燃料電沈機車系統控制與模擬之整合 張瑞軒、張一屏
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摘 要
本論文建構氫燃料電池混合動力機車系統控制與模擬之整合 環境，並發展其動力分配管理之模糊邏輯和模式邏輯控制器。
在 機車行車型態下測試，藉由機車動態模組、輪胎模組、最終傳動模 組、馬達模組、燃料電池模組和電瓶模組等各傳動 模組建立控制場 模型與控制器模型。 最佳化控制器設計將燃料電池輸出功率之誤 差量和電瓶殘電量之誤差量輸入控制器
，控制氫流量的輸出，使燃 料電池輸出功率和電瓶殘電量有最大的輸出，且氫燃料消耗量最 小。 不同的控制器比較中，
模糊邏輯控制器比模式邏輯控制器有較 大的燃料電池輸出功率和電瓶殘電量且氫燃料消耗量較小，可達較 精準之控制；
在模糊控制器的設定，不同形狀的連續性歸屬函數經 過模擬比較分析後得知，梯形的輸出氫流量連續性歸屬函數比三角 形的輸出氫流量連續性歸屬函數有較大的燃料電池輸出功率和電 瓶殘電量且氫燃料消耗量較小，因此可知不同形狀的連續 性歸屬函 數選擇之重要性。 本論文針對模糊邏輯控制器作各種不同最佳化之比較分析，在 最佳化的比較分析中，分為氫 燃料電池混合動力機車控制器輸入參 數，燃料電池輸出功率的誤差量之期望值和電瓶殘電量的誤差量之 期望值的參數最 佳化，和氫燃料電池混合動力機車模糊邏輯控制器 的輸出氫流量參數最佳化。 在氫燃料電池混合動力機車控制器輸 入參 數最佳化中，利用實驗設計軟體所計算找出的最佳輸入參數 值，輸入控制器內，結果顯示其燃料電池輸出功率和電瓶殘電 量比 原本所設定的參數值性能好，且氫燃料消耗量較小。在氫燃料電池 混合動力機車模糊邏輯控制器的輸出氫流量參數 最佳化中，利用實 驗設計法找出之最佳控制器氫流量輸出參數值輸入模糊控制器 內，雖然氫燃料消耗量較大但燃料電池 輸出功率和電瓶殘電量卻比 原本所設定的參數值輸出更好。 在不同的規格需求條件下，如需 要有最大的燃料電池輸出功 率或電瓶殘電量在氫耗損量的考慮 下，也可找出對應之最佳的設定參數值。 本文構建之控制器模擬 評估方法可使工程師 在設計氫燃料電池混合動力機車動力分配管 理系統時，能在模糊邏輯控制器所需的規格要求下，更迅速、有效 率的調整 參數。
關鍵詞 : 氫燃料電池混合動力機車動態控制，模糊邏輯控制器，模 糊控制器參數最佳化分析 目錄
封面內頁 簽名頁 授權書... ...iii 中文摘
要...v 英文摘要... ...vii 誌 謝...ix 目錄...x 圖目 錄...xiii 表目錄...xix 第一章 緒
論...1 1.4 文獻回顧...3 1.4.1 氫燃料電池混 合動力機車控制...3 1.4.2 硬體迴路模擬技術車輛控制器之發展...12 1.4.3 最佳化控制之相關發展...18 第二章 研究方法與進行步
驟...20 2.1 正、反向氫燃料電池混合動力機車動態響應及控制模擬技術...20 2.1.1 正、反向氫燃料電池混合動力機車動態響應模組...20 2.2 模式邏輯控制(Mode Logic Controller)之設 定...22 2.3 模糊邏輯控制歸屬函數之設定...23 2.4 建構正向氫燃料電池混合 動力機車硬體迴路整合之系統...32 2.4.1 正向氫燃料電池混合動力機車硬體迴路模擬之技
術...34 第三章 結果與討論...35 3.1 氫燃料電池混合動力機車模擬結 果...35 3.2 模式邏輯控制器之模擬結果...36 3.2.1 不同的電流密度、
燃料電池溫度內部參數之影響模擬結果...37 3.2.2 不同的氫、氧流量內部參數之影響模擬結
果...40 3.2.3 不同的氫內部流道的管徑內部參數之影響模擬結果...45 3.3 模糊邏輯控制 器之模擬結果...47 3.3.1 不同的歸屬函數之模擬結果...47 3.3.2 模 糊邏輯和模式邏輯控制器比較之模擬結果...50 3.4 氫燃料電池混合動力機車之性能最佳化分
析...54 3.4.1 不同的氫燃料消耗量計算出最大的燃料電池輸出功率和電瓶殘電量(Case 1、Case 2)...57 3.4.2 不同的氫燃料消耗量計算出最大的燃料電池輸出功率且不考慮電瓶殘電量(Case 3、Case 4)..59 3.4.3 不同的氫燃料消耗 量計算出最大的電瓶殘電量且不考慮燃料電池輸出功率(Case 5、Case 6)..61 3.4.4 氫燃料電池混合動力機車性能的最佳期望 值比較模擬...64 3.4.5 氫燃料電池混合動力機車性能最佳化模擬驗證...72 3.5 氫燃料電池 混合動力機車模糊邏輯控制器參數之最佳化分析...76 3.5.1 不同的氫燃料消耗量計算出最大的燃料電池輸出功 率和電瓶殘電量(Case 1、Case 2) ..78 3.5.2 不同的氫燃料消耗量計算出最大的燃料電池輸出功率且不考慮電瓶殘電量(Case 3
、Case 4) .80 3.5.3 不同的氫燃料消耗量計算出最大的電瓶殘電量且不考慮燃料電池輸出功率(Case 5、Case 6) .83 3.5.4 氫燃 料電池混合動力機車模糊邏輯控制器參數的最佳值比較模擬...85 3.5.5 氫燃料電池混合動力機車模糊邏輯控制器 參數最佳化模擬驗證...94 3.6 正向氫燃料電池混合動力機車硬體迴路之模擬結果...98 第四章 結論與建議事項...102 4.1 結論...102 4.2 建議事 項...105 參考文獻...107
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