燃料电池混合动力系统的非线性主动滑模控制



燃料电池混合动力系统的非线性主动滑模控制

燃料电池汽车中，单一的燃料电池动力系统无法快速地提供峰值驱动电流，同时也难以回收制动能量。为此，加入了超级电容作为储能系统与燃料电池模块混合构建了混合燃料电池动力系统。在同一控制周期内，混合动力系统附加的一个驱动自由度需要建立能量管理规则对两者进行电流分配，以减少氢原料的消耗。

动力系统的转换链由两个DC/DC模块构成，燃料电池组连接一个升压斩波器向DV母线输出一个稳定的电压值；超级电容后接一个双向斩波器，为驱动电机供电时工作在升压模式，回收制动能量时工作在降压模式，其输入、输出电流依据能量管理算法遵循指定规律。为了描述这一状态空间模型的控制逻辑，采用了基于非线性滑模控制下的不连续瞬态模型，完成了整个混合动力系统和斩波器的瞬时状态模型。滑模控制能够克服系统的不确定性，响应速度快，并且对外界噪声干扰及参数扰动有很强的鲁棒性。

布尔空间状态前馈控制的缺陷限制了连续反馈函数的运用，替换成海维塞德函数（单位阶跃函数），以此作为滑模控制中超平面设计的依据。超平面的设计选择具体分为两步：①选择非线性的微分同胚映射将系统转化为适当形式；②合成出一个新的线性平面框架。依次进行上述两步工作得到最终的滑模，系统将在达到条件下保持在该平面，基于李雅普诺夫函数和欧几里得规范对系统进行鲁棒分析，确保其稳定有效。

对连接至燃料电池的升压斩波器和动力系统控制进行了Matlab/Simulink仿真分析。仿真结果表明，在车辆起步、加速阶段，超级电容能够给出一个瞬时电流补偿给燃料电池；而在制动阶段，燃料电池独立工作，超级电容则进入充电状态回收制动能量，整个系统电流分配明确且系统稳定无振荡。

M. D. Bougrine et al. Proceedings of the 3rd International Conference on Systems and Control, Algiers, Algeria, October 29-31, 2013.

编译：张为荣