CN107719163B

CN107719163B - 燃料电池汽车的控制方法及控制系统

Info

Publication number: CN107719163B
Application number: CN201710929098.2A
Authority: CN
Inventors: 赖联锋; 郭玮韡; 郭玮翔; 林玉祥
Original assignee: Fujian Fu'an Mindong Ya'nan Electrical Machine Co ltd
Current assignee: Fujian Yanan Technology Co ltd
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2037-10-09
Also published as: CN107719163A

Abstract

本发明提供一种燃料电池汽车的控制方法及控制系统，方法包括：获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量；当汽车的需求功率大于第一功率值或蓄电池的剩余电量小于第一电量值时，启动燃料电池。根据汽车的功率需求和蓄电池的剩余电量来确定燃料电池的工作状态，使得汽车的供能可以满足整车的行驶功率需求，并且能够充分利用燃料电池和蓄电池两种能源功能，使得汽车具有更好的动力和续航里程。

Description

燃料电池汽车的控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及燃料电池汽车领域，尤其涉及一种燃料电池汽车的控制方法及控制系统。

背景技术

面对环境污染、全球气候变暖、能源短缺的压力，为了缓解世界上的能源面临着在若干年后枯竭，以及传统汽车的激增给环境带来的污染等严峻挑战，新能源汽车的发展势在必行。目前在市场上已经得到应用的电动汽车主要有三类：纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。纯电动汽车使用电动机作为动力，受电池技术的限制和成本高的影响，使得其进一步推广存在非常大的困难。而混合动力汽车虽然比纯电动汽车拥有更好的动力性能和更长的续驶里程，但是总是无法摆脱传统石油资源的束缚，无法从更本上很好的解决环境和资源这两大问题。燃料电池电动汽车(FCEV)由燃料电池提供动力源，主要是以氢燃料类型为主，是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染、零排放、氢能资源丰富，制取方法很多，可获取性大等优势，燃料电池被寄望于未来交通运输最佳动力源之一。

燃料电池是迄今为止最有希望解决汽车能源问题的动力源，氢燃料电池汽车动力系统大致分为全氢架构、增程架构、双能源等模式。以燃料电池发动机作为单一的动力源的燃料电池汽车，存在启动响应慢，输出特性疲软等缺点其应用受到了很大的限制。全氢架构模式就国内而言基础不够，很难实现突破。双电架构模式是同时具备锂电池与氢燃料电池，或以锂电池为主，或以氢燃料电池为主，双能源模式比增程架构模式消耗更少的锂电池及氢燃料电池，它的效能及可靠度更高。在成本上方面，比短程纯电产品只高了20％左右。然而，由于工作负担轻，从而保证了电池组的使用寿命。因此，就国内环境而言，双能源模式在科学性、合理性、成本、可靠度等方面都胜过另外两种架构模式，也比较适应国内车厂发展需求。

燃料电池/蓄电池双能源电动汽车中能量管理策略的核心在于实时合理地分配燃料电池和蓄电池的功率输出，提高整车动力系统的效率。目前关于燃料电池和蓄电池二者值分配的策略主要是开关模式。开关模式的控制策略的主体控制思想是依据蓄电池的剩余电量(SOC)值来确定燃料电池系统的开启与关闭，在车辆运行中只定义燃料电池系统在某一个点进行工作，车辆所需多余的或不足的功率由辅助蓄电池来补充(或均衡)，所以该控制策略较为简单且较易实现。但是由于这种设计仅实现了对燃料电池实现最佳控制，而没有考虑蓄电池的状态，因此该工作模式下蓄电池的充放电效率不高，并且电池寿命较短。同时这种控制策略不能满足整车行驶的性能要求，如当燃料电池还未到达工作的点所以处于关闭状态，而蓄电池的剩余电量值又较低，这时就很难满足整车加速行驶所需的大功率和顺态相应要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种燃料电池汽车的控制方法及控制系统，能够根据汽车的功率需求和蓄电池的剩余电量控制燃料电池的工作状态。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种燃料电池汽车的控制方法，包括：

获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量；

当汽车的需求功率大于第一功率值或蓄电池的剩余电量小于第一电量值时，启动燃料电池。

本发明提供的另一个技术方案为：

一种燃料电池汽车的控制系统，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有程序，所述处理器用于运行所述程序以执行以下步骤：

获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量；

本发明的有益效果在于：根据汽车的功率需求和蓄电池的剩余电量来确定燃料电池的工作状态，使得汽车的供能可以满足整车的行驶功率需求，并且能够充分利用燃料电池和蓄电池两种能源功能，使得汽车具有更好的动力和续航里程。

附图说明

图1为本发明实施例的燃料电池汽车的控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一的燃料电池汽车的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：当汽车的需求功率大于第一功率值或蓄电池的剩余电量小于第一电量值时，启动燃料电池，能够根据汽车的功率需求和蓄电池的剩余电量控制燃料电池的工作状态。

请参照图1，本发明提供：

一种燃料电池汽车的控制方法，包括：

获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量；

从上述描述可知，本发明的燃料电池汽车的控制方法的有益效果在于：燃料电池的工作状态由汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量共同限定，能够应对蓄电池剩余电量低从而无法供能、燃料电池单独供能无法满足整车功率需求、蓄电池单独供能无法满足整车功率需求等多种情况，使得汽车的供能与整车的动力性能相适配，从而具有更好的动力和续航里程。

进一步的，所述“当汽车的需求功率大于第一功率值或蓄电池的剩余电量小于第一电量值时，启动燃料电池”具体包括：

当汽车的需求功率小于第一功率值且蓄电池的剩余电量大于第一电量值时，关闭燃料电池，启动蓄电池；

当汽车的需求功率大于第一功率值且小于第二功率值时，关闭蓄电池，启动燃料电池；所述第二功率值大于第一功率值；

当汽车的需求功率大于第二功率值时，分别启动蓄电池和燃料电池。

从上述描述可知，当汽车的需求功率较小且蓄电池的剩余电量较多时，采用蓄电池单独供能即可满足整车的动力性能，充分利用蓄电池的能源；当汽车的需求功率较大但未达到第一功率值时，采用燃料电池单独供能以确保整车的动力性能；当汽车的需求功率大于第一功率值时，燃料电池单独供能已经无法满足整车的功率需求了，因此采用蓄电池和燃料电池共同供能。

进一步的，所述“关闭蓄电池，启动燃料电池”之后还包括：

判断蓄电池的剩余电量是否小于第二电量值；所述第二电量值大于第一电量值；

若是，则燃料电池为蓄电池充电；

若否，则燃料电池停止为蓄电池充电。

从上述描述可知，燃料电池单独供能的同时，还为蓄电池充电，直至蓄电池的剩余电量达到要求的大小(即上述第二电量值)。

进一步的，所述“当汽车的需求功率大于第一功率值或蓄电池的剩余电量小于第一电量值时，启动燃料电池”还包括：

当汽车的需求功率小于或等于0时，关闭燃料电池，汽车的电动机为蓄电池充电。

从上述描述可知，汽车的需求功率小于或等于0，即汽车处于减速或制动状态时，电动机转换为发电机并处于发电状态，制动产生的机械能被转化为电能充入蓄电池，实现再生制动。制动过程中要考虑到制动力在前后轮的分配及摩擦制动和再生制动的结合，其控制策略为：在制动强度较低时，优先采用再生制动，由电机通过传动系统单独提供制动力，摩擦制动不工作；随着制动强度的增加，只通过再生制动不能满足工作要求时，采用复合制动方式，制动力矩由摩擦制动和再生制动按固定比例分配；当制动强度较高,再生制动力出现饱和后，进一步增加的制动强度要求将由摩擦制动来满足。

进一步的，获取汽车所需要的功率和蓄电池的剩余电量之前，还包括：

检测到汽车启动，则关闭燃料电池，启动蓄电池；

判断燃料电池的温度是否达到预设温度；

若燃料电池的温度达到预设温度，则执行“获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量”。

从上述描述可知，汽车启动时，先启动蓄电池为汽车功能，燃料电池系统会进行预热，当燃料电池经预热达到工作所需的温度后，再根据整车行驶的功率需求和蓄电池的剩余电量决定是否启动燃料电池，需要说明的是，本发明的燃料电池指的整个以氢燃料供电的电池系统。

本发明的另一个技术方案为：

获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量；

若是，则燃料电池为蓄电池充电；

若否，则燃料电池停止为蓄电池充电。

进一步的，获所述“当汽车的需求功率大于第一功率值或蓄电池的剩余电量小于第一电量值时，启动燃料电池”还包括：

检测到汽车启动，则关闭燃料电池，启动蓄电池；

判断燃料电池的温度是否达到预设温度；

下面是本发明的实施例，在描述本发明的实施例之前，先进行简要的原理说明。

本发明的核心是依据汽车的功率需求和蓄电池的剩余电量(以下统称SOC)确定燃料电池的工作状态，主要分为以下几种工况：

1、汽车处于启动过程时，燃料电池需要预热，因此只启动蓄电池，待燃料电池预热完成后，再依据汽车的需求功率和SOC控制燃料电池关闭或者工作(即启动)；

2、当SOC≥SOC_max时，燃料电池停止工作，但如果汽车需要的功率太大，蓄电池单独驱动不能满足整车所要求的动力性能时，燃料电池需要重新启动；

3、当SOC≤SOC_min时，蓄电池电量不足，需要启动燃料电池工作；所述SOC_max和SOC_min是两个预设的值，SOC_max大于SOC_min；

燃料电池工作时，其功率输出跟随汽车功率需求变化，输出功率一般不宜太大或太小，以保证燃料电池在高效率区工作；并且，燃料电池输出功率的变化速率也不宜太大。同时还要维持蓄电池的SOC处于其工作范围的中间值附近，并工作于该输出功率对应的最佳工况点。

4、当汽车减速或制动时，对制动产生的机械能进行回收利用，充分利用资源。

请参照图2，本发明的实施例一为：

一种燃料电池汽车的控制方法，包括：

S1：检测到汽车启动，则关闭燃料电池，启动蓄电池；

S2：判断燃料电池的温度是否达到预设温度；

S3：若燃料电池的温度达到预设温度，则获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量；

S4：当汽车的需求功率小于第一功率值且蓄电池的剩余电量大于第一电量值时，关闭燃料电池，启动蓄电池；蓄电池分别为汽车的驱动系统和附加载荷供电；本过程蓄电池单独为汽车供能；

S51：当汽车的需求功率大于第一功率值且小于第二功率值时，关闭蓄电池，启动燃料电池；燃料电池分别为汽车的驱动系统和附加载荷供电；本过程燃料电池单独为汽车供能；所述第二功率值大于第一功率值；

S52：判断蓄电池的剩余电量是否小于第二电量值；

S53：若是，则燃料电池为蓄电池充电；若否，则燃料电池停止为蓄电池充电；

S6：当汽车的需求功率大于第二功率值时，分别启动蓄电池和燃料电池；蓄电池和燃料电池共同为汽车的驱动系统和附加载荷供电；本过程为蓄电池和燃料电池共同为汽车供能；

S7：当汽车的需求功率小于或等于0时，分别关闭燃料电池和蓄电池，汽车的电动机为蓄电池充电。

上述预设温度、第一功率值、第二功率值、第一电量值和第二电量值均为预先设置好的值，其中第二功率值大于第一功率值，第二电量值大于第一电量值。所述第一功率值指的是燃料电池允许的最小功率值，所述第二功率值指的是燃料电池允许的最大功率值，所述预设温度为燃料电池正常工作所需要的温度。

具体的，为了满足电动机的性能要求，汽车的电动机功率根据汽车的最高行驶车速以及爬坡度来进行确定。

(一)根据最高车速确定电动机功率

汽车在良好的路面上，以最高车速匀速行驶，坡度阻力和加速阻力为零，根据功率平衡方程式得：

其中，C_D为空气阻力系数，η_T为传动系效率，f为滚动阻力系数，A为迎风面积，v_max为最高车速，P_max1为最高车速下的电动机功率。

(二)根据爬坡度来确定电动机功率

汽车以某一车速v_a＝20km/h爬上一定坡度路面，加速阻力为零，此时所消耗的功率P_max2为：

其中α为爬坡度。

汽车的电动机功率应同时满足最高行驶车速、爬坡度要求，所以汽车的电动机的最大功率P_m为：

P_m＝max{P_max1，P_max2}

第一功率值的大小与蓄电池的最大输出功率值相同，而蓄电池的最大输出功率值大于等于电动机的最大功率P_m减去燃料电池的最大功率P_f所得到的差值，其中，P_f的计算公式如下：

所述第二功率值的大小与所述燃料电池的最大功率P_f相同。

上述S4、S51和S6中，燃料电池启动后，根据汽车的需求功率进行输出，具体的，由于燃料电池的输出功率并非与汽车的需求功率完全相同，因此，预先建立汽车的需求功率与燃料电池的输出功率之间的关系，然后依据汽车的需求功率和预先建立的所述汽车的需求功率与燃料电池的输出功率之前的关系调整燃料电池的输出功率，从而燃料电池的输出功率是实时调整的，确保燃料电池的输出功率时刻与汽车的需求功率相适配。

本发明的实施例二为：

一种与上述实施例一的燃料电池汽车的控制方法对应的控制系统，包括：

包括存储器和处理器，所述存储器内存储有程序，所述处理器用于运行所述程序以执行以下步骤：

检测到汽车启动，则关闭燃料电池，启动蓄电池；

判断燃料电池的温度是否达到预设温度；

若燃料电池的温度达到预设温度，则获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量；

当汽车的需求功率小于第一功率值且蓄电池的剩余电量大于第一电量值时，关闭燃料电池，启动蓄电池，蓄电池分别为汽车的驱动系统和附加载荷供电；本过程蓄电池单独为汽车供能；

当汽车的需求功率大于第一功率值且小于第二功率值时，关闭蓄电池，启动燃料电池分别为汽车的驱动系统和附加载荷供电；本过程燃料电池单独为汽车供能；所述第二功率值大于第一功率值；

判断蓄电池的剩余电量是否小于第二电量值；

若是，则燃料电池为蓄电池充电；若否，则燃料电池停止为蓄电池充电；

当汽车的需求功率大于第二功率值时，分别启动蓄电池和燃料电池，蓄电池和燃料电池共同为汽车的驱动系统和附加载荷供电；本过程为蓄电池和燃料电池共同为汽车供能；

当汽车的需求功率小于或等于0时，分别关闭燃料电池和蓄电池，汽车的电动机为蓄电池充电。

上述预设温度、第一功率值、第二功率值、第一电量值和第二电量值均为预先设置好的值，其中第二功率值大于第一功率值，第二电量值大于第一电量值。所述第一功率值指的是燃料电池允许的最小功率值，所述第二功率值指的是燃料电池允许的最大功率值。

下面是本发明的一个具体实例：

(1)汽车启动时，蓄电池单独工作提供汽车驱动所需的功率P_req＝25KW，并为附加载荷P_acc＝5KW供电，蓄电池的输出功率P_bat的计算公式为：

P_bat＝P_req+P_acc＝30KW

当燃料电池经预热达到工作温度(即上述预设温度)后，再根据整车行驶的功率需求和蓄电池的剩余电量决定是否启动燃料电池。

(2)汽车正常行驶时：

当整车所需要的功率小于燃料电池允许的最小功率30KW时，蓄电池仍要单独供电。

当整车所需要的功率P_req＝50KW大于燃料电池允许的最小功率30KW而小于燃料电池系统允许的最大功率70KW时，燃料电池开启，蓄电池关闭不再向驱动系统供电。这时，燃料电池提供整车驱动所需要的功率，以及向附加载荷供电。同时为了维持蓄电池的SOC在一定范围内，并接近其工作范围的中间值(SOC_max+SOC_min)/2，燃料电池还要提供对蓄电池的充电功率P_SOC。因此，燃料电池需要输出的功率为：

P_fc＝P_req+P_acc+P_SOC＝50+5+5＝6OKW

式中，

其中，Pcs_chg为SOC＝SOC_min时的额外功率25KW。当SOC≥SOC_max时，燃料电池停止向蓄电池充电，燃料电池只提供驱动功率和附加载荷功率。

当整车所需要的功率90KW超过了燃料电池的最大功率70KW(汽车加速或上坡)时，燃料电池单独供电已不能满足要求，蓄电池和燃料电池共同供电，且燃料电池位于高效工作区，蓄电池组提供所需要的剩余功率25KW，即：

P_{fc_max}+P_bat＝P_req+P_acc

(3)当汽车的需求功率小于或等于0(汽车减速或制动)时，燃料电池关闭，将电动机转换为发电机并处于发电状态，制动产生的机械能被转化为电能充入蓄电池。

综上所述，本发明提供的燃料电池汽车的控制方法及控制系统，合理分配燃料电池和蓄电池的功率，以满足汽车的功率需求。并且能在很大程度上缓解或从根本上解决开关控制模式中存在的不能满足整车行驶功率需求的问题，汽车功能与汽车功率需求得到最佳匹配，使得汽车具有更好的动力性能和续航里程。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种燃料电池汽车的控制方法，其特征在于，包括：

获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量；

当汽车的需求功率大于第二功率值时，分别启动蓄电池和燃料电池；

所述关闭蓄电池，启动燃料电池之后还包括：

若是，则燃料电池为蓄电池充电；

若否，则燃料电池停止为蓄电池充电，以使得所述蓄电池的剩余电量维持在一范围内，并接近其工作范围的中间值；

所述第一功率值为燃料电池允许的最小功率值，所述第二功率值为燃料电池允许的最大功率值。

2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的控制方法，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的控制方法，其特征在于，获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量之前，还包括：

检测到汽车启动，则关闭燃料电池，启动蓄电池；

判断燃料电池的温度是否达到预设温度；

若燃料电池的温度达到预设温度，则执行获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量。

4.一种燃料电池汽车的控制系统，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有程序，所述处理器用于运行所述程序以执行以下步骤：

获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量；

当汽车的需求功率大于第一功率值或蓄电池的剩余电量小于第一电量值时，启动燃料电池；

所述关闭蓄电池，启动燃料电池之后还包括：

若是，则燃料电池为蓄电池充电；

5.根据权利要求4所述的燃料电池汽车的控制系统，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求4所述的燃料电池汽车的控制系统，其特征在于，获取汽车的需求功率和蓄电池的剩余电量之前，还包括：

检测到汽车启动，则关闭燃料电池，启动蓄电池；

判断燃料电池的温度是否达到预设温度；