CN104051751A - 通过偏移估计进行的燃料电池功率控制 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过偏移估计进行的燃料电池功率控制。一种用于管理燃料电池车辆中的功率流的系统和方法。该方法向PI控制器提供功率限值信号与实际功率信号之间的差异以生成功率偏移信号。该方法确定燃料电池组是否能够提供足够的功率来满足功率请求，并且如果是这样，则将功率请求信号和功率偏移信号相加以生成电池组功率请求信号，来使功率上限信号朝向实际功率信号移动并且与实际功率信号匹配。如果电池组不能提供足够的功率来满足负载功率请求信号，则该方法从功率限值信号减去功率偏移信号以提供负载限值信号，来使实际电池组功率信号朝向功率上限信号移动并且与功率上限信号匹配。

Description

通过偏移估计进行的燃料电池功率控制

技术领域

本发明整体上涉及一种用于管理燃料电池车辆中的功率流的系统和方法，其包括提供实际燃料电池组功率与燃料电池组功率限值之间的功率匹配，并且更具体而言，本发明涉及通过估计未知的偏移功率来管理从燃料电池组到受控电驱动系统（其在本文中有时被称为功率逆变器模块（TPIM））的功率流的系统和方法，所述偏移功率为任何其它负载例如附属负载、分布式效率损失和一些未管理的电负载（例如加热器、风扇等）的功率之和，并且该系统和方法采用单个控制器用于功率请求信号路径和功率限值信号路径两者。

背景技术

在技术领域中存在电动车，例如蓄电池电动车(BEV)、增程式电动车(EREV)和组合了蓄电池与主动力源（例如内燃机、燃料电池系统等）的混合动力电动车。大部分燃料电池车辆为混合动力车，其除了采用燃料电池组之外，还采用可再充电的补充高压电源，例如DC蓄电池或超级电容器。电源提供补充功率用于各种车辆辅助负载，例如用于系统起动和当燃料电池组不能提供期望功率时的高功率需求期间。更具体而言，燃料电池组通过DC电压总线向牵引马达和其它车辆系统提供功率用于车辆操作。在需要超过电池组能够提供的额外功率的时间期间，例如在急剧加速期间，蓄电池向电压总线提供补充功率。燃料电池组在燃料电池组能够满足系统功率需求时的时间，用来对蓄电池再充电。从牵引马达可获得的发电机功率能够提供再生制动，再生制动也可以用来通过DC总线对蓄电池再充电。

用于车辆的典型的燃料电池组可以具有两百个或更多的堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极侧输入气体，包括氧气，通常为由压缩机强迫通过电池组的空气流。并非所有氧气都由电池组消耗，而是一些空气作为阴极排气输出，其可以包括水作为电池组副产物。燃料电池组还接收流入到电池组的阳极侧的阳极氢气输入气体。燃料电池组包括在电池组中定位在若干膜电极组件（MEA）之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括阳极侧和阴极侧用于电池组中的相邻燃料电池。在双极板的阳极侧设置有阳极气体流动场，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧设置有阴极气体流动场，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，并且另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电性复合材料。端板将由燃料电池生成的功率导出电池组。双极板还包括供冷却流体流经的流动通道。

用来操作车辆的推进功率通常是非常动态的。当使用燃料电池组来供应车辆推进功率时，需要由电池组提供的功率遵从来自车辆驾驶员的通过车辆加速踏板提供的动态功率请求。向电池组以某个压力和流速提供氢燃料和空气（介质），使得当燃料电池系统接收功率请求信号时，系统控制向电池组供应介质的各种设备和部件，监测电池组操作条件，并且提供识别由电池组提供的功率的功率信号。但是，对于燃料电池系统的动态响应存在限制，因为系统不能遵从相对快速的功率请求瞬态。在用于车辆马达驱动模式的这样的瞬态功率请求的情况下，将由燃料电池组提供可用功率，并且将需要由车辆负载消耗的功率遵从电池组功率的减小的瞬间动态。系统中的物理功率流由系统负载通常由车辆推进马达致动，而不是由燃料电池系统致动。但是，功率的设定点由负载（正常模式）或由燃料电池系统（限制模式）来驱动。

为了防止由于电压过载而损坏燃料电池组，由车辆负载消耗的功率必须不超过由燃料电池组控制所提供的功率上限。而且，在相当长的一段时间，由电池组消耗的功率不应低于功率上限，因为电池组负载不足会导致长期的电池组劣化。特别地，如果系统设备提供比实际功率需求所需更多的空气和氢气，则会导致电池组的不当操作条件，这会由于电池组变干而导致长期劣化。

如上所述，马达驱动模式期间的实际电池组功率应该维持尽可能地接近功率上限。短期功率偏差如果低于某个峰值功率限值则通常是可接受的，但如果存在超过功率上限的电池组功率的持续偏离或者电池组功率降低到低于功率下限的持续偏离，则通常是不可接受的。如果存在电池组功率与功率上限的持续偏离，则系统控制器必须采取补救措施。存在两种方式实现这种控制，即采用请求功率模式，其中维持来自电池组的功率消耗，并且通过控制请求信号来调节电池组功率能力；或者采用功率限值模式，其中电池组功率限值由电池组操作条件给出，并且由电池组消耗的实际功率通过控制TPIM来调节。如果电池组能够提供所请求的功率，那么将使用功率请求模式，并且电池组功率将遵从功率请求。这意味着来自负载的功率请求以电池组功率限值与实际电池组功率匹配的方式被控制。如果电池组不能提供所请求的功率，那么使用功率限值模式，并且实际电池组功率将维持在功率限值。这意味着到负载的功率以实际电池组功率总是与电池组功率限值匹配的方式被控制。在正常操作条件期间，使用功率请求模式，其中驾驶员通过致动加速踏板来设定电池组功率，并且功率限值被控制为与实际功率匹配。

该系统也可以再生制动(再生（regen）)模式操作，其中来自车辆再生制动的能量用来对蓄电池再充电并且向负载供电，这节省了由燃料电池组提供的能量并且提高了整体系统效率。在该情况下，需要功率下限来确保电池组功率不会变成负值，其中功率下限用于以与功率上限控制相同的方式进行系统控制。以上关于上文所描述的功率请求模式和功率限值模式的讨论仅用于马达驱动模式，而不考虑再生模式。在再生模式中，电池组功率与功率下限匹配。

在当前燃料电池系统中，对于功率请求模式和功率限值模式使用单独的比例-积分（PI）控制器，以使对于功率请求模式和功率限值模式电池组功率限值与实际电池组功率匹配。另外，需要考虑不受控车辆负载的未知功率消耗。这些负载是控制系统不可见的并且并不包括在负载控制信号中，但功率消耗为整体实际电池组功率的一部分。现有技术系统通常测量或估计每个辅助不受控负载消耗了多少功率，并且将这些功率水平加在一起以得到正在使用的总功率。但是，为了提供所提供的功率与所消耗的功率之间的期望匹配，而确定各种不受控负载需要多少功率是困难的。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于管理燃料电池车辆中的功率流的系统和方法。燃料电池系统包括燃料电池组及受控系统负载和不受控系统负载。该方法从燃料电池组在功率总线上提供功率，以向系统负载供电，并且测量功率总线上的功率来提供实际功率信号。该方法还向PI控制器提供功率限值信号与实际功率信号之间的差异以生成功率偏移信号。该方法确定燃料电池组是否能够提供足够的功率来满足负载功率请求信号，并且如果这样的话，则将负载功率请求信号和功率偏移信号相加以生成电池组功率请求信号，来使功率限值信号朝向实际功率信号移动并且与实际功率信号匹配。如果燃料电池组不能提供足够的功率来满足负载功率请求信号，那么该方法从电池组功率限值信号减去功率偏移信号以提供负载功率限值信号，来使实际电池组功率信号朝向功率限值信号移动并且与功率限值信号匹配。

本发明还提供如下方案：

1.一种用于在燃料电池系统中提供功率控制的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组和受控系统负载及不受控系统负载，所述方法包括：

从所述燃料电池组在功率总线上提供功率以对所述系统负载供电；

测量所述功率总线上的功率以提供实际电池组功率信号；

将功率上限信号与所述实际电池组功率信号之间的差异提供给控制器以生成功率偏移信号；

确定所述燃料电池组是否能够提供足够的功率来满足负载功率请求信号；

如果所述燃料电池组能够提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则将所述负载功率请求信号和所述功率偏移信号相加以生成电池组功率请求信号，且使所述功率上限信号朝向所述实际电池组功率信号移动并与所述实际电池组功率信号匹配；以及

如果所述燃料电池组不能提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则将所述功率偏移信号和所述功率上限信号相减以提供第一功率限值信号，来限制所述受控系统负载的功率消耗，使得所述实际电池组功率信号朝向所述功率上限信号移动并且与所述功率上限信号匹配。

2.根据方案1所述的方法，该方法还包括确定所述燃料电池系统处于马达驱动模式还是再生制动模式，其中如果所述系统处于所述马达驱动模式，则执行使所述功率上限信号与所述实际电池组功率信号匹配或者使所述实际电池组功率信号与所述功率上限信号匹配。

3.根据方案2所述的方法，该方法还包括如果所述系统处于所述再生制动模式，则将所述功率偏移信号和功率下限信号相减以提供第二功率限值信号，来限制所述受控系统负载的功率消耗，使得所述实际电池组功率信号朝向所述功率下限信号移动并且与所述功率下限信号匹配。

4.根据方案1所述的方法，该方法还包括在将所述功率请求信号和所述功率偏移信号相加或将所述功率偏移信号和所述功率上限信号相减之前，向所述功率偏移信号提供所述不受控系统负载中的一个或多个的预期功率消耗的估计。

5.根据方案1所述的方法，其中测量所述功率总线上的功率包括使用单个功率传感器。

6.根据方案1所述的方法，其中所述受控负载包括车辆电气牵引系统、DC/DC转换器和蓄电池。

7.根据方案1所述的方法，其中所述不受控系统负载包括向所述燃料电池组提供空气流的压缩机。

8.根据方案1所述的方法，其中所述功率偏移信号为由所有不受控负载消耗的功率。

9.根据方案1所述的方法，其中所述控制器为比例积分（PI）控制器。

10.根据方案1所述的方法，其中所述燃料电池系统在车辆上。

11.一种用于在车辆上的燃料电池系统中提供功率控制的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组和受控系统负载及不受控系统负载，其中所述受控负载包括车辆电气牵引系统、DC/DC 转换器和蓄电池，并且所述不受控系统负载包括向所述燃料电池组提供空气流的压缩机，所述方法包括：

从所述燃料电池组在功率总线上提供功率以对所述系统负载供电；

使用单个功率传感器来测量所述功率总线上的功率，以提供实际电池组功率信号：

将功率上限信号与所述实际电池组功率信号之间的差异提供给比例积分(PI) 控制器以生成功率偏移信号；

确定所述燃料电池组是否能够提供足够的功率来满足负载功率请求信号；

如果所述燃料电池组能够提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则将所述负载功率请求信号和所述功率偏移信号相加以生成电池组功率请求信号，且使所述功率上限信号朝向所述实际电池组功率信号移动并与所述实际电池组功率信号匹配；以及

如果所述燃料电池组不能提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则将所述功率偏移信号和所述功率上限信号相减以提供第一功率限值信号，来限制所述受控系统负载的功率消耗，使得所述实际电池组功率信号朝向所述功率上限信号移动并且与所述功率上限信号匹配。

12.根据方案11所述的方法，该方法还包括确定所述燃料电池系统处于马达驱动模式还是再生制动模式，其中如果所述系统处于所述马达驱动模式，则执行使所述功率上限信号与所述实际电池组功率信号匹配或者使所述实际电池组功率信号与所述功率上限信号匹配。

13.根据方案12所述的方法，该方法还包括如果所述系统处于所述再生制动模式，则将所述功率偏移信号和功率下限信号相减以提供第二功率限值信号，来限制所述受控系统负载的功率消耗，使得所述实际电池组功率信号朝向所述功率下限信号移动并且与所述功率下限信号匹配。

14.一种用于在燃料电池车辆中提供功率控制的系统，所述系统包括：

燃料电池组；

功率总线，从所述燃料电池组接收功率；

多个受控负载，电气联接到所述功率总线并且从所述功率总线接收功率；

多个不受控负载，电气联接到所述功率总线并且从所述功率总线接收功率；

传感器，测量所述功率总线上的功率并且提供实际电池组功率信号；

燃料电池组控制器，响应于电池组功率请求信号，所述电池组控制器响应于所述电池组功率请求信号生成功率上限信号；

比例积分（PI）控制器，响应于所述功率上限信号与所述实际电池组功率信号之间的差异，所述PI控制器生成功率偏移信号；

驱动系统控制器，响应于驾驶员功率请求信号并且生成负载功率请求信号，所述驱动系统控制器控制所述受控负载；

加法器，将所述负载功率请求信号和所述功率偏移信号相加以生成电池组功率请求信号；以及

第一减法器，将所述功率上限信号和所述功率偏移信号相减以提供第一功率限值信号，其中如果所述燃料电池组能够提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则所述电池组控制器使所述功率上限信号朝向所述实际电池组功率信号移动并且与所述实际电池组功率信号匹配；并且其中如果所述燃料电池组不能提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则所述负载控制器使用所述第一功率限值信号来控制所述受控负载，使得所述实际电池组功率信号朝向所述功率上限信号移动并且与所述功率上限信号匹配。

15.根据方案14所述的系统，其中所述电池组控制器还提供功率下限信号，所述系统还包括第二减法器，该第二减法器将所述功率下限信号和所述功率偏移信号相减以提供第二功率限值信号。

16.根据方案15所述的系统，该系统还包括检测器，该检测器检测所述车辆处于马达运作模式还是再生制动模式，如果所述车辆处于所述马达驱动模式，则所述负载控制器使用所述第一功率限值信号来控制所述受控负载，并且如果所述车辆处于所述再生制动模式，则所述负载控制器使用所述第二功率限值信号来控制所述受控负载。

17.根据方案14所述的系统，该系统还包括这样的装置：该装置用于在将所述功率请求信号和所述功率偏移信号相加或将所述功率偏移信号和所述功率上限信号相减之前，向所述功率偏移信号提供所述不受控系统负载中的一个或多个的预期功率消耗的估计。

18.根据方案14所述的系统，其中所述受控负载包括车辆电气牵引系统、DC/DC转换器和蓄电池。

19.根据方案14所述的系统，其中所述不受控系统负载包括向所述燃料电池组提供空气流的压缩机。

20.根据方案14所述的系统，其中所述功率偏移信号为由所有不受控负载消耗的功率。

结合附图，通过下文的描述和所附权利要求，本发明的另外的特征将变得显然。

附图说明

图1为车辆功率系统的简单框图；

图2为用于燃料电池系统的功率控制架构的示意框图；以及

图3为燃料电池组推进系统的详细示意框图。

具体实施方式

下面针对于在燃料电池车辆中用于管理功率控制的系统和方法的本发明的实施例的讨论在本质上只是示例性的，绝不意图限制本发明或其应用或用途。

本发明提出了一种用于在燃料电池车辆中管理功率控制的控制架构，其在车辆中使燃料电池组提供的功率与从燃料电池组接收功率的负载所消耗的功率匹配。控制架构包括单个PI控制器，其对于功率请求模式和功率限值模式提供功率控制，其中控制根据电池组是否能够提供所请求的功率而固有地（无明显模变地）在两种模式之间切换。对于电池组不能提供所请求的功率的那些时间，例如由于电池组过热、介质供应短缺、超过电池电压限值、电池组劣化等，控制切换到功率限值模式，其中在负载能够从电池组消耗多少功率方面受到限制。一个新颖点在于仅需要一个PI控制器来处置功率请求信号路径和功率限值信号路径，其中持续地启用PI控制器而并非取决于模式，这增加了系统鲁棒性。另外，硬件中仅需要单个功率传感器。通过提供对不受管理的负载的功率消耗的良好预测估计（无需硬件传感器），将增加系统的整体动态。容易仅通过向偏移求和点加上功率估计来添加额外负载。分别对于马达驱动模式和再生模式提供功率上限和功率下限。为了处理两个功率限值，而需要在马达驱动模式与再生模式之间切换，这导致需要用于切换策略的开关组和逻辑。

图1为示出了混合动力电动车10的简化平面图，电动车10包括高压蓄电池12、燃料电池组14、推进单元16和DC/DC控制器18。控制器18表示对于车辆10中的操作和功率流控制所必需的所有控制模块和设备。

图2为包括燃料电池组22的功率控制系统20的框图。燃料电池组22在到各种负载的高压功率总线24上提供电池组功率，各种负载可以在车辆上并且需要功率，其中负载将包括功率消耗能够被控制的受控制负载和功率消耗不受控制的不受控负载。系统20中的受控负载会是车辆电气牵引系统(ETS)，其包括推进马达、DC/DC功率转换器、车辆蓄电池等，全部总体由框26来表示。总体由框28表示的许多辅助的不受控负载，例如阴极空气压缩机、车厢加热器、低伏特（12V）电源DC/DC等也电气联接到总线24。阴极空气压缩机作为不受控负载对待，因为其从燃料电池组22的内部控件而不从所描述的功率管理系统接收其指令。系统20包括电池组控制器30，电池组控制器30在线路32上接收电池组功率请求信号P_{req_Stk}，其设定电池组22的期望输出功率，以满足负载26和28的功率需求。基于电池组功率请求信号P_{req_Stk}，电池组控制器30在线路34上提供用于马达驱动模式的功率上限信号P_{lim_upp}，并且在线路36上提供用于再生模式（其在下文中更详细地讨论）的功率下限信号P_{lim_low}。将功率上限信号P_{lim_upp}和功率下限信号P_{lim_low}提供给开关40，开关40被设定至取决于车辆10处于马达驱动模式还是再生模式的位置。

取决于车辆10处于马达驱动模式还是再生模式，通过开关40将功率上限信号P_{lim_upp}或功率下限信号P_{lim_low}提供给PI控制器38的负输入，其中PI控制器38可以为控制器18的一部分。功率传感器42测量总线24上的由电池组22消耗的实际功率，并且向PI控制器38的正输入提供识别正由燃料电池组22消耗的功率的实际功率信号P_act。传感器42允许使用单次功率测量来确定正由电池组22消耗的实际功率，而不是确定由负载28中的每一个消耗的个别功率。PI控制器38使用功率限值信号P_lim与实际功率信号P_act之间的差异来在线路44上生成功率偏移信号P_offs，其中偏移信号P_offs表示由不受控负载28消耗的功率的总和。

系统20还包括电驱动系统控制器46，电驱动系统控制器46使用线路48上的扭矩指令信号来控制负载26中的电驱动系统能够从总线24消耗的功率量。系统20还可以包括混合动力蓄电池，其为将在下文中讨论的功率管理的部分。驱动系统控制器46响应于线路52上的驾驶员功率请求信号来在线路50上提供负载功率请求信号P_{req_load}，其被提供到求和汇接点（summation junction）54。求和汇接点54将负载功率请求信号P_{req_load}与来自PI控制器38的偏移信号P_offs相加以生成提供给电池组控制器30的电池组功率请求信号P_{req_Stk}。由减法器58从功率上限信号P_{lim_upp}减去功率偏移信号P_offs，以生成马达驱动模式功率限值信号P_{lim_mot}，马达驱动模式功率限值信号P_{lim_mot}在线路60上提供给驱动系统控制器46。同样，由减法器62从功率下限信号P_{lim_low}减去功率偏移偏信号P_offs以生成再生模式限值信号P_{lim_reg}， 再生模式限值信号P_{lim_reg}在线路64上施加给电驱动系统控制器46。

如上所述，功率偏移信号P_offs表示从不由驱动系统控制器46控制的所有负载28消耗的功率总和。PI控制器38将排除功率偏移信号P_offs中的任何稳态偏差。但是，可以通过预测不受控负载28所需要的功率并且将该功率与来自控制器46的负载功率请求信号P_{req_load}相加来优化瞬态特性，这改进了动态特性，用于更好的系统性能。换言之，偏移功率预测信号为所有不受控负载28的预期功率消耗的估计预测。仅需要该信号来改进系统的瞬态特性。功率预测信号的估计应尽可能好，但该估计也不需要是精确的，因为PI控制器76将排除任何稳态偏差。为了最佳系统动态行为而优化该功率预测估计是控制工程任务。

当系统20处于电池组22能够提供所请求的功率的马达驱动功率请求模式时，随着实际功率信号P_act响应于由负载26和28消耗的功率的变化而改变，电池组控制器30使用电池组功率请求信号P_{req_Stk}来改变功率上限信号P_{lim_upp}，这使得偏移功率P_offs变化。换言之，电池组控制器30以使得功率上限信号P_{lim_upp}与实际电池组功率P_act匹配的方式控制电池组功率请求信号P_{req_Stk}。当系统20处于马达驱动模式和电池组22不能提供所请求的功率的功率限值模式时，驱动系统控制器46使用马达驱动模式功率限值信号P_{lim_mot}来减小控制线路48上的负载26所消耗的功率，使得实际电池组功率信号P_act与功率上限信号P_{lim_upp}匹配。换言之，驱动系统控制器46以使得实际电池组功率P_act与电池组功率上限P_{lim_upp}匹配的方式控制负载26。当系统20处于再生模式时，驱动系统控制器46控制由负载26消耗的功率，使得实际电池组功率信号P_act与功率下限信号P_{lim_low}匹配。换言之，驱动系统控制器46以使得实际电池组功率P_act朝向电池组功率下限P_{lim_low}移动并且与电池组功率下限P_{lim_low}匹配的方式控制受控负载26的功率消耗。当系统20处于再生模式时，系统20将不以功率请求模式工作。

图3为用于实施如上文所讨论的功率请求模式和功率限值模式的控制架构70的更详细框图，包括结合有混合动力蓄电池和DC/DC，并且还示出了使用开关40在马达驱动模式与再生模式之间切换的逻辑。在架构70中，框72表示电池组控制器30，框74表示驱动系统控制器46，框76表示PI控制器38，但使用误差输入而不是+和-输入，并且框78表示功率传感器42。

从表示车辆加速踏板位置的框80向驱动系统控制器74提供驾驶员请求信号。驾驶员请求信号也提供给DC/DC和蓄电池控制模块104，蓄电池控制模块104采用蓄电池与电池组之间的混合动力功率策略，用于功率优化。用于提供混合动力控制和策略以在蓄电池与电池组功率之间选择功率混合的控制算法并不在本发明的范围内。控制器74在线路82上提供扭矩指令信号，这使得以框84表示的车辆10上的推进系统基于驾驶员请求来消耗自燃料电池组22的一定量的功率。由推进系统84消耗的物理功率在线路86上提供，并且在符号加法器（symbolic adder）96中加上设置在线路90上的由框88表示的系统阴极压缩机（不受控负载）所消耗的功率和设置在线路94上的由框92表示的其它系统不受控负载所消耗的功率。而且，用于对蓄电池12充电的由蓄电池12消耗的功率或由电池组22消耗的功率被提供给DC/DC和蓄电池硬件120，其在加法器96中加（减）。由电池组22消耗的总功率作为实际功率信号P_act在线路98上被提供并且被发送到电池组控制器72。

控制器72在线路100上提供功率上限信号P_{lim_upp}用于马达驱动模式并在线路102上提供功率下限信号P_{lim_low}用于再生模式。当车辆10不提供再生制动功率时，使用功率上限信号P_{lim_upp，}并且在开关114处的控制逻辑根据燃料电池组22是否能在该特定时间点供应期望功率，而在功率请求模式与功率限值模式之间切换。当架构70处于再生模式时，系统将不处于功率请求模式，而是将处于功率限值模式并且使用功率下限信号P_{lim_low}。架构70包括检测器框106，检测器框106分别基于线路100和102上的功率上限信号和功率下限信号来检测车辆10处于马达驱动模式还是再生模式。上限减法器框108提供实际电池组功率P_act与功率上限信号P_{lim_upp}之间的差异，而下限减法器框110提供实际电池组功率P_act与功率下限信号P_{lim_low}之间的差异。

如果检测器106检测到车辆10处于马达驱动模式，则其通过滞后框114（其提供信号稳定性）向开关112提供功率上限差异信号，使得PI控制器76使用来自减法器108的差异信号。当检测器106检测到车辆10处于再生模式时，其向开关112提供功率下限差异信号，使得PI控制器76使用来自减法器110的差异信号。在加法器118中将PI控制器76的输出信号与来自框116的偏移功率预测信号相加，来生成功率偏移信号P_offs，其中框116表示所有不受控负载28的预测功率估计。如果任何或全部不受控负载，例如阴极压缩机，能够提供其功率消耗的良好估计，那么功率消耗的那些估计可以从框116加到PI控制器76的输出，以提供更准确的功率偏移信号P_offs。为了将蓄电池功率（或分别DC/DC功率流）包括到功率管理中，必须在加法器118中将由控制器104提供的DC/DC功率消耗（正的或负的）的良好预测估计加到加法器118中的与偏移功率求和点。

在加法器124中将功率偏移信号P_offs与线路122上的来自负载控制器74的负载功率请求信号P_{req_load}相加，以生成施加给燃料电池组控制器72的线路126上的电池组功率请求信号P_{req_Stk}。在减法器128中从线路100上的功率上限信号P_{lim_upp}减去功率偏移信号P_offs。来自减法器128的马达驱动功率限值信号P_{lim_motor}在其在加法器134中与框132处的上边缘信号相加之后，在线路130上被发送到控制器74。在减法器136中从线路102上的功率下限信号P_{lim_low}减去来自PI控制器76的功率偏移信号P_offs。在加法器142中将功率偏移信号P_offs与功率下限信号P_{lim_low}之间的差异和框140处的下边缘信号相加，之后作为再生模式功率限值信号P_{lim_regen}在线路144上发送到控制器74。上边缘信号和下边缘信号允许小的动态限值超调，这是使压缩机功率在瞬态期间斜坡上升所必需的，其中电池组22只要在量值和时间方面受到限制，就能够耐受这种限值超调。如果车辆10处于马达驱动的功率请求模式，那么控制器72忽视线路130上的马达驱动模式功率限值信号P_{lim_motor}，并且如果车辆10处于马达驱动模式和功率限值模式，则控制器74使用线路130上的马达驱动模式功率限值信号P_{lim_motor}。如果车辆10处于再生模式，那么控制器74使用线路144上的再生模式功率限值信号P_{lim_regen}。

如本领域技术人员将很好地理解的那样，为了描述本发明而在本文中讨论的若干和各种步骤和过程可以参考由计算机、处理器或使用电现象来操纵和/或变换数据的其它电子计算设备执行的操作。那些计算机和电子设备可以采用易失性和/或非易失性存储器，包括上面存储有可执行程序的非暂时计算机可读介质，可执行程序包括能够由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。

前文的讨论公开和描述了本发明的仅示例性实施例。本领域技术人员将容易从这样的讨论和附图及权利要求认识到在不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以在其中进行各种变化、修改和变型。

Claims (10)

1. 一种用于在燃料电池系统中提供功率控制的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组和受控系统负载及不受控系统负载，所述方法包括：

从所述燃料电池组在功率总线上提供功率以对所述系统负载供电；

测量所述功率总线上的功率以提供实际电池组功率信号；

将功率上限信号与所述实际电池组功率信号之间的差异提供给控制器以生成功率偏移信号；

确定所述燃料电池组是否能够提供足够的功率来满足负载功率请求信号；

如果所述燃料电池组能够提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则将所述负载功率请求信号和所述功率偏移信号相加以生成电池组功率请求信号，且使所述功率上限信号朝向所述实际电池组功率信号移动并与所述实际电池组功率信号匹配；以及

如果所述燃料电池组不能提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则将所述功率偏移信号和所述功率上限信号相减以提供第一功率限值信号，来限制所述受控系统负载的功率消耗，使得所述实际电池组功率信号朝向所述功率上限信号移动并且与所述功率上限信号匹配。

2. 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括确定所述燃料电池系统处于马达驱动模式还是再生制动模式，其中如果所述系统处于所述马达驱动模式，则执行使所述功率上限信号与所述实际电池组功率信号匹配或者使所述实际电池组功率信号与所述功率上限信号匹配。

3. 根据权利要求2所述的方法，该方法还包括如果所述系统处于所述再生制动模式，则将所述功率偏移信号和功率下限信号相减以提供第二功率限值信号，来限制所述受控系统负载的功率消耗，使得所述实际电池组功率信号朝向所述功率下限信号移动并且与所述功率下限信号匹配。

4. 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括在将所述功率请求信号和所述功率偏移信号相加或将所述功率偏移信号和所述功率上限信号相减之前，向所述功率偏移信号提供所述不受控系统负载中的一个或多个的预期功率消耗的估计。

5. 根据权利要求1所述的方法，其中测量所述功率总线上的功率包括使用单个功率传感器。

6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述受控负载包括车辆电气牵引系统、DC/DC转换器和蓄电池。

7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述不受控系统负载包括向所述燃料电池组提供空气流的压缩机。

8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述功率偏移信号为由所有不受控负载消耗的功率。

9. 一种用于在车辆上的燃料电池系统中提供功率控制的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组和受控系统负载及不受控系统负载，其中所述受控负载包括车辆电气牵引系统、DC/DC 转换器和蓄电池，并且所述不受控系统负载包括向所述燃料电池组提供空气流的压缩机，所述方法包括：

从所述燃料电池组在功率总线上提供功率以对所述系统负载供电；

使用单个功率传感器来测量所述功率总线上的功率，以提供实际电池组功率信号：

将功率上限信号与所述实际电池组功率信号之间的差异提供给比例积分(PI) 控制器以生成功率偏移信号；

确定所述燃料电池组是否能够提供足够的功率来满足负载功率请求信号；

如果所述燃料电池组能够提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则将所述负载功率请求信号和所述功率偏移信号相加以生成电池组功率请求信号，且使所述功率上限信号朝向所述实际电池组功率信号移动并与所述实际电池组功率信号匹配；以及

如果所述燃料电池组不能提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则将所述功率偏移信号和所述功率上限信号相减以提供第一功率限值信号，来限制所述受控系统负载的功率消耗，使得所述实际电池组功率信号朝向所述功率上限信号移动并且与所述功率上限信号匹配。

10. 一种用于在燃料电池车辆中提供功率控制的系统，所述系统包括：

燃料电池组；

功率总线，从所述燃料电池组接收功率；

多个受控负载，电气联接到所述功率总线并且从所述功率总线接收功率；

多个不受控负载，电气联接到所述功率总线并且从所述功率总线接收功率；

传感器，测量所述功率总线上的功率并且提供实际电池组功率信号；

燃料电池组控制器，响应于电池组功率请求信号，所述电池组控制器响应于所述电池组功率请求信号生成功率上限信号；

比例积分（PI）控制器，响应于所述功率上限信号与所述实际电池组功率信号之间的差异，所述PI控制器生成功率偏移信号；

驱动系统控制器，响应于驾驶员功率请求信号并且生成负载功率请求信号，所述驱动系统控制器控制所述受控负载；

加法器，将所述负载功率请求信号和所述功率偏移信号相加以生成电池组功率请求信号；以及

第一减法器，将所述功率上限信号和所述功率偏移信号相减以提供第一功率限值信号，其中如果所述燃料电池组能够提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则所述电池组控制器使所述功率上限信号朝向所述实际电池组功率信号移动并且与所述实际电池组功率信号匹配；并且其中如果所述燃料电池组不能提供足够的功率来满足所述负载功率请求信号，则所述负载控制器使用所述第一功率限值信号来控制所述受控负载，使得所述实际电池组功率信号朝向所述功率上限信号移动并且与所述功率上限信号匹配。