CN111572411A - 一种燃料电池车辆的动力系统、能量控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池车辆技术领域，具体涉及一种燃料电池车辆的动力系统、能量控制方法及装置。该方法首先根据上一控制周期内整车的需求功率和储能装置的荷电状态，预测得到当前控制周期内燃料电池的平均功率；然后在当前控制周期内，参照所述燃料电池的平均功率控制燃料电池工作，使燃料电池输出功率保持不变。本发明中燃料电池的输出功率不再是实时变化的，而是在一个控制周期内保持不变，同时，为了满足整车的动力需求，将储能装置作为削峰填谷的能量池，既保证了整车的需求功率的跟随，又防止燃料电池因输出功率的动态变化导致膜穿孔、催化剂剥落等情况，保证了燃料电池的使用寿命，提高了燃料电池的可靠性，保证了整车的驾驶安全性。

Description

一种燃料电池车辆的动力系统、能量控制方法及装置

技术领域

本发明属于燃料电池车辆技术领域，具体涉及一种燃料电池车辆的动力系统、能量控制方法及装置。

背景技术

随着全球污染的日益加剧，以及石油资源的日渐枯竭，降低污染物排放、减少石油的消耗已迫在眉睫。近年来，新能源车辆迅速发展，燃料电池车辆作为绿色交通的典型代表，正逐渐受到人们的关注。

燃料电池是一种采用电化学反应的方式将燃料中的化学能转化为电能的发电装置，具有环境友好、安全可靠和易于操作等优点，广泛应用于备用电源、分布式电站和汽车动力等多个领域。

一般的燃料电池车辆不会仅使用燃料电池作为动力源，这是因为其响应速度慢且能量无法回收，故其动力源一般还会包括储能装置，储能装置可为动力电池，也可为超级电容。由于其动力源的多样性，便需要合理分配能量，在保证燃料电池和动力电池使用寿命的同时，并保证能耗较低，这是燃料电池车辆研究的重点。

为了解决上述问题，申请公布号为CN110040038A的中国发明专利公开了一种氢-电混合燃料电池客车能量管理控制方法及系统，该方法根据采集的数据计算整车驱动电机的需求功率，并根据整车驱动电机的需求功率、燃料电池极化曲线和动力电池SOC值确定燃料电池功率点，根据该值控制燃料电池的输出功率。虽说该方法可使燃料电池工作在最佳效率区域，保证整车能耗较低，但是由于整车的需求功率是不断变化的，这也必然导致燃料电池的输出功率也是跟随需求功率而实时变化的。当燃料电池的输出功率动态变化时，其内部容易出现局部亏气、压力不均、干湿交替等现象。长期以往，将导致膜穿孔、催化剂剥落等后果，影响燃料电池使用寿命。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池车辆的动力系统、能量控制方法及装置，用以解决现有技术中的由于燃料电池的输出功率是实时变化的造成影响燃料电池寿命的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：

本发明提供了一种燃料电池车辆的能量控制方法，包括如下步骤：

1)根据上一控制周期内整车的需求功率和储能装置的荷电状态，预测得到当前控制周期内燃料电池的平均功率；

2)在当前控制周期内，参照所述燃料电池的平均功率控制燃料电池工作，使燃料电池输出功率保持不变。

上述技术方案的有益效果为：本发明基于上一控制周期内整车的需求功率和储能装置的荷电状态预测当前控制周期内燃料电池的平均功率，从而在当前控制周期内，使燃料电池一直参照该燃料电池的平均功率控制燃料电池工作，使当前控制周期内燃料电池输出的功率不变。也就是说，本发明中燃料电池的输出功率不再是实时变化的，而是在一个控制周期内保持不变，同时，为了满足整车的动力需求，将储能装置作为削峰填谷的能量池，既保证了整车的需求功率的跟随，又防止燃料电池因输出功率的动态变化导致膜穿孔、催化剂剥落等情况，保证了燃料电池的使用寿命，提高了燃料电池的可靠性，保证了整车的驾驶安全性。

作为方法的进一步改进，若当前控制周期为第一个控制周期，所述燃料电池的平均功率为历史最优功率，所述历史最优功率根据整车常用工况、与整车常用工况匹配的燃料电池的最佳工作区间、以及储能装置的初始荷电状态确定。

作为方法的进一步改进，为了节省燃料电池燃料的同时满足整车的功率需求，步骤1)后，还包括判断所述当前控制周期内燃料电池的平均功率是否小于等于设定怠速功率的步骤：若当前控制周期内燃料电池的平均功率小于等于设定怠速功率，参数所述设定怠速功率控制燃料电池工作。

作为方法的进一步改进，为了节省燃料电池燃料，还包括判断整车是否处于怠速状态的步骤：若整车处于怠速状态，则参照设定怠速功率控制燃料电池工作。

作为方法的进一步改进，为了简单且准确判断出整车是否处于怠速状态，判断整车处于怠速状态的条件包括：整车车速持续小于设定怠速速度，整车车速持续小于设定怠速速度的持续时间小于所述控制周期。

作为方法的进一步改进，所述控制周期的长短与燃料电池的变载能力有关，且燃料电池的变载能力越高，所述控制周期越短。

作为方法的进一步改进，所述控制周期为10分钟。

本发明还提供了一种燃料电池车辆的能量控制装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述燃料电池车辆的能量控制方法，并达到与方法相同的效果。

本发明还提供了一种燃料电池车辆的动力系统，包括燃料电池和储能装置，还包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述燃料电池车辆的能量控制方法，并达到与方法相同的效果。

作为动力系统的进一步改进，所述储能装置为动力电池。

附图说明

图1是本发明的动力系统实施例中燃料电池车辆的动力系统的结构图；

图2是本发明的动力系统实施例中燃料电池车辆的能量控制方法的流程图；

图3是本发明的动力系统实施例中整车需求功率和燃料电池的平均功率的关系图；

图4是本发明的动力系统实施例中第二种实施方式的燃料电池车辆的能量控制方法的流程示意图；

图5是本发明的动力系统实施例中第三种实施方式的燃料电池车辆的能量控制方法的流程示意图；

图6是本发明的动力系统实施例中第四种实施方式的燃料电池车辆的能量控制方法的流程示意图；

图7是本发明的动力系统实施例中第五种实施方式的燃料电池车辆的能量控制方法的流程示意图；

图8是本发明的装置实施例中燃料电池车辆的能量控制装置的结构图。

具体实施方式

动力系统实施例：

本实施例提供了一种燃料电池车辆的动力系统，如图1所示，该燃料电池系统包括燃料电池和动力电池，燃料电池和动力电池均与电机控制器相连，以输出动力给电机控制器。该系统还包括整车控制器VCU(未画出)，整车控制器VCU包括存储器和处理器，以构成燃料电池车辆的动力装置，处理器用于执行存储在存储器中的指令可实现一种燃料电池车辆的能量控制方法。

燃料电池变载都需要一定的时间，本实施例中燃料电池变载大约需要30s，这段时间为功率调整阶段，而本发明方法的控制周期与燃料电池的变载能力有关，为了功率调整阶段燃料电池的响应性，功率调整阶段时间小于控制周期的5％，故本实施例中控制周期设为10min。下面以当前控制周期为第10min至第20min为例，结合图2，对该方法进行详细说明。

首先，根据上一控制周期内的整车需求功率、以及动力电池的荷电状态，预测得到当前控制周内的平均功率，即根据前10min内的整车需求功率、以及动力电池的荷电状态，预测得到第10min至第20min内燃料电池的平均功率。需说明的是，在第10min开始的时间前几十秒为燃料电池功率调整阶段，在这段时间内进行数据的计算、处理、以及功率调整。。其中，具体的预测方法为：

式中，P_平均为预测得到的当前控制周内的平均功率；P₂为燃料电池输出功率；P₁为根据动力电池的荷电状态对动力电池的输出功率进行修正后得到的修正的动力电池的输出功率，且动力电池的输出功率与修正后的动力电池的输出功率呈正相关关系，动力电池的荷电状态与修正后的动力电池的输出功率呈负相关关系；t₁为10min。

然后，判断预测得到的燃料电池的平均功率是否大于设定怠速功率：

若预测得到燃料电池的平均功率大于设定怠速功率，则控制燃料电池在第10min至第20min的时间内以燃料电池的平均功率进行工作；而且，在第10min至第20min的时间内，还需要实时检测整车车速，并对整车车速进行判断：若持续2min的时间内整车车速均小于2km/h，则控制燃料电池不再以燃料电池的平均功率进行工作，而是以设定的怠速功率进行工作。

若预测得到燃料电池的平均功率小于等于设定怠速功率，则控制燃料电池在第10min至第20min的时间内以设定怠速功率进行工作。

最后，在确定好燃料电池的输出功率后，动力电池作为削峰填谷的能量池，以满足整车的动力需求。

针对第20min至第30min、第30min至第40min等等，均参照上述原理工作。

而且，若当前控制周期为第0min至第10min，也即燃料电池启动后的第一个控制周期，需要根据整车常用工况、与整车常用工况匹配的燃料电池的最佳工作区间、以及动力电池的当前荷电状态(即为其初始荷电状态)，计算得到历史最优功率。在整车运行的前10min以内，控制燃料电池以该历史最优功率进行工作。在这前10min内，也需要实时检测整车车速，并对整车车速进行判断：若持续2min的时间内整车车速均小于2km/h，则控制燃料电池不再以历史最优功率进行工作，而是以设定的怠速功率进行工作。

至此，最终得到的整车需求功率和燃料电池的平均功率如图3所示。

该方法使燃料电池的输出功率不再是实时变化的，而是在每个控制周期内燃料电池的输出功率是不变的，是以上一控制周期的整车需求功率以及动力电池的荷电状态预测出得到的当前控制周期的燃料电池平均功率进行工作的，并将动力电池作为削峰填谷的能量池，既保证了整车的需求功率的跟随，同时又能提升整车的经济性和燃料电池的可靠性，提高了燃料电池的使用寿命。

在本实施例中，根据整车常用工况、与整车常用工况匹配的燃料电池的最佳工作区间、以及储能装置的初始荷电状态得到历史最优功率。作为其他实施方式，可根据经验直接确定历史最优功率，可减少了整车控制器VCU的计算处理时间。

在本实施例中，控制周期固定设置为10min。作为其他实施方式，可根据电池变载能力对控制周期进行调整，可适当增大或减小。而且，在燃料电池工作过程中，随着燃料电池变载能力的提升，该控制周期可缩短，以提高燃料电池能量直接利用率。随着电池变载能力的提升，可使控制周期缩短至1min。

在本实施例中，通过检测整车车速来判断整车是否处于怠速状态。作为其他实施方式，还可通过检测油门踏板开度、制动踏板开度的方式来判断整车是否处于怠速状态。

在本实施例中，对燃料电池的平均功率是否大于设定怠速功率进行了判断，并在判定燃料电池的平均功率小于等于设定怠速功率时，控制燃料电池以设定怠速功率进行工作。作为其他实施方式，与本实施例的区别仅在于，不再对燃料电池的平均功率是否大于设定怠速功率进行判断，无论其大于设定怠速功率与否，均在当前设定周期内根据预测出得到的燃料电池的平均功率进行工作。其对应的流程图如图4所示，首先根据上一控制周期内整车的需求功率和储能装置的荷电状态，预测得到当前控制周期内燃料电池的平均功率；然后在当前控制周期内，参照燃料电池的平均功率控制燃料电池工作，但在该过程中还需实时检测整车是否处于怠速状态：若处于怠速状态，则参照设定怠速功率控制燃料电池工作；若不处于怠速状态，仍旧参照平均功率控制燃料电池工作。从而减少了繁琐的计算，控制方法变得更加简单，使燃料电池加快响应、运行。

在本实施例中，对整车是否处于怠速状态进行了判断，并在判定整车处于怠速状态时，使燃料电池按照设定怠速功率进行工作。作为其他实施方式，与本实施例的区别仅在于，不再对燃料电池是否处于怠速状态进行判断。对应的流程图如图5所示，首先根据上一控制周期内整车的需求功率和储能装置的荷电状态，预测得到当前控制周期内燃料电池的平均功率；然后比较当前控制周期内燃料电池的平均功率和设定怠速功率：若当前控制周期内燃料电池的平均功率大于设定怠速功率，则在当前控制周期内，参照燃料电池的平均功率控制燃料电池工作；若当前控制周期内燃料电池的平均功率小于等于设定怠速功率，则在当前控制周期内，参照设定怠速功率控制燃料电池工作。从而减少了繁琐的计算，控制方法变得更加简单，使燃料电池加快响应、运行。

在本实施例中，对整车是否处于怠速状态、燃料电池的平均功率是否大于设定怠速功率均进行了判断。作为其他实施方式，与本实施例的区别在于，不再对整车是否处于怠速状态、燃料电池的平均功率是否大于设定怠速功率进行判断。对应的流程图如图6所示，首先根据上一控制周期内整车的需求功率和储能装置的荷电状态，预测得到当前控制周期内燃料电池的平均功率；然后在当前控制周期内，参照燃料电池的平均功率控制燃料电池运行即可。该种方式，相较于图2、4、5的方法，控制逻辑最为简单，花费的计算时间最少，燃料电池的响应速度最快。

在本实施例中，在当前控制周期刚开始时进行当前控制周期内燃料电池的平均功率的预测、以及功率调整。作为其他实施方式，如图7所示，可在上一控制周期马上要结束时进行当前控制周期内燃料电池的平均功率的预测、以及功率调整，其余过程不变。

在本实施例中，储能装置为动力电池。作为其他实施方式，储能装置可为超级电容，或者为动力电池和超级电容的组合，如若包括这两者，那么在求燃料电池的平均功率时，需要根据的参数包括整车的需求功率、以及动力电池的荷电状态和超级电容的荷电状态。

在本实施例中，根据动力电池的荷电状态对动力电池的输出功率进行修正后得到的修正的动力电池的输出功率P₁。作为其他实施例方式，还可将动力电池的温度考虑在内，根据动力电池的温度和动力电池的荷电状态共同对动力电池的输出功率进行修正，以得到修正的动力电池的输出功率P₁，使得到的修正的动力电池的输出功率P₁更为准确。

方法实施例：

本实施例提供了一种燃料电池车辆的能量控制方法，该方法首先根据上一控制周期内整车的需求功率和储能装置的荷电状态，预测得到当前控制周期内燃料电池的平均功率；然后在当前控制周期内，参照所述燃料电池的平均功率控制燃料电池工作，使燃料电池输出功率保持不变。从而使燃料电池的输出功率不再是实时变化的，而是在一个控制周期内是保持不变的，防止燃料电池因输出功率的动态变化导致膜穿孔、催化剂剥落等情况，保证了燃料电池的使用寿命。

该方法可应用于如图1所示的燃料电池车辆的动力系统中，具体关于该方法的内容可见动力系统实施例中关于该方法的介绍，这里不再赘述。

装置实施例：

本实施例提供了一种燃料电池车辆的能量控制装置，如图8所示，包括存储器、处理器和总线，存储器和处理器之间通过总线完成相互间的数据交互与通信。

上述存储器和处理器可为整车控制器VCU的存储器和处理器，具体可见动力系统实施例中相关介绍。

处理器还可为整车中的其他处理装置，例如微处理器MCU、可编程逻辑器件FPGA等。

存储器还可为整车中的其他存储装置，例如高速随机存储器，还可为非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存等。

处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以实现一种燃料电池车辆的能量控制方法。关于该方法的具体内容，可见动力系统实施例和方法实施例中关于该方法的介绍，这里不再赘述。

而且，上述存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

Claims (10)

1.一种燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据上一控制周期内整车的需求功率和储能装置的荷电状态，预测得到当前控制周期内燃料电池的平均功率；

2)在当前控制周期内，参照所述燃料电池的平均功率控制燃料电池工作，使燃料电池输出功率保持不变。

2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，若当前控制周期为第一个控制周期，所述燃料电池的平均功率为历史最优功率，所述历史最优功率根据整车常用工况、与整车常用工况匹配的燃料电池的最佳工作区间、以及储能装置的初始荷电状态确定。

3.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，步骤1)后，还包括判断所述当前控制周期内燃料电池的平均功率是否小于等于设定怠速功率的步骤：若当前控制周期内燃料电池的平均功率小于等于设定怠速功率，参数所述设定怠速功率控制燃料电池工作。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，还包括判断整车是否处于怠速状态的步骤：若整车处于怠速状态，则参照设定怠速功率控制燃料电池工作。

5.根据权利要求4所述的燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，判断整车处于怠速状态的条件包括：整车车速持续小于设定怠速速度，整车车速持续小于设定怠速速度的持续时间小于所述控制周期。

6.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，所述控制周期的长短与燃料电池的变载能力有关，且燃料电池的变载能力越高，所述控制周期越短。

7.根据权利要求6所述的燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，所述控制周期为1～10分钟。

8.一种燃料电池车辆的能量控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～7任一项所述的燃料电池车辆的能量控制方法。

9.一种燃料电池车辆的动力系统，包括燃料电池和储能装置，其特征在于，还包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～7任一项所述的燃料电池车辆的能量控制方法。

10.根据权利要求9所述的燃料电池车辆的动力系统，其特征在于，所述储能装置为动力电池。

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