CN109693578B

CN109693578B - 一种燃料电池车整车功率分配控制方法和系统

Info

Publication number: CN109693578B
Application number: CN201910104515.9A
Authority: CN
Inventors: 刘元治; 宋浩源; 赵永强; 郁大嵬; 程健; 郭丁伊; 徐家良
Original assignee: FAW Group Corp
Current assignee: FAW Group Corp
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2039-02-01
Also published as: CN109693578A

Abstract

本发明提供了一种燃料电池车整车功率分配控制方法，包括：基于车速和加速踏板开度确定驱动需求扭矩；基于驱动需求扭矩、电机效率和电机转速确定驱动需求功率；基于动力电池电压和动力电池电流，确定动力电池充放电电量；基于动力电池充放电电量和动力电池电量确定动力电池需求功率；将驱动需求功率和动力电池需求功率相加得到的和值作为燃料电池需求功率；基于动力电池电量以及燃料电池系统的效率曲线，对燃料电池需求功率进行优化。本发明还提供了一种燃料电池车整车功率分配控制系统。本发明在保护动力电池的基础上最大化的使其效率最佳以及在保护燃料电池系统的基础上最大化的降低整车氢耗指标。

Description

一种燃料电池车整车功率分配控制方法和系统

技术领域

本发明属于燃料电池汽车技术领域，涉及一种综合考虑燃料电池及动力电池效率的功率分配控制算法和系统，具体为一种燃料电池车整车功率分配控制方法和系统。

背景技术

随着全球环境污染的加重及石油储存量的下降，电动汽车逐步走进人们的生活当中。最近几年，电动汽车技术已经取得飞速发展，但从市场反馈来看，续驶里程短及充电时间长已经成为限制电动汽车推广的主要瓶颈，因此，燃料电池汽车应运而生。

燃料电池汽车主要以H₂为主要能源，配备镍氢电池或超级电容为辅助能源。车辆行驶过程中，燃料电池系统中H₂与O₂发生化学反应，产生的电能供给动力电机，实现整车驱动，镍氢电池或超级电容在行车过程中主要起功率补偿及能量回收的作用。在整个行驶循环中，车辆只会生成H₂O，避免了对环境造成污染。

燃料电池汽车依据所装燃料电池系统功率又划分为全功率型、功率混合型以及功率补偿型。相较于其它两种构型，全功率型燃料电池车的整车动力系统性能优势明显，但在车辆的运行过程中，不确定的工况会导致燃料电池系统的输出功率不断波动，会对燃料电池系统的寿命有一定的影响。

因此，在全功率型燃料电池车开发过程中，如何在保证车辆动力性基础上，将燃料电池系统及动力电池系统的输出功率进行最优的分配，成为了关键的研究内容。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种在保证燃料电池车整车动力性的基础上，实时进行整车功率最优分配的燃料电池车整车功率分配控制方法和系统。

本发明采用的技术方案为：

本发明实施例提供一种燃料电池车整车功率分配控制方法，包括：

获取车辆总成信息，所述车辆总成信息包括动力电池电流、动力电池电压、动力电池电量、电机效率、电机转速、车速和加速踏板开度；

基于所述车速和所述加速踏板开度确定驱动需求扭矩；

基于所述驱动需求扭矩、所述电机效率和所述电机转速确定驱动需求功率；

基于所述动力电池电压和所述动力电池电流，确定动力电池充放电电量；

基于所述动力电池充放电电量和所述动力电池电量确定动力电池需求功率；

将所述驱动需求功率和所述动力电池需求功率相加得到的和值作为燃料电池需求功率；

基于动力电池电量以及燃料电池系统的效率曲线，对所述燃料电池需求功率进行优化。

可选地，所述基于所述动力电池充放电电量和所述动力电池电量确定动力电池需求功率，具体包括：

根据动力电池特性曲线、动力电池寿命和充放电效率，确定动力电池最优工作区间，包括上限值和下限值；

在所述动力电池充放电电量不等于零的情况下，基于所述动力电池充放电电量和预设的第一关系表确定所述动力电池需求功率；所述预设的第一关系表表征所述动力电池充放电电量与所述动力电池需求功率之间的对应关系，通过实车标定得到，其中，当所述动力电池充放电电量大于零时，对应的动力电池需求功率为一个小于零的值；当所述动力电池充放电电量小于零时，对应的动力电池需求功率为一个大于零的值；

在所述动力电池充放电电量等于零的情况下，基于所述动力电池电量和所述预设的第二关系表确定所述动力电池需求功率；所述预设的第二关系表表征动力电池电量和动力电池需求功率之间的对应关系，通过实车标定得到，其中，当前动力电池电量大于所述上限值时，对应的动力电池需求功率为一个小于零的值，当前动力电池电量小于所述下限值时，对应的动力电池需求功率为一个大于零的值；

将确定的动力电池需求功率限制在基于动力电池的可用功率确定的功率范围内。

可选地，所述基于动力电池电量以及燃料电池系统的效率曲线，对所述燃料电池需求功率进行优化，具体包括：

根据燃料电池特性曲线，将燃料电池的工作区间划分为高效区和低效区；

在所述燃料电池需求功率小于高效区和低效区交界处的燃料电池功率时，基于动力电池电量与所述上限值和所述下限值的关系对所述燃料电池需求功率进行处理，其中，当所述动力电池电量大于所述上限值时，将所述燃料电池需求功率设置为燃料电池系统的怠速功率；当所述动力电池电量小于所述下限值时，将所述燃料电池需求功率设置为所述高效区的功率最低值；

根据燃料电池特性，对处理后的所述燃料电池需求功率进行斜率限制，使得每个周期的燃料电池需求功率的变化率不超过燃料电池系统允许的最大变化率；

将经斜率限制的燃料电池需求功率限制在基于燃料电池特性确定的功率范围内。

可选地，还包括：当所述燃料电池需求功率大于等于高效区和低效区交界处的燃料电池功率时，不对所述燃料电池需求功率进行处理。

可选地，还包括：当所述动力电池电量大于等于所述下限值且小于等于所述上限值时，不对所述燃料电池需求功率进行处理。

本发明另一实施例提供一种燃料电池车整车功率分配控制系统，包括：

信息获取模块，用于获取车辆总成信息，所述车辆总成信息包括动力电池电流、动力电池电压、动力电池电量、电机效率、电机转速、车速和加速踏板开度；

驱动扭矩确定模块，用于基于所述车速和所述加速踏板开度确定驱动需求扭矩；

驱动功率确定模块，用于基于所述驱动需求扭矩、所述电机效率和所述电机转速确定驱动需求功率；

动力电池充放电电量确定模块，用于基于所述动力电池电压和所述动力电池电流，确定动力电池充放电电量；

动力电池需求功率确定模块，用于基于所述动力电池充放电电量和所述动力电池电量确定动力电池需求功率；

燃料电池需求功率确定模块，用于将所述驱动需求功率和所述动力电池需求功率相加得到的和值作为燃料电池需求功率；

优化模块，用于基于动力电池电量以及燃料电池系统的效率曲线，对所述燃料电池需求功率进行优化。

可选地，所述动力电池需求功率确定模块，具体用于：

可选地，所述优化模块，具体用于：

可选地，所述优化模块还用于：当所述燃料电池需求功率大于等于高效区和低效区交界处的燃料电池功率时，不对所述燃料电池需求功率进行处理。

可选地，所述优化模块还用于：当所述动力电池电量大于等于所述下限值且小于等于所述上限值时，不对所述燃料电池需求功率进行处理。

本发明实施例提供的燃料电池车整车功率分配控制方法和系统，至少具有以下优点：

(1)从动力电池充放电总量和当前动力电池电量的二维角度计算动力电池的充放电功率，在保护动力电池的基础上最大化的使其效率最佳；

(2)从燃料电池效率层面，对效率区间进行划分，并提出了相应区间内的数据处理方法，在保护燃料电池系统的基础上最大化的降低整车氢耗指标。

附图说明

图1是本发明使用的一种燃料电池车构型图；

图2为本发明实施例提供的燃料电池车整车功率分配控制方法的流程示意图；

图3是本发明实施例的燃料电池功率区间的划分示意图；

图4是本发明实施例的燃料电池需求功率优化示意图；

图5是本发明实施例提供的燃料电池车整车功率分配控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

图1是本发明使用的一种燃料电池车构型图；图2为本发明实施例提供的燃料电池车整车功率分配控制方法的流程示意图；图3是本发明实施例的燃料电池功率区间的划分示意图；图4是本发明实施例的燃料电池需求功率优化示意图。

如图1所示，本发明实施例使用的整车系统中有两个能量源，分别为燃料电池及动力电池，燃料电池通过升压DCDC后，与动力电池并联，为电机控制器供给驱动所需高压电，电机控制器控制交流异步电机工作，电机通过变速箱，将扭矩传递给驱动轮，整车控制器HCU担任主控角色，负责协调燃料电池系统、动力电池系统、升压DCDC、电机控制器及其他控制器工作，从车辆经济性、动力性及可靠性等多角度，对多能源之间的功率分配、驾驶员需求扭矩及整车安全进行控制。

本发明实施例的目的在于提供一种燃料电池车整车功率分配控制方法，例如，为图1所示的整车系统的整车功率提供最优化的分配方法，该方法可通过前述的整车控制器按照预设的工作周期执行，例如，以10ms的工作周期执行。如图2所示，本发明实施例提供的燃料电池车整车功率分配控制方法，包括以下步骤：

S101、获取车辆总成信息，所述车辆总成信息包括动力电池电流I_bat、动力电池电压U_bat、动力电池电量SOC、电机效率η_mot、电机转速n_mot、车速V_veh以及加速踏板开度Ψ。

在该步骤中，这些车辆总成信息可通过整车控制器通过CAN网络进行获取。

S102、基于所述车速V_veh和所述加速踏板开度Ψ确定驱动需求扭矩T_drv。

在该步骤中，驱动需求扭矩T_drv与车速V_veh和加速踏板开度Ψ之间的函数关系可通过公式T_drv＝f(V_veh,Ψ)表示，在本发明实施例中，驱动需求扭矩T_drv的具体数值可通过查表法进行确定。整车控制器中预存有通过实车标定的关系表，该关系表表征驱动需求扭矩T_drv与车速V_veh和加速踏板开度Ψ之间对应关系，只要知道车速V_veh和加速踏板开度Ψ，即可通过查阅该关系表确定驱动需求扭矩T_drv。

S103、基于所述驱动需求扭矩T_drv、所述电机效率η_mot和所述电机转速n_mot确定驱动需求功率P_drv。

在该步骤中，驱动需求功率P_drv可通过公式P_drv＝n_motT_drv/η_mot＝n_motf(V_veh,Ψ)/η_mot进行确定。

S104、基于所述动力电池电流I_bat和所述动力电池电压U_bat，确定动力电池充放电电量Q_bat。

在该步骤中，动力电池充放电电量Q_bat可通过公式

进行确定，其中，t0是指本次车辆驾驶循环开始时间，即车辆打着火的时间，tf是指当前时间。

S105、基于所述动力电池充放电电量Q_bat和所述动力电池电量SOC确定动力电池需求功率P_bat。

在该步骤中，动力电池需求功率P_bat与动力电池充放电电量Q_bat和动力电池电量SOC之间的关系可通过公式

进行表示，具体可通过下述步骤确定：

步骤一、根据动力电池特性曲线、动力电池寿命和充放电效率，确定动力电池最优工作区间，包括上限值SOC_max和下限值SOC_min。动力电池最优工作区间可根据动力电池特性曲线，综合考虑动力电池寿命和充放电效率来确定，具体可根据厂家提供的相关的数据进行分析确定。

步骤二、在所述动力电池充放电电量Q_bat不等于零的情况下，基于所述动力电池充放电电量和预设的第一关系表确定所述动力电池需求功率。

在本发明实施例中，所述预设的第一关系表表征所述动力电池充放电电量与所述动力电池需求功率之间的对应关系，通过实车标定得到，其中，当所述动力电池充放电电量Q_bat大于零时，对应的动力电池需求功率P_bat为一个小于零的值，且Q_bat越大，P_bat越小；当所述动力电池充放电电量Q_bat小于零时，对应的动力电池需求功率P_bat为一个大于零的值，且Q_bat越小，P_bat越大。即，当Q_bat＞0，即动力电池在当前驾驶循环内充放电状态为充电时，通过查阅第一关系表中的预存数据，将P_bat置为一个小于0的值；当Q_bat＜0，即动力电池在当前驾驶循环内充放电状态为放电时，通过查阅第一关系表中的预存数据，将P_bat置为一个大于0的值。

步骤三、在所述动力电池充放电电量Q_bat等于零的情况下，基于所述动力电池电量和所述预设的第二关系表确定所述动力电池需求功率。

在本发明实施例中，所述预设的第二关系表表征动力电池电量SOC和动力电池需求功率P_bat之间的对应关系，通过实车标定得到，其中，当前动力电池电量SOC大于所述上限值SOC_max时，对应的动力电池需求功率P_bat为一个小于零的值，且SOC越大，P_bat越小；当前动力电池电量SOC小于所述下限值SOC_min时，对应的动力电池需求功率P_bat为一个大于零的值，且SOC越小，P_bat越大。也就是说，当Q_bat＝0，即动力电池在当前驾驶循环内充放电状态为平衡时，考虑到动力电池充放电过程中的效率损失，需要利用当前动力电池SOC对P_bat进行修正：当SOC＞SOC_max时，通过查阅预设的第二关系表中的预存数据，将P_bat置为一个小于0的值；当SOC＜SOC_min时，将P_bat置为一个大于0的值。

步骤四、将确定的动力电池需求功率P_bat限制在基于动力电池的可用功率确定的功率范围内。

在该步骤中，综合考虑动力电池的可用功率，即动力电池通过CAN上报给整车控制器的能力，确定动力电池的可用功率的功率范围，可用公式P_{bat_min}≤P_bat≤P_{bat_max}进行表示，当通过步骤二和步骤三确定的动力电池需求功率P_bat没有落在范围[P_{bat_min}，P_{bat_max}]内时，将其限制在该范围内，例如，小于P_{bat_min}时，将其限制为P_{bat_min}，大于P_{bat_max}时，将其限制为P_{bat_max}。

S106、将所述驱动需求功率P_drv和所述动力电池需求功率P_bat相加得到的和值作为燃料电池需求功率P_req-fcs。

燃料电池需求功率P_req-fcs与驱动需求功率P_drv和动力电池需求功率P_bat的关系可通过公式

进行表示。

S107、基于动力电池电量以及燃料电池系统的效率曲线，对所述燃料电池需求功率进行优化。

该步骤可具体包括：

(1)根据燃料电池特性曲线，将燃料电池的工作区间划分为高效区和低效区。

根据燃料电池特性曲线，将燃料电池工作区间划分为高效区和低效区，高效区与低效区交界处的燃料电池功率设置为P_{fcs_d}，同时将燃料电池系统的怠速功率设置为P_{fcs_idle}，本发明的一个示例中，燃料电池功率区间划分可如图3所示，图3所示的划分仅是一个示例，具体的划分需根据不同的燃料电池的特性进行。

(2)在所述燃料电池需求功率小于高效区和低效区交界处的燃料电池功率时，基于动力电池电量与所述上限值和所述下限值的关系对所述燃料电池需求功率进行处理。

当P_req-fcs＜P_{fcs_d}，即需求燃料电池系统工作在低效区，为了提高整车效率，此时需考虑动力电池SOC：当所述动力电池电量大于所述上限值时，即SOC＞SOC_max时，将所述燃料电池需求功率设置P_req-fcs为燃料电池系统的怠速功率，即P_req-fcs＝P_{fcs_idle}；当所述动力电池电量小于所述下限值时，即SOC＜SOC_min时，将所述燃料电池需求功率P_req-fcs设置为所述高效区的功率最低值，即P_req-fcs＝P_{fcs_d}；此外，当所述动力电池电量大于等于所述下限值且小于等于所述上限值时，即SOC_min≤SOC≤SOC_max时，不对所述燃料电池需求功率P_req-fcs进行处理。

此外，当所述燃料电池需求功率大于等于高效区和低效区交界处的燃料电池功率时(即P_req-fcs≥P_{fcs_d})，即需求燃料电池系统工作在高效区，不对所述燃料电池需求功率进行处理。

该步骤对燃料电池需求功率的处理可如图4所示。

(3)根据燃料电池特性，对处理后的所述燃料电池需求功率P_req-fcs进行斜率限制，使得每个周期的燃料电池需求功率的变化率不超过燃料电池系统允许的最大变化率。

在经步骤(2)处理后，根据燃料电池特性，将得到的燃料电池需求功率进行斜率限制(ramp处理)，使得当前周期的燃料电池需求功率相对于上一个周期的燃料电池需求功率的变化率不超过燃料电池系统允许的最大变化率。

(4)将经斜率限制的燃料电池需求功率限制在基于燃料电池特性确定的功率范围内。

在该步骤中，综合考虑燃料电池的特性，确定燃料电池需求功率的功率范围，可用公式P_{fcs_idle}≤P_req-fcs≤P_{fcs_max}进行表示，当通过步骤(3)得到的动力电池需求功率P_req-fcs没有落在范围[P_{fcs_idle}，P_{fcs_max}]内时，将其限制在该范围内，例如，小于P_{fcs_idle}时，将其限制为P_{fcs_idle}，大于P_{fcs_max}时，将其限制为P_{fcs_max}。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种燃料电池车整车功率分配控制系统，由于该系统所解决问题的原理与前述方法相似，因此该系统的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

如图5所示，本发明实施例提供的燃料电池车整车功率分配控制系统包括：

信息获取模块201，用于获取车辆总成信息，所述车辆总成信息包括动力电池电流、动力电池电压、动力电池电量、电机效率、电机转速、车速和加速踏板开度；

驱动扭矩确定模块202，用于基于所述车速和所述加速踏板开度确定驱动需求扭矩；

驱动功率确定模块203，用于基于所述驱动需求扭矩、所述电机效率和所述电机转速确定驱动功率；

动力电池充放电电量确定模块204，用于基于所述动力电池电压和所述动力电池电流，确定动力电池充放电电量；

动力电池需求功率确定模块205，用于基于所述动力电池充放电电量和所述动力电池电量确定动力电池需求功率；

燃料电池需求功率确定模块206，用于将所述驱动需求功率和所述动力电池需求功率相加得到的和值作为燃料电池需求功率；

优化模块207，用于基于动力电池电量以及燃料电池系统的效率曲线，对所述燃料电池需求功率进行优化。

进一步地，所述动力电池需求功率确定模块205，具体用于：

进一步地，所述优化模块207，具体用于：

进一步地，所述优化模块207还用于：当所述燃料电池需求功率大于等于高效区和低效区交界处的燃料电池功率时，不对所述燃料电池需求功率进行处理；以及

当所述动力电池电量大于等于所述下限值且小于等于所述上限值时，不对所述燃料电池需求功率进行处理。

上述各模块的功能可对应于图2所示流程中的相应处理步骤，在此不再赘述。

以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种燃料电池车整车功率分配控制方法，其特征在于，包括：

基于所述车速和所述加速踏板开度确定驱动需求扭矩；

基于动力电池电量以及燃料电池系统的效率曲线，对所述燃料电池需求功率进行优化；

其中，所述基于所述动力电池充放电电量和所述动力电池电量确定动力电池需求功率，具体包括：

在所述动力电池充放电电量等于零的情况下，基于所述动力电池电量和预设的第二关系表确定所述动力电池需求功率；所述预设的第二关系表表征动力电池电量和动力电池需求功率之间的对应关系，通过实车标定得到，其中，当前动力电池电量大于所述上限值时，对应的动力电池需求功率为一个小于零的值，当前动力电池电量小于所述下限值时，对应的动力电池需求功率为一个大于零的值；

2.根据权利要求1所述的燃料电池车整车功率分配控制方法，其特征在于，所述基于动力电池电量以及燃料电池系统的效率曲线，对所述燃料电池需求功率进行优化，具体包括：

3.根据权利要求2所述的燃料电池车整车功率分配控制方法，其特征在于，还包括：当所述燃料电池需求功率大于等于高效区和低效区交界处的燃料电池功率时，不对所述燃料电池需求功率进行处理。

4.根据权利要求2所述的燃料电池车整车功率分配控制方法，其特征在于，还包括：当所述动力电池电量大于等于所述下限值且小于等于所述上限值时，不对所述燃料电池需求功率进行处理。

5.一种燃料电池车整车功率分配控制系统，其特征在于，包括：

优化模块，用于基于动力电池电量以及燃料电池系统的效率曲线，对所述燃料电池需求功率进行优化；

其中，所述动力电池需求功率确定模块，具体用于：

6.根据权利要求5所述的燃料电池车整车功率分配控制系统，其特征在于，所述优化模块，具体用于：

7.根据权利要求6所述的燃料电池车整车功率分配控制系统，其特征在于，所述优化模块还用于：当所述燃料电池需求功率大于等于高效区和低效区交界处的燃料电池功率时，不对所述燃料电池需求功率进行处理。

8.根据权利要求6所述的燃料电池车整车功率分配控制系统，其特征在于，所述优化模块还用于：当所述动力电池电量大于等于所述下限值且小于等于所述上限值时，不对所述燃料电池需求功率进行处理。