CN108944900B - 燃料电池汽车能量管理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车能量管理控制方法，包括：启动动力电池状态监测；判断动力电池是否处于常态工况，所述常态工况是指动力电池在放电时处于内阻变化较为稳定的状态：若否，则控制燃料电池以怠速功率或额定功率输出；若是，则实时检测行驶工况；根据行驶工况计算需求功率；控制燃料电池按照需求功率输出。本发明有利于优化整车经济性能并确保燃料电池的使用寿命，不仅能够实现基于实际工况的燃料电池汽车的能量分配，而且有效避免了燃料电池输出状态频繁变化导致电池寿命降低的问题，从而达到节省燃料、增大续航里程的目的。

Description

燃料电池汽车能量管理控制方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及一种燃料电池汽车能量管理控制方法。

背景技术

新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车及燃料电池汽车，其中氢燃料电池汽车是燃料电池汽车的一种，其电池的能量是通过氢气与氧气(可来自空气)电化学反应产生的，其能量转化效率可高达60％～70％，实际使用效率是普通内燃机的1.5倍左右。

燃料电池汽车的动力来源于动力电池与燃料电池并联方式提供能量，一般，动力电池作为辅助电源，用于启动燃料电池、提高整车的动力性能、回收再生制动能量以及为其他电气设备提供电能等。

而目前对于燃料电池汽车能量管理控制方法通常采用恒温器、功率跟随、瞬时优化、全局最优以及基于规则的控制等方法，但各有弊端；以功率随动控制方案来说，其实质是燃料电池的实际输出功率跟随负载的要求在控制器每个逻辑周期内随时改变。但在采取功率跟随策略时，由于缺少对实际路况工况的综合预判，导致氢气和氧气的供给量变化非常频繁，进而使得系统的整体运转经常处于波动状态，尤其在某些极端工况下(如急加速或急减速)，极易对燃料电池自身带来冲击，不利于燃料电池维持其生命周期内的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池汽车能量管理控制方法，能够结合实际工况及动力电池状态，实现整车能量管理的合理分配。

本发明采用的技术方案如下：

一种燃料电池汽车能量管理控制方法，包括：

启动动力电池状态监测；

判断动力电池是否处于常态工况，所述常态工况是指动力电池在放电时处于内阻变化较为稳定的状态；

若否，则控制燃料电池以怠速功率或额定功率输出；若是，则实时检测行驶工况；

根据行驶工况计算需求功率；

控制燃料电池按照需求功率输出。

可选地，所述启动动力电池状态监测包括：监测动力电池的SOC值。

可选地，所述判断动力电池是否处于稳定工况包括：判断动力电池的SOC值是否处于预设的三个电量区间：

若处于第一电量区间，则控制燃料电池以额定功率输出；

若处于第二电量区间，则实时检测行驶工况；

若处于第三电量区间，则控制燃料电池以怠速功率输出；

其中，第一电量区间用于表征较低SOC区间；第三电量区间用于表征较高SOC区间；第二电量区间介于第一电量区间和第三电量区间之间，用于表征动力电池处于常态工况。

可选地，所述方法还包括：

当动力电池的SOC值处于第一电量区间时，判断是否接收到充电指令；

若是，则控制燃料电池为动力电池充电。

可选地，所述实时检测行驶工况包括：实时获取通行车速。

可选地，所述实时获取通行车速包括：

在预设的采集周期内连续获取车辆的行驶速度；

计算所获取到的行驶速度的车速均值；

以车速均值作为通行车速。

可选地，所述根据行驶工况计算需求功率，控制燃料电池按照需求功率输出包括：

根据通行车速计算出电机所需功率；

控制燃料电池按照电机所需功率输出。

可选地，所述方法还包括：

在根据通行车速计算出电机所需功率后，比较电机所需功率与燃料电池的额定功率的关系，并据此控制燃料电池的输出状态。

可选地，所述比较电机所需功率与燃料电池的额定功率的关系，并据此控制燃料电池的输出状态包括：

判断电机所需功率是否小于等于额定功率；

若是，则控制燃料电池按照电机所需功率输出；

若否，则控制燃料电池以额定功率输出。

可选地，所述方法还包括：

在控制燃料电池按不同工况输出后，将动力电池工况及燃料电池输出状态发送至整车控制系统。

本发明可基于整车总线通讯技术，实现由工况识别确定能量管理分配策略，具体是将动力电池状态与车辆实际行驶工况相结合，针对多种工况和状态调整燃料电池的功率输出。本发明有利于优化整车经济性能并确保燃料电池的使用寿命，不仅能够实现基于实际工况的燃料电池汽车的能量分配，而且有效避免了燃料电池输出状态频繁变化导致电池寿命降低的问题，从而达到节省燃料、增大续航里程的目的。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：

图1为本发明提供的燃料电池汽车能量管理控制方法的实施例的流程图；

图2为本发明提供的燃料电池汽车能量管理控制方法的另一实施例的流程图；

图3为本发明提供的燃料电池汽车能量管理控制方法的较佳实施例的流程图；

图4为本发明提供的燃料电池汽车能量管理控制方法的另一较佳实施例的局部流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提供了一种燃料电池汽车能量管理控制方法，如图1所示，可以包括如下步骤：

步骤S1、启动动力电池状态监测；

步骤S2、判断动力电池是否处于常态工况。

这里所述常态工况是指动力电池在放电时处于内阻变化较为稳定的状态，通常可以根据经验为动力电池特性设置边界条件，动力电池的效率与其内阻紧密相关，一般认为当动力电池处于内阻阻值变化不大的状态下，可有效降低其能量损耗。因而本领域技术人员可以理解，步骤S1中所述启动动力电池状态监测可以是但不限于监测动力电池的SOC值、SOH值或SOF值，并且在实际操作中可取其一或三者结合考量。

接续上文，若判断出动力电池未处于上述常态工况，则执行步骤S100、控制燃料电池以怠速功率或额定功率输出，需指出，这里所称怠速功率和额定功率皆是基于燃料电池输出功率而言，尤其怠速功率，本领域技术人员均可以理解，是指燃料电池仅按满足车辆一般的内部消耗的功率输出，处于较低水平范围；若判断出动力电池处于上述常态工况，则执行

步骤S3、实时检测行驶工况。

该行驶工况可以包括一个或多个指标，例如通行车速、续航里程、油门/制动踏板压力、加速度/减速度或车内各用电机构的工作状态等。

步骤S4、根据行驶工况计算需求功率。

也即是根据上述一种或多种工况计算所需求的功率，这里所述所需求的功率可以认为是与各种工况相关的一个或多个用电机构的需求功率，例如根据制动踏板下压、减速度及实际车速计算得到电机及制动单元的需求功率。

步骤S5、控制燃料电池按照需求功率输出。

在实际操作中，可由电池管理系统对上述需求进行计算并以此作为控制目标，控制燃料电池的功率输出。

需说明的是，上述实施例在构思时，是以增程式燃料电池电动汽车为例，但本实施例不限于改型车辆，本领域技术人员可对应用范围进行相应拓展；此外，在实际硬件实施过程中，建议利用整车总线通讯技术(例如CAN总线)以实现上述各工况的识别，并以此确定燃料电池的能量管理分配策略，即针对不同工况和状态调整燃料电池的功率输出。本方法有利于优化整车经济性能并确保燃料电池的使用寿命，不仅能够实现基于实际工况的燃料电池汽车的能量分配，而且有效避免了燃料电池输出状态频繁变化导致电池寿命降低的问题，从而达到节省燃料、增大续航里程的目的。

如前文所述以设定的边界条件监测动力电池状态时，可选择一个或多个电池指标进行监测，而由实际经验来看，动力电池的效率与SOC值具有较强的相关性，因此在另一个较为具体的实时例中，综合考虑了动力电池的效率、特性及使用寿命等参数后，提出判断动力电池是否处于稳定工况的步骤，如图2所示，可以具体包括：

判断动力电池的SOC值是否处于预设的三个电量区间：

步骤S20、判断动力电池的SOC值是否处于第一电量区间，其中第一电量区间用于表征较低SOC区间，根据经验可设置为小于等于28％(该数值可按需调整)。若处于该第一电量区间，则表明动力电池电量不足，无法承担较大负荷，此时则执行步骤S201、控制燃料电池以额定功率输出，即将能量输出“重担”交予燃料电池负责。在另一个实施例中，当动力电池的SOC值处于第一电量区间时，还可以进一步判断是否接收到充电指令，并且在接收到充电指令后，可以控制燃料电池为动力电池充电以补充其电力。具体而言，本领域技术人员可以理解的是，该充电过程较佳地应在车辆未行驶或怠速阶段执行，此时燃料电池可能处于非启动状态，当接收到充电指令后，先启动燃料电池，然后向动力电池充电；当然，并不排除在合理分配能量后或者车辆处于长时间平稳运行状态时由燃料电池对动力电池进行充电操作。

步骤S21、判断动力电池的SOC值是否处于第三电量区间，其中第三电量区间用于表征较高SOC区间，根据经验可设置为大于等于82％(该数值可按需调整)。若处于该第三电量区间，则表明动力电池电量充足，能够承担较大负荷，此时则执行步骤S211、控制燃料电池以怠速功率输出，即燃料电池仅负责车辆所需能量的一般开销，此时燃料支出较少。

步骤S22、判断动力电池的SOC值是否处于第二电量区间，其中第二电量区间介于第一电量区间和第三电量区间之间，用于表征动力电池处于常态工况。根据经验可设置为30％至80％(该数值范围可按需调整)。若处于该第二电量区间，则表明动力电池工作效率稳定，是一种较为长时的正常工作状态，此时则执行图1实施例中步骤S3及后续步骤，即按照后续计算的所需功率，控制燃料电池的输出。

对于图2实施例还需补充的是，图中所示步骤S20、步骤S21及步骤S22仅为示出并联关系，在执行时可以没有时序的先后限定。例如在具体操作中，在采集到动力电池的当前SOC后可依照区间由小到大或由大到小顺序进行逐个区间的判定，也可以采集动力电池SOC后与上述三个区间的端点进行比较，并以此确定SOC所处区间，当然并不限于所述，本领域技术人员可以本发明为启发进行拓展。

基于上述实施例及优选方案，本发明还在另一个较佳实施例中提供了当动力电池处于常态工况时的具体的后续处理方案，如图3所示，所述实时检测行驶工况以前文中的通行车速为例(但在其他方案中不限于此)，实时检测行驶工况可以具体包括实时获取通行车速：

步骤S31、在预设的采集周期内连续获取车辆的行驶速度；

预设的采集周期可长可短，具体根据实际需求进行调整。

步骤S32、计算所获取到的行驶速度的车速均值，并以该均值作为通行车速。

即计算出在上述采集周期内车辆行驶的平均速度，将该车速均值作为通行车速。这里需作说明的是，所述实时获取通行车速是指可以随时根据需求获取到当前的通行车速，而通行车速本身则需要上述计算步骤得来，换言之，检测到的某一时刻的当前车速在本实施例中不等同于所述通行车速。

接着，前述根据行驶工况计算需求功率，控制燃料电池按照需求功率输出在本实施例中可以具体包括如下步骤：

步骤S41、根据通行车速计算出电机所需功率；

这里需指出的是，在本实施例中采用了前述需求功率中的一种，即电机所需功率，因本实施例所针对的能量分配对象是车辆的行驶能力(在其他方案中针对续航能力亦适用)，其是车辆最为关键的指标之一，当然，本发明不排除可用于其他用电设备的能量分配上，例如与制动相关的能量分配，对此本发明不作限定。具体在本实施例的操作中，由通行车速计算电机所需功率，通常还需考虑到驱动轮半径、电机转速及电机转矩等给定参数，该计算过程为常规的现有技术，本发明对此也不再赘述。

接着执行步骤S51、控制燃料电池按照电机所需功率输出。

上述实施例通过了实际验证，完全可实现优化整车经济性能并降低燃料电池状态频繁变化导致其寿命降低的问题。但需指出的是，在测试过程中偶然发现，在由步骤S41得到的电机所需功率可能会超出燃料电池的额定功率，该情况虽然多发生在极端工况(例如急加速)，但出于保护燃料电池的性能稳定性，在另一个较佳实施例中还进一步提出在步骤S41根据通行车速计算出电机所需功率后，还可以通过比较电机所需功率与燃料电池的额定功率的关系，并据此控制燃料电池的输出状态。具体如图4所示，在步骤S41后执行：

步骤S411、判断电机所需功率是否小于等于额定功率；

当然，根据需求在其他方案中也可以仅判断需求功率计算值是否小于额定功率。接着，在本实施例中计算值若小于等于额定功率，则说明当前工况燃料电池足以胜任，因而执行步骤S51、控制燃料电池按照电机所需功率输出；但如果计算值大于额定功率，则说明燃料电池需要增量超额输出，虽然在实际中可以在短时内实现，但为了提升本方法的可靠性和安全性，选择执行步骤S412、控制燃料电池以额定功率输出。即从控制决策角度限制了燃料电池“冒进”行为，以免于变相缩短燃料电池寿命甚至导致安全事故的可能。需说明的是，本局部方案是基于图3实施例而言，在其他实施方式中，则可以根据具体的能量施用对象，针对性比较前述需求功率与燃料电池的额定功率的关系。

最后，还可以补充的是，在一个综合的技术方案中，可以在控制燃料电池按上述各不同工况输出后，将动力电池的工况以及燃料电池的输出状态等信息通过总线发送至整车控制系统，以使整车系统根据本发明提供的能量分配策略的执行情况，采取相应的整车系统的综合调配。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，但以上所述仅为本发明的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本发明的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，包括：

启动动力电池状态监测；

判断动力电池是否处于常态工况，所述常态工况是指动力电池在放电时处于内阻变化较为稳定的状态；

若否，则控制燃料电池以怠速功率或额定功率输出；若是，则实时检测行驶工况；

根据行驶工况计算需求功率；

控制燃料电池按照需求功率输出，包括，比较需求功率与燃料电池的额定功率的关系，当需求功率超出额定功率时，控制燃料电池增量超额输出。

2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述启动动力电池状态监测包括：监测动力电池的SOC值。

3.根据权利要求2所述的燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述判断动力电池是否处于稳定工况包括：判断动力电池的SOC值是否处于预设的三个电量区间：

若处于第一电量区间，则控制燃料电池以额定功率输出；

若处于第二电量区间，则实时检测行驶工况；

若处于第三电量区间，则控制燃料电池以怠速功率输出；

其中，第一电量区间用于表征较低SOC区间；第三电量区间用于表征较高SOC区间；第二电量区间介于第一电量区间和第三电量区间之间，用于表征动力电池处于常态工况。

4.根据权利要求3所述的燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当动力电池的SOC值处于第一电量区间时，判断是否接收到充电指令；

若是，则控制燃料电池为动力电池充电。

5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述实时检测行驶工况包括：实时获取通行车速。

6.根据权利要求5所述的燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述实时获取通行车速包括：

在预设的采集周期内连续获取车辆的行驶速度；

计算所获取到的行驶速度的车速均值；

以车速均值作为通行车速。

7.根据权利要求5所述的燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述根据行驶工况计算需求功率，控制燃料电池按照需求功率输出包括：

根据通行车速计算出电机所需功率；

控制燃料电池按照电机所需功率输出。

8.根据权利要求7所述的燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在根据通行车速计算出电机所需功率后，比较电机所需功率与燃料电池的额定功率的关系，并据此控制燃料电池的输出状态。

9.根据权利要求8所述的燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述比较电机所需功率与燃料电池的额定功率的关系，并据此控制燃料电池的输出状态包括：

判断电机所需功率是否小于等于额定功率；

若是，则控制燃料电池按照电机所需功率输出；

若否，则控制燃料电池以额定功率输出。

10.根据权利要求1～9任一项所述的燃料电池汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在控制燃料电池按不同工况输出后，将动力电池工况及燃料电池输出状态发送至整车控制系统。

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