CN111717077B - 车用燃料电池的能量分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的车用燃料电池的能量分配方法，当蓄电池的SOC达到最低限值时，优先以燃料电池次高效减少工作区启动燃料电池，使电池快速充电至SOC中，再以高效区内选择最接近整车需求功率的点启动燃料电池给电池充电，燃料电池给蓄电池的充电功率较少，降低了化学能和电能的二次转化，提高了经济性；同时解决了蓄电池长期低于ＳＯＣｍｉｎ阶段，动力系统不能满足整车需求的状况。

Description

车用燃料电池的能量分配方法
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，具体涉及车用燃料电池的能量分配方法。
背景技术
燃料电池汽车FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle，燃料电池电动汽车)是把燃料电池发出的电供给电动机，以电动机来驱动车轮。燃料电池汽车可分为两种基本类型，一种为单纯以燃料电池为动力的FCEV，另一种为燃料电池蓄电池混合动力的FCEV。由于混合动力可以对能量进行二次利用，蓄电池的造价也比燃料电池低得多，并且在启动加速时能提供更大的瞬时输出功率，因此混合动力要比单纯以燃料电池为动力的FCEV更具有节能和成本优势。
对于具有蓄电池和燃料电池两个动力源的混合动力汽车，如何发挥它们的优势，最关键的是要解决燃料电池与蓄电池之间的能量分配问题。因此，需要设计合理的能量分配控制策略，既防止对蓄电池的深度充放电，避免频繁的充放电，延迟电池的使用寿命，又要提高整个动力系统的能量效率。
发明内容
本发明公开的车用燃料电池的能量分配方法，既延迟电池的寿命，又提高整个动力系统能量效率，从而解决燃料电池与蓄电池之间的能量分配问题。
本发明公开的车用燃料电池的能量分配方法，车辆行车过程中满足：
Pvehicle＝Pcell+Pfc；
其中Pvehicle为车辆需求功率，Pcell为蓄电池输出功率，Pfc为燃料电池输出功率。
将燃料电池输出功率区间由低至高分为A区、B区和C区三个区域，A区为燃料电池工作低效区，B区为燃料电池工作高效区，C区为燃料电池次高效减少工作区；A区最大值为启动燃料电池最低功率点Pfclow，B区最大值为燃料电池BC区转折输出功率Pfcbc，C区最大值为燃料电池最大输出功率Pfcmax。
当Pvehicle<Pfclow时，蓄电池在不过放电状态下输出功率给车辆供电；
当Pfclow<Pvehicle<Pfcmax时，燃料电池输出功率给车辆供电；
当Pvehicle>Pfcmax时，蓄电池和燃料电池输出功率共同为车辆供电。
进一步地，根据蓄电池充放电性能，设置蓄电池充电上限SOCmax及蓄电池过放电临界值SOCmin，其中SOCmin<SOCmax。
当Pvehicle<Pfclow时，
若蓄电池SOC<SOCmin,先以大于Pfclow小于等于Pfcbc的功率启动燃料电池满足车辆需求功率，多余能量给蓄电池充电达到SOCmax；
若蓄电池SOC>SOCmin，仅蓄电池输出功率给车辆供电。
进一步地，当Pfclow<Pvehicle≤Pfcbc,若蓄电池SOC<SOCmin，先以大于Pfcbc的功率启动燃料电池满足车辆供电需求，多余给蓄电池充电至SOCmax。
进一步地，当Pfcbc<Pvehicle≤Pfcmax时，若蓄电池SOC<SOCmin，以恒定Pfcmax的功率启动燃料电池满足车辆供电需求，多余给蓄电池充电至SOC达到SOCmax。
进一步地，当Pfcmax≤Pvehicle时，只启动燃料电池放电，满足车辆供电需求。
进一步地，蓄电池还设置充电工况值SOC中，其中，SOCmin≤SOC中≤SOCmax；燃料电池设置其最大效率点功率Pfceffmax，其中，Pfclow<Pfceffmax<Pfcbc。
当Pvehicle<Pfclow时，
若蓄电池SOC<SOCmin,燃料电池先以Pfcbc的功率启动燃料电池满足车辆需求功率，多余能量给蓄电池充电至SOC中，再切换到Pfceffmax继续给蓄电池充电至SOCmax。
若蓄电池SOC>SOCmin，仅蓄电池输出功率给车辆供电。
进一步地，蓄电池还设置充电工况值SOC中，其中，SOCmin≤SOC中≤SOCmax；
当Pfclow<Pvehicle≤Pfcbc,若蓄电池SOC<SOCmin，燃料电池先以Pfcmax启动燃料电池满足车辆供电需求，多余给蓄电池充电至SOC中，再切换到Pfcbc继续给蓄电池充电至SOCmax。
进一步地，当Pvehicle<0时，仅启动蓄电池并对其充电。
本发明有益技术效果为：
(1)本方法将燃料电池功率区间分为三个区域，燃料电池工作低效区、燃料电池工作高效区、燃料电池次高效减少工作区，提高了整个动力系统能量利用效率。
(2)本方法根据蓄电池充放电内阻及寿命要求，设置充放电上下限，既防止对蓄电池的深度充放电，提高了蓄电池的寿命和使用稳定性，又进一步提供了能量利用效率。
(3)本方法中，如果蓄电池的SOC达到最低限值时，若Pvehicle<Pfclow时，燃料电池先以次高效率点Pfcbc的功率启动燃料电池满足车辆需求功率，多余能量给蓄电池充电至SOC中，再切换到高效率点Pfceffmax继续给蓄电池充电至SOCmax；若Pfclow<Pvehicle≤Pfcbc,燃料电池先以次高效点Pfcmax启动燃料电池满足车辆供电需求，多余给蓄电池充电至SOC中，再切换到高效率点Pfcbc继续给蓄电池充电至SOCmax。燃料电池给蓄电池的充电功率较少，降低了化学能和电能的二次转化，提高了经济性；同时解决了蓄电池长期低于SOCmin阶段，动力系统不能满足整车需求的状况。
附图说明
图1为车用燃料电池能量控制系统示意图；
图2为燃料电池工作特性曲线示意图；
图3车用燃料电池的能量分配方法逻辑框图；
图4燃料电池和蓄电池的工作状态分区示意图；
图5蓄电池充放电及常用工作区示意图；
其中，1-储氢罐，2-燃料电池，3-动力总成控制器，4-蓄电池，5-电机控制器，6-电动机，7-驱动轴，8-A区，9-B区，10-C区，11-Ⅰ区，12-Ⅱ区，13-Ⅲ区，14-Ⅳ区，15-Ⅴ区，16-Ⅵ区，17-Ⅶ区，18-Ⅶ区，19-蓄电池常用工作区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1至图5所示，车用燃料电池能量控制系统包括储氢罐1、燃料电池2、动力总成控制器3、蓄电池4、电机控制器5、电动机6及驱动轴7。由蓄电池4和燃料电池2共同为车辆供电。
所述储氢罐1给燃料电池2提供氢气，所述燃料电池2电性输出连接动力总成控制器3，所述蓄电池4电性输出连接动力总成控制器3，动力总成控制器3电性输出连接电机控制器5，电机控制器5电性输出连接电动机6，电动机机械输出连接驱动轴7。
燃料电池2发电，发出的电能通过动力总成控制器3和电机控制器5输送给电动机6，电动机6将电能转化为机械能供驱动轴7驱动整车行驶。蓄电池4是燃料电池2和电动机6之间的储能装置，起到功率平衡的作用。燃料电池2和蓄电池4之间的能量分配通过动力总成控制器3实现。
如图2所示，燃料电池工作特性曲线将燃料电池功率区间分为A、B、C三个区域，A区8为燃料电池工作低效区，该区燃料电池工作不稳定且效率极低；B区9为燃料电池工作高效区，该区域燃料电池工作效率高，效率达到60％；C区10为燃料电池次高效减少工作区，该区燃料电池输出功率高，但效率较低于最高效区，处于中间水平；A区的最大功率点为启动燃料电池最低功率点Pfclow，B区的最大功率点为燃料电池B区和C区连接点Pfcbc，C区的最大功率点为燃料电池最大输出功率Pfcmax；燃料电池的最高效率点在B区内，一般最高效率约60％，最高效率点的功率为Pfceffmax，满足Pfclow<Pfceffmax<Pfcbc。
如图5所示，为了减少蓄电池4的充放电损失，提高能量转换效率，蓄电池常用工作区19应该在充放电内阻降低的区域，另外使电量保持在中间SOC范围内，能有效延长电池寿命。因此，为了有效防止对蓄电池4进行过充电，设置蓄电池充电上限SOCmax，为了有效防止对蓄电池4过放电，设置蓄电池过放电临界值SOCmin。为了避免蓄电池4长期处于低SOCmin阶段，动力系统不能满足整车需求的状况。增加充电工况值SOC中，满足SOCmin≤SOC中≤SOCmax。一般设置SOCmax为0.8，SOCmin为0.3，SOC中为0.5。
如图3所示，车用燃料电池的能量分配方法，具体为：
开始，检测加速踏板、制动踏板信号、蓄电池SOC值；
当Pvehicle<0时，只启动蓄电池并对蓄电池充电；
当Pvehicle<Pfclow时，蓄电池在不过放电状态下输出功率给车辆供电；若蓄电池SOC>SOCmin，仅蓄电池输出功率满足车辆供电；若蓄电池SOC<SOCmin,燃料电池先以Pfcbc的功率启动燃料电池满足车辆需求功率，多余能量给蓄电池充电至SOC中，再切换到Pfceffmax继续给蓄电池充电至SOCmax。
当Pfclow<Pvehicle≤Pfcbc,若蓄电池SOC<SOCmin，燃料电池先以先以Pfcmax启动燃料电池满足车辆供电需求，多余给蓄电池充电至SOC中，再切换到Pfcbc继续给蓄电池充电至SOCmax。若蓄电池SOC>SOCmin，B区启动燃料电池，仅燃料电池输出功率满足车辆供电。
当Pfcbc<Pvehicle≤Pfcmax时，若蓄电池SOC<SOCmin，以恒定Pfcmax的功率启动燃料电池满足车辆供电需求，多余给蓄电池充电至SOC达到SOCmax；若蓄电池SOC>SOCmin，C区启动燃料电池，仅燃料电池输出功率满足车辆供电。
当Pvehicle>Pfcmax时，蓄电池和燃料电池输出功率共同为车辆供电。若蓄电池SOC<SOCmin，Pfcmax启动燃料电池；若蓄电池SOC≥SOCmin，Pfcmax启动燃料电池，不足部分蓄电池补充。
结合上述结车用燃料电池的能量分配方法，将燃料电池和蓄电池的工作状态分为8个区域，如图4所示。
Ⅰ区11，关闭燃料电池2，只启动蓄电池4，对蓄电池4进行充电；
Ⅱ区12，关闭燃料电池2，只启动蓄电池4放电，满足车辆功率需求；
Ⅲ区13，关闭蓄电池4，只启动燃料电池2放电，满足车辆功率需求；
Ⅳ区14，最大功率启动燃料电池2放电，功率不足部分由蓄电池4放电提供能量，满足车辆功率需求；
Ⅴ区15，关闭蓄电池4，先以Pfcbc启动燃料电池2满足需求，多余给蓄电池4充电至SOC达到SOC中，再以Pfceffmax启动燃料电池2给蓄电池4充电至SOC达到SOCmax；Ⅵ区16，关闭蓄电池，先以Pfcmax启动燃料电池2满足需求，多余给蓄电池4充电至SOC达到SOC中，再以Pfcbc启动燃料电池2给蓄电池4充电至SOC达到SOCmax；
Ⅶ区17，关闭蓄电池，以Pfcmax启动燃料电池2满足需求，多余给蓄电池4充电至SOC达到SOCmax；
Ⅷ区18，关闭蓄电池4，只启动燃料电池2放电，满足车辆功率需求。
尽管本文以上给出了一个具体的实施例，但本专业技术人员应当理解：通过对前述实施例所提出的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行替换，依然可以变换出其他的控制方案；而这些对于本发明系统方案的修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施案例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.车用燃料电池的能量分配方法，其特征在于：车辆行车过程中满足：
Pvehicle＝Pcell+Pfc；
其中Pvehicle为车辆需求功率，Pcell为蓄电池输出功率，Pfc为燃料电池输出功率；
将燃料电池输出功率区间由低至高分为A区、B区和C区三个区域，A区为燃料电池工作低效区，B区为燃料电池工作高效区，C区为燃料电池次高效减少工作区；A区最大值为启动燃料电池最低功率点Pfclow，B区最大值为燃料电池BC区转折输出功率Pfcbc，C区最大值为燃料电池最大输出功率Pfcmax；
当Pvehicle<Pfclow时，蓄电池在不过放电状态下输出功率给车辆供电；
当Pfclow<Pvehicle<Pfcmax时，燃料电池输出功率给车辆供电；
当Pvehicle>Pfcmax时，蓄电池和燃料电池输出功率共同为车辆供电；
根据蓄电池充放电性能，设置蓄电池充电上限SOCmax及蓄电池过放电临界值SOCmin，其中SOCmin<SOCmax；
当Pvehicle<Pfclow时，
若蓄电池SOC<SOCmin,先以大于Pfclow小于等于Pfcbc的功率启动燃料电池满足车辆需求功率，多余能量给蓄电池充电达到SOCmax；
若蓄电池SOC>SOCmin，仅蓄电池输出功率给车辆供电；
当Pfclow<Pvehicle≤Pfcbc,若蓄电池SOC<SOCmin，先以大于Pfcbc的功率启动燃料电池满足车辆供电需求，多余给蓄电池充电至SOCmax；
当Pfcbc<Pvehicle≤Pfcmax时，若蓄电池SOC<SOCmin，以恒定Pfcmax的功率启动燃料电池满足车辆供电需求，多余给蓄电池充电至SOC达到SOCmax；
当Pfcmax≤Pvehicle时，只启动燃料电池放电，满足车辆供电需求。
2.如权利要求1所述的车用燃料电池的能量分配方法，其特征在于：
蓄电池还设置充电工况值SOC中，其中，SOCmin≤SOC中≤SOCmax；燃料电池设置其最大效率点功率Pfceffmax，其中，Pfclow<Pfceffmax<Pfcbc；
当Pvehicle<Pfclow时，
若蓄电池SOC<SOCmin,燃料电池先以Pfcbc的功率启动燃料电池满足车辆需求功率，多余能量给蓄电池充电至SOC中，再切换到Pfceffmax继续给蓄电池充电至SOCmax；
若蓄电池SOC>SOCmin，仅蓄电池输出功率给车辆供电。
3.如权利要求1所述的车用燃料电池的能量分配方法，其特征在于：
蓄电池还设置充电工况值SOC中，其中，SOCmin≤SOC中≤SOCmax；
当Pfclow<Pvehicle≤Pfcbc,若蓄电池SOC<SOCmin，燃料电池先以Pfcmax启动燃料电池满足车辆供电需求，多余给蓄电池充电至SOC中，再切换到Pfcbc继续给蓄电池充电至SOCmax。
4.如权利要求1至3任一项所述的车用燃料电池的能量分配方法，其特征在于：当Pvehicle<0时，仅启动蓄电池并对其充电。
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