CN113386630B - 低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法 - Google Patents

低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法 Download PDF

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Abstract

一种低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法，属于新能源汽车的节能控制技术领域。本发明的目的是结合智能网联信息，有效统筹在行驶过程中汽车动力性与驾驶舱温度舒适性的低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法。本发明将道路的坡度信息传递至汽车的车载控制单元，建立汽车期望功率计算模块，建立汽车驾驶舱温度变化模块，建立燃料电池工作效率计算模块及耗氢量计算模块，制定低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理策略，制定功率分配管理策略。本发明避免了燃料电池满负载运转状况的出现，提升其工作效率及燃料经济性，延长其使用寿命。

Description

低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法
技术领域
本发明属于新能源汽车的节能控制技术领域。
背景技术
燃料电池汽车是新能源汽车的典型代表，以氢气作为原料，相比于传统的内燃机汽车具有噪音低、零排放、零污染的优点。是解决传统汽车造成环境污染问题的有效途径。燃料电池汽车在低温环境下运行遇到的诸多困难是本领域人员密切关注的问题。
低温环境下，汽车在行驶过程中驾驶舱温度的舒适性是不可忽视的问题。驾驶员期望汽车驾驶舱内的温度能够维持在人体舒适的温度区间。汽车通过燃料电池驱动空调，调节驾驶舱内的温度，空调的工作功率约为燃料电池最大输出功率的10％，若在汽车期望功率较大时，燃料电池仍为空调提供功率，会导致自身近乎满负载运转，降低工作效率，影响使用寿命。因而如何在低温环境下为燃料电池汽车合理的分配功率使其能够在满足汽车期望功率的同时维持驾驶舱内的温度在人体舒适的温度区间是本领域人员亟需解决的问题。
主要的问题有：
1、汽车处于定速巡航状态下行驶时，其期望功率的大小仅与坡度的大小有关，怎样设计一个功率分配管理方法统筹汽车动力性与驾驶舱温度舒适性的同时避免燃料电池满负载运转是一个问题；
2、燃料电池汽车的经济性是不容忽视的问题，怎样在满足驾驶员温度舒适性的同时节约氢气，提高经济性是一个问题；
3、目前智能网联技术发展迅速，汽车如何充分结合网联信息，提前为功率的分配管理做出谋划亦是一个问题。
发明内容
本发明的目的是结合智能网联信息，有效统筹在行驶过程中汽车动力性与驾驶舱温度舒适性的低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法。
本发明的步骤是：
S1.智能网联数据中心读取前方道路的坡度信息，并将道路的坡度信息传递至汽车的车载控制单元：
智能网联燃料电池汽车最大程度的利用智能网联数据中心每50秒读取一次的前方道路信息，并将读取到的信息传递至汽车的车载控制单元，为功率的分配管理提供数据支撑；
S2.建立汽车期望功率计算模块：根据前方的道路信息及自身车速信息，计算汽车行驶所需的期望功率，并随智能网联数据中心读取数据的频率更新汽车期望功率的数值，功率计算的具体方式如下：
汽车运行时的期望的功率Prequest是与汽车行驶的速度Vtravel、汽车车轮与道路的摩擦力系数
Figure BDA0003197326860000029
汽车电机的工作效率γ、汽车的整车质量mfull、汽车旋转元件的质量系数σ、行驶当地的重力加速度gloacl、路面的坡度θsurface、汽车前身的迎风面积Awind、当地的空气密度ρlocal、空气阻力系数Ωair有关的函数，其函数关系式如公式(1)所示：
Figure BDA0003197326860000021
其中
Figure BDA0003197326860000022
是汽车行驶的速度对时间t的微分，由于汽车运行在定速巡航状态下，因而汽车行驶的速度Vtravel是常数，此外汽车车轮与道路的摩擦力系数
Figure BDA0003197326860000023
汽车电机的工作效率γ、汽车的整车质量mfull、汽车旋转元件的质量系数σ、行驶当地的重力加速度gloacl、汽车前身的迎风面积Awind、当地的空气密度ρlocal、空气阻力系数Ωair亦是常数，只有路面坡度θsurface会发生变化，因而汽车行驶的期望功率仅与路面坡度θsurface有关；
S3.建立汽车驾驶舱温度变化模块：根据当前汽车驾驶舱的温度，计算空调在启动和停机状态下驾驶舱温度的变化情况：
汽车驾驶舱内的温度Tvehicle是与驾驶舱外的环境温度Tenvironment、空调的启停状态Ψ、环境的制热系数Kenvironment、空调的制热系数Kcond有关的函数；其函数关系式如公式(2)所示：
Figure BDA0003197326860000024
其中，
Figure BDA0003197326860000025
是经环境和空调作用后驾驶舱内的温度，
Figure BDA0003197326860000026
是当前驾驶舱内的温度，Tenvironment是常数，环境的制热系数Kenvironment是与环境温度有关的物理量；空调的制热系数Kcond受空调输出功率影响，因而
Figure BDA0003197326860000027
驾驶舱内的温度变化仅与空调启停状态Ψ、空调的制热系数Kcond和当前驾驶舱内的温度
Figure BDA0003197326860000028
有关；
S4.建立燃料电池工作效率计算模块及耗氢量计算模块：根据燃料电池的输出功率，计算其工作效率及耗氢量：
采用列表线性插值的方式获得其在不同输出功率点的工作效率，采用的燃料电池最大输出功率为50千瓦，其工作效率与输出功率关系如下：
Figure BDA00031973268600000210
根据上面的数据，利用线性插值方法计算燃料电池各输出功率点的工作效率，所求输出功率点的工作效率ηPcell与所求功率点Pcell可由公式(3)计算：
Figure BDA0003197326860000031
其中，Pcell_table1和Pcell_table0分别是所求输出功率点邻近右侧和左侧的输出功率数值，ηPcell_table1和ηPcell_table0分别是表格中Pcell_table1和Pcell_table0所对应的工作效率；
燃料电池的耗氢量Wcell是与燃料电池的输出功率和工作效率有关的函数：
Figure BDA0003197326860000032
其中，
Figure BDA0003197326860000033
是氢气的低热值；
S5.制定低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理策略：结合前方道路的坡度信息，计算汽车的期望功率信息，驾驶舱内的温度信息，驾驶员期望的温度信息，制定低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配策略，计算燃料电池为汽车与空调应分配的功率；
S501.计算行驶在前方道路时汽车的期望功率：汽车的行车电脑采集智能网联数据中心发送前方的道路坡度信息，根据行驶速度，利用公式(1)，计算汽车行驶时电机的期望功率；
S502.制定功率分配管理策略
设定22摄氏度为驾驶员期望的驾驶舱温度，汽车所处的环境温度为0摄氏度，行车电脑根据从当前时刻到未来50秒汽车的期望功率，分配燃料电池的输出功率至电机和空调：
①若未来50秒汽车行驶在上坡路段，即高期望功功率路段，且此时汽车行驶在下坡路段，则从此刻开始，燃料电池在为电机提供其期望功率的同时，为空调提供其额定功率，使空调工作在高功率模式，驾驶舱温度迅速升高；当运行至上坡路段时燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其所需的期望功率，此时汽车驾驶舱的温度受环境影响缓慢下降；
②若未来50秒汽车行驶在上坡路段，即高期望功功率路段，且此时汽车行驶在平坦路段，则从此刻开始，燃料电池在为电机提供其期望功率的同时，为空调提供其额定功率50％的功率，使空调工作在低功率模式，驾驶舱温度受外界环境影响缓慢的上升或降低；当运行至上坡路段时燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其所需的期望功率，此时汽车驾驶舱的温度受环境影响缓慢下降；
③若未来50秒汽车行驶在平坦路段，即中期望功功率路段，且此时汽车行驶在下坡路段，则从此刻开始，燃料电池在为电机提供其期望功率的同时，为空调提供其额定功率，使空调工作在高功率模式，驾驶舱温度迅速升高；当运行至平坦路段时燃料电池为电机提供其所需的期望功率同时为空调提供其额定功率50％的功率，此时汽车驾驶舱温度受环境影响缓慢的上升或降低；
④若未来50秒汽车行驶在平坦路段，即中期望功功率路段，且此时汽车行驶在上坡路段，则从此刻开始，燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其期望功率，驾驶舱的温度受环境影响缓慢下降；当运行至平坦路段时燃料电池为电机提供其所需期望功率的同时为空调提供其额定功率50％的功率，此时汽车驾驶舱温度受环境影响缓慢的上升或降低；
⑤若未来50秒汽车行驶在下坡路段，即低期望功功率路段，且此时汽车行驶在上坡路段，则从此刻开始，燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其期望功率，驾驶舱温度受环境影响缓慢下降；当运行至下坡路段时燃料电池为电机提供其所需期望功率的同时为空调提供其额定功率，此时汽车驾驶舱的温度迅速上升；
⑥若未来50秒汽车行驶在下坡路段，即低期望功功率路段，且此时汽车行驶在平坦路段，则从此刻开始，燃料电池为电机提供其所需期望功率的同时为空调提供其额定功率50％的功率，使空调工作在低需求功率模式，驾驶舱温度受环境影响缓慢的上升或降低；当运行至下坡路段时燃料电池为电机提供其所需的期望功率的同时为空调提供其额定功率，此时汽车驾驶舱的温度迅速上升。
本发明避免了燃料电池满负载运转状况的出现，提升其工作效率及燃料经济性，延长其使用寿命。本发明的创新点和有益效果是：
1、本发明结合智能网联数据中心提供的信息，统筹汽车在定速巡航状态下动力性与驾驶舱温度舒适性的同时避免燃料电池满负载运转，提升其工作效率及燃料经济性，延长其使用寿命；2、本发明所使用的空调具有停机模式、低功率工作模式和高功率工作模式三种工作模式，针对不同的路况有更灵活的工作模式，灵活地调节驾驶舱内的温度，有效提升燃料电池的工作效率及燃料经济性。
附图说明
图1为燃料电池汽车空调-电机能量流动示意图；
图2为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法的设计流程图；
图3为本发明所设计的功率分配管理方法的工作示意图；
图4为汽车行驶的测试道路示意图；
图5为汽车行驶的期望功率曲线图；
图6为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池为电机和空调分配的总功率曲线图；
图7为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池为电机和空调分配的总功率曲线图；
图8为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池为空调分配的功率曲线图；
图9为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池为空调分配的功率曲线图；
图10为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的驾驶舱温度曲线图；
图11为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的驾驶舱温度曲线图；
图12为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池工作效率曲线图；
图13为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池工作效率曲线图；
图14为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池工作效率对比图；
图15为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池耗氢量曲线图；
图16为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池耗氢量曲线图；
图17为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在测试道路行驶时计算得到的燃料电池耗氢量对比图；
图18为三种不同上坡角度的上坡-平坦路段；
图19为三种不同下坡角度的平坦-下坡路段；
图20为三种不同上坡角度的平坦-上坡路段；
图21为三种不同下坡角度的下坡-平坦路段；
图22为三种不同上坡角度与三种不同下坡角度的上坡-下坡路段；
图23为三种不同下坡角度与三种不同上坡角度的下坡-上坡路段；
图24为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图25为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图26为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图27为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图28为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图29为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图30为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图；
图31为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比图；
图32为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的工作效率曲线对比图；
图33为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的工作效率曲线对比图；
图34为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的工作效率曲线对比图；
图35为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图36为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图37为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图38为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图；
图39为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比图；
图40为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图41为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图42为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图43为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图44为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图45为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图46为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图；
图47为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比图；
图48为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图49为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图50为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图51为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图52为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图53为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图54为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图；
图55为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比图；
图56为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、大下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图57为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度、大下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图58为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度、大下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图59为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、中下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图60为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度、中下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图61为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度、中下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图62为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图63为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图64为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图65为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、大下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图66为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度、大下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图67为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度、大下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图68为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、中下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图69为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度、中下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图70为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度、中下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图71为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图72为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中上坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图73为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小上坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图74为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度和大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图；
图75为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度和大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比图；
图76为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、大上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图77为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度、大上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图78为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度、大上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图79为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、中上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图80为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度、中上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图81为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度、中上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图82为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图83为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图84为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比曲线图；
图85为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、大上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图86为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度、大上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图87为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度、大上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图88为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、中上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图89为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度、中上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图90为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度、中上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图91为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图92为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在中下坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图93为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在小下坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图；
图94为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度和大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图；
图95为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度和大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比图。
具体实施方式
结合附图详细阐述本发明
本发明面向智能网联环境下定速巡航的燃料电池汽车，结合智能网联数据中心按照一定频率(50秒一次)读取前方道路的坡度信息，计算汽车的期望功率，根据功率分配管理方法计算燃料电池为电机和空调分配的功率。
图1为燃料电池汽车空调-电机能量流动示意图，如图所示，燃料电池为空调和电机提供各自所需的功率。图2低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法的设计流程图，如图所示。
本发明具体为：
S1.智能网联数据中心按照一定频率读取前方道路的坡度信息，并将道路的坡度信息传递至汽车的车载控制单元：
智能网联燃料电池汽车最大程度的利用智能网联数据中心每50秒读取一次的前方道路信息，并将读取到的信息传递至汽车的车载控制单元，为功率的分配管理提供数据支撑。
S2.建立汽车期望功率计算模块。根据前方的道路信息及自身车速信息，计算汽车行驶所需的期望功率，并随智能网联数据中心读取数据的频率更新汽车期望功率的数值，功率计算的具体方式如下：
汽车运行时的期望的功率Prequest是与汽车行驶的速度Vtravel、汽车车轮与道路的摩擦力系数
Figure BDA00031973268600001010
汽车电机的工作效率γ、汽车的整车质量mfull、汽车旋转元件的质量系数σ、行驶当地的重力加速度gloacl、路面的坡度θsurface、汽车前身的迎风面积Awind、当地的空气密度ρlocal、空气阻力系数Ωair有关的函数。其函数关系式如公式(1)所示：
Figure BDA0003197326860000101
其中
Figure BDA0003197326860000102
是汽车行驶的速度对时间t的微分，由于汽车运行在定速巡航状态下，因而汽车行驶的速度Vtravel是常数，此外汽车车轮与道路的摩擦力系数
Figure BDA0003197326860000103
汽车电机的工作效率γ、汽车的整车质量mfull、汽车旋转元件的质量系数σ、行驶当地的重力加速度gloacl、汽车前身的迎风面积Awind、当地的空气密度ρlocal、空气阻力系数Ωair亦是常数，只有路面坡度θsurface会发生变化，因而汽车行驶的期望功率仅与路面坡度θsurface有关。
S3.建立汽车驾驶舱温度变化模块。根据当前汽车驾驶舱的温度，计算空调在启动和停机状态下驾驶舱温度的变化情况：
汽车驾驶舱内的温度Tvehicle是与驾驶舱外的环境温度Tenvironment、空调的启停状态Ψ、环境的制热系数Kenvironment、空调的制热系数Kcond有关的函数。其函数关系式如公式(2)所示：
Figure BDA0003197326860000104
其中，
Figure BDA0003197326860000105
是经环境和空调作用后驾驶舱内的温度，
Figure BDA0003197326860000106
是当前驾驶舱内的温度，一般汽车行驶环境中温度的变化极小，可认为Tenvironment是常数，此外环境的制热系数Kenvironment是与环境温度有关的物理量，同样可被认为是常数。空调的制热系数Kcond受空调输出功率影响，因而
Figure BDA0003197326860000107
驾驶舱内的温度变化仅与空调启停状态Ψ、空调的制热系数Kcond和当前驾驶舱内的温度
Figure BDA0003197326860000108
有关。
S4.建立燃料电池工作效率计算模块及耗氢量计算模块。根据燃料电池的输出功率，计算其工作效率及耗氢量：
影响燃料电池工作效率的因素很多，通过公式难以精准地表达出燃料电池工作效率与其输出功率的关系，本专利采用列表线性插值的方式获得其在不同输出功率点的工作效率。本专利所采用的燃料电池最大输出功率为50千瓦，其工作效率与输出功率关系表格如表1所示。
表1：燃料电池工作效率与输出功率关系表格
Figure BDA0003197326860000109
根据表1的数据，利用线性插值方法计算燃料电池各输出功率点的工作效率，所求输出功率点的工作效率ηPcell与所求功率点Pcell可由公式(3)计算：
Figure BDA0003197326860000111
其中，Pcell_table1和Pcell_table0分别是所求输出功率点在表格中邻近右侧和左侧的输出功率数值，如想求燃料电池输出功率在6千瓦处的工作效率，Pcell_table1和Pcell_table0所对应的数值分别是7.5千瓦和5千瓦。ηPcell_table1和ηPcell_table0分别是表格中Pcell_table1和Pcell_table0所对应的工作效率。
燃料电池的耗氢量Wcell是与燃料电池的输出功率和工作效率有关的函数，其计算公式如下：
Figure BDA0003197326860000112
其中，
Figure BDA0003197326860000113
是氢气的低热值。
S5.制定低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理策略。结合前方道路的坡度信息，计算汽车的期望功率信息，驾驶舱内的温度信息，驾驶员期望的温度信息，制定低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配策略，计算燃料电池为汽车与空调应分配的功率。
S501.计算行驶在前方道路时汽车的期望功率。汽车的行车电脑采集智能网联数据中心发送前方的道路坡度信息，根据行驶速度，利用公式(1)，计算汽车行驶时电机的期望功率。
S502.制定功率分配管理策略
图3为本发明所设计的功率分配管理方法的工作示意图，设定22摄氏度(体感舒适温度)为驾驶员期望的驾驶舱温度，汽车所处的环境温度为0摄氏度。行车电脑根据从当前时刻到未来50秒汽车的期望功率，分配燃料电池的输出功率至电机和空调，具体分配方式如下：
1、若未来50秒汽车行驶在上坡路段，即高期望功功率路段，且此时汽车行驶在下坡路段，则从此刻开始，燃料电池在为电机提供其期望功率的同时，为空调提供其额定功率，使空调工作在高功率模式，驾驶舱温度迅速升高。当运行至上坡路段时燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其所需的期望功率，此时汽车驾驶舱的温度受环境影响缓慢下降。
2、若未来50秒汽车行驶在上坡路段，即高期望功功率路段，且此时汽车行驶在平坦路段，则从此刻开始，燃料电池在为电机提供其期望功率的同时，为空调提供其额定功率50％的功率，使空调工作在低功率模式，驾驶舱温度受外界环境影响缓慢的上升或降低。当运行至上坡路段时燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其所需的期望功率，此时汽车驾驶舱的温度受环境影响缓慢下降。
3、若未来50秒汽车行驶在平坦路段，即中期望功功率路段，且此时汽车行驶在下坡路段，则从此刻开始，燃料电池在为电机提供其期望功率的同时，为空调提供其额定功率，使空调工作在高功率模式，驾驶舱温度迅速升高。当运行至平坦路段时燃料电池为电机提供其所需的期望功率同时为空调提供其额定功率50％的功率，此时汽车驾驶舱温度受环境影响缓慢的上升或降低；
4、若未来50秒汽车行驶在平坦路段，即中期望功功率路段，且此时汽车行驶在上坡路段，则从此刻开始，燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其期望功率，驾驶舱的温度受环境影响缓慢下降。当运行至平坦路段时燃料电池为电机提供其所需期望功率的同时为空调提供其额定功率50％的功率，此时汽车驾驶舱温度受环境影响缓慢的上升或降低；
5、若未来50秒汽车行驶在下坡路段，即低期望功功率路段，且此时汽车行驶在上坡路段，则从此刻开始，燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其期望功率，驾驶舱温度受环境影响缓慢下降。当运行至下坡路段时燃料电池为电机提供其所需期望功率的同时为空调提供其额定功率，此时汽车驾驶舱的温度迅速上升；
6、若未来50秒汽车行驶在下坡路段，即低期望功功率路段，且此时汽车行驶在平坦路段，则从此刻开始，燃料电池为电机提供其所需期望功率的同时为空调提供其额定功率50％的功率，使空调工作在低需求功率模式，驾驶舱温度受环境影响缓慢的上升或降低。当运行至下坡路段时燃料电池为电机提供其所需的期望功率的同时为空调提供其额定功率，此时汽车驾驶舱的温度迅速上升。
S6.将计算得到的功率数据传递至汽车的行车电脑，分配至汽车的电机与空调：将行车电脑计算得到的功率分配方式通过局域网发送至汽车的执行控制器，执行控制器对电机执行器和空调执行器进行控制，使他们按照相应的功率工作，统筹汽车动力性与驾驶舱温度舒适性的同时，避免燃料电池运转在满负荷状态，提高工作效率，延长使用寿命。
本发明一种低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法表现出如下优越性：在图4所示的兼具上坡、下坡、平坦路段的测试道路上应用低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法对燃料电池的功率进行分配，发现本发明所设计的方法有以下三点优越性：
1、设计的一种低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法，有效结合智能网联数据中心提供的数据，实现在低温环境下为燃料电池汽车合理的分配功率，使其能够在满足汽车行驶时期望功率的同时维持驾驶舱内的温度在人体舒适的温度区间的目标。图4为汽车行驶的道路信息图，汽车在图4所示的道路上定速巡航，其行驶的期望功率仅与道路的坡度有关，图5为汽车行驶的期望功率曲线图，可以看出在坡度一定的情况下，汽车的期望功率为常值。图6为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的燃料电池为电机和空调分配的总功率曲线，图7为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的燃料电池为电机和空调分配的总功率曲线，从以上两幅图可以看出，在相同的期望功率情况下，本发明所设计的分配管理方法计算所得的燃料电池最大功率为41千瓦，距燃料电池的最大输出功率50千瓦仍有18％的空间，而常规的功率分配管理方法计算得到的最大输出功率为50千瓦，处于满负荷状态，达到燃料电池极限的输出功率，此情况下对燃料电池的寿命有较大的伤害，此外，常规的功率分配管理方法计算得到的燃料电池功率多次触及燃料电池输出功率的峰值区域，而本发明所设计的功率分配管理方法计算得到的燃料电池功率在整个运行过程中都处于峰值区域以下，因而本发明设计的功率分配管理方法能有效延长燃料电池的使用寿命。图8为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的燃料电池为空调分配的功率曲线，图9为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的燃料电池为空调分配的功率曲线。从图8可以看出，空调的输出功率有三档模式，即高功率模式、低功率模式、停机模式，三档模式所对应的空调输出功率分别为10千瓦、5千瓦、0千瓦。从图9可以看出，空调的输出功率仅有两档模式，即高功率模式和停机模式，两档模式的输出功率分别为10千瓦和0千瓦，从这两幅图中可以看出本发明所设计的功率分配管理方法对空调分配的模式更加灵活。图10为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的驾驶舱温度曲线，图11为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的驾驶舱温度曲线。从两幅图可以看出，两种功率分配管理方法均能够在较快的时间内使温度从10摄氏度达到驾驶员的期望温度23摄氏度，且能够很好的维持在23摄氏度附近，满足驾驶员对驾驶舱温度的期望。
2、设计的一种低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法能够有效提升燃料电池的工作效率，避免燃料电池工作在低效率区间而导致的寿命损伤，延长使用寿命。图12为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的燃料电池工作效率曲线，图13为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的燃料电池工作效率曲线，图14为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到燃料电池工作效率对比图。从效率对比图中可以清晰的看到，本发明所设计的功率分配管理方法大多工作在燃料电池的最高效区间，而常规的功率控制方法计算得到的燃料电池工作效率波动较大，此外，从图14可以看出，本发明所设计的功率管理控制方法计算得到的燃料电池的平均工作效率比常规的功率管理控制方法计算得到的燃料电池的平均工作效率高11.5％，显著提升了汽车在低温环境下运行时燃料电池的工作效率。
3、设计的一种低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法能够有效减少耗氢量，节约氢能源。图15为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的燃料电池耗氢量曲线图，图16为低温环境下常规的燃料电池汽车功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的燃料电池耗氢量曲线图，图17为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在该道路行驶时计算得到的燃料电池耗氢量对比图。从耗氢量对比图汇总可以看出，在相同的道路运行时，本发明所设计的功率分配管理方法536.4克，而常规的分配管理方法的耗氢量为659.1克，本发明所设计的功率分配管理方法比常规的功率管理控制方法计算得到的燃料电池耗氢量节约了18.6％，明显节约了运行时的耗氢量，提升了燃料电池的经济性。
为进一步说明本发明所设计的功率分配管理方法的积极进步效果，分别在图18所示的三种不同上坡角度的上坡-平坦路段、图19所示的三种不同下坡角度的平坦-下坡路段、图20所示的三种不同上坡角度的平坦-上坡路段、图21所示的三种不同下坡角度的下坡-平坦路段、图22所示的三种不同下坡角度与三种不同上坡角度的上坡-下坡路段、图23所示的三种不同下坡角度与三种不同上坡角度的下坡-上坡路段进行仿真，以上路段包括生活中会遇到的所有路段情况，发现本发明所设计的方法针对生活中的所有路段情况均有有益效果，具体表现出以下7点优越性：
1、利用本发明设计的功率分配管理方法和常规的功率分配管理方法对图18所示的三种不同上坡角度的上坡-平坦路段进行仿真，所得燃料电池工作效率曲线对比图如图24、图25、图26所示，从三组对比曲线可以看出本发明设计的功率分配管理方法计算所得的效率曲线始终处于常规的功率分配管理方法计算所得的效率曲线之上，在整个路段中都拥有更高的工作效率。图27、图28、图29分别为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图。由于温度变化缓慢的性质，且三种路段虽然坡度的角度不同，但路段的形式相似，功率的分配形式也相似，因而以上三幅图的驾驶舱温度曲线十分相似。从以上三幅图可以看到，两种功率分配管理方法均能快速使驾驶舱温度从低温环境下升温至驾驶员的期望温度需求。图30为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图，图31为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同上坡角度的上坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比图，从两幅对比图中可以清晰直观的看到本发明设计的功率分配管理方法在该种路段下三种不同角度的坡度均能有效提高燃料电池的工作效率，降低耗氢量，提升燃料电池的燃料经济性。综上所述，针对不同角度的上坡-平坡路段，相比于常规的功率分配管理方法，本发明设计的功率分配管理方法能够在满足驾驶员温度需求的基础上，有效提升燃料电池的工作效率及燃料经济性。
2、利用本发明设计的功率分配管理方法和常规的功率分配管理方法对图19所示的三种不同下坡角度的平坦-下坡路段进行仿真，所得燃料电池工作效率曲线对比图如图32、图33、图34所示，从图32、图33可以看出在平坦路段本发明所设计的功率分配管理方法计算所得的燃料电池工作效率远远大于常规的功率分配管理方法，在下坡路段本发明所设计的功率分配管理方法计算所得的燃料电池工作效率略低于常规的功率分配管理方法，从整个路段来看本发明所设计的功率分配管理方法有较大优势，从图34可以看出本发明设计的功率分配管理方法计算所得的效率曲线始终处于常规的功率分配管理方法计算所得的效率曲线之上，在整个路段中都拥有更高的工作效率。图35、图36、图37分别为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图。由于温度变化缓慢的性质，且三种路段虽然坡度的角度不同，但路段的形式相似，功率的分配形式也相似，因而以上三幅图的驾驶舱温度曲线十分相似。从以上三幅图可以看到，两种功率分配管理方法均能快速使驾驶舱温度从低温环境下升温至驾驶员的期望温度需求。图38为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图，图39为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同下坡角度的平坦-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比图，从两幅对比图中可以清晰直观的看到本发明设计的功率分配管理方法在该种路段下三种不同角度的坡度均能有效提高燃料电池的工作效率，降低耗氢量，提升燃料电池的燃料经济性。综上所述，针对不同角度的平坦-下坡路段，相比于常规的功率分配管理方法，本发明设计的功率分配管理方法能够在满足驾驶员温度需求的基础上，有效提升燃料电池的工作效率及燃料经济性。
3、利用本发明设计的功率分配管理方法和常规的功率分配管理方法对图20所示的三种不同上坡角度的平坦-上坡路段进行仿真，所得燃料电池工作效率曲线对比图如图40、图41、图42所示，从三组对比曲线可以看出本发明设计的功率分配管理方法计算所得的效率曲线始终处于常规的功率分配管理方法计算所得的效率曲线之上，在整个路段中都拥有更高的工作效率。图43、图44、图45分别为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图。由于温度变化缓慢的性质，且三种路段虽然坡度的角度不同，但路段的形式相似，功率的分配形式也相似，因而以上三幅图的驾驶舱温度曲线十分相似。从以上三幅图可以看到，两种功率分配管理方法均能快速使驾驶舱温度从低温环境下升温至驾驶员的期望温度需求。图46为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图，图47为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同上坡角度的平坦-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比图，从两幅对比图中可以清晰直观的看到本发明设计的功率分配管理方法在该种路段下三种不同角度的坡度均能有效提高燃料电池的工作效率，降低耗氢量，提升燃料电池的燃料经济性。综上所述，针对不同角度的平坦-上坡路段，相比于常规的功率分配管理方法，本发明设计的功率分配管理方法能够在满足驾驶员温度需求的基础上，有效提升燃料电池的工作效率及燃料经济性。
4、利用本发明设计的功率分配管理方法和常规的功率分配管理方法对图21所示的三种不同上坡角度的下坡-平坦路段进行仿真，所得燃料电池工作效率曲线对比图如图48、图49、图50所示，从三组对比曲线可以看出，在下坡路段时，两种方法计算得到的燃料电池工作效率几乎一致，而在平坦路段时，本发明设计的功率分配管理方法计算所得的效率曲线始终处于常规的功率分配管理方法计算所得的效率曲线之上，因而在整个路段中本发明设计的功率分配管理方法使燃料电池拥有更高的工作效率。图51、图52、图53分别为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图。由于温度变化缓慢的性质，且三种路段虽然坡度的角度不同，但路段的形式相似，功率的分配形式也相似，因而以上三幅图的驾驶舱温度曲线十分相似。从以上三幅图可以看到，两种功率分配管理方法均能快速使驾驶舱温度从低温环境下升温至驾驶员的期望温度需求。图54为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图，图55为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在三种不同下坡角度的下坡-平坦路段计算得到的燃料电池工作效率对比图，从两幅对比图中可以清晰直观的看到本发明设计的功率分配管理方法在该种路段下三种不同角度的坡度均能有效提高燃料电池的工作效率，降低耗氢量，提升燃料电池的燃料经济性。综上所述，针对不同角度的平坦-上坡路段，相比于常规的功率分配管理方法，本发明设计的功率分配管理方法能够在满足驾驶员温度需求的基础上，有效提升燃料电池的工作效率及燃料经济性。
5、利用本发明设计的功率分配管理方法和常规的功率分配管理方法对图22所示的大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度和大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段进行仿真，所得燃料电池工作效率曲线对比图如图56、图57、图58、图59、图60、图61、图62、图63、图64所示，从前六组对比曲线可以看出，在上坡路段时，本发明设计的功率分配管理方法计算所得的效率曲线始终处于常规的功率分配管理方法计算所得的效率曲线之上，而在下坡路段时，两种方法计算得到的燃料电池工作效率几乎一致，因而在整个路段中，本发明设计的功率分配管理方法使燃料电池拥有更高的工作效率。从后三组对比曲线可以看出，本发明设计的功率分配管理方法计算所得的效率曲线始终处于常规的功率分配管理方法计算所得的效率曲线之上，因而在整个路段中拥有更高的工作效率。图65、图66、图67、图68、图69、图70、图71、图72、图73分别为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度和大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图。由于温度变化缓慢的性质，且九种路段虽然坡度的角度不同，但路段的形式相似，功率的分配形式也相似，因而以上九幅图的驾驶舱温度曲线十分相似。从以上九幅图可以看到，两种功率分配管理方法均能快速使驾驶舱温度从低温环境下升温至驾驶员的期望温度需求。图74为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度和大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图，图75为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度和大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度的上坡-下坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比图，从两幅对比图中可以清晰直观的看到本发明设计的功率分配管理方法在该种路段下均能有效提高燃料电池的工作效率，降低耗氢量，提升燃料电池的燃料经济性。综上所述，针对不同角度的上坡-下坡路段，相比于常规的功率分配管理方法，本发明设计的功率分配管理方法能够在满足驾驶员温度需求的基础上，有效提升燃料电池的工作效率及燃料经济性。
6、利用本发明设计的功率分配管理方法和常规的功率分配管理方法对图23所示的大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度和大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段进行仿真，所得燃料电池工作效率曲线对比图如图76、图77、图78、图79、图80、图81、图82、图83、图84所示，从九组对比曲线可以看出，在下坡路段时，两种方法计算得到的燃料电池工作效率几乎一致，在上坡路段时，本发明设计的功率分配管理方法计算所得的效率曲线始终处于常规的功率分配管理方法计算所得的效率曲线之上，，因而在整个路段中，本发明设计的功率分配管理方法使燃料电池拥有更高的工作效率。图85、图86、图87、图88、图89、图90、图91、图92、图93分别为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度和大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的驾驶舱温度对比曲线图。由于温度变化缓慢的性质，且九种路段虽然坡度的角度不同，但路段的形式相似，功率的分配形式也相似，因而以上九幅图的驾驶舱温度曲线十分相似。从以上九幅图可以看到，两种功率分配管理方法均能快速使驾驶舱温度从低温环境下升温至驾驶员的期望温度需求。图94为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度和大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池耗氢量对比图，图95为低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法与常规的功率分配管理方法在大下坡角度、中下坡角度、小下坡角度和大上坡角度、中上坡角度、小上坡角度的下坡-上坡路段计算得到的燃料电池工作效率对比图，从两幅对比图中可以清晰直观的看到本发明设计的功率分配管理方法在该种路段下均能有效提高燃料电池的工作效率，降低耗氢量，提升燃料电池的燃料经济性。综上所述，针对不同角度的下坡-上坡路段，相比于常规的功率分配管理方法，本发明设计的功率分配管理方法能够在满足驾驶员温度需求的基础上，有效提升燃料电池的工作效率及燃料经济性。
7、通过以上对生活中各种坡度的路段组合进行仿真分析，有效说明了本发明设计的低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理办法针对生活中全部的路段组合均有积极进步效果，相比于常规的功率分配管理方法，能够有效提升燃料电池的工作效率及燃料经济性，避免燃料电池工作在满负荷状态，延长其使用寿命。

Claims (1)

1.一种低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理方法，其特征在于：其步骤是：
S1.智能网联数据中心读取前方道路的坡度信息，并将道路的坡度信息传递至汽车的车载控制单元：
智能网联燃料电池汽车最大程度的利用智能网联数据中心每50秒读取一次的前方道路信息，并将读取到的信息传递至汽车的车载控制单元，为功率的分配管理提供数据支撑；
S2.建立汽车期望功率计算模块：根据前方的道路信息及自身车速信息，计算汽车行驶所需的期望功率，并随智能网联数据中心读取数据的频率更新汽车期望功率的数值，功率计算的具体方式如下：
汽车运行时的期望的功率Prequest是与汽车行驶的速度Vtravel、汽车车轮与道路的摩擦力系数
Figure FDA0003197326850000018
汽车电机的工作效率γ、汽车的整车质量mfull、汽车旋转元件的质量系数σ、行驶当地的重力加速度gloacl、路面的坡度θsurface、汽车前身的迎风面积Awind、当地的空气密度ρlocal、空气阻力系数Ωair有关的函数，其函数关系式如公式(1)所示：
Figure FDA0003197326850000011
其中
Figure FDA0003197326850000012
是汽车行驶的速度对时间t的微分，由于汽车运行在定速巡航状态下，因而汽车行驶的速度Vtravel是常数，此外汽车车轮与道路的摩擦力系数
Figure FDA0003197326850000019
汽车电机的工作效率γ、汽车的整车质量mfull、汽车旋转元件的质量系数σ、行驶当地的重力加速度gloacl、汽车前身的迎风面积Awind、当地的空气密度ρlocal、空气阻力系数Ωair亦是常数，只有路面坡度θsurface会发生变化，因而汽车行驶的期望功率仅与路面坡度θsurface有关；
S3.建立汽车驾驶舱温度变化模块：根据当前汽车驾驶舱的温度，计算空调在启动和停机状态下驾驶舱温度的变化情况：
汽车驾驶舱内的温度Tvehicle是与驾驶舱外的环境温度Tenvironment、空调的启停状态Ψ、环境的制热系数Kenvironment、空调的制热系数Kcond有关的函数；其函数关系式如公式(2)所示：
Figure FDA0003197326850000013
其中，
Figure FDA0003197326850000014
是经环境和空调作用后驾驶舱内的温度，
Figure FDA0003197326850000015
是当前驾驶舱内的温度，Tenvironment是常数，环境的制热系数Kenvironment是与环境温度有关的物理量；空调的制热系数Kcond受空调输出功率影响，因而
Figure FDA0003197326850000016
驾驶舱内的温度变化仅与空调启停状态Ψ、空调的制热系数Kcond和当前驾驶舱内的温度
Figure FDA0003197326850000017
有关；
S4.建立燃料电池工作效率计算模块及耗氢量计算模块：根据燃料电池的输出功率，计算其工作效率及耗氢量：
采用列表线性插值的方式获得其在不同输出功率点的工作效率，采用的燃料电池最大输出功率为50千瓦，其工作效率与输出功率关系如下：
Figure FDA0003197326850000024
根据上面的数据，利用线性插值方法计算燃料电池各输出功率点的工作效率，所求输出功率点的工作效率ηPcell与所求功率点Pcell可由公式(3)计算：
Figure FDA0003197326850000021
其中，Pcell_table1和Pcell_table0分别是所求输出功率点邻近右侧和左侧的输出功率数值，ηPcell_table1和ηPcell_table0分别是表格中Pcell_table1和Pcell_table0所对应的工作效率；
燃料电池的耗氢量Wcell是与燃料电池的输出功率和工作效率有关的函数：
Figure FDA0003197326850000022
其中，
Figure FDA0003197326850000023
是氢气的低热值；
S5.制定低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配管理策略：结合前方道路的坡度信息，计算汽车的期望功率信息，驾驶舱内的温度信息，驾驶员期望的温度信息，制定低温环境下智能网联燃料电池汽车功率分配策略，计算燃料电池为汽车与空调应分配的功率；
S501.计算行驶在前方道路时汽车的期望功率：汽车的行车电脑采集智能网联数据中心发送前方的道路坡度信息，根据行驶速度，利用公式(1)，计算汽车行驶时电机的期望功率；
S502.制定功率分配管理策略
设定22摄氏度为驾驶员期望的驾驶舱温度，汽车所处的环境温度为0摄氏度，行车电脑根据从当前时刻到未来50秒汽车的期望功率，分配燃料电池的输出功率至电机和空调：
①若未来50秒汽车行驶在上坡路段，即高期望功功率路段，且此时汽车行驶在下坡路段，则从此刻开始，燃料电池在为电机提供其期望功率的同时，为空调提供其额定功率，使空调工作在高功率模式，驾驶舱温度迅速升高；当运行至上坡路段时燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其所需的期望功率，此时汽车驾驶舱的温度受环境影响缓慢下降；
②若未来50秒汽车行驶在上坡路段，即高期望功功率路段，且此时汽车行驶在平坦路段，则从此刻开始，燃料电池在为电机提供其期望功率的同时，为空调提供其额定功率50％的功率，使空调工作在低功率模式，驾驶舱温度受外界环境影响缓慢的上升或降低；当运行至上坡路段时燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其所需的期望功率，此时汽车驾驶舱的温度受环境影响缓慢下降；
③若未来50秒汽车行驶在平坦路段，即中期望功功率路段，且此时汽车行驶在下坡路段，则从此刻开始，燃料电池在为电机提供其期望功率的同时，为空调提供其额定功率，使空调工作在高功率模式，驾驶舱温度迅速升高；当运行至平坦路段时燃料电池为电机提供其所需的期望功率同时为空调提供其额定功率50％的功率，此时汽车驾驶舱温度受环境影响缓慢的上升或降低；
④若未来50秒汽车行驶在平坦路段，即中期望功功率路段，且此时汽车行驶在上坡路段，则从此刻开始，燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其期望功率，驾驶舱的温度受环境影响缓慢下降；当运行至平坦路段时燃料电池为电机提供其所需期望功率的同时为空调提供其额定功率50％的功率，此时汽车驾驶舱温度受环境影响缓慢的上升或降低；
⑤若未来50秒汽车行驶在下坡路段，即低期望功功率路段，且此时汽车行驶在上坡路段，则从此刻开始，燃料电池不再为空调提供功率，而只为电机提供其期望功率，驾驶舱温度受环境影响缓慢下降；当运行至下坡路段时燃料电池为电机提供其所需期望功率的同时为空调提供其额定功率，此时汽车驾驶舱的温度迅速上升；
⑥若未来50秒汽车行驶在下坡路段，即低期望功功率路段，且此时汽车行驶在平坦路段，则从此刻开始，燃料电池为电机提供其所需期望功率的同时为空调提供其额定功率50％的功率，使空调工作在低需求功率模式，驾驶舱温度受环境影响缓慢的上升或降低；当运行至下坡路段时燃料电池为电机提供其所需的期望功率的同时为空调提供其额定功率，此时汽车驾驶舱的温度迅速上升。
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