誤差的有效調(diào)節(jié)方法?？刂破饔蓛刹糠纸M成:安排過渡過程，高增益觀測器。I)合理安排過渡過程使得進(jìn)入控制算法的給定值不突變，而是按照某種期望特性的變化，這是一種解決快速性和系統(tǒng)超調(diào)之間矛盾的有效方法。譬如，經(jīng)典控制論中也常會采用前置濾波器(常采用一階慣性環(huán)節(jié))進(jìn)行輸入信號整形濾波。但在自抗擾控制器架構(gòu)下的過渡過程安排通過選擇離散形式的跟蹤微分器不僅僅能延緩給定輸入信號，而且還能準(zhǔn)確提取其微分量，同時快慢又比較適中。2)高增益觀測器能夠通過已知的轉(zhuǎn)角信息和模型信息估計出角速度信息，這比傳統(tǒng)微分器具有更強(qiáng)的魯棒性。傳感器與汽車的發(fā)動機(jī)E⑶之間通過CAN通訊接口 2來傳送控制指令，CAN通訊口 2采用CANopen協(xié)議。CANopen協(xié)議是CAN-1n-Automation (CiA)定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，提供了分布式控制系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方案，CANopen在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互用性的同時允許節(jié)點的功能隨意擴(kuò)展:或簡單或復(fù)雜。在不背離本專利本質(zhì)的情況下，可將控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上做相應(yīng)改動或者根據(jù)需要增加相應(yīng)的傳感器，但這 些相應(yīng)的變動都應(yīng)屬于本專利所屬的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種車載燃料電池發(fā)動機(jī)背壓控制系統(tǒng)，包括控制模塊和背壓閥本體，所述的背壓閥本體包括驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪組、閥門、復(fù)位彈簧以及位置傳感器，所述的驅(qū)動電機(jī)連接減速齒輪組，所述的閥門的前端與減速齒輪組連接，后端與復(fù)位彈簧連接，所述的位置傳感器設(shè)置在閥門上，其特征在于，所述的控制模塊包括控制器和電機(jī)驅(qū)動器，所述的控制器連接位置傳感器以及汽車的發(fā)動機(jī)ECU，所述的電機(jī)驅(qū)動器的輸入端連接控制器，輸出端連接驅(qū)動電機(jī)； 所述的控制器接收來自發(fā)動機(jī)ECU控制指令，并根據(jù)由位置傳感器獲取的閥門當(dāng)前位置信息，輸出對應(yīng)的控制信號給電機(jī)驅(qū)動器，由電機(jī)驅(qū)動器直接控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動，使其通過減速齒輪組帶動背壓閥的閥門張開相應(yīng)的角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載燃料電池發(fā)動機(jī)背壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的驅(qū)動電機(jī)為直流無刷電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載燃料電池發(fā)動機(jī)背壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的傳感器與汽車的發(fā)動機(jī)ECU之間通過CAN通訊接口連接，并基于CANopen協(xié)議進(jìn)行通訊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種汽車燃料電池背壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制器在PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，安排過渡過程對給定信號進(jìn)行整形、濾波，并增加高增益觀測器，所述的高增益觀測器接收反饋信號，與輸入信號進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后，由電機(jī)驅(qū)動器控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動。`
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車載燃料電池發(fā)動機(jī)的背壓控制系統(tǒng)，包括控制模塊和背壓閥本體，所述的背壓閥本體包括驅(qū)動電機(jī)(直流無刷電機(jī))、減速齒輪組、閥門、復(fù)位彈簧以及位置傳感器，所述的驅(qū)動電機(jī)連接減速齒輪組，所述的閥門的前端與減速齒輪組連接，后端與復(fù)位彈簧連接，所述的位置傳感器設(shè)置在閥門上，其特征在于，所述的控制模塊包括控制器和電機(jī)驅(qū)動器，所述的控制器連接位置傳感器以及汽車的發(fā)動機(jī)ECU，所述的電機(jī)驅(qū)動器的輸入端連接控制器，輸出端連接驅(qū)動電機(jī)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可靠性好，使用維修方便，控制策略易于實現(xiàn)，有利于提高燃料電池汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等性能。
文檔編號H02P6/08GK103248289SQ20131014531
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者陳鳳祥, 劉玲, 孫澤昌, 許思傳, 章桐 申請人:同濟(jì)大學(xué)