CN111002873B - 一种燃料电池汽车能量管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车能量管理方法。它过程为确定整车、燃料电池系统和电池的功率参数，车辆启动过程中实时检测整车需求功率和电池的剩余电量，判断燃料电池系统是否启动，根据燃料电池系统的不同状态，依次判断电池的剩余电量与设定阈值之间、整车需求功率与燃料电池系统功率参数之间的对应关系，根据不同判断结果分别控制燃料电池系统和电池的工作状态及输出不同功率，实现燃料电池系统和电池能量分配。本发明采用合理的控制策略，在满足整车指标的前提下，可减少动力电池的电量，降低整车成本及车重，提高整车续驶里程。

Description

一种燃料电池汽车能量管理方法
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种燃料电池汽车能量管理方法。
背景技术
近年来，新能源汽车得到了迅猛发展，多个国家发布了禁售燃油车的时间。在国内因国家和地方政策的引导，新能源汽车得到了长足的发展。燃料电池汽车作为新能源汽车的重要组成部分，近年来也得到了快速的发展。燃料电池汽车在推广过程中存在多个技术难题，如燃料电池系统的核心零部件电堆的寿命问题。燃料电池汽车正常行驶过程中，如电池电量较高时，燃料电池系统输出功率没法为电池充电，反而是电池会输出功率。遇到临时停车、交通信号灯、避让行人等整车需求功率较低的时候，由电池输出功能就能满足整车需求，会导致燃料电池系统频繁开关机。电堆寿命受燃料电池系统开关机次数影响较大，如何在实际应用过程中减少燃料电池系统开关机次数，成为目前急需解决的问题。目前避免燃料电池系统频繁开关机的途径是增加燃料电池汽车配置的电池容量，但电池容量增大会增加整车重量并使得整车成本升高。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种燃料电池汽车能量管理方法。
本发明采用的技术方案是：一种燃料电池汽车能量管理方法，确定燃料电池系统和电池的功率参数，车辆启动过程中实时检测整车需求功率和电池的剩余电量，判断燃料电池系统是否启动，根据燃料电池系统的不同状态，依次判断电池的剩余电量与设定阈值之间、整车需求功率与燃料电池系统功率参数之间的对应关系，根据不同判断结果分别控制燃料电池系统和电池的工作状态及输出不同功率，实现燃料电池系统和电池能量分配。
进一步地，若燃料电池系统启动且电池的剩余电量小于等于第一阈值时，判断整车需求功率与燃料电池系统额定输出功率的大小：当判断整车需求功率大于燃料电池系统额定输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为燃料电池系统额定输出功率，控制电池继电器断开；当判断整车需求功率小于等于燃料电池系统额定输出功率，则控制电池充电，控制燃料电池系统的输出功率为整车需求功率与电池当前充电功率之和。
进一步地，若燃料电池系统启动且电池的剩余电量大于第一阈值小于等于第二阈值时，判断整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的大小：当判断整车需求功率小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为燃料电池系统待机输出功率，控制电池充电；当判断整车需求功率大于燃料电池系统待机输出功率，则进一步判断整车需求功率与电池额定输出功率、燃料电池系统待机输出功率之间的大小。
进一步地，当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值大于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为整车需求功率与电池额定输出功率的差值，控制电池输出功率为电池额定输出功率；当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为燃料电池系统待机输出功率，控制电池输出功率为整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的差值。
进一步地，若燃料电池启动且电池的剩余电量大于第二阈值时，判断整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的大小：当判断整车需求功率小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统关机，控制电池输出功率为整车需求功率；当判断整车需求功率大于燃料电池系统待机输出功率，则进一步判断整车需求功率与电池额定输出功率、燃料电池系统待机输出功率之间的大小。
进一步地，当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值大于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为整车需求功率与电池额定输出功率的差值，控制电池输出功率为电池额定输出功率；当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为燃料电池系统待机输出功率，控制电池输出功率为整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的差值。
进一步地，若燃料电池系统未启动且电池的剩余电量大于第一阈值时，判断整车需求功率与电池额定输出功率的大小：当判断整车需求功率小于等于电池额定输出功率，则控制燃料电池系统不启动，控制电池输出功率为整车需求功率；当判断整车需求功率大于电池额定输出功率，则进一步判断整车需求功率与电池额定输出功率、燃料电池系统待机输出功率之间的大小。
进一步地，当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值大于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统启动且燃料电池系统输出功率为整车需求功率与电池额定输出功率的差值，控制电池输出功率为电池额定输出功率；当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统启动且燃料电池系统输出功率为燃料电池系统待机输出功率，控制电池输出功率为整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的差值。
更进一步地，若燃料电池系统未启动且电池的剩余电量小于等于第一阈值时，判断整车需求功率与燃料电池系统额定输出功率的大小：当判断整车需求功率大于燃料电池系统额定输出功率，则控制燃料电池系统启动且燃料电池系统输出功率为燃料电池系统额定输出功率，控制电池继电器断开；当判断整车需求功率小于等于燃料电池系统额定输出功率，则控制电池充电，控制燃料电池系统启动且燃料电池系统的输出功率为整车需求功率与电池当前充电功率之和。
本发明实时监测整车功率需求和电池SOC，根据当前整车功率需求和电池SOC，实时控制燃料电池系统和电池的输出功率，在特定条件下(如SOC处于较高水平时)关闭燃料电池系统，由电池输出整车需求的功率；电池SOC过低或过高时，结合整车当时的功率需求，判断是否断开电池到整车高压母线的继电器；极限工况需燃料电池系统和电池一同输出功率满足整车需求，这样就不需配置更大容量的燃料电池系统，降低整车成本；整个控制过程保证电池SOC在安全可控的范围内，同时避免了因临时停车导致的燃料电池系统频繁开关机，延长燃料电池系统核心零部件电堆的使用寿命。本发明采用合理的控制策略，在满足整车指标的前提下，可减少动力电池的电量，降低整车成本及车重，提高整车续驶里程。
附图说明
图1为燃料电池汽车的能量供给原理图
图2为本发明的能量管理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
图1所示为燃料电池汽车的能量供给原理图，整车需求功率包含整车驱动电机需求功率、高压电器需求功率、低压电器需求功率等，由燃料电池系统和电池共同提供，通过整车控制器(VCU)或燃料电池控制器(FCCU)负责能量管理的控制策略。
如图2所示，本发明提供一种燃料电池汽车能量管理方法，确定燃料电池系统和电池的功率参数，包括燃料电池系统额定输出功率P(h)、燃料电池系统待机输出功率P(h)min和电池额定输出功率P(b)，燃料电池系统待机输出功＜率P(h)min较小，且电池容量较小，因此三者大小关系为：P(h)min＜P(b)＜P(h)。车辆启动过程中实时检测整车需求功率P和电池的剩余电量SOC，判断燃料电池系统是否启动，根据燃料电池系统的不同状态，依次判断电池的剩余电量SOC与设定阈值之间、整车需求功率与燃料电池系统功率参数之间的对应关系。设定阈值包括第一阈值SOC1和第二阈值SOC2，其中，SOC1为电池电量下限阈值，可设定为20％；SOC2为电池电量上限阈值，可设定为80％，SOC1＜SOC2。根据不同判断结果分别控制燃料电池系统和电池的工作状态及输出不同功率，实现燃料电池系统和电池能量分配，整个控制过程保证电池SOC在安全可控的范围内，同时避免了因临时停车导致的燃料电池系统频繁开关机，延长燃料电池系统核心零部件电堆的使用寿命。
上述方案中，判断当前燃料电池系统是否启动，启动和未启动执行不同的控制策略。
如燃料电池系统启动，然后判断当前SOC是否大于SOC1。如SOC≤SOC1，表示目前电池电量处于较低水平，需要判断是否需要触发电池保护，接下来需判断整车需求功率P和燃料电池系统额定输出功率P(h)，如P>P(h)需VCU通过CAN向BMS发送电池系统切出高压母线的指令，接下来控制接触器S1断开，控制燃料电池系统的输出功率为P(h)；如P≤P(h)，则控制燃电系统的输出功率为P+P(b)c，电池此时处于充电状态，充电功率为P(b)c，同时P+P(b)c应不大于P(h)。
如SOC＞SOC1成立，接下来会判断SOC＞SOC2是否成立，如SOC≤SOC2，判断P＞P(h)min是否成立，如P≤P(h)min，则控制燃料电池系统的输出功率为P(h)min，此时燃料电池系统同时给电池充电，充电功率为P(h)min–P；如P>P(h)min，需判断P–P(b)＞
P(h)min是否成立，如成立，则控制燃料电池系统的输出功率为P–P(b)，电池输出功率为P(b)；如不成立，则控制燃料电池系统输出功率为P(h)min，电池输出功率为P-P(h)min。
如SOC＞SOC2，接下来需判断P>P(h)min是否成立，如不成立，则控制燃料电池系统关机，电池输出功率设定为P；如成立，需判断P–P(b)＞P(h)min是否成立，如成立，则控制燃料电池系统的输出功率为P–P(b)，电池输出功率为P(b)；如不成立，则控制燃料电池系统输出功率为P(h)min，电池输出功率为P-P(h)min。
如燃料电池系统未启动，接下来判断SOC＞SOC1是否成立，如SOC≤SOC1，需判断P与P(h)的大小关系，如P＞P(h)，则控制燃料电池系统启动且输出功率为P(h)，电池继电器S1断开对电池进行保护；如P≤P(h)，则控制燃料电池系统启动，燃料电池系统输出功率为P+P(b)c，此时电池充电功率为P(b)c，P+P(b)c应不大于P(h)。
如SOC＞SOC1，需判断P＞P(b)是否成立，如P≤P(b)，则控制燃料电池系统不启动，电池输出功率设定为P。
如P＞P(b)，需判断P-P(b)＞P(h)min是否成立，如P-P(b)＞P(h)min，则控制燃料电池系统启动且输出功率为P-P(b)，电池输出功率为P(b)；如P-P(b)≤P(h)min，则控制燃料电池系统启动且输出功率为P(h)min，电池输出功率设定为P-P(h)min。
整个控制逻辑中会判断是否接收到key off(车辆钥匙档位信号)指令，如收到该信号，VCU给各系统下发关机指令，未收到该信号则重复上述控制逻辑。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于：确定燃料电池系统和电池的功率参数，车辆启动过程中实时检测整车需求功率和电池的剩余电量，判断燃料电池系统是否启动，根据燃料电池系统的不同状态，依次判断电池的剩余电量与设定阈值之间、整车需求功率与燃料电池系统功率参数之间的对应关系，根据不同判断结果分别控制燃料电池系统和电池的工作状态及输出不同功率，实现燃料电池系统和电池能量分配；
若燃料电池系统启动且电池的剩余电量大于第一阈值小于等于第二阈值时，判断整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的大小：当判断整车需求功率小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为燃料电池系统待机输出功率，控制电池充电；当判断整车需求功率大于燃料电池系统待机输出功率，则进一步判断整车需求功率与电池额定输出功率、燃料电池系统待机输出功率之间的大小。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于：若燃料电池系统启动且电池的剩余电量小于等于第一阈值时，判断整车需求功率与燃料电池系统额定输出功率的大小：当判断整车需求功率大于燃料电池系统额定输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为燃料电池系统额定输出功率，控制电池继电器断开；当判断整车需求功率小于等于燃料电池系统额定输出功率，则控制电池充电，控制燃料电池系统的输出功率为整车需求功率与电池当前充电功率之和。
3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于：当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值大于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为整车需求功率与电池额定输出功率的差值，控制电池输出功率为电池额定输出功率；当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为燃料电池系统待机输出功率，控制电池输出功率为整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的差值。
4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于：若燃料电池启动且电池的剩余电量大于第二阈值时，判断整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的大小：当判断整车需求功率小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统关机，控制电池输出功率为整车需求功率；当判断整车需求功率大于燃料电池系统待机输出功率，则进一步判断整车需求功率与电池额定输出功率、燃料电池系统待机输出功率之间的大小。
5.根据权利要求4所述的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于：当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值大于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为整车需求功率与电池额定输出功率的差值，控制电池输出功率为电池额定输出功率；当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统的输出功率为燃料电池系统待机输出功率，控制电池输出功率为整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的差值。
6.根据权利要求1所述的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于：若燃料电池系统未启动且电池的剩余电量大于第一阈值时，判断整车需求功率与电池额定输出功率的大小：当判断整车需求功率小于等于电池额定输出功率，则控制燃料电池系统不启动，控制电池输出功率为整车需求功率；当判断整车需求功率大于电池额定输出功率，则进一步判断整车需求功率与电池额定输出功率、燃料电池系统待机输出功率之间的大小。
7.根据权利要求6所述的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于：当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值大于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统启动且燃料电池系统输出功率为整车需求功率与电池额定输出功率的差值，控制电池输出功率为电池额定输出功率；当判断整车需求功率与电池额定输出功率的差值小于等于燃料电池系统待机输出功率，则控制燃料电池系统启动且燃料电池系统输出功率为燃料电池系统待机输出功率，控制电池输出功率为整车需求功率与燃料电池系统待机输出功率的差值。
8.根据权利要求1所述的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于：若燃料电池系统未启动且电池的剩余电量小于等于第一阈值时，判断整车需求功率与燃料电池系统额定输出功率的大小：当判断整车需求功率大于燃料电池系统额定输出功率，则控制燃料电池系统启动且燃料电池系统输出功率为燃料电池系统额定输出功率，控制电池继电器断开；当判断整车需求功率小于等于燃料电池系统额定输出功率，则控制电池充电，控制燃料电池系统启动且燃料电池系统的输出功率为整车需求功率与电池当前充电功率之和。
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