专利名称：具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动力控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于燃料电池叉车的控制技术，具体是具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动力控制系统。
背景技术：
现有的燃料电池叉车，燃料电池、锂电池难以发挥其最佳性能，系统能量难以自动回收而造成浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有燃料 电池叉车的燃料电池、锂电池难以发挥其最佳性能等缺陷，提供一种具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动力控制系统。为达到上述目的，本发明的具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动力控制系统包括
整车控制器；
电机；
控制电机并受控于所述整车控制器的电机控制器；
燃料电池，其通过燃料电池控制器受控于所述的整车控制器，并通过DC/DC变换器经所述的电机控制器向所述的电机输出功率，所述的DC/DC变换器受控于一 DC/DC控制器，所述的DC/DC控制器受控于所述的整车控制器；
锂电池，其通过锂电池管理系统受控于所述的整车控制器，并经所述的电机控制器向所述的电机输出功率或者吸收多余功率；
超级电容，其受控于所述的整车控制器，并经所述的电机控制器回收或输出瞬间大电
流；
所述的整车控制器、电机、电机控制器、燃料电池、燃料电池控制器、DC/DC变换器、DC/DC控制器、锂电池、锂电池管理系统、超级电容由CAN总线连接构成分布式控制系统；
远程在线车载信号监测模块，其包括GPS、CDMA通信单元、CDMA传输网络、数据接收模块、监控PC。作为优选技术手段，所述的分布式控制系统分为3层，最高层为组织层，中间层为协调层，最底层是执行层，所述的组织层为踏板油门，所述的协调层包括踏板挡位处理模块、整车模糊控制器FLC、能量管理模块、所述的电机控制器组成，所述的执行层包括所述的燃料电池、DC/DC、锂电池、超级电容、电机组成；所述踏板油门的信息经踏板挡位处理模块处理转换成驱动系统的扭矩给定量uli，驱动系统的扭矩给定量uli与实际扭矩um的偏差uei输入整车模糊控制器FLC，整车模糊控制器FLC的输出由能量管理模块根据所述燃料电池、锂电池、超级电容的当前状况确定能量流向及电源的分配比例实现配比控制，最终将能量管理模块的输出作为电机控制器的电流给定信号去控制电机驱动电流(控制驱动系统扭矩)，直到扭矩偏差Uei=O为止。进一步的所述的能量管理模块由SOC分档、工作模式判别、能量配比、配比控制4个模块组成。所述的能量管理模块包括制动能量回收单元，所述的制动能量回收单元包括摩擦制动控制模块、能量回收控制模块。作为优选技术手段，所述的燃料电池控制器包括嵌入式系统控制单元、电压电流传感器、信号变换处理电路、流量压力传感器、温度湿度传感器、LCD显示器、氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块、超级电容充放电模块，所述的电压电流传感器、流量压力传感器、温度湿度传感器的信号经所述的信号变换处理电路处理后发送给所述的嵌入式系统控制单元，嵌入式系统控制单元控制所述氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块、超级电容充放电模块。作为优选技术手段，所述的锂电池管理系统包括充/放电器、温度传感器、隔离模块、数据采集器、控制模块、PC、IXD显示器。作为优选技术手段，所述的DC/DC控制器包括基于DSP的数字化控制系统、模拟控 制及接口电路、驱动电路及辅助控制电源模块。作为优选技术手段，所述的燃料电池及DC/DC变换器、锂电池、超级电容用CAN总线连接至所述的电机控制器。本发明的有益效果是
(1)对燃料电池的工作状态、性能和工作参数进行研究测试，引入神经网络+PID控制算法，建立运行控制模型，采用电子技术、计算机智能控制技术对算法进行实现，推出全新的全数字车载控制系统，让燃料电池发挥其最佳性能；
(2)全新的锂电池车载管理系统，让锂电池发挥其最佳性能；
(3)实现以燃料电池和锂电池为混合动力系统的能量管理以及自动能力回收等问题；
(4)针对以燃料电池和锂电池为动力的车辆和备用电源，其动态性能相对比较复杂，基于安全性和使用寿命的考虑，设计以CDMA和CAN总线为基础的无线车辆状态识别和控制系统。
图I是本发明的动力控制系统框 图2是本发明的燃料电池叉车控制系统框 图3是本发明的燃料电池叉车能量管理框 图4是本发明的燃料电池控制器硬件框 图5是本发明的SOC估计系统硬件系统组成；
图6是本发明的锂动力电池SOC估计原理框 图7是本发明的制动能量回收单元框 图8是本发明的DC/DC控制器的构成框图。
具体实施例方式以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。本发明的具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动力控制系统，如图I所示，其包括整车控制器；
电机；
控制电机并受控于整车控制器的电机控制器；
燃料电池，其通过燃料电池控制器受控于整车控制器，并通过DC/DC变换器经电机控制器向电机输出功率，DC/DC变换器受控于一 DC/DC控制器，DC/DC控制器受控于整车控制器；
锂电池，其通过锂电池管理系统受控于整车控制器，并经电机控制器向电机输出功率或者吸收多余功率；
超级电容，其受控于整车控制器，并经电机控制器回收或输出瞬间大电流；
整车控制器、电机、电机控制器、燃料电池、燃料电池控制器、DC/DC变换器、DC/DC控制器、锂电池、锂电池管理系统、超级电容由CAN总线连接构成分布式控制系统；
远程在线车载信号监测模块，其包括GPS、CDMA通信单元、CDMA传输网络、数据接收模块、监控PC。燃料电池作为主能量源提供驱动叉车所需的功率；锂电池则用来提供不足功率或吸收多余功率；超级电容主要用于回收和输出瞬间大电流(比如制动能量回收等)。按照一定的控制策略，由控制系统对三者输出或输入的功率进行合理的优化分配，从而可以在满足动力性能的基础上获得较高的燃料经济性。与传统的燃料电池加动力蓄电池(简称FC+B)或燃料电池加超级电容(简称FC+C)的两种混合方案相比，燃料电池及锂电池加超级电容的混合方案(简称FC+Li+C)，超级电容系统用以满足峰值功率要求和紧急功率需要，它也参与吸收汽车的制动能量。超级电容的功率密度大，充放电效率高，接受快速大电流充电能力强，能够保护锂电池组防止过充。与FC +B动力结构相比，FC +LI+C动力结构的优势主要由超级电容系统来体现，FC +LI +C结构改进了回收制动能量的性能，使动力系统的 效率和寿命大大提高。通过CAN总线组成的分布式控制系统,信号传输介质为光纤。本系统主要是利用CDMA移动通信网络的短信息业务完成数据的无线传输，免去了现场组网的初期建设费用以及日后的网络维护费用。通过数据终端，将采集到的现场数据以短信息的形式发送到监控中心，在监控中心进行燃料电池、锂电池、整车运行状态的监控，为燃料电池的性能跟踪和分析带来最佳的解决方案。利用GPS系统对整车进行定位，为车辆的安全运行提供保障。系统组成包括混合动力系统CDMA通信单元、CDMA传输网络、数据接收模块、监控PCo通信单元采用CDMA无线模块来实现。CDMA无线模块作为终端的无线收发模块，把单片机接收到的数据信息进行编码后以短信息的格式发送出去。CDMA的无线模块采用ZTEjT的MG801A模块，MG801A— CDMA模块是内景软件支持CDMA2000 IX REVO标准和GoTa协议的工业级应用模块，工作频段为800 MHz0能完成语音、数据、传真、短信息服务以及多种附加业务的功能。具有容量大、辐射小、低功耗、体积小等特点。模块通过80脚的插座与外围电路进行接口。该模块的供电电压为3. 3 4. 25V，典型值为3. 8 V。系统软件设计就在于ARM的编程，通过向MG801A模块发送不同的AT指令来实现不同的功能，如读取短信息的内容，删除短信息、列出模块中还未读的短信息等。AT (Attention)指令最初由Hayes公司推出，主要用于对调制解调器的控制,现在已演化为一种标准，所有移动模块都支持AT指令。虽然不同厂家的手机模块都参照GSM协议，但格式还是有所不同，开发过程中一定要认真参考厂家给的资料。同时在开发过程中发现指令的执行过程需要单片机与手机交互应答完成，每一次发送或接收的字节数有严格的规定，二者必须依据这些规定实现数据交换，否则，通信就是失败的。燃料电池本体的特性较软，输出电压随负载变化较大，经大功率的DC/DC变换器可转换成稳定、可控的直流电源。辅助电源为锂电源，其作用是I)在燃料电池启动时提供电能；2) FCEV加速或爬坡时提供电能；3)在FCEV再生制动时回收制动反馈能量；4)停车时为控制系统、照明系统、等车载电气设备提供电能。燃料电池发动机和镍氢电池堆并联组成一个48V的高压直流电源。驱动系统由电机(含减速器)和电机控制器组成。分布式控制系统分为3层，参见图2，最高层为组织层，中间层为协调层，最底层是执行层组织层为踏板油门；协调层根据驾驶员的各种操作和汽车当前的状态解释出驾驶员的意图，同时根据执行层的当前状态，做出最优的协调控制，其包括踏板挡位处理模块、整车模糊控制器FLC、能量管理模块、电机控制器组成；执行层有一定的自适应和极限保护·功能，包括燃料电池、DC/DC、锂电池、超级电容、电机组成；电机控制器与电机构成的驱动系统类似于传统的车用发动机，它设置为恒扭矩(恒电流)工作方式，工作过程如下踏板油门的信息经踏板挡位处理模块处理转换成驱动系统的扭矩给定量uli，驱动系统的扭矩给定量uli与实际扭矩um的偏差uei输入整车模糊控制器FLC，整车模糊控制器FLC( fuzzylogic con t ro ller)的输出由能量管理模块根据燃料电池、锂电池、超级电容的当前状况确定能量流向及电源的分配比例实现配比控制，最终将能量管理模块的输出作为电机控制器的电流给定信号去控制电机驱动电流(控制驱动系统扭矩)，直到扭矩偏差Uei=O为止。能量管理模块参见图3，由SOC分档、工作模式判别、能量配比、配比控制4个模块组成。SOC分档SOC(state of charge,荷电状态)是一个反映电池剩余电量的参数。锂电池包E⑶采用基于抗差UKF的锂动力电池SOC估计测量S0C，测量结果通过CAN总线传输到整车控制器。能量流管理模块则将SOC模糊化为1、2、……10等10档或10个单点模糊集。FCEV工作模式划分为4种①启动\加速\爬坡模式，燃料电池发动机和锂电池都为主能量流正常工作模式，燃料电池发动机为主能量流，锂电池为辅助能量流；③锂电源充电模式，在轻载期间，燃料电池发动机在向电机提供所需的能量的同时向锂电池充电；④减速/制动模式，超级电容回收再生制动能量。能量配比按其工作模式的不同，两电源对负载承担的具体份额不同，即各工作模式的具体配比方案不同；其配比总原则是让锂电池处于最佳状态，即SOC在5、6两档，在这种状态下里锂电池能吞能吐，有利于提高整车效率。配比控制模块以分配给锂电池的份额为约束条件，调节燃料电池发动机的输出功率，将锂电池电流控制在配额值。燃料电池控制器参见图4，包括嵌入式系统控制单元、电压电流传感器、信号变换处理电路、流量压力传感器、温度湿度传感器、IXD显示器、氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块、超级电容充放电模块，电压电流传感器、流量压力传感器、温度湿度传感器的信号经信号变换处理电路处理后发送给嵌入式系统控制单元，嵌入式系统控制单元控制氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块、超级电容充放电模块。根据电池发电系统进行控制策略研究中提出的温度、湿度、压力以及流量的测量要求，选择相应的传感器来实现相应物理量的测量。为了实时反应速度，采用基于嵌入式系统的处理单元模式。按照相应的策略研究进行测量，并通过相应算法来实现燃料电池发电系统的控制。通过监测电池发电系统的电压值来判定是否对超级电容进行充放电。信号变换处理电路用于对传感器信号的处理与变换；嵌入式系统控制单元完成算法处理，LCD显示电动车和燃料电池的状态信息，包括燃料电池的输出电压/电流和工作温度等。S3C2410按照负载上的电压量控制MOS管堆超级电容进行的充放电。整个控制系统的核心是基于嵌入式系统的数据采集与反馈控制。在该测试系统需要采集模拟量共有13路，其中热电耦的温度模块有7路电流信号，气体压力有2路电流信号，气体流量有2路电压信号，电池电压与电流采集则各有I路。在设计中，压力传感器采用了高精度的DC1300-DF型压力变送器，测试精度为O. 5%，流量计采用D07-9C质量流量控制计，测试精度1%，控制精度I. 5%。系统的模拟量输出共有6路，分别为可控硅的温度模块4路、流量计控制输出2路。而本测试系统的数字采集和控制量是跟系统安全运行相关的一些重要参数，包括供气系统各环节中的水位、各电磁阀的关断、氢气泄露监测等信号。根据 以上采集与控制量的分析，在本系统的设计中采用了 ADLINKTECH的PCI-9112、PCI-6208V数据采集控制卡
DPCI-9112主要用于模拟量的采集、数字量的采集和控制。它是12位IlOKHz采样率多功能数据采集卡，具有16路单端或8路差分模拟输入通道、16路TTL数字输入和16路TTL数字输出通道、2路12位多路切换模拟输出通道、I通道16位通用定时/计数器、3种触发方式、可编程增益控制。2)PCI-6208V主要用于模拟量的控制。它是16位8通道模拟量输出控制卡，输出范围±10V,输出范围可编程。由于数字量为24V,模拟量输入有9路为电流信号，所以由PCI-9112数据采集卡配合端子板ACLD-9182 (16通道隔离数字输入)、ACLD_9138 (16通道模拟量输入)来完成系统的输入要求。而输出方面，PCI-9112的8路数字量输出通过端子板ACLD-9185(16通道继电器输出)实现系统对数字量的控制，PCI-6208V的6路模拟量输出则通过端子板ACLD-9137(8通道模拟量输出)实现系统对模拟量的控制要求。针对燃料电池的动态性能影响特性，建立燃料电池模型辨识，采用含有一个隐层的基于改进PSO的BP神经网络结构，以输入输出模型的方式，建立PEMFC电特性模型，隐层神经元个数为25，神经元激活函数f采用Sigmoid函数，误差性能函数为平均平方误差，设定网络误差限为I. O XlO - 5，网络训练样本集为不同工作温度下的200组实验数据，随机选取其中的80组数据作为网络测试样本集。以氢气压力PH(k)、氢气流速VH(k)、空气(或氧气)压力PA(k)、空气流速VA (k)和反应气体湿度M(k)作为模型输入量，PEMFC的输出电压U( k)和电流密度J ( k)作为输出量，通过学习、训练和测试，建立在工作温度为40 0C >50 1和60 °C时的PEMFC电特性模型。BP网络是三层前馈网络，即输入层，隐含层和输出层，如图6所示。设输入层LA有m个节点，输出层LC有η个节点，隐含层LB的节点数目为u，Wir为输入层神经元到隐含层神经元间的连接权；Vrj为隐含层神经元到输出层神经元间的连接权。隐含层中的节点输出函数为br=f(WTX-0)，r=l，……n输出层中节点的输出函数为
权利要求
1.具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动カ控制系统，其特征是包括 整车控制器； 电机； 控制电机并受控于所述整车控制器的电机控制器； 燃料电池，其通过燃料电池控制器受控于所述的整车控制器，并通过DC/DC变换器经所述的电机控制器向所述的电机输出功率，所述的DC/DC变换器受控于一 DC/DC控制器，所述的DC/DC控制器受控于所述的整车控制器； 锂电池，其通过锂电池管理系统受控于所述的整车控制器，并经所述的电机控制器向所述的电机输出功率或者吸收多余功率； 超级电容，其受控于所述的整车控制器，并经所述的电机控制器回收或输出瞬间大电流； 所述的整车控制器、电机、电机控制器、燃料电池、燃料电池控制器、DC/DC变换器、DC/DC控制器、锂电池、锂电池管理系统、超级电容由CAN总线连接构成分布式控制系统； 远程在线车载信号监测模块，其包括GPS、CDMA通信単元、CDMA传输网络、数据接收模块、监控PC。
2.根据权利要求I所述的具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动カ控制系统，其特征是所述的分布式控制系统分为3层，最高层为组织层，中间层为协调层，最底层是执行层，所述的组织层为踏板油门，所述的协调层包括踏板挡位处理模块、整车模糊控制器FLC、能量管理模块、所述的电机控制器组成，所述的执行层包括所述的燃料电池、DC/DC、锂电池、超级电容、电机组成；所述踏板油门的信息经踏板挡位处理模块处理转换成驱动系统的扭矩给定量uli，驱动系统的扭矩给定量uli与实际扭矩um的偏差uei输入整车模糊控制器FLC，整车模糊控制器FLC的输出由能量管理模块根据所述燃料电池、锂电池、超级电容的当前状况确定能量流向及电源的分配比例实现配比控制，最终将能量管理模块的输出作为电机控制器的电流给定信号去控制电机驱动电流(控制驱动系统扭矩)，直到扭矩偏差Uei=O为止。
3.根据权利要求2所述的具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动カ控制系统，其特征是所述的能量管理模块由SOC分档、工作模式判别、能量配比、配比控制4个模块组成。
4.根据权利要求2所述的具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动カ控制系统，其特征是所述的能量管理模块包括制动能量回收单元，所述的制动能量回收单元包括摩擦制动控制模块、能量回收控制模块。
5.根据权利要求I所述的具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动カ控制系统，其特征是所述的燃料电池控制器包括嵌入式系统控制単元、电压电流传感器、信号变换处理电路、流量压カ传感器、温度湿度传感器、LCD显示器、氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块、超级电容充放电模块，所述的电压电流传感器、流量压カ传感器、温度湿度传感器的信号经所述的信号变换处理电路处理后发送给所述的嵌入式系统控制単元，嵌入式系统控制单元控制所述氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块、超级电容充放电模块。
6.根据权利要求I所述的具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动カ控制系统，其特征是所述的锂电池管理系统包括充/放电器、温度传感器、隔离模块、数据采集器、控制模块、PC、IXD显示器。
7.根据权利要求I所述的具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动カ控制系统，其特征是所述的DC/DC控制器包括基于DSP的数字化控制系统、模拟控制及接ロ电路、驱动电路及辅助控制电源模块。
8.根据权利要求I所述的具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动カ控制系统，其特征是所述的燃料电池及DC/DC变换器、锂电池、超级电容用CAN总线连接至所述的电机控制器。
全文摘要
本发明公开了一种具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动力控制系统，属于燃料电池叉车的控制技术，现有燃料电池叉车的燃料电池、锂电池难以发挥其最佳性能，本发明由燃料电池、辅助锂电池和超级电容3种能量源混合配置的结构形式，采用模糊控制实现能量管理，采用嵌入式系统技术、GPS技术、CAN总线管理技术、CDMA等无线传输技术实现对燃料电池和锂电池的工作性能的控制和调整，让燃料电池和锂电池的性能发挥到最佳。具有燃料电池性能控制、能量输出管理，锂电池能量管理，多种能量输出管理以及无线监测燃料电池叉车运行状态的功能。彻底解决了国内原有混合动力有污染的问题。
文档编号B60W20/00GK102837696SQ20121021148
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者金晖, 朱海嘉, 肖铎, 何洁, 汪秋婷 申请人:浙江大学城市学院, 海宁市加平机械有限责任公司