CN110040038B - 一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提出了一种氢‑电混合燃料电池客车能量管理控制方法，包括如下步骤：采集车辆踏板开度数据及动力电池的SOC值；根据采集的数据，计算整车驱动电机的需求功率；根据计算的整车驱动电机的需求功率、燃料电池极化曲线及动力电池SOC值确定燃料电池功率点；根据动力电池的SOC值确定燃料电池的启停控制；根据确定的燃料电池功率点控制燃料电池的输出功率；在保证整车驱动需求功率基础上，尽量维持动力电池SOC的能量裕度，同时使燃料电池工作在最佳效率区域，保证在动力电池SOC的均衡区间内，在满足整车动力性能基础上，延长燃料电池的使用寿命。

Description

一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法及系统
技术领域
本公开涉及相关技术领域，具体的说，是涉及一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
燃料电池是一种将化学能通过电极反映直接转换为电能的装置,具有燃料多样化、无污染、低噪声、安全可靠易于维护等优点,并且能量转化率,实际使用效率更高。因此燃料电池被认为是代替传统发动机的最佳能量源。燃料电池作为清洁能源引起了人们的广泛重视。燃料电池汽车在这样的背景下应运而生。
氢-电混合燃料电池客车作为一种燃料电池动力车，代表着新能源未来发展的一种趋势，由燃料电池和动力电池组成的多能源系统通过整车控制器的协调管理，能够保证各自更好的运行在经济区域；整车能量控制策略是实现氢-电混合动力经济性和动力性的关键，通过合理的能量分配策略不仅能够保证燃料电池和动力电池的使用寿命，更能够在很大程度上降低整车的能耗，实现整车零排放、无污染、续驶里程更长的优势。燃料电池动力车一般采用大功率的燃料电池堆,以保证次填充燃料的续驶里程和启动加速时的动力需求。燃料电池混合动力汽车是一个复杂的多输入多输出、非线性强耦合系统具有多个运行状态。在这种模型下,系统的控制器设计难以得到良好的实现,因此,如何对模型进行合理的简化处理,使它既符合系统的实际特性又易于控制设计是一个值得关注的研究问题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法及系统，在保证燃料电池、动力电池工作在允许的范围前提下进行能量管理与分配，在保证整车驱动需求功率基础上，维持动力电池SOC的能量裕度，同时使燃料电池工作在最佳效率区域，保证在动力电池SOC的均衡区间内，在满足整车动力性能基础上，延长燃料电池的使用寿命。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一个或多个实施例提供了一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法，包括如下步骤：
采集车辆踏板开度数据及动力电池的SOC值；
根据采集的数据，计算整车驱动电机的需求功率；
根据计算的整车驱动电机的需求功率、燃料电池极化曲线及动力电池SOC值确定燃料电池功率点；
根据动力电池的SOC值确定燃料电池的启停控制；
根据确定的燃料电池功率点控制燃料电池的输出功率；
进一步的，还包括制动能量回收控制及需求功率计算的步骤：
根据加速踏板和制动踏板的开度以及动力电池的SOC值来判断车辆此时能否进行制动能量回收；
若可以进行制动能量回收，整车控制器根据制动踏板开度查表得出制动能量回收的扭矩，继而计算出制动能量可回收的功率Ph；
计算动力电池允许最大充电功率与燃料电池提供功率的差值ΔP；
若Ph<ΔP,回收能量为Ph，否则吸收能量为ΔP。
进一步的，所述整车驱动电机的需求功率的确定方法为：根据踏板开度和驱动电机转速查表，获得驱动电机的理论扭矩，再通过与电机修正项相加后，得出驱动电机的目标转矩，最终计算出驱动电机的目标功率。
进一步的，燃料电池功率点的确定方法为：
当SOC<SOCmin时，整车控制器发给燃料电池的目标功率值为燃料电池功率Pfe，Pfe为燃料电池的额定功率；
当SOCmin≤SOC≤SOCmax时，若高压附件工作，整车控制器计算的燃料电池目标功率为燃料电池功率阈值Pfc与高压附件需求功率Pfj之和，若高压附件没有工作，燃料电池目标功率为燃料电池功率Pfc；
其中，Pfc和Pfj为设定值，Pfc为燃料电池的输出功率阈值，Pfj为整车高压附件的需求功率。
进一步的，燃料电池功率阈值Pfc的设定方法为：
根据驱动电机的需求功率、升压DC/DC转化效率和燃料电池极化曲线可以计算出燃料电池供给动力电池的动力电池需求功率；
设定燃料电池的输出功率阈值Pfc为大于供给动力电池的动力电池需求功率的数值。
进一步的，燃料电池启停控制方法具体为：
当SOC<SOC0时，并且在燃料电池控制开关为开的状态和无停机故障时，燃料电池启动；
当行车过程动力电池充电，且SOC>SOC1时，燃料电池停机；
当行车过程动力电池放电，且SOC<SOC2时，并且在燃料电池控制开关为开的状态和无停机故障时，燃料电池再次启动；
其中SOC2为设定的动力电池某一阈值。
其中，SOC0，SOC2和SOC1都为设定值，并且SOC0<SOC2<SOC1。
进一步的，SOC0的取值为0.8-0.9范围内的任意数值，SOC2取值为0.85-0.9范围内的任意数值，SOC1的取值可以为0.95-1范围内的任意数值。
一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制系统，包括：
数据采集模块：用于采集车辆踏板开度数据及动力电池的SOC值；
驱动电机的需求功率计算模块：用于根据采集的数据，计算整车驱动电机的需求功率；
燃料电池功率点确定模块：根据计算的整车驱动电机的需求功率、燃料电池极化曲线及动力电池SOC值确定燃料电池功率点；
燃料电池的启停控制模块：根据动力电池的SOC值确定燃料电池的启停控制；
燃料电池的输出功率控制模块：根据确定的燃料电池功率点控制燃料电池的输出功率；
或者，
还包括制动能量回收控制及需求功率计算模块：用于制动能量回收控制及需求功率计算。
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开以保证燃料电池、动力电池工作在允许的范围前提下进行能量管理与分配，以满足整车驱动力的需求，从而改善氢-电混合燃料电池客车的动力性指标；提出的控制方法实现了氢-电混合燃料电池客车的能量管理分配，在保证整车驱动需求功率基础上，尽量维持动力电池SOC的能量裕度，同时使燃料电池工作在最佳效率区域，保证在动力电池SOC的均衡区间内，在满足整车动力性能基础上，延长燃料电池的使用寿命。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
图1是根据一个或多个实施方式的装置的框图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法，包括如下步骤：
步骤1、采集车辆踏板开度数据及动力电池的SOC值；
步骤2、根据采集的数据，计算整车驱动电机的需求功率；
步骤3、根据计算的整车驱动电机的需求功率、燃料电池极化曲线及动力电池SOC值确定燃料电池功率点；
步骤4、根据动力电池的SOC值确定燃料电池的启停控制；
步骤5、根据确定的燃料电池功率点控制燃料电池的输出功率；
采集车辆踏板开度数据及动力电池的SOC值；SOC，全称是State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0-1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。采集车辆踏板开度数据及动力电池的SOC值。
车辆踏板开度数据包括加速踏板和制动踏板的开度数据。
根据采集的数据，计算整车驱动电机的需求功率，步骤2中所述整车驱动电机的需求功率的确定方法为：根据加速踏板开度和驱动电机转速查表获得驱动电机的理论扭矩，再通过与电机修正项相加后，得出驱动电机的目标转矩，最终计算出驱动电机的目标功率，驱动电机的需求功率为电力电池的输出功率。
还包括制动能量回收控制及需求功率计算的步骤：
整车控制器根据加速踏板和制动踏板的开度以及动力电池的SOC值来判断车辆此时能否进行制动能量回收，具体判断可以采用多种方法，本实施例可以为的：制动踏板的开度大于设定值，以及动力电池的SOC值小于设定回收阈值SOCh。
若可以进行制动能量回收，所述的整车控制器根据制动踏板开度查表得出制动能量回收的扭矩，继而计算出制动能量回收的功率，同时满足回收功率小于动力电池允许最大充电功率与燃料电池提供功率的差值，回收的能量可以为动力电池充电，制动能量回收具体的步骤为：
若可以进行制动能量回收，整车控制器根据制动踏板开度查表得出制动能量回收的扭矩，继而计算出制动能量可回收的功率Ph；
计算动力电池允许最大充电功率与燃料电池提供功率的差值ΔP；
若Ph<ΔP,回收能量为Ph，否则吸收能量为ΔP。
燃料电池功率点是指燃料电池需要输出的功率大小，确定方法为：
燃料电池的输出功率是根据燃料电池允许放电功率、动力电池允许充电功率、燃料电池极化曲线以及升压DC/DC转化效率综合计算获得。燃料电池的输出功率介于燃料电池允许放电功率、动力电池允许充电功率之间。根据驱动电机的需求功率、升压DC/DC转化效率和燃料电池极化曲线可以计算出燃料电池供给动力电池的动力电池需求功率。设定燃料电池的输出功率阈值Pfc为大于供给动力电池的动力电池需求功率。
当SOC<SOCmin时，整车控制器发给燃料电池的目标功率值为燃料电池功率Pfe，Pfe为燃料电池的额定功率；
当SOCmin≤SOC≤SOCmax时，若高压附件工作，整车控制器计算的燃料电池目标功率为燃料电池的输出功率阈值Pfc与高压附件需求功率Pfj之和，若高压附件没有工作，燃料电池目标功率为动力电池需求功率Pfc；
其中，Pfc和Pfj为设定值，Pfc为燃料电池的输出功率阈值，Pfj为整车高压附件的需求功率。
燃料电池启停控制：
在燃料电池控制开关按下、无停机故障前提下允许燃料电池启动；并且在下面相应的条件下进行相应的启停控制：
子条件1：当SOC<SOC0时，燃料电池启动，其中，SOC0为设定的动力电池某一阈值；
子条件2：当行车过程动力电池充电，且SOC>SOC1时，燃料电池停机，其中SOC1为设定的动力电池某一阈值；
子条件3：当行车过程动力电池放电，且SOC<SOC2时，燃料电池再次启动，其中SOC2为设定的动力电池某一阈值。
其中，SOC0<SOC2<SOC1，SOC0的取值可以为0.8-0.9范围内的任意数值，SOC2取值可以为0.85-0.9范围内的任意数值，SOC1的取值可以为0.95-1范围内的任意数值。
实施例2
本实施例提供一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制系统，包括：
数据采集模块：用于采集车辆踏板开度数据及动力电池的SOC值；
驱动电机的需求功率计算模块：用于根据采集的数据，计算整车驱动电机的需求功率；
燃料电池功率点确定模块：根据计算的整车驱动电机的需求功率、燃料电池极化曲线及动力电池SOC值确定燃料电池功率点；
燃料电池的启停控制模块：根据动力电池的SOC值确定燃料电池的启停控制；
燃料电池的输出功率控制模块：根据确定的燃料电池功率点控制燃料电池的输出功率；
或者，
还包括制动能量回收控制及需求功率计算模块：用于制动能量回收控制及需求功率计算。
实施例3
本实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一个实施例中方法的步骤。
实施例4
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一个实施例中方法的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法，其特征是，包括如下步骤：
采集车辆踏板开度数据及动力电池的SOC值；
根据采集的数据，计算整车驱动电机的需求功率和制动能量回收控制；
根据计算的整车驱动电机的需求功率、燃料电池极化曲线及动力电池SOC值确定燃料电池功率点；其方法为：
当SOC<SOCmin时，整车控制器发给燃料电池的目标功率值为燃料电池功率Pfe，Pfe为燃料电池的额定功率；
当SOCmin≤SOC≤SOCmax时，若高压附件工作，整车控制器计算的燃料电池目标功率为燃料电池功率阈值Pfc与高压附件需求功率Pfj之和，若高压附件没有工作，燃料电池目标功率为燃料电池功率阈值Pfc；
其中，Pfc和Pfj为设定值，Pfc为燃料电池的输出功率阈值，Pfj为整车高压附件的需求功率；
燃料电池功率阈值Pfc的设定方法为：
根据驱动电机的需求功率、升压DC/DC转化效率和燃料电池极化曲线能够计算出燃料电池供给动力电池的动力电池需求功率；
设定燃料电池的输出功率阈值Pfc为大于供给动力电池的动力电池需求功率的数值；
根据动力电池的SOC值确定燃料电池的启停控制；
根据确定的燃料电池功率点控制燃料电池的输出功率。
2.如权利要求1所述的一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法，其特征是，所述需求功率及制动能量回收控制的计算步骤：
根据加速踏板和制动踏板的开度以及动力电池的SOC值来判断车辆此时能否进行制动能量回收；
若可以进行制动能量回收，整车控制器根据制动踏板开度查表得出制动能量回收的扭矩，继而计算出制动能量可回收的功率Ph；
计算动力电池允许最大充电功率与燃料电池提供功率的差值ΔP；
若Ph<ΔP,回收能量为Ph，否则，回收能量为ΔP。
3.如权利要求1所述的一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法，其特征是：所述整车驱动电机的需求功率的确定方法为：根据踏板开度和驱动电机转速查表，获得驱动电机的理论扭矩，再通过与电机修正项相加后，得出驱动电机的目标转矩，最终计算出驱动电机的目标功率。
4.如权利要求1所述的一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法，其特征是：
燃料电池启停控制方法具体为：
当SOC<SOC0时，并且在燃料电池控制开关为开的状态和无停机故障时，燃料电池启动；
当行车过程动力电池充电，且SOC>SOC1时，燃料电池停机；
当行车过程动力电池放电，且SOC<SOC2时，并且在燃料电池控制开关为开的状态和无停机故障时，燃料电池再次启动；
其中SOC2为设定的动力电池某一阈值；
其中，SOC0，SOC2和SOC1都为设定值，并且SOC0<SOC2<SOC1。
5.如权利要求4所述的一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法，其特征是：SOC0的取值为0.8-0.9范围内的任意数值，SOC2取值为0.85-0.9范围内的任意数值，SOC1的取值为0.95-1范围内的任意数值。
6.一种基于权利要求1所述的氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法的系统，其特征是，包括：
数据采集模块：用于采集车辆踏板开度数据及动力电池的SOC值；
驱动电机的需求功率计算模块：用于根据采集的数据，计算整车驱动电机的需求功率；
燃料电池功率点确定模块：根据计算的整车驱动电机的需求功率、燃料电池极化曲线及动力电池SOC值确定燃料电池功率点；
燃料电池的启停控制模块：根据动力电池的SOC值确定燃料电池的启停控制；
燃料电池的输出功率控制模块：根据确定的燃料电池功率点控制燃料电池的输出功率；
制动能量回收控制及需求功率计算模块：用于制动能量回收控制及需求功率计算。
7.一种电子设备，其特征是，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-5任一项方法所述的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征是，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-5任一项方法所述的步骤。
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