CN109572487B

CN109572487B - 一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法

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Publication number: CN109572487B
Application number: CN201811518751.7A
Authority: CN
Inventors: 李凯; 张学强; 邹见效; 郑宏; 徐红兵
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2038-12-12
Also published as: CN109572487A

Abstract

本发明公开了一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法，利用模糊逻辑的方法确定燃料电池吹扫时间，再计算该吹扫时间内辅助部件的吹扫耗能，从而针对蓄电池当前SOC制定不同的关机方法，具体讲，当蓄电池当前SOC高于期望上限时，利用燃料电池辅助部件消耗多余的电量，当蓄电池当前SOC低于期望下限时，利用燃料电池发电补充电量，最终使蓄电池SOC处于指定的范围，满足燃料电池吹扫需求。

Description

一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法

技术领域

本发明属于电源技术领域，更为具体地讲，涉及一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的日益严重，世界各国政府都越来越重视可再生、低污染、高效的新能源的开发。其中燃料电池以其功率密度高、能量效率高、零污染排放等特点倍受人们青睐，被广泛地认为是未来汽车动力的终极解决方案。由于纯燃料电池系统的输出特性偏软、动态响应较慢，且在启动和停止过程中需要外部电源为辅助部件提供吹扫用电。因此通常与蓄电池组成混合动力系统。

蓄电池在动力系统中不仅响应负载瞬时功率需求，回收制动产生的能量，还为燃料电池提供了吹扫用电，且关机后的剩余电量需要满足动力系统下次开机需求。因此在动力系统关机时需要确保蓄电池的SOC保持在一个适宜的范围。

关于如何维持蓄电池SOC处于适宜范围，国内外学者大多从多能源之间的功率分配方面进行讨论，通过设计不同的功率分配策略，从而保证蓄电池SOC。但是这些方法大部分都只考虑了动力系统的运行过程，忽略了燃料电池停机吹扫这一重要过程。燃料电池在工作结束后需要吹扫去除残余的氢气，避免氢空界面的形成，从而造成燃料电池催化层的碳腐蚀，严重减少燃料电池使用寿命，另外需要吹扫除去反应生成的液态水，以免流道堵塞，影响反应气体的传输。所以停机吹扫是燃料电池系统必不可少的过程，且在这一过程中需由蓄电池提供吹扫用电。下次开机时蓄电池还需为整个系统供电直至燃料电池完成启动，这些过程必然会消耗蓄电池能量，从而使得蓄电池SOC不再处于期望区间，影响蓄电池性能，甚至导致动力系统开机失败。此外这些方法也没有考虑不同环境条件下燃料电池启停过程辅助部件用电量不同及环境对蓄电池放电能力的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法，通过燃料电池配合动力蓄电池充放电使得动力系统关机后燃料电池得到充分的吹扫，提高了蓄电池使用寿命，同时也提高动力系统可靠性。

为实现上述发明目的，本发明一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、控制器接收燃料电池混合动力系统的关机指令，断开能源与负载之间的连接；

(2)、采集环境温度T_ambient和燃料电池堆温度T_stack，再根据燃料电池电池堆温度T_stack和环境温度T_ambient确定燃料电池关机吹扫时间t_sweep；

(3)、计算燃料电池吹扫过程中辅助部件消耗的电能为

P_total＝P_{air_pump}+P_fan+P_{water_pump}

其中，P_{air_pump}为空气压缩机输出功率，P_fan为散热风扇输出功率，P_{water_pump}为循环水泵的输出功率；

(4)、采集蓄电池的当前SOC值，并根据环境温度T_ambient设定蓄电池SOC的期望区间[SOC₁，SOC₂]；

(5)、计算吹扫过程中辅助部件吹扫用电等效消耗的SOC值ΔSOC；

其中，V_discharge为蓄电池放电时的端电压，Q_rate为蓄电池的额定容量；

(6)、计算吹扫过程结束后蓄电池的剩余电量

(7)、根据蓄电池的剩余电量

和期望区间[SOC₁，SOC₂]，对燃料电池混合动力系统进行关机控制；

(7.1)、当蓄电池的剩余电量超出期望区间上限时，即

时，断开燃料电池与母线的连接，进入燃料电池吹扫阶段，按吹扫时间t_sweep进行吹扫；

当吹扫过程结束后，进入燃料电池冷却阶段，蓄电池继续向燃料电池冷却循环系统供电，使得燃料电池电池堆温度趋近于环境温度，同时保证蓄电池SOC处于期望区间，当检测到蓄电池SOC处于期望区间[SOC₁，SOC₂]后，断开蓄电池与直流母线的连接，结束关机流程；

(7.2)、当蓄电池的剩余电量处于期望区间时，即

时，则断开燃料电池与母线的连接，进入燃料电池吹扫阶段，蓄电池向燃料电池辅助部件提供吹扫用电，吹扫时间为t_sweep，吹扫过程结束后，蓄电池断开与直流母线的连接，结束关机流程；

(7.3)、当蓄电池的剩余电量小于期望区间下限时，即

时，则进入蓄电池充电阶段；

(7.3.1)、计算蓄电池充电后的SOC值SOC(t₁)；

其中，t₀为开始充电时刻，t₁为充电结束时刻，η为充电效率，i为充电电流，Q_rate为蓄电池额定容量，V_charge为蓄电池充电时的端电压，

为燃料电池向外输出的电能，SOC(t₀)为采集的蓄电池SOC值；

(7.3.2)、检测蓄电池SOC值，当蓄电池SOC达到SOC(t₁)时，蓄电池充电完成，然后停止燃料电池输出，并断开燃料电池与母线的连接，进入燃料电池吹扫阶段，蓄电池向燃料电池辅助部件提供吹扫用电，吹扫时间为t_sweep，吹扫过程结束后，断开蓄电池与直流母线的连接，结束关机流程。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法，利用模糊逻辑的方法确定燃料电池吹扫时间，再计算该吹扫时间内辅助部件的吹扫耗能，从而针对蓄电池当前SOC制定不同的关机方法，具体讲，当蓄电池当前SOC高于期望上限时，利用燃料电池辅助部件消耗多余的电量，当蓄电池当前SOC低于期望下限时，利用燃料电池发电补充电量，最终使蓄电池SOC处于指定的范围，满足燃料电池吹扫需求。

同时，本发明一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法还具有以下有益效果：

(1)、通过使用模糊控制技术，实现了燃料电池关机吹扫时间的确定，设计简单，避免了复杂的计算；

(2)、考虑到环境温度对燃料电池启停过程辅助部件用电量和蓄电池放电性能的影响，根据不同的环境温度设定不同的蓄电池SOC期望区间，减小了外部条件差异导致动力系统开关机异常的可能性；

(3)、根据动力系统关机时蓄电池SOC的不同，制定了多种关机策略，确保燃料电池得到充分的吹扫，提高燃料电池发电性能，延长燃料电池使用寿命，并令蓄电池SOC保持在期望区间，避免了蓄电池的过充过放，提高蓄电池使用寿命，同时也为动力系统下次开机提供足够的能量，大大提高了动力系统的可靠性。

附图说明

图1是燃料电池混合动力系统的原理框图；

图2是本发明一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法流程图；

图3是模糊控制原理框图；

图4是不同充放电倍率下蓄电池容量-电压特性曲线；

图5是动力系统能量转移示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是燃料电池混合动力系统的原理框图；

在本实施例中，如图1所示，燃料电池混合动力系统包括整车控制器、燃料电池、燃料电池辅助部件(BOP)、燃料电池控制器、动力蓄电池、蓄电池控制器、电机、电机控制器。整车控制器、燃料电池控制器、蓄电池控制器和电机控制器通过CAN总线相互连接。

其中，燃料电池通过单向DC/DC变换器接入直流母线，燃料电池辅助部件通过单向DC/DC变换器接入直流母线，动力蓄电池通过双向DC/DC变换器接入直流母线，当动力系统接收到关机指令后，燃料电池仍可以通过单向DC/DC变换器向蓄电池充电，蓄电池仍可以通过双向DC/DC向燃料电池辅助部件提供吹扫用电。

图2是本发明一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法流程图。

在本实施例中，如图2所示，本发明一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法，包括以下步骤：

S1、控制器接收燃料电池混合动力系统的关机指令，断开能源与负载之间的连接，进入以下的能量计算阶段；

S2、环境温度采集装置采集环境温度T_ambient，燃料电池温度采集装置燃料电池堆温度T_stack，再根据燃料电池电池堆温度T_stack和环境温度T_ambient确定燃料电池关机吹扫时间t_sweep；

在本实施例中，将燃料电池电池堆温度T_stack分为3个模糊子集，分别为：电池堆温度高SH、电池堆温度中SM和电池堆温度低SL，并制定相应的隶属度函数；

SH(T_stack)＝(T_stack-40)/40 40≤T_stack≤80

SL(T_stack)＝(40-T_stack)/40 0≤T_stack≤40

其中，T_stack的论域为：[0，80]；

将环境温度T_ambient分为3个模糊子集，环境温度高AH、环境温度中AM和环境温度低AL，并制定相应的隶属度函数；

AH(T_ambient)＝(T_ambient-20)/20 20≤T_ambient≤40

AL(T_ambient)＝(40-T_ambient)/20 0≤T_ambient≤20

其中，T_ambient的论域[0，40]；

将吹扫时间t_sweep分为5个模糊子集，短S、较短SS、标准M、较长SL和长L，并制定相应的隶属度函数；

S(t_sweep)＝(2-t_sweep)/2 0≤t_sweep≤2

L(t_sweep)＝(15-t_sweep)/5 10≤t_sweep≤15

其中，t_sweep的论域[0，15]；

将各自的隶属度函数进行模糊化处理得到模糊推理规则，模糊规则如表1所示：

表1

如图3所示，通过各自的隶属度函数将T_stack和T_ambient进行模糊化处理，再按照模糊推理规则利用模糊推理法决策出输出模糊变量，比如：

若电堆温度是高且环境温度是高，则吹扫时间短；

若电堆温度是高且环境温度是中，则吹扫时间较短；

若电堆温度是高且环境温度是低，则吹扫时间标准；

若电堆温度是中且环境温度是高，则吹扫时间短；

若电堆温度是中且环境温度是中，则吹扫时间标准；

若电堆温度是中且环境温度是低，则吹扫时间较长；

若电堆温度是低且环境温度是高，则吹扫时间较短；

若电堆温度是低且环境温度是中，则吹扫时间较长；

若电堆温度是低且环境温度是低，则吹扫时间长；

最后通过解模糊法把模糊变量转化为真实值，即关机吹扫时间t_sweep。

S3、燃料电池吹扫过程中主要的耗电辅助部件包括：空气压缩机、散热风扇和循环水泵；其中，空气压缩机的功率为P_{air_pump}，散热风扇的功率为P_fan，循环水泵的功率为P_{water_pump}，总功率为P_total＝P_{air_pump}+P_fan+P_{water_pump}；

对吹扫过程辅助部件总功率作t_sweep时间内的积分，得到燃料电池吹扫过程中辅助部件消耗的电能为

S4、采集蓄电池的当前SOC值，同时考虑到环境温度对蓄电池放电能力有较大影响，且会影响燃料电池在动力系统下次开机时消耗的能量，故根据环境温度T_ambient设定蓄电池SOC的期望区间[SOC₁，SOC₂]；

在本实施例中，当T_ambient小于20℃时，SOC₁取值范围为[50％，60％]，典型值为50％，SOC₂取值范围为[80％，100％]，典型值为90％；当T_ambient大于等于20℃时取SOC₁取值范围为[40％，60％]，典型值为40％，SOC₂取值范围为[70％，90％]，典型值为80％。

S5、吹扫过程中辅助部件的耗电折算为蓄电池电量的消耗，折算时按蓄电池在一定倍率下放电进行计算，得到吹扫过程中辅助部件吹扫用电等效消耗的SOC值ΔSOC；

其中，V_discharge为蓄电池放电时的端电压，近似为一个常量；如图4(a)所示，Q_rate为蓄电池在当前放电倍率下的额定容量，在本实施例中，取蓄电池按1C倍率放电时的额定容量。

S6、计算吹扫过程结束后蓄电池的剩余电量

S7、根据蓄电池的剩余电量

S7.1、当蓄电池的剩余电量超出期望区间上限时，即

S7.2、当蓄电池的剩余电量处于期望区间时，即

S7.3、当蓄电池的剩余电量小于期望区间下限时，即

时，则进入蓄电池充电阶段；

S7.3.1、计算蓄电池充电后的SOC值SOC(t₁)；

其中，t₀为开始充电时刻，t₁为充电结束时刻，η为充电效率，i为充电电流，如图4(b)所示，Q_rate为蓄电池按0.5C倍率下充电的额定容量，V_charge为蓄电池充电时的端电压，

为燃料电池向外输出的电能，SOC(t₀)为采集的蓄电池SOC值；

蓄电池充电阶段能量转移如图5(a)所示，在[t₀，t₁]时间段，燃料电池在给蓄电池充电的同时也在为自身辅助部件提供用电，燃料电池在该过程向外输出的电能

为：

其中，t₀为开始充电时刻，t₁为充电结束时刻，P_fc为燃料电池当前输出功率，P_BOP为燃料电池辅助部件的消耗功率；S7.3.2、检测蓄电池SOC值，当蓄电池SOC达到SOC(t₁)时，蓄电池充电完成，蓄电池充电后的SOC值SOC(t₁)满足：

SOC₁+ΔSOC≤SOC(t₁)≤SOC₂+ΔSOC

其中，SOC₁、SOC₂分别为蓄电池期望区间的上下限，ΔSOC为辅助部件吹扫用电等效消耗的SOC；

然后停止燃料电池输出，并断开燃料电池与母线的连接，进入燃料电池吹扫阶段，而燃料电池吹扫阶段能量转移如图5(b)所示，蓄电池向燃料电池辅助部件提供吹扫用电，吹扫时间为t_sweep，吹扫过程结束后，断开蓄电池与直流母线的连接，结束关机流程。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)、计算燃料电池吹扫过程中辅助部件消耗的电能为

P_total＝P_{air_pump}+P_fan+P_{water_pump}

(6)、计算吹扫过程结束后蓄电池的剩余电量

(7)、根据蓄电池的剩余电量

(7.1)、当蓄电池的剩余电量超出期望区间上限时，即

(7.2)、当蓄电池的剩余电量处于期望区间时，即

(7.3)、当蓄电池的剩余电量小于期望区间下限时，即

时，则进入蓄电池充电阶段；

(7.3.1)、计算蓄电池充电后的SOC值SOC(t₁)；

为燃料电池向外输出的电能，SOC(t₀)为采集的蓄电池SOC值；

(7.3.2)、检测蓄电池SOC值，当蓄电池SOC达到SOC(t₁)时，蓄电池充电完成，然后停止燃料电池输出，并断开燃料电池与母线的连接，进入燃料电池吹扫阶段，蓄电池向燃料电池辅助部件提供吹扫用电，吹扫时间为t_sweep，吹扫过程结束后，断开蓄电池与直流母线的连接，结束关机流程；

其中，所述步骤(2)中，根据燃料电池电池堆温度T_stack和环境温度T_ambient确定燃料电池关机吹扫时间t_sweep的方法为：

(2.1)、将燃料电池电池堆温度T_stack分为3个模糊子集，分别为：电池堆温度高SH、电池堆温度中SM和电池堆温度低SL，并制定相应的隶属度函数；

SH(T_stack)＝(T_stack-40)/40 40≤T_stack≤80

SL(T_stack)＝(40-T_stack)/40 0≤T_stack≤40

其中，T_stack的论域为：[0,80]；

(2.2)、将环境温度T_ambient分为3个模糊子集，环境温度高AH、环境温度中AM和环境温度低AL，并制定相应的隶属度函数；

AH(T_ambient)＝(T_ambient-20)/20 20≤T_ambient≤40

AL(T_ambient)＝(40-T_ambient)/20 0≤T_ambient≤20

其中，T_ambient的论域[0,40]；

(2.3)、将吹扫时间t_sweep分为5个模糊子集，短S、较短SS、标准M、较长SL和长L，并制定相应的隶属度函数；

S(t_sweep)＝(2-t_sweep)/2 0≤t_sweep≤2

L(t_sweep)＝(15-t_sweep)/5 10≤t_sweep≤15

其中，t_sweep的论域[0，15]；

(2.4)、通过各自的隶属度函数将T_stack和T_ambient进行模糊化处理，再利用模糊推理法决策出输出模糊变量，并通过解模糊法把模糊变量转化为真实值，即关机吹扫时间t_sweep。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法，其特征在于，所述的蓄电池充电后的SOC值SOC(t₁)满足：

SOC₁+ΔSOC≤SOC(t₁)≤SOC₂+ΔSOC

其中，SOC₁、SOC₂分别为蓄电池期望区间的上下限，ΔSOC为辅助部件吹扫用电等效消耗的SOC。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力系统的关机控制方法，其特征在于，所述的燃料电池向外输出的电能

为：

其中，t₀为开始充电时刻，t₁为充电结束时刻，P_fc为燃料电池当前输出功率，P_BOP为燃料电池辅助部件的消耗功率。