CN111361459B - 氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法 - Google Patents

氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，包括：A.如果当前挡位为P/N挡时，进入步骤B，否则结束；B.如果当前氢燃料电池输出功率小或等于ξ时，则进入步骤C，否则结束；C.如果当前二次电池SOC大于等于阈值α时，则进入步骤D，否则结束；D.对挡位维持时间进行累积；E.当累积时间大于或等于ε时，进入步骤F，否则返回步骤B；F.氢燃料电池电压按照定斜率a下降至U1，之后进入步骤G；G.氢燃料电池电压按照变斜率b下降至U2。本发明有益效果：通过对氢燃料电池输出功率较小时的电压进行控制，可以降低氢的喷射量，进而减少DCDC启动频次，提高燃料电池整体的工作效率，同时可以减缓催化剂的衰变，延长氢燃料电池的使用寿命。

Description

氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法
技术领域
本发明属于车辆工程领域，尤其是涉及一种氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法。
背景技术
随着环保意识的加强，国家法规对汽车的排放要求也越来越高，为了应对法规要求和响应环保号召，各个企业在发展纯电动轿车的同时，燃料电池轿车也逐渐成熟。
氢燃料电池汽车是应用最广泛的，也是最具有前景的燃料电池汽车。为了进一步提高氢燃料电池的使用效率和使用寿命，在氢燃料电池需求输出功率较小时，对氢燃料电池的电压控制成为关键。
目前，国内燃料电池汽车在燃料电池控制方面，仍采用中混或者重混方案，其中仍然存在对全功率型燃料电池汽车研究不足、燃料电池汽车怠速控制内容欠缺等问题，对氢燃料电池需求输出功率较小时，如何保障氢燃料电池的使用效率和使用寿命成为关键技术。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，对氢燃料电池需求输出功率较小时，对氢燃料电池的电压进行下降处理，从而提高氢燃料电池的使用效率和使用寿命。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，包括以下步骤：
A.判断汽车当前挡位，如果当前挡位为P/N挡时，进入步骤B，否则结束；
B.对当前氢燃料电池需求输出功率进行判定，如果当前氢燃料电池输出功率小于或等于需求功率阈值ξ时，则进入步骤C，否则结束；
C.对当前二次电池SOC进行判断，如果当前二次电池SOC大于或等于二次电池SOC的阈值α时，则进入步骤D，否则结束；
D.对挡位维持时间进行累积,累计后进行步骤E；
E.对当前挡位累计时间进行判定，当累积时间大于或等于累计时间阈值ε时，进入步骤F，否则返回步骤B；
F.氢燃料电池电压按照定斜率a下降至U1，之后进入步骤G；
G.氢燃料电池电压按照变斜率b下降至U2，之后进入步骤H；
H.结束。
进一步的，所述步骤A中挡位信号从挡位传感器获得，用于判断当前挡位是否为P/N挡；
进一步的，所述步骤B中需求输出功率信号从总线上获得，包括氢燃料电池和二次电池对外的总的目标输出功率，即附件需求功率和变换器需求功率。
进一步的，所述步骤B中当前氢燃料电池需求输出功率是当挡位处于P/N挡时，附件以及变换器总的需求功率，如果此时处于制动能量回收状态，则驱动电机及变换器处于向二次电池或者附件输出能量状态，变换器的需求功率为负值。
进一步的，所述需求功率阈值ξ通过二次电池的总容量和处于停车状态下附件的功率大小确定，其表达式为，
z＝1.2469*x^1.3818*y^0.4743，
该式中z为需求功率阈值ξ，x为二次电池总容量，y为停车状态下附件功率。
进一步的，所述步骤E中累计时间阈值ε通过氢燃料电池再次进入工作状态时电压上升的速度以及对氢燃料电池使用寿命的影响程度确定，其表达式为，
z＝43985*x^(-1.0849)*y^0.2193，
该式中z为累计时间阈值ε，x为电压上升速率，y为寿命衰减。
进一步的，所述二次电池SOC的阈值α通过二次电池总容量和处于停车时附件功率的大小确定，其表达式为，
z＝57.3817*x^(-0.1298)*y^0.4872，
该式中z为二次电池SOC的阈值α，x为二次电池总容量，y为停车状态下附件功率。
进一步的，所述定斜率a通过氢燃料电池电压控制精度和对氢燃料电池催化剂寿命的影响程度确定，其表达式为，
a＝-1.2757*x^(-0.3212)*y^(-0.1497)，
该式中z为斜率a，x为电压控制精度，y为催化剂寿命衰减。
进一步的，所述U1的计算公式如下：
y＝-2031*x^2-1334*x+309.2，
其中x为催化剂寿命衰减，y为电压U1。
进一步的，所述变斜率b的计算公式如下：
y＝6.167*10^(-6)*x^2-0.01867*x+0.8314，
其中y为斜率b，x为当前电压。
进一步的，所述U2通过实车标定获得。
相对于现有技术，本发明所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法具有以下优势：
本发明所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法通过对氢燃料电池输出功率较小时的电压进行控制，可以降低氢的喷射量，进而减少DCDC启动频次，提高燃料电池整体的工作效率，同时可以减缓催化剂的衰变，延长氢燃料电池的使用寿命。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为氢燃料电池汽车系统构成示意图；
图2为本发明实施例所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法流程图；
图3为氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制过程；
图4为斜率b与当前电压的关系；
图5为需求功率阈值与二次电池总容量和停车状态下附件功率的关系；
图6为累计时间阈值与电压上升速度和电池寿命衰减的关系；
图7为二次电池SOC阈值与二次电池总容量和停车时附件功率的关系；
图8为定斜率与电压控制精度和电池催化剂寿命衰减的关系；
图9为电压U1与催化剂寿命衰减的关系。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图2所示，氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，包括以下步骤：
A.判断汽车当前挡位，如果当前挡位为P/N挡时，进入步骤B，否则结束；
B.对当前氢燃料电池需求输出功率进行判定，如果当前氢燃料电池输出功率小于或等于需求功率阈值ξ时，则进入步骤C，否则结束；
C.对当前二次电池SOC进行判断，如果当前二次电池SOC大于或等于二次电池SOC的阈值α时，则进入步骤D，否则结束；
D.对挡位维持时间进行累积,累计后进行步骤E；
E.对当前挡位累计时间进行判定，当累积时间大于或等于累计时间阈值ε时，进入步骤F，否则返回步骤B；
F.氢燃料电池电压按照定斜率a下降至U1，之后进入步骤G；
G.氢燃料电池电压按照变斜率b下降至U2，之后进入步骤H；
H.结束。
所述步骤A中挡位信号从挡位传感器获得，用于判断当前挡位是否为P/N挡；
所述步骤B中需求输出功率信号从总线上获得，包括氢燃料电池和二次电池对外的总的目标输出功率，即附件需求功率和变换器需求功率。
所述步骤B中当前氢燃料电池需求输出功率是当挡位处于P/N挡时，附件以及变换器总的需求功率，如果此时处于制动能量回收状态，则驱动电机及变换器处于向二次电池或者附件输出能量状态，变换器的需求功率为负值。
如图5所示，所述步骤B中需求功率阈值ξ通过二次电池的总容量和处于停车状态下附件的功率大小确定，其表达式为，
z＝1.2469*x^1.3818*y^0.4743，
该式中z为需求功率阈值ξ，x为二次电池总容量，y为停车状态下附件功率。
当二次电池的总容量较大时，需求功率阈值ξ设定的较大些，当二次电池的总容量较小时，需求功率阈值ξ设定的较小些；当停车状态下附件功率较大时，需求功率阈值ξ设定的较小些，当停车状态下附件功率较小时，需求功率阈值ξ设定的较大些。所述需求功率阈值ξ通过实车或者台架标定得到。本实施例中所述需求功率阈值ξ设定为8.2kw。
如图6所示，所述步骤E中累计时间阈值ε通过氢燃料电池再次进入工作状态时电压上升的速度以及对氢燃料电池使用寿命的影响程度确定，其表达式为，
z＝43985*x^(-1.0849)*y^0.2193，
该式中z为累计时间阈值ε，x为电压上升速率，y为寿命衰减。
氢燃料电池再次进入工作状态时电压上升速度越快，则累计时间阈值ε设定的较小些，氢燃料电池再次进入工作状态时电压上升速度越慢，则累计时间阈值ε设定的较大些；对氢燃料电池寿命影响程度越低，则累计时间阈值ε设定的较小些，对氢燃料电池寿命影响程度越高，则累计时间阈值ε设定的较大些。所述累计时间阈值ε通过实车或者台架标定得到，本实施例中所述累计时间阈值ε为120s。
如图7所示，所述步骤C中二次电池SOC的阈值α通过二次电池总容量和处于停车时附件功率的大小确定，其表达式为，
z＝57.3817*x^(-0.1298)*y^0.4872，
该式中z为二次电池SOC的阈值α，x为二次电池总容量，y为停车状态下附件功率。
当二次电池的总容量较大时，二次电池SOC的阈值α设定的较小些，当二次电池的总容量较小时，二次电池SOC的阈值α设定的较大些；当停车状态下附件功率较大时，二次电池SOC的阈值α设定的较大些，当停车状态下附件功率较小时，二次电池SOC的阈值α设定的较小些。所述二次电池SOC的阈值α可通过实车或者台架标定得到。本实施例中，所述二次电池SOC的阈值α设定为48％。
氢燃料电池电压下降控制阶段主要分为两个阶段，如图2及图3所示，第一阶段称为缓慢下降阶段，第二阶段称为快速下降阶段。第一阶段主要是考虑当驾驶员突然增加需求功率时，能够快速响应，同时为了降低控制难度，采用定斜率的方法对氢燃料电池电压的下降过程进行控制，第二阶段主要是考虑下降时间和电压的控制精度，采用变斜率控制，为了减少电压下降过程所需要的时间，电压较高时，斜率的绝对值设置较大，当电压较低时，为了防止电压下降过程中产生超调，斜率的绝对值逐渐减小。
氢燃料电池电压下降阶段在第一阶段时，以定斜率a进行目标电压的设定，电压下降至U1结束。
如图8所示，所述步骤F中定斜率a通过氢燃料电池电压控制精度和对氢燃料电池催化剂寿命的影响程度确定，其表达式为，
a＝-1.2757*x^(-0.3212)*y^(-0.1497)，
该式中z为斜率a，x为电压控制精度，y为催化剂寿命衰减。
当氢燃料电池电压控制精度较高时，定斜率a的绝对值设定的较大些，当氢燃料电池电压控制精度较低时，定斜率a的绝对值设定的较小些；当电压下降过程对氢燃料电池催化剂寿命的影响较小时，定斜率a的绝对值设定的较大些，当电压下降过程对氢燃料电池催化剂寿命的影响较大时，定斜率a的绝对值设定的较小些。本实施例中所述定斜率a设定为-2.7V/s。
如图9所示，所述步骤F中U1的设定与对氢燃料电池催化剂寿命影响程度有关，其计算公式如下：
y＝-2031*x^2-1334*x+309.2，
该式中x为催化剂寿命衰减，y为电压U1。
当对氢燃料电池催化剂寿命影响程度较小时，U1设定的较大些，当对氢燃料电池催化剂寿命影响程度较大时，U1设定的较小些。U1具体数值可通过实车或者台架标定得到，在本实施例中，所述U1设定为200V。
如图4所示，所述步骤G中变斜率b的设定与当前电压的大小有关，所述变斜率b的计算公式如下：
y＝6.167*10^(-6)*x^2-0.01867*x+0.8314，
该式中y为斜率b，x为当前电压。
当当前电压较大时，变斜率b的绝对值设定的较大些，当当前电压较小时，斜率b的绝对值设定的较小些；变斜率b的绝对值最终变化为0。变斜率b随当前电压的变化趋势可通过实车或者台架标定得到。
所述步骤G中U2通过实车标定获得，它需要考虑维持电压U2所需要的耗氢量、维持在电压U2时对氢燃料电池使用寿命的影响、从电压U2再次上升到氢燃料电池正常工作电压时对氢燃料电池寿命的影响等因素，其中耗氢量应当越少越好，对氢燃料电池寿命的影响应该越小越好。本实施例中，所述U2设定为60V。
如图1所示，氢燃料电池汽车的系统，包括燃料电池、燃料电池转换器、二次电池、二次电池转换器、附件、变换器、驱动电机，所述燃料电池输出端与燃料电池转换器输入端连接，二次电池输出端与二次电池转换器输入端连接，燃料电池转换器的输出端、二次电池转换器的输出端、附件输入端、变换器的输入端连接在一起，变换器的输出端与驱动电机连接。
图1中箭头所示为能量的流动方向，燃料电池能量只能单向流动给燃料电池转换器，燃料电池转换器的能量只能单向流动给二次电池转换器、附件或者变换器；二次电池的能量可以和二次电池转换器相互流动，二次电池转换器的能量可以流动给附件和变换器，也可以从变换器接收能量；附件只能够从燃料电池转换器、二次电池转换器或者变换器接收能量；变换器可以从燃料电池转换器或者二次电池转换器接收能量，也可以输出能量给二次电池转换器和附件；驱动电机可以从变换器接收能量，也可以输出能量给变换器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.判断汽车当前挡位，如果当前挡位为P/N挡时，进入步骤B，否则结束；
B.对当前氢燃料电池需求输出功率进行判定，如果当前氢燃料电池输出功率小于或等于需求功率阈值ξ时，则进入步骤C，否则结束；
C.对当前二次电池SOC进行判断，如果当前二次电池SOC大于或等于二次电池SOC的阈值α时，则进入步骤D，否则结束；
D.对挡位维持时间进行累积,累计后进行步骤E；
E.对当前挡位累计时间进行判定，当累积时间大于或等于累计时间阈值ε时，进入步骤F，否则返回步骤B；
F.氢燃料电池电压按照定斜率a下降至U1，之后进入步骤G；
G.氢燃料电池电压按照变斜率b下降至U2，之后进入步骤H；
H.结束。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于：所述步骤A中挡位信号从挡位传感器获得，用于判断当前挡位是否为P/N挡。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于：所述步骤B中需求输出功率信号从总线上获得，包括氢燃料电池和二次电池对外的总的目标输出功率，即附件需求功率和变换器需求功率。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于：所述步骤B中需求功率阈值ξ通过二次电池的总容量和处于停车状态下附件的功率大小确定，其表达式为，
z＝1.2469*x^1.3818*y^0.4743，
其中z为需求功率阈值ξ，x为二次电池总容量，y为停车状态下附件功率。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于：所述步骤E中累计时间阈值ε通过氢燃料电池再次进入工作状态时电压上升的速率以及对寿命衰减百分比计算得到，其表达式为，
z＝43985*x^(-1.0849)*y^0.2193，
其中z为累计时间阈值ε，x为电压上升速率，y为寿命衰减百分比。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于：所述二次电池SOC的阈值α通过二次电池总容量和处于停车时附件功率的大小确定，其表达式为，
z＝57.3817*x^(-0.1298)*y^0.4872，
其中z为二次电池SOC的阈值α，x为二次电池总容量，y为停车状态下附件功率。
7.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于：所述定斜率a通过氢燃料电池电压控制精度和催化剂寿命衰减百分比计算得到，其表达式为，
a＝-1.2757*x^(-0.3212)*y^(-0.1497)，
其中x为电压控制精度，y为催化剂寿命衰减百分比。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于，所述U1的计算公式如下：
y＝-2031*x^2-1334*x+309.2，
其中x为催化剂寿命衰减百分比，y为电压U1。
9.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于，所述变斜率b的计算公式如下：
y＝6.167*10^(-6)*x^2-0.01867*x+0.8314，
其中y为斜率b，x为当前电压。
10.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车功率需求较小时电压控制方法，其特征在于，所述U2通过实车标定获得。
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