Fuel cell hybrid electric vehicle technology has been widely studied in recent years because of its potential to significantly improve fuel economy and reduce emissions of ground vehicles. There are two control problems to improve fuel economy in FCHEV. One is the supervisory control problem and the other is cooperative regenerative braking control problem.
The supervisory control problem of FCHEV is commonly referred to as the power management problem, i.e., the design of the control algorithm that determines the proper power split between fuel cell and super-capacitor in order to maximize fuel economy. In this study, a fuel cell is directly connected to a super-capacitor without a high voltage DC/DC converter and then the charging/discharging of super-capacitor is automatically controlled by the fluctuation of main bus voltage. We use steady-state modeling method to describe power-train system and analyze error between experiments and simulation results in time and frequency domain to validate power-train modeling.
One of the most important control problems to improve fuel economy is cooperative regenerative braking control strategy because the electric motor in FCHEV can be controlled to operate as generator to convert the kinetic or potential energy of vehicle mass into electric energy that can be stored in super-capacitor and reused. In this study, an electric motor for regenerative braking is connected to the front axle only because front-wheel drive car is common for passenger car. Vehicle stability can be lost in case regenerative braking torque is applied only to front wheels for maximum braking energy recovery, i.e., if lateral force is saturated and started to decrease in certain conditions through regenerative braking, FCHEV might get into an unstable motion called drift-out or spin.
We propose systematic controllers guaranteeing the vehicle stability while enhancing the braking energy recovery. The proposed control strategy consisted of the direct yaw moment controller for the lateral motion of vehicle and the braking torque distribution controller for optimal regenerative braking energy recovery. The proposed direct yaw moment controller generates the desired yaw moment calculated by using LQR method for following the desired the yaw rate and side slip angle. And the braking torque distribution controller applies optimal regenerative braking torque through front axle and mechanical braking torque on each wheel independently within equality constraints (required total longitudinal force and required total yaw moment) and inequality constraints (friction circle) for optimal regenerative braking energy recovery. Weighting factors of cost function in the proposed controller which are proposed as a function of under-steer index to prevent large steer angle requirement as vehicle starts to lose its stability.
Computer simulation of closed loop driver-vehicle system based on CarsimTM is used to verify the effectiveness of the proposed controller guaranteeing vehicle stability and maximum energy efficiency. And sensitivity analysis is performed to identify the most important vehicle parameters which affect performance of the proposed controller and to confirm the robustness of the proposed controller.
하이브리드 연료 전지 자동차는 무공해 친환경 차량으로서 파워 분배 및 회생 제동을 통해 연비 향상 효과를 얻고 있다. 연구 대상 차량의 전원은 연료 전지와 슈퍼 커패시터로 구성되어 있고, 두 전원간에는 직류-직류 변환기가 없는 구조로 이루어져 있다. 따라서 본 연구에서 다루고자 하는 상위 개념의 파워 분배 제어 로직은 버스 전압 변동에 의해 자동적으로 이루어 지게 되므로 정상 상태 모델링 기법을 이용하여 파워 트레인을 묘사하는 것에 국한 하도록 한다. 완성된 모델링을 통합하여 모의 시험 결과를 도출하고, 시간영역과 주파수 영역에서 모델링 검증을 위해 실제 차량 시험 결과와 오차 분석을 수행 하였다. 또한 전륜 구동 차량이므로 회생 제동은 오로지 전륜 구동 축에 직결 연결되어 있는 모터로부터 발생하게 된다. 하지만 이러한 구조적 한계로 인해 회생 제동 토크를 크게 인가하게 되면, 전륜의 횡력이 감소하게 되어 언더스티어 현상이나 휠 잠김 현상과 같은 차량 안전성을 잃는 문제가 야기 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 회생 제동 에너지 회수율 및 차량 안전성을 모두 고려한 회생 제동 협조 제어기를 제안 하도록 한다. 제안된 회생 제동 협조 제어기는 계층 구조를 갖고 있으며, 상부 제어기와 하부 제어기로 나뉠 수 있다. 상부 제어기는 LQR 제어 기법을 이용하여 목적 요 율 및 횡 미끄럼 각을 추종하도록 요 모멘트를 계산하도록 설계하였고, 하부 제어기는 등식(운전자 요구 제동력, 요 모멘트) 및 부등식 구속 조건(마찰원) 하에 최적 회생 제동 에너지 회수를 목적으로 회생 제동 및 마찰 제동을 최적 분배하도록 설계하였다. 또한 회생 제동 에너지 회수 목적 함수의 가중치 값을 언더스티어 계수의 함수로 표현 함으로서 차량의 안전성을 잃게 되는 극한 상황에서 발생하게 되는 큰 조향 부하를 방지 하도록 설계 하였다. 제안된 회생 제동 협조 제어기의 성능을 검증 하기 위해 상용화 된 다자유도 차량 동역학 시뮬레이션 CarsimTM 을 이용하였고, 추가적으로 제어기 성능에 영향을 끼치는 직/간접적 외부 요인들에 대한 민감도 분석을 통해 제안된 제어기의 강인성을 검증 하였다.
