CN110949186A - 燃料电池动力系统分层协调控制方法与系统 - Google Patents

燃料电池动力系统分层协调控制方法与系统 Download PDF

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CN110949186A CN201911272703.9A CN201911272703A CN110949186A CN 110949186 A CN110949186 A CN 110949186A CN 201911272703 A CN201911272703 A CN 201911272703A CN 110949186 A CN110949186 A CN 110949186A
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Abstract

本申请涉及一种燃料电池动力系统分层协调控制方法与系统。其中，所述燃料电池动力系统分层协调控制方法，一方面，通过预设时间段后的整车需求功率和当前时间节点下的部件状态信息，生成为达到所述整车需求功率，燃料电池系统应调整参数，使得燃料电池系统可以动态跟随所述整车需求功率，且燃料电池系统内部状态均匀，空压机不产生缺气现象。另一方面，依据整车需求功率和部件状态信息，确定动力电池应当采取的充放电动作，使得动力电池的荷电状态值保持在合理区间，尽可能的减少动力电池充放电次数，在不影响动力电池电能换能效率的条件下达到整车需求功率，不额外增加功耗。

Description

燃料电池动力系统分层协调控制方法与系统
技术领域
本申请涉及燃料电池汽车技术领域，特别是涉及一种燃料电池动力系统分层协调控制方法与系统。
背景技术
随着人类社会的飞速发展，能源需求日益膨胀，环境污染日趋严重。与传统内燃机相比，燃料电池具备效率高、噪声低、无污染等特点，越来越受到各国政府和车企的重视，燃料电池汽车相关研究的开展也越来越频繁。燃料电池汽车由燃料电池动力系统驱动行驶。在燃料电池动力系统中，一般存在两个动力源，分别为燃料电池和动力电池。动力电池即蓄电池。燃料电池与DC/DC变换器连接，DC/DC变换器与总线连接，动力电池直接与总线连接，总线连接电机控制器，电机控制器与电机连接，以控制电机工作。
传统燃料电池动力系统，存在一个严重的问题：缺乏一套合理的能量管理和控制策略，使得燃料电池输出功率可以跟随整车需求功率的变化。乘用车在行驶过程中，车速波动较大，导致整车功率需求变化剧烈。为了减少燃料电池汽车的功耗损失，一般会尽可能减少动力电池充放电次数，主要依靠燃料电池动态跟随整车需求功率。然而整车需求功率变化过快，燃料电池无法快速及时的响应，空压机的转速无法快速提升，造成燃料电池缺气的情况产生，会严重损害燃料电池的耐久性，大大缩短燃料电池的耐久性。
发明内容
基于此，有必要针对燃料电池动力系统缺乏一套合理的能量管理和控制策略，使得燃料电池输出功率可以跟随整车需求功率的变化的问题，提供一种燃料电池动力系统分层协调控制方法与系统。
本申请提供一种燃料电池动力系统分层协调控制方法，应用于以燃料电池系统和动力电池系统作为动力源的燃料电池汽车，包括：
获取预设时间段后的整车需求功率和当前时间节点下的部件状态信息；所述部件状态信息包括燃料电池部件状态信息和动力电池部件状态信息；
依据所述整车需求功率和所述部件状态信息，计算燃料电池系统应调整参数，生成燃料电池参数变化指令；并依据所述整车需求功率和所述部件状态信息，确定动力电池系统应当采取的充放电动作，生成动力电池充放电指令；
将所述燃料电池参数变化指令发送至燃料电池系统，以控制所述燃料电池系统调整在当前时间节点下的燃料电池参数；
将所述动力电池充放电指令发送至所述动力电池系统，以控制所述动力电池系统调整在当前时间节点下的工作状态，以使所述燃料电池汽车的整车功率在所述预设时间段后，达到所述整车需求功率。
本申请还提供一种燃料电池动力系统分层协调控制系统，包括：
动力系统控制模块，用于执行前述内容提及的燃料电池动力系统分层协调控制方法，生成燃料电池参数变化指令和动力电池充放电指令；
动力源模块，与所述动力系统控制模块电连接，包括燃料电池系统和动力电池系统，用于向所述动力系统控制模块发送当前时间节点下的部件状态信息；
所述动力源模块还用于接收所述动力系统控制模块发送的燃料电池参数变化指令和动力电池充放电指令；
功率预测模块，与所述动力系统控制模块电连接，用于计算预设时间段后的整车需求功率。
本申请涉及一种燃料电池动力系统分层协调控制方法与系统，一方面，通过预设时间段后的整车需求功率和当前时间节点下的部件状态信息，生成为达到所述整车需求功率，燃料电池系统应调整参数，使得燃料电池系统可以动态跟随所述整车需求功率，且燃料电池系统内部状态均匀，空压机不产生缺气现象。另一方面，依据整车需求功率和部件状态信息，确定动力电池应当采取的充放电动作，使得动力电池的荷电状态值保持在合理区间，尽可能的减少动力电池充放电次数，在不影响动力电池电能换能效率的条件下达到整车需求功率，不额外增加功耗。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的燃料电池动力系统分层协调控制方法的流程示意图；
图2为本申请一实施例提供的燃料电池动力系统分层协调控制方法中步骤S211至步骤S230的流程示意图；
图3为本申请一实施例提供的燃料电池动力系统分层协调控制方法中步骤S241至步骤S265的流程示意图；
图4为本申请一实施例提供的燃料电池动力系统分层协调控制系统的结构示意图。
附图标记：
10 燃料电池动力系统分层协调控制系统
100 动力系统控制模块
200 动力源模块
210 燃料电池系统
220 动力电池系统
300 功率预测模块
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供一种燃料电池动力系统分层协调控制方法。
需要说明的是，本申请提供的燃料电池动力系统分层协调控制方法不限制其应用领域与应用场景。可选地，所述燃料电池动力系统分层协调控制方法应用于以燃料电池系统和动力电池系统作为动力源的燃料电池汽车。
本申请提供的燃料电池动力系统分层协调控制方法并不限制其执行主体。可选地，所述燃料电池动力系统分层协调控制方法的执行主体可以为一种动力系统控制模块100。所述动力系统控制模块100可以内置于燃料电池汽车，与燃料电池汽车的动力源模块200电连接。可选地，所述燃料电池动力系统分层协调控制方法的执行主体可以为动力系统控制模块100中的一个或多个处理器。
如图1所示，在本申请的一实施例中，所述燃料电池动力系统分层协调控制方法包括如下步骤S100至步骤S300。本实施例中的燃料电池动力系统分层协调控制方法，可以实现对任意时间节点下的，燃料电池参数的实时调整和动力电池系统的充放电动作，以使得燃料电池汽车的整车功率满足预设时间段后的整车需求功率。
S100，获取预设时间段后的整车需求功率和当前时间节点下的部件状态信息。所述部件状态信息包括燃料电池部件状态信息和动力电池部件状态信息。
具体地，所述预设时间段可以预设为任意值，例如30分钟。所述预设时间段后的整车需求功率可以通过功率预测模块300计算得出。所述功率预测模块300与所述动力系统控制模块100电连接。所述预设时间段后的整车需求功率可以由多种方法计算得出。例如，所述功率预测模块300，可以结合燃料电池汽车的工况信息和车速信息，分析计算得出所述预设时间段后的整车需求功率。计算完毕后，所述功率预测模块300，可以将所述预设时间段后的整车需求功率发送至所述动力系统控制模块100。
所述动力源模块200包括燃料电池系统210和动力电池系统220。所述动力源模块200可以实时查询当前时间节点下的部件状态信息，并将所述部件状态信息发送至所述动力系统控制模块100。所述动力系统控制模块100，可以依据所述部件状态信息，获知燃料电池系统210的状态和动力电池系统220的状态。
S200，依据所述整车需求功率和所述部件状态信息，计算燃料电池系统应调整参数，生成燃料电池参数变化指令。并依据所述整车需求功率和所述部件状态信息，确定动力电池系统应当采取的充放电动作，生成动力电池充放电指令。
具体地，所述燃料电池系统具有在当前时间节点下的燃料电池参数。为在所述预设时间段后，所述燃料电池汽车的整车功率可以达到所述整车需求功率，首先需要对当前时间节点下的燃料电池参数进行调整。本步骤中，通过计算燃料电池系统应调整参数，生成燃料电池参数变化指令，以实现对当前时间节点下的燃料电池参数进行调整。
此外，同样的，为使得所述燃料电池汽车的整车功率可以达到所述整车需求功率，动力电池系统也应实时进行调整。动力电池系统调整的则是当前时间节点下应当采取的充放电动作。
S300，将所述燃料电池参数变化指令发送至燃料电池系统，以控制所述燃料电池系统调整在当前时间节点下的燃料电池参数。将所述动力电池充放电指令发送至所述动力电池系统，以控制所述动力电池系统调整在当前时间节点下的工作状态，以使所述燃料电池汽车的整车功率在所述预设时间段后，达到所述整车需求功率。
具体地，通过本步骤，可以使得燃料电池系统和动力电池系统自动依据各自对应的指令进行相应参数或状态的调整，自动化程度高。
本实施例中，一方面，通过预设时间段后的整车需求功率和当前时间节点下的部件状态信息，生成为达到所述整车需求功率，燃料电池系统应调整参数，使得燃料电池系统可以动态跟随所述整车需求功率，且燃料电池系统内部状态均匀，空压机不产生缺气现象。另一方面，依据整车需求功率和部件状态信息，确定动力电池应当采取的充放电动作，使得动力电池的荷电状态值保持在合理区间，尽可能的减少动力电池充放电次数，在不影响动力电池电能换能效率的条件下达到整车需求功率，不额外增加功耗。
在本申请的一实施例中，所述燃料电池部件状态信息包括燃料电池电压、燃料电池电流、空压机转速、阴极循环泵转速、燃料电池阴极背压阀开度、燃料电池阴极进气流量和空压机进气流量中的一种或多种。
所述动力电池部件状态信息包括动力电池电压、动力电池电流、动力电池荷电状态值和动力电池温度中的一种或多种。
具体地，所述燃料电池部件状态信息可以不限于上述列出的多个参数。所述动力电池部件状态信息也可以不限于上述列出的多个参数。可选地，可以通过CAN总线获取所述燃料电池部件状态信息和所述动力电池部件状态信息。由于步骤S100中获取的部件状态信息是当前时间节点下的，可以理解，是实时的，因此，所述燃料电池部件状态信息和所述动力电池部件状态信息都是当前时间节点下的实时数据。
本实施例中，通过设置所述燃料电池部件状态信息和所述动力电池部件状态信息，可以实时，全面的获取所述燃料电池系统和所述动力电池系统的状态信息。
如图2所示，在本申请的一实施例中，所述步骤S200包括如下步骤S211至S217：
S211，获取所述预设时间段后的整车需求功率。
具体地，所述预设时间段可以预设为任意值，例如30分钟。所述预设时间段后的整车需求功率可以通过功率预测模块300计算得出。所述功率预测模块300与所述动力系统控制模块100电连接。
所述预设时间段后的整车需求功率可以由多种方法计算得出。例如，所述功率预测模块300可以结合燃料电池汽车的工况信息和车速信息，分析计算得出所述预设时间段后的整车需求功率。计算完毕后，所述功率预测模块300功率计算器，可以将所述预设时间段后的整车需求功率发送至所述动力系统控制模块100。
S212，读取本地存储的第一表格。所述第一表格为整车需求功率-燃料电池目标电流对应表。进一步地，依据所述第一表格，查询与所述预设时间段后的整车需求功率对应的燃料电池目标电流。
具体地，所述第一表格的形式可以由多种方式呈现。可选地，所述第一表格可以如表1所示。
表1-整车需求功率-燃料电池目标电流关系表
整车需求功率(千瓦) 10 30 50 70 90 …
燃料电池目标电流(安) 28 125 187 292 450 …
所述第一表格可以由实验人员预先进行大量实验，探寻整车需求功率与燃料电池目标电流的对应关系，从而生成并获得。从所述第一表格中，可以获取为了达到所述整车需求功率，燃料电池电流所需要达到的目标值(即燃料电池目标电流)。
S213，读取本地存储的第二表格。所述第二表格为燃料电池目标电流-空压机目标转速对应表。进一步地，依据所述第二表格和所述燃料电池目标电流，查询与所述燃料电池目标电流对应的空压机目标转速。
具体地，所述第二表格的形式可以由多种方式呈现。可选地，所述第二表格可以如表2所示。
表2-燃料电池目标电流-空压机目标转速对应表
燃料电池目标电流(安) 28 125 187 292 450 …
空压机目标转速(转/分) 22000 49000 63000 80000 98000 …
所述第二表格可以由实验人员预先进行大量实验，探寻燃料电池目标电流与空压机目标转速的对应关系，从而生成并获得。从所述第二表格中，可以获取为了达到所述燃料电池目标电流，空压机转速所需要达到的目标值(即空压机目标转速)。
S214，获取所述部件状态信息中的空压机转速，作为空压机实际转速，并计算所述空压机目标转速与所述空压机实际转速的差值，生成空压机转速差值。
具体地，在步骤S100中，已经获取了当前时间节点下的部件状态信息。可以理解，已经获取了当前时间节点下，空压机的实际转速。然而，空压机时间转速和空压机目标转速存在数值的差距，本步骤中，通过计算二者的差值，生成空压机转速差值。
S215，依据公式1和所述空压机转速差值，计算得出空压机前馈工作电流补偿值：
Figure BDA0002314637940000091
其中，u(t)为所述空压机前馈工作电流补偿值。e(t)为所述空压机转速差值。t为当前时间节点。Kp1为第一比例系数。Ki1为第一积分系数。
具体地，所述第一比例系数和所述第一积分系数是通过大量实验推导计算得出的经验值，属于已知量。可以理解，通过将所述步骤S214中得出的空压机转速差值代入比例积分公式(即公式1)，可以计算得出空压机前馈工作电流补偿值。
S216，读取本地存储的第三表格。所述第三表格为燃料电池目标电流-空压机前馈工作电流标定值对应表。进一步地，依据所述第三表格和所述燃料电池目标电流，查询与所述燃料电池目标电流对应的空压机前馈工作电流标定值。
具体地，所述第三表格的形式可以由多种方式呈现。可选地，所述第三表格可以如表3所示。
表3-燃料电池目标电流-空压机前馈工作电流标定值对应表
燃料电池目标电流(安) 28 125 187 292 450 …
空压机前馈工作电流标定值(安) 10 25 30 45 60 …
所述第三表格可以由实验人员预先进行大量实验，探寻燃料电池目标电流与空压机前馈工作电流标定值的对应关系，从而生成并获得。从所述第三表格中，可以获取为了达到所述燃料电池目标电流，空压机前馈工作电流所需要达到的目标值(即空压机前馈工作电流标定值)。
S217，计算所述空压机前馈工作电流标定值与所述空压机前馈工作电流补偿值之和，得出空压机前馈工作电流调整值。
具体地，所述空压机前馈工作电流标定值是一个理想值，即为了达到整车需求功率，空压机前馈工作电流所需要达到的理想值，这是一个静态值。然而，在实际燃料电池汽车在行驶过程中，实际的空压机前馈工作电流是一个动态变化值，会随着时间推移而波动。为考虑实际情况，需要增加一个补偿值，这个补偿值就是步骤S215中，通过比例积分公式计算得出的空压机前馈工作电流补偿值。通过计算所述空压机前馈工作电流标定值与所述空压机前馈工作电流补偿值之和，可以得到空压机前馈工作电流调整值。所述空压机前馈工作电流调整值，是一个符合实际情况的数值，燃料电池系统中的空压机前馈工作电流，需要调整至所述空压机前馈工作电流调整值，方可使得所述燃料电池汽车的整车功率达到所述整车需求功率。
本实施例中，依据整车需求功率，以及本地存储的多个参数表，可以推导得出空压机前馈工作电流标定值，以及空压机目标转速与当前时间节点下空压机实际转速的差值，再通过比例积分公式，可以计算得出空压机前馈工作电流补偿值，通过空压机前馈工作电流标定值与空压机前馈工作电流补偿值的相加，得到空压机前馈工作电流调整值。整个计算过程简便，计算结果准确，且符合实际情况，数据稳定性强。
请继续参阅图2，在本申请的一实施例中，在所述步骤S213之后，所述步骤S200还包括如下步骤S221至步骤S226。需要说明的是，所述步骤S221至步骤S226涉及到应用前述步骤S212查表得出的所述燃料电池目标电流，以及应用到前述步骤S213中的所述空压机目标转速。因此，步骤S221至步骤S226应当于所述步骤S213执行。可以理解，所述步骤S221至步骤S226，可以在步骤S213执行完毕后，与步骤S214至步骤S217同步进行。所述步骤S221至步骤S226也可以在步骤S217执行完毕后执行。
S221，获取所述部件状态信息中的燃料电池阴极背压阀开度。
具体地，在步骤S100中，已经获取了当前时间节点下的部件状态信息。可以理解，通过本步骤，可以获取当前时间节点下的燃料电池阴极背压阀开度。
S222，读取本地存储的第四表格。所述第四表格为空压机目标转速-燃料电池阴极背压阀开度-燃料电池阴极目标进气流量对应表。进一步地，依据所述第四表格、所述空压机目标转速和所述燃料电池阴极背压阀开度，查询与所述空压机目标转速和所述燃料电池阴极背压阀开度对应的燃料电池阴极目标进气流量。
具体地，所述第四表格的形式可以由多种方式呈现。可选地，所述第四表格可以如表4所示。
表4-空压机目标转速-燃料电池阴极背压阀开度-燃料电池阴极目标进气流量对应表
Figure BDA0002314637940000111
所述第四表格可以由实验人员预先进行大量实验，探寻空压机目标转速、燃料电池阴极背压阀开度和燃料电池阴极目标进气流量，三者的对应关系，从而生成并获得。
前述步骤S213中，已经获取了空压机目标转速。前述步骤S221中，已经获取了阴极背压阀开度。可以理解，从所述第四表格中，可以获取为了达到所述空压机目标转速，和所述阴极背压阀开度，燃料电池阴极进气流量所需要达到的目标值(即燃料电池阴极目标进气流量)。
S223，获取所述部件状态信息中的燃料电池阴极进气流量，作为燃料电池阴极实际进气流量。计算所述燃料电池阴极目标进气流量，与所述燃料电池阴极实际进气流量的差值，生成燃料电池阴极进气流量差值。
具体地，与步骤S214类似，本步骤中，通过计算所述燃料电池阴极目标进气流量，与所述燃料电池阴极实际进气流量的差值，可以生成燃料电池阴极进气流量差值。
S224，依据公式2和所述燃料电池阴极进气流量差值，计算得出阴极循环泵前馈转速补偿值：
Figure BDA0002314637940000121
其中，g(t)为所述阴极循环泵前馈转速补偿值。w(t)为所述燃料电池阴极进气流量差值。t为当前时间节点。Kp2为第二比例系数。Ki2为第二积分系数。
具体地，与步骤S215类似，公式2也是一种比例积分公式。公式2中的第二比例系数和所述第二积分系数也是通过大量实验推导计算得出的经验值，属于已知量。通过将所述步骤S223中得出的燃料电池阴极进气流量差值代入比例积分公式(即公式2)，可以计算得出阴极循环泵前馈转速补偿值。
S225，读取本地存储的第五表格。所述第五表格为燃料电池目标电流-阴极循环泵前馈转速标定值对应表。进一步地，依据所述第五表格和所述燃料电池目标电流，查询与所述燃料电池目标电流对应的阴极循环泵前馈转速标定值。
具体地，所述第五表格的形式可以由多种方式呈现。可选地，所述第三表格可以如表5所示。
表5-燃料电池目标电流-阴极循环泵前馈转速标定值对应表
Figure BDA0002314637940000122
所述第五表格可以由实验人员预先进行大量实验，探寻燃料电池目标电流与阴极循环泵前馈转速标定值的对应关系，从而生成并获得。从所述第五表格中，可以获取为了达到所述燃料电池目标电流，阴极循环泵前馈转速所需要达到的目标值(即阴极循环泵前馈转速标定值)。
S226，计算所述阴极循环泵前馈转速标定值，与所述阴极循环泵前馈转速补偿值之和，得到阴极循环泵前馈转速调整值。
具体地，与步骤S217类似，所述阴极循环泵前馈转速标定值也是一个理想值，是一个静态值。为了符合实际情况，需要计算所述阴极循环泵前馈转速标定值，与所述阴极循环泵前馈转速补偿值之和，得到阴极循环泵前馈转速调整值。阴极循环泵前馈转速调整值，是一个符合实际情况的数值。这一点与步骤S226中的空压机前馈工作电流调整值原理一致，此处不再赘述。
本实施例中，依据整车需求功率，以及本地存储的多个参数表，可以推导得出阴极循环泵前馈转速标定值，以及燃料电池阴极目标进气流量与当前时间节点下燃料电池阴极实际进气流量的差值，再通过比例积分公式，可以计算得出阴极循环泵前馈转速补偿值，通过阴极循环泵前馈转速标定值与阴极循环泵前馈转速补偿值的相加，得到阴极循环泵前馈转速调整值。整个计算过程简便，计算结果准确，且符合实际情况，数据稳定性强。
请继续参阅图2，在本申请的一实施例中，所述燃料电池应调整参数包括，空压机前馈工作电流调整值和阴极循环泵前馈转速调整值。所述步骤S200还包括：
S230，依据所述空压机前馈工作电流调整值，和所述阴极循环泵前馈转速调整值，生成燃料电池参数变化指令，以使所述燃料电池系统由当前时间节点下的空压机前馈工作电流，调整至所述空压机前馈工作电流调整值。以及，由当前时间节点下的阴极循环泵前馈转速，调整至所述阴极循环泵前馈转速调整值。
需要说明的是，燃料电池应调整参数可以包括但不仅限于所述空压机前馈工作电流调整值，和所述阴极循环泵前馈转速调整值。本实施例中，所述燃料电池应调整参数包括空压机前馈工作电流调整值和阴极循环泵前馈转速调整值。在所述步骤S217和所述步骤S226均执行完毕后，再执行所述步骤S230。
在燃料电池系统调整燃料电池参数时，所述燃料电池系统将当前时间节点下的空压机前馈工作电流，调整至所述空压机前馈工作电流调整值。同时，所述燃料电池系统将当前时间节点下的阴极循环泵前馈转速，调整至所述阴极循环泵前馈转速调整值。
本实施例中，通过生成燃料电池参数变化指令，可以实现燃料电池系统中空压机前馈工作电流和阴极循环泵前馈转速的准确数值调整，从而使得燃料电池系统可以动态跟随所述整车需求功率，且燃料电池系统内部状态均匀，空压机不产生缺气现象。
在本申请的一实施例中，所述动力电池充放电指令包括动力电池系统切换至充电状态的指令、动力电池系统切换至放电状态的指令和动力电池系统维持原有工作状态的指令。
具体地，当动力电池系统切换至充电状态时，动力电池系统接收其它部件或系统输送至所述动力电池系统的电能。当动力电池系统切换至放电状态时，动力电池系统向其它部件或系统输送所述动力电池系统内部存储的能量。
本实施例中，通过设置不同的动力电池充放电指令，使得动力电池系统可以实现不同工作状态的切换，使得动力电池的荷电状态值保持在合理区间。
如图3所示，在本申请的一实施例中，所述步骤200还包括如下步骤S241至步骤S253：
S241，获取所述预设时间段后的整车需求功率，以及获取当前时间节点下的整车功率，作为当前整车功率。
具体地，所述当前时间节点下的整车功率可以通过燃料电池汽车内置的功率计算器获取。所述功率计算器可以获取燃料电池汽车中发动机和电机的实时工作数据，计算当前时间节点下，燃料电池汽车的整车功率。当然，也可以由所述功率预测模块300计算当前时间节点下，燃料电池汽车的整车功率。
S242，判断所述整车需求功率是否大于所述当前整车功率。
具体地，所述动力系统控制模块比对所述整车需求功率与所述当前整车功率，判断所述整车需求功率是否大于所述当前整车功率。
S251，若所述整车需求功率大于所述当前整车功率，则依据所述部件状态信息，计算所述燃料电池系统为达到所述整车需求功率，所需要的最小调整时间段。
具体地，若所述整车需求功率大于所述当前整车功率，则表明燃料电池系统需要进行参数的调整，与此同时动力电池系统需要做好辅助所述燃料电池系统的准备工作。进一步地，计算所述燃料电池系统为达到所述整车需求功率，所需要的最小调整时间段。需要说明的是，所述最小调整时间段的时间长度，与燃料电池系统的性能衰退有关。随着燃料电池系统的使用时间增加，燃料电池系统中的燃料电池会产生性能衰退的情况，从而影响所述最小调整时间段的时间长度。
S252，判断所述最小调整时间段是否大于所述预设时间段。
具体地，进一步比对所述最小调整时间段与所述预设时间段的数值大小。
S253，若所述最小调整时间段大于所述预设时间段，则确定所述动力电池系统应当切换至充电状态，以接收所述燃料电池系统输送的能量，生成动力电池系统切换至充电状态的指令。
具体地，举例说明，若预设时间段为30分钟，最小调整时间段为40分钟，40分钟大于30分钟，则表明为了达到30分钟后的整车需求功率，燃料电池系统调整速度较慢。因此，为了使得30分钟之后能够达到整车需求功率，在燃料电池系统调整的过程中，需要动力电池系统向所述燃料电池系统输送能量。
可以理解，在当前时间节点下，所述动力电池系统应当提前切换至充电状态，以接收所述燃料电池系统输送的能量，通过这种方式预先存储足够的电量。在后续燃料电池系统在调整的过程中，动力电池系统才会具备充足的电量，对燃料电池系统进行充电。这种方式可以最大程度的使得动力电池的荷电状态值保持在合理区间，尽可能的减少动力电池充放电次数。动力电池充放电次数越少，动力电池的换能效率越高，功耗也越少。
本实施例中，通过计算所述燃料电池系统为达到所述整车需求功率，所需要的最小调整时间段，并在最小调整时间段大于预设时间段的条件下，生成动力电池系统切换至充电状态的指令，使得后续燃料电池系统在调整的过程中，动力电池系统能够具备充足的电量，对燃料电池系统进行充电，进而使得动力电池的荷电状态值保持在合理区间，尽可能的减少动力电池充放电次数。
请继续参阅图3，在本申请的一实施例中，在所述步骤S252之后，所述步骤S200还包括：
S254，若所述最小调整时间段小于或等于所述预设时间段，则确定所述动力电池系统应当维持原有工作状态，生成动力电池系统维持原有工作状态的指令。
具体地，举例说明，若预设时间段为30分钟，最小调整时间段为20分钟，30分钟小于20分钟，则表明为了达到30分钟后的整车需求功率，燃料电池系统调整速度可以跟上整车需求功率的变化速度。因此，30分钟之后，单独凭借燃料电池系统自身的调整，能够跟随整车需求功率的变化。在燃料电池系统调整的过程中，不需要动力电池系统向所述燃料电池系统输送能量。
可以理解，在当前时间节点下，所述动力电池系统应当维持原有工作状态。这种方式可以最大程度的减少动力电池充放电次数。动力电池充放电次数越少，动力电池的换能效率越高，功耗也越少。
本实施例中，通过计算所述燃料电池系统为达到所述整车需求功率，所需要的最小调整时间段，并在最小调整时间段小于或等于预设时间段的条件下，生成动力电池系统维持原有工作状态的指令，使得后续燃料电池系统在调整的过程中，动力电池系统维持原有工作状态，尽可能的减少动力电池充放电次数。
请继续参阅图3，在本申请的一实施例中，在所述步骤S242之后，所述步骤S200还包括如下步骤S261至步骤S264：
S261，若所述整车需求功率小于所述当前整车功率，则依据所述部件状态信息，计算所述燃料电池汽车中的电机在所述预设时间段内，通过制动产生的回馈电量值。
具体地，若所述整车需求功率小于所述当前整车功率，则表明燃料电池汽车在后续行驶过程中，需要降低整车功率，可以理解，电机会产生制动过程。电机的制动，会产生一定数值的回馈电量值。为保存这部分回馈电量值，使得能量不被浪费，需要通过动力电池系统接收这部分能量。本步骤中，可以计算制动产生的回馈电量值。
S262，获取所述部件状态信息中的动力电池荷电状态值，依据所述动力电池荷电状态值计算所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值。
具体地，本步骤中，获取当前时间节点下的动力电池荷电状态值(即SOC，英文全称state of charge)。所述动力电池荷电状态值表示，所述动力电池系统的剩余电量值占动力电池系统处于完全充电状态的容量的百分比。可以理解，依据所述动力电池荷电状态值，可以计算得出所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值，即还能够充入的电量值。
S263，判断所述回馈电量值是否大于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值。
具体地，前述内容已经做出说明，制动产生的回馈电量值，需要通过动力电池系统接收这部分能量。因此，在本步骤中，判断所述回馈电量值是否大于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值。
S264，若所述回馈电量值大于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值，则确定所述动力电池系统应当切换至放电状态，生成动力电池系统切换至放电状态的指令。
具体地，若所述回馈电量值大于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值，则表明所述动力电池系统后续无法充入全部回馈电能值。可以理解，所述动力电池系统应当切换至放电状态，预先倾泄一部分电量供给于电机，留出足够的容量，使得所述回馈电能值可以全部充入所述动力电池系统，避免能耗的浪费。需要说明的是，燃料电池系统也可以配合动力电池系统的放电，进行降载。
本实施例中，通过计算在所述整车需求功率小于所述当前整车功率时，所述燃料电池汽车中的电机在所述预设时间段内，通过制动产生的回馈电量值，并在所述回馈电量值大于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值的条件下，生成动力电池系统切换至放电状态的指令，使得后续燃料电池系统在调整的过程中，动力电池系统切换至放电状态，释放一部分能量，以便于能够后续充入回馈电量值，减少能耗的浪费。
请继续参阅图3，在本申请的一实施例中，在所述步骤S263之后，所述步骤S200还包括：
S265，若所述回馈电量值小于或等于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值，则确定所述动力电池系统应当维持原有工作状态，生成动力电池系统维持原有工作状态的指令。
具体地，若所述回馈电量值小于或等于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值，则确定所述动力电池系统后续可以充入全部回馈电能值，不会造成电能的浪费。为了尽可能的减少动力电池充放电次数，动力电池系统应当维持原有工作状态。
本实施例中，通过计算在所述整车需求功率小于所述当前整车功率时，所述燃料电池汽车中的电机在所述预设时间段内，通过制动产生的回馈电量值，并在所述回馈电量值小于或等于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值的条件下，生成动力电池系统维持原有工作状态的指令，使得后续燃料电池系统在调整的过程中，动力电池系统维持原有工作状态，不但可以减少能耗的浪费，而且尽可能的减少了动力电池充放电次数。
本申请还提供一种燃料电池动力系统分层协调控制系统10。
如图4所示，在本申请的一实施例中，所述燃料电池动力系统分层协调控制系统10包括动力系统控制模块100、动力源模块200和功率预测模块300。所述动力系统控制模块100与所述动力源模块200电连接。所述动力系统控制模块100还与所述功率预测模块300电连接。所述动力系统控制模块100，用于执行前述内容提及的燃料电池动力系统分层协调控制方法，生成燃料电池参数变化指令和动力电池充放电指令。
所述动力源模块200，包括燃料电池系统210和动力电池系统220。所述动力源模块200用于，向所述动力系统控制模块100发送当前时间节点下的部件状态信息。所述动力源模块200还用于。接收所述动力系统控制模块100发送的燃料电池参数变化指令和动力电池充放电指令。
功率预测模块300，用于计算所述预设时间段后的整车需求功率。
具体地，可选地，可以通过CAN总线获取所述燃料电池部件状态信息和所述动力电池部件状态信息。由于获取的部件状态信息是当前时间节点下的，可以理解，部件状态信息的获取和发送均是实时的。
所述功率预测模块300与所述动力系统控制模块100电连接，用于计算预设时间段后的整车需求功率。所述预设时间段后的整车需求功率可以由多种方法计算得出。例如，所述功率预测模块300，可以结合燃料电池汽车的工况信息和车速信息，分析计算得出所述预设时间段后的整车需求功率。计算完毕后，所述功率预测模块300，可以将所述预设时间段后的整车需求功率发送至所述动力系统控制模块100。
本实施例中，通过设置动力系统控制模块100，可以实现控制燃料电池系统210的参数调整和动力电池系统220的工作状态变化，以满足整车需求功率的变化。一方面，使得燃料电池系统210内部状态均匀，空压机不产生缺气现象。另一方面，使得动力电池的荷电状态值保持在合理区间，尽可能的减少动力电池充放电次数，在不影响动力电池电能换能效率的条件下达到整车需求功率，不额外增加功耗。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种燃料电池动力系统分层协调控制方法，应用于以燃料电池系统和动力电池系统作为动力源的燃料电池汽车，其特征在于，包括：
S100，获取预设时间段后的整车需求功率和当前时间节点下的部件状态信息；所述部件状态信息包括燃料电池部件状态信息和动力电池部件状态信息；
S200，依据所述整车需求功率和所述部件状态信息，计算燃料电池系统应调整参数，生成燃料电池参数变化指令；并依据所述整车需求功率和所述部件状态信息，确定动力电池系统应当采取的充放电动作，生成动力电池充放电指令；
S300，将所述燃料电池参数变化指令发送至燃料电池系统，以控制所述燃料电池系统调整在当前时间节点下的燃料电池参数；
将所述动力电池充放电指令发送至所述动力电池系统，以控制所述动力电池系统调整在当前时间节点下的工作状态，以使所述燃料电池汽车的整车功率在所述预设时间段后，达到所述整车需求功率。
2.根据权利要求1所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，其特征在于，所述燃料电池部件状态信息包括燃料电池电压、燃料电池电流、空压机转速、阴极循环泵转速、燃料电池阴极背压阀开度、燃料电池阴极进气流量和空压机进气流量中的一种或多种；
所述动力电池部件状态信息包括动力电池电压、动力电池电流、动力电池荷电状态值和动力电池温度中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，其特征在于，所述步骤S200包括：
S211，获取所述预设时间段后的整车需求功率；
S212，读取本地存储的第一表格，所述第一表格为整车需求功率-燃料电池目标电流对应表，依据所述第一表格，查询与所述预设时间段后的整车需求功率对应的燃料电池目标电流；
S213，读取本地存储的第二表格，所述第二表格为燃料电池目标电流-空压机目标转速对应表，依据所述第二表格和所述燃料电池目标电流，查询与所述燃料电池目标电流对应的空压机目标转速；
S214，获取所述部件状态信息中的空压机转速，作为空压机实际转速，并计算所述空压机目标转速与所述空压机实际转速的差值，生成空压机转速差值；
S215，依据公式1和所述空压机转速差值，计算得出空压机前馈工作电流补偿值；
Figure FDA0002314637930000021
其中，u(t)为所述空压机前馈工作电流补偿值，e(t)为所述空压机转速差值，t为当前时间节点，Kp1为第一比例系数，Ki1为第一积分系数；
S216，读取本地存储的第三表格，所述第三表格为燃料电池目标电流-空压机前馈工作电流标定值对应表，依据所述第三表格和所述燃料电池目标电流，查询与所述燃料电池目标电流对应的空压机前馈工作电流标定值；
S217，计算所述空压机前馈工作电流标定值与所述空压机前馈工作电流补偿值之和，得出空压机前馈工作电流调整值。
4.根据权利要求3所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，其特征在于，在所述步骤S213之后，所述步骤S200还包括：
S221，获取所述部件状态信息中的燃料电池阴极背压阀开度；
S222，读取本地存储的第四表格，所述第四表格为空压机目标转速-燃料电池阴极背压阀开度-燃料电池阴极目标进气流量对应表，依据所述第四表格、所述空压机目标转速和所述燃料电池阴极背压阀开度，查询与所述空压机目标转速和所述燃料电池阴极背压阀开度对应的燃料电池阴极目标进气流量；
S223，获取所述部件状态信息中的燃料电池阴极进气流量，作为燃料电池阴极实际进气流量，计算所述燃料电池阴极目标进气流量，与所述燃料电池阴极实际进气流量的差值，生成燃料电池阴极进气流量差值；
S224，依据公式2和所述燃料电池阴极进气流量差值，计算得出阴极循环泵前馈转速补偿值；
Figure FDA0002314637930000031
其中，g(t)为所述阴极循环泵前馈转速补偿值，w(t)为所述燃料电池阴极进气流量差值，t为当前时间节点，Kp2为第二比例系数，Ki2为第二积分系数；
S225，读取本地存储的第五表格，所述第五表格为燃料电池目标电流-阴极循环泵前馈转速标定值对应表，依据所述第五表格和所述燃料电池目标电流，查询与所述燃料电池目标电流对应的阴极循环泵前馈转速标定值；
S226，计算所述阴极循环泵前馈转速标定值与所述阴极循环泵前馈转速补偿值之和，得到阴极循环泵前馈转速调整值。
5.根据权利要求4所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，其特征在于，所述燃料电池应调整参数包括空压机前馈工作电流调整值和阴极循环泵前馈转速调整值，所述步骤200还包括：
S230，依据所述空压机前馈工作电流调整值和所述阴极循环泵前馈转速调整值，生成燃料电池参数变化指令，以使所述燃料电池系统由当前时间节点下的空压机前馈工作电流调整至所述空压机前馈工作电流调整值，以及由当前时间节点下的阴极循环泵前馈转速调整至所述阴极循环泵前馈转速调整值。
6.根据权利要求5所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，其特征在于，所述动力电池充放电指令包括动力电池系统切换至充电状态的指令、动力电池系统切换至放电状态的指令和动力电池系统维持原有工作状态的指令。
7.根据权利要求6所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，其特征在于，所述步骤200还包括：
S241，获取所述预设时间段后的整车需求功率，以及获取当前时间节点下的整车功率，作为当前整车功率；
S242，判断所述整车需求功率是否大于所述当前整车功率；
S251，若所述整车需求功率大于所述当前整车功率，则依据所述部件状态信息，计算所述燃料电池系统为达到所述整车需求功率，所需要的最小调整时间段；
S252，判断所述最小调整时间段是否大于所述预设时间段；
S253，若所述最小调整时间段大于所述预设时间段，则确定所述动力电池系统应当切换至充电状态，以接收所述燃料电池系统输送的能量，生成动力电池系统切换至充电状态的指令。
8.根据权利要求7所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，其特征在于，在所述步骤S252之后，所述步骤S200还包括：
S254，若所述最小调整时间段小于或等于所述预设时间段，则确定所述动力电池系统应当维持原有工作状态，生成动力电池系统维持原有工作状态的指令。
9.根据权利要求8所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，其特征在于，在所述步骤S242之后，所述步骤S200还包括：
S261，若所述整车需求功率小于所述当前整车功率，则依据所述部件状态信息，计算所述燃料电池汽车中的电机在所述预设时间段内，通过制动产生的回馈电量值；
S262，获取所述部件状态信息中的动力电池荷电状态值，依据所述动力电池荷电状态值计算所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值；
S263，判断所述回馈电量值是否大于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值；
S264，若所述回馈电量值大于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值，则确定所述动力电池系统应当切换至放电状态，生成动力电池系统切换至放电状态的指令。
10.根据权利要求9所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，其特征在于，在所述步骤S263之后，所述步骤S200还包括：
S265，若所述回馈电量值小于或等于所述动力电池系统在当前时间节点下能容纳的电量值，则确定所述动力电池系统应当维持原有工作状态，生成动力电池系统维持原有工作状态的指令。
11.一种燃料电池动力系统分层协调控制系统，其特征在于，包括：
动力系统控制模块(100)，用于执行权利要求1-10中任一项所述的燃料电池动力系统分层协调控制方法，生成燃料电池参数变化指令和动力电池充放电指令；
动力源模块(210)，与所述动力系统控制模块(100)电连接，包括燃料电池系统(210)和动力电池系统(220)，用于向所述动力系统控制模块(100)发送当前时间节点下的部件状态信息；
所述动力源模块(210)还用于接收所述动力系统控制模块(100)发送的燃料电池参数变化指令和动力电池充放电指令；
功率预测模块(300)，与所述动力系统控制模块(100)电连接，用于计算预设时间段后的整车需求功率。
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