CN111055728A - 氢燃料电池与动力电池混合动力客车的能量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池与动力电池混合动力客车的能量控制方法，包括步骤：采集电机功率数据；在电机平均功率值左右一定范围内选取SOC值，对电堆功率范围进行插值分配；增加车辆停车判断；锁定电堆变载频率标准，并评估是否满足要求；判断电池SOH情况；增加低SOC强行启堆动作。本发明基于电堆系统控制器、BMS和整车控制器系统，可通过即时数据完成能量控制策略指定和优化。并通过VCU对整车动力状态进行判断，增加停车电堆低功率供电和低SOC强制启堆操作，进一步保证了电堆和电池的健康工作状态。使电堆在尽可能满足整车功率需求的基础上尽量低功率输出，保证电堆寿命同时降低氢耗。同时可使电池在相对较高且稳定的SOC区间工作，延长电池寿命。

Description

氢燃料电池与动力电池混合动力客车的能量控制方法
技术领域
本发明涉及新能源客车领域，特别涉及一种氢燃料电池与动力电池混合动力客车的能量控制方法。
背景技术
氢燃料电池是利用氢气和氧气/空气作为反应气体，利用催化化学反应，降低氧还原反应能量势垒，使反应生成电子，从而形成电流，为负载提供电能的装置。该装置利用了脱离卡诺热循环，具有非常高的热电转化效率，只产生对环境零污染的水，具有绝对的环境友好型。目前已经广泛应用于便携式电源、固定电源/站、公路交通、海运及军事领域。但是燃料电池电化学反应存在时间窗口，即功率响应需要时间，所以需要配合其他类型储能机构完成能量稳定输出和供给。常见的是配合动力电池，使其平衡负载需求，对电堆功率起到削峰减谷的作用。
专利号为CN110329109A的专利公开了一种燃料电池氢能汽车能量管理系统的控制方法。系统包括燃料电池、启动电机、驱动电机、真空飞轮储能装置、VCU、FCU、第一第二MEU及BMS。FCU利用采集SOC、车速、油门踏板、制动踏板信息，通过VCU对整车状态及能量管理状态进行判断，从而触发相应的能量控制策略。
专利号为CN110040038A的专利公开了一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法。通过采集数据，计算整车驱动电机的需求功率，根据计算结果及所采集的SOC信号等，在保证SOC前提下，提供最佳目标功率输出，锁定能量控制策略。保证动力电池SOC在均衡区间内。在满足整车动力性能基础上，延长燃料电池的使用寿命。
现有技术从电池及燃料电池效率和寿命角度考虑，均存在高效与长寿命工作区间。因此，如何进行能量输出控制是提高能量供给效率和延长寿命的重要方法之一。
发明内容
本发明目的是：提供一种氢燃料电池与动力电池混合动力客车的能量控制方法，在整车驱动电机功率输出数据基础上，保证SOC的能量裕度前提下，锁定第一版能量控制策略；根据实际实施情况，结合电堆变载频率数据，进行策略调整；增加停车判断，减少燃料电池系统的开关机对电堆系统的影响，同时保证电堆在可接受低功率运行，维持动力电池SOC稳定，提高电池寿命。
本发明的技术方案是：
氢燃料电池与动力电池混合动力客车的能量控制方法，包括步骤：
S1、采集电机功率数据；
S2、在电机平均功率值左右一定范围内选取SOC值，对电堆功率范围进行插值分配；
S3、增加车辆停车判断；
S4、锁定电堆变载频率标准，并评估是否满足要求；
S5、判断电池SOH情况；
S6、增加低SOC强行启堆动作。
具体的，步骤S1中，针对目标车型，在特定工况下进行纯电模式运行，以采集电机电流、电压、输出功率、辅助系统功率、电池电压、电池电流、电池输出功率、电池SOC的数据信息，通过计算得到运行状态下整车需求的电机平均功率。
步骤S2中，对电堆功率范围进行插值分配原则为：1、电堆系统目标功率等于电机平均功率；2、电堆系统最大功率为电堆最大输出功率Pmax；3、电堆系统最小功率为电堆系统允许最小功率Pmin；4、以5-20%的SOC范围对电堆功率进行等额插值，即（Pmax-Pmin）/n，n=5-20。
步骤S3中，对10min前停车Pmotor1和10min后停车Pmotor2电机功率数值进行对比，若Pmotor2= Pmotor1=0，则整车控制器VCU向燃料电池系统控制器FCU输入目标功率为Pmin；同时对电机功率开始执行判断，若Pmotor≥0，则执行功率查表，通过锁定电池SOC值，锁定目标功率，输出给燃料电池系统控制器FCU。
步骤S4中，根据燃料电池极化和LSV曲线，锁定满足电堆寿命要求的电池变载频率f，将实车按照步骤S2锁定能量控制策略进行工况试验或仿真分析，评估电堆变载频率是否满足要求，并进行调整。
步骤S5中，在完成步骤S4，策略达到要求后，评估电池SOC状态，包括评估SOC浮动范围及电量吞吐，并评估电池SOH状态。若SOC浮动范围超出健康范围，则应适当上调或下调对应插值目标功率。
步骤S6中，在双电系统运行期间，BMS跟踪电池SOC变化情况，当低于某一值S0时，忽略混动启动按键状态，强迫电堆按照指定目标功率启动，完成电池充电，保证电池的SOH。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明基于电堆系统控制器、BMS和整车控制器系统，可通过即时数据完成能量控制策略指定和优化。并通过VCU对整车动力状态进行判断，增加停车电堆低功率供电和低SOC强制启堆操作，进一步保证了电堆和电池的健康工作状态。使电堆在尽可能满足整车功率需求的基础上尽量低功率输出，保证电堆寿命同时降低氢耗。同时可使电池在相对较高且稳定的SOC区间工作，延长电池寿命。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为氢燃料电池与动力电池混合动力系统的结构原理图；
图2为本发明氢燃料电池与动力电池混合客车的能量控制方法的流程图；
图3为能量控制策略曲线图；
图4为电堆系统功率变载曲线图；
图5为电堆系统电池SOC变化曲线图。
具体实施方式
如图1所示，氢燃料电池与动力电池混合动力系统，涉及整车控制器、燃料电池系统控制器、BMS等。
所述整车控制器主要是对电机运行及功率输出情况进行相关数据统计，包括电压、电流、输出功率等。完成相关运行状态监控和计算，包括电机运行状态、电机输出功率计算，并在预先设定的规则中进行查表，完成电堆功率目标功率锁定，并将指令输入给FCU及BMS，控制整车能量状态。
所述燃料电池系统控制器主要是接受整车控制器所发出的指令，通过调整氢气及空气背压、电堆温度等，将目标功率转化为实际功率，并输出。
所述BMS主要是对电池运行及电压、电流、功率输出情况进行数据统计。实现整车控制器的目标功率指令，完成输出。同时对不利于电池SOH的状态进行报警，同时将警示信息发送给整车控制器，做出相关判断后，进行整车能量控制。
如图2所示，本实施例的氢燃料电池与动力电池混合客车的能量控制方法包括：
步骤S1：针对目标车型，在特定工况下进行纯电模式运行，以采集电机电流、电压、输出功率、辅助系统功率、电池电压、电池电流、电池输出功率、电池SOC等数据信息。通过计算得到运行状态下整车需求的电机平均功率为25kW；
步骤S2：锁定电堆系统的最小功率、额定功率和最大功率。例如：某电堆最小功率5kW、额定功率35kW、最大功率95kW。将步骤一所得25kW作为燃料电池的稳定输出功率，在25kW两侧等值插值为：5-15-25-30-45-55-65-75-85-95。定义电池SOH中SOC变化区间为30%-75%，对照电堆功率等值插值组数，确定SOC变化区间为：30-35-40-45-50-55-60-65-70-75；一一对应后锁定能量控制策略如图3所示.
步骤S3：针对停车超过10min以上，执行电堆功率5kW；否则执行步骤S2所得控制策略；
步骤S4：根据步骤S2所得策略进行仿真或实车试验，获取电堆系统功率变载及SOC变化曲线，如图4所示，电堆变载需求：≥10min/次。通过变载频率曲线可以看出，变载频率满足要求。若不满足要求，应适当降低该SOC点上电堆目标功率值，并可适时的与相邻功率点合并。如图5所示，SOC要求30-75%，通过SOC变化曲线可以看出，SOC满足要求。若不满足要求：1）低于Smin，则提高在该SOC区域内的目标功率值；2）高于Smax，则降低该SOC区域内的目标功率值。
步骤S5：判断是否存在SOC低于30%的时间，若存在，且电堆系统是关机状态，则需要VCU发出指令，强制开机，并通过计算锁定能满足SOC迅速回到健康区间的电堆功率值。
综上所述：本发明基于整车控制系统、燃料电池系统控制系统、BMS控制系统，发明了一种能量控制策略设计方法。可用于电电混合动力客车的能量控制策略的设计与制定。在满足车辆动力需求的同时，保证电池及燃料电池在健康及低能耗状态工作，保证能量系统的低能耗和长寿命。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.氢燃料电池与动力电池混合动力客车的能量控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1、采集电机功率数据；
S2、在电机平均功率值左右一定范围内选取SOC值，对电堆功率范围进行插值分配；
S3、增加车辆停车判断；
S4、锁定电堆变载频率标准，并评估是否满足要求；
S5、判断电池SOH情况；
S6、增加低SOC强行启堆动作。
2.根据权利要求1上述的能量控制方法，其特征在于，
步骤S1中，针对目标车型，在特定工况下进行纯电模式运行，以采集电机电流、电压、输出功率、辅助系统功率、电池电压、电池电流、电池输出功率、电池SOC的数据信息，通过计算得到运行状态下整车需求的电机平均功率。
3.根据权利要求2上述的能量控制方法，其特征在于，
步骤S2中，对电堆功率范围进行插值分配原则为：1、电堆系统目标功率等于电机平均功率；2、电堆系统最大功率为电堆最大输出功率Pmax；3、电堆系统最小功率为电堆系统允许最小功率Pmin；4、以5-20%的SOC范围对电堆功率进行等额插值，即（Pmax-Pmin）/n，n=5-20。
4.根据权利要求3上述的能量控制方法，其特征在于，
步骤S3中，对10min前停车Pmotor1和10min后停车Pmotor2电机功率数值进行对比，若Pmotor2= Pmotor1=0，则整车控制器VCU向燃料电池系统控制器FCU输入目标功率为Pmin；同时对电机功率开始执行判断，若Pmotor≥0，则执行功率查表，通过锁定电池SOC值，锁定目标功率，输出给燃料电池系统控制器FCU。
5.根据权利要求4上述的能量控制方法，其特征在于，
步骤S4中，根据燃料电池极化和LSV曲线，锁定满足电堆寿命要求的电池变载频率f，将实车按照步骤S2锁定能量控制策略进行工况试验或仿真分析，评估电堆变载频率是否满足要求，并进行调整。
6.根据权利要求5上述的能量控制方法，其特征在于，
步骤S5中，在完成步骤S4，策略达到要求后，评估电池SOC状态，包括评估SOC浮动范围及电量吞吐，并评估电池SOH状态；若SOC浮动范围超出健康范围，则应适当上调或下调对应插值目标功率。
7.根据权利要求6上述的能量控制方法，其特征在于，
步骤S6中，在双电系统运行期间，BMS跟踪电池SOC变化情况，当低于某一值S0时，忽略混动启动按键状态，强迫电堆按照指定目标功率启动，完成电池充电，保证电池的SOH。
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