CN111775774A - 一种氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，属于纯电动车领域。一种氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，包括以下步骤：1)在混动模式下，获取车辆状态；2)根据获取的车辆状态，判断车辆需求功率的变化频率是否小于预设值；3)根据判断结果决定燃料电池的控制模式；若车辆需求功率变化频率的小于预设值，则燃料电池进入双参数控制模式；否则，则燃料电池进入单参数动力电池SOC控制模式。本发明的控制方法，在满足车辆动力的前提下能够保证燃料电池的输出尽可能的平稳，从而提高燃料电池的寿命。

Description

一种氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法

技术领域

本发明属于纯电动车领域，尤其是一种氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法。

背景技术

目前汽车电动化已经是全球汽车产业的一种主流发展方向，纯电动汽车行业在政策以及资本的作用下产业链已初步形成。纯电动续航里程制约了纯电动汽车发展。氢燃料电池较ICE混动车辆最有可能成为未来解决方案，同时也可以克服纯电动车低温性能差的弊端。

氢燃料电池将化学能转化为电能，效率高无污染，目前巴拉德、丰田，韩国现代等国外一些厂商燃料电池技术比较成熟。丰田已经在量产车mirai进行了应用，现代已推出第三代NEXO燃料电池车辆。国内燃料电池主要是基于军用及储能发展而来，大多应用于功率恒定场景。车用燃料电池对功率响应要求较高，其功率瞬态响应慢无法满足车辆需求功率。目前燃料电池应用于汽车都需要配备锂电池作为峰值电源，丰田mirai也是如此。

燃料电池车辆通过燃料电池将化学能转化为电能为电机提供电力，驱动车辆行驶。目前，燃料电池动态响应尚不能满足车辆功率快速变化需求，车辆启动时电机控制器预充及停机时燃料电池内部清扫操作都需要高压电，燃料电池也不能回收制动回馈能量，燃料电池启动之初不能迅速达到最佳工作状态，基于以上原因燃料电池工作仍需要动力电池配合。

为了响应频繁的负荷变化，氢电内的膜和双极板一直处在交变工况下，对寿命影响很大。目前燃料电池寿命也比较难以满足汽车生命周期(3000-5000h)，车用燃料电池瞬态响应性40kW/s(国内15～20kW/s)，冷机启动2min；因此，在燃料电池和动力电池组合的电-电混合动力纯电动车中，应尽可能的减少燃料电池的功率波动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的纯电动车中燃料电池功率变化较快导致燃料电池寿命短的缺点，提供一种氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，包括以下步骤：

1)在混动模式下，获取车辆状态；

2)根据获取的车辆状态，判断车辆需求功率的变化频率是否小于预设值；

3)根据判断结果决定燃料电池的控制模式；

若车辆需求功率变化频率的小于预设值，则燃料电池进入双参数控制模式；

所述双参数为车辆需求功率和动力电池SOC；

否则，则燃料电池进入单参数动力电池SOC控制模式。

进一步的，燃料电池的单参数动力电池SOC控制模式具体为：

将动力电池的SOC进行分段，得到若干个区间；

在每个SOC区间将燃料电池目标功率设置为定值；

所述定值范围为0～最大输出功率。

进一步的，若出现能量回收导致SOC升高致使SOC的区间跳变，则设置区间滞回；

当SOC跳变超过区间滞回时，燃料电池目标功率变到对应的区间的定值；

否则，燃料电池目标功率仍滞留在SOC升高前对应的区间的定值。

进一步的，区间滞回为5％。

进一步的，双参数控制模式具体为：

通过获取的车辆状态，得到车辆需求功率；

将车辆需求功率进行分段，得到若干需求功率区间；

在每个需求功率区间中，将动力电池的SOC进行分段，得到若干个SOC区间；

在每个SOC区间将燃料电池目标功率设置为定值；

所述定值范围为0～最大输出功率。

进一步的，车辆需求功率的计算为：

P_re＝(T_mot*acc％*mot_Spd)/9550

其中，P_re为车辆需求功率，T_mot为电机当前可用扭矩，由电机外特性曲线查表获得；acc％为当前油门开度；mot_Spd-当前电机转速。

进一步的，还包括以下操作：

首次燃料电池热机启动，急加速爬坡，制动回收工况。

当车辆处于急加速或爬坡工况时，燃料电池按照最大输出功率进行输出；

当制动回收时，若燃料电池处于开机状态，则燃料电池输出5kw；

当首次燃料电池热机启动时，则燃料电池输出5kw。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，根据车辆状态的不同氢燃料电池进入不同的控制模式，车辆需求功率变化频率小于预设值时，即车辆需求功率较稳定时，进入双参数功率模式，SOC区间相对稳定，使得燃料电池满足车辆需求功率的同时又减小了功率波动，燃料电池寿命及性能得以兼顾；而车辆需求功率不稳定时，采用单参数SOC模式，燃料电池目标功率只受SOC等级影响，不受车辆需求功率的影响，因此，燃料电池功率也比较稳定，从而避免燃料电池功率频繁波动，进而保证燃料电池使用寿命。

进一步的，车辆需求功率变化频繁时(变化率超过设定值)，VCU会按照单参数SOC策略发送燃料电池目标功率，这样车辆需求功率频繁变化不会导致燃料电池目标功率频繁变化，减少燃料电池功率交变有利于提高燃料电池寿命。

进一步的，整车功率比较稳定时，VCU会按照双参数(车辆需求功率和电池SOC)策略计算燃料电池目标功率，如车辆巡航时需求功率变化不大，但是会出现稳定低功率、稳定在中功率和稳定高功率，某一个功率需求下燃料电池功率按照SOC变化，双参数策略可以实现多个车辆需求功率段内燃料电池功率按照SOC变的组合。

进一步的，能量回收将导致SOC升高，至使SOC返回上个区间造成的燃料电池目标功率跳变，通过设置区间滞回解决该问题。

进一步的，针对车辆的特殊工况，设置固定燃料电池功率来满足燃料电池特性和满足整车动力性。

附图说明

图1为燃料电池车辆的结构图；

图2为本发明的燃料电池管理模块结构图；

图3为本发明的控制流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为燃料电池车辆的结构图，氢燃料电池车包括整车控制器VCU(燃料电池功率控制集成与VCU内部)、燃料电池控制器FCU、动力电池管理器BMS、燃料电池、动力电池和DCDC，整车控制器VCU通过CAN网络连接燃料电池控制器FCU和动力电池管理器BMS，燃料电池控制器FCU连接所述燃料电池，所述动力电池管理器BMS连接所述动力电池，所述燃料电池通过所述DCDC电性连接电机控制器(MCU)或五合一控制器(MCU+辅驱控制器)为车辆提供动力；当进行电力输出时，燃料电池输出经过单向DCDC升压稳压后，在高压PDU内和动力电池的输出进行并联输出，输入电机控制器(MCU)或五合一控制器(MCU+辅驱控制器)为车辆提供动力。燃料电池的启动停机、功率决策由整车控制器VCU控制，之后通过CAN通讯与燃料电池控制器FCU之间进行交互，实现对燃料电池的控制。

本发明基于燃料电池车辆的原有的控制流程，通过合理的控制方法管理燃料电池启动、停机和目标功率计算，结合车辆运行状态分配燃料电池的功率，以满足车辆启动时燃料电池的热机、加速或爬坡的大负荷运转、恒功率巡航、减速小负荷和制动能量回收等工况。

参见图2，图2为燃料电池管理模块结构图，燃料电池管理模块包括三个功能模块，分别为：信号输入模块，燃料电池功率、开关机、低压供电控制决策模块，决策信号输出模块。

信号输入模块主要获取动力电池BMS信号包括：“电池插枪充电状态、电池电压、电池可充电电流、电池电荷状态SOC、故障等级、下高压请求等”；获取电机信号包括：“电机扭矩、电机转速，故障等级”；获取整车信号包括：“整车高压状态、整车驾驶模式运行模式、整车故障等级、钥匙信号、燃料电池开关请求”；获取燃料电池信号包括：“燃料电池工作状态、燃料电池当前功率、电压电流、燃料电池故障等级”。

燃料电池控制决策模块根据以上获得信号决策燃料电池开关机状态，燃料电池目标功率，低压供电控制。

信号输出模块按照燃料电池控制决策模块结果将燃料电池目标功率，开关机指令，低压供电命令通过CAN总线输出。

具体的，燃料电池开机取决于整车高压就绪且无故障，燃料电池无故障，电池等系统无故障；电池未查枪充电，SOC满足开机阈值，电池可充电电流大于X(设定值)安培。

进一步的，燃料电池按照BMS反馈的SOC，整车需求功率作为输入，按照单参数SOC功率策略、双参数功率策略决策燃料电池目标功率，燃料电池目标功率作为输出。

进一步的，燃料电池开机时燃料电池目标功率按照驾驶员输入、车辆运行状态、软件识别的驾驶模式、决策输出；特别的首次燃料电池热机启动，急加速爬坡，制动回收工况分别按照预先设定的几个特定功率输出；并且各输出功率均与电池可充电功率比较二者取小输出；整车出现非致命故障时通过降功率因子处理输出功率。

本发明的氢燃料电池车辆的燃料电池管理模块的控制流程如下：

一、上层软件信号输入，软件决策的驾驶模式

该部分主要是CAN总线信号输入，例如燃料电池反馈工作状态；

BMS输入当前SOC，实时反馈的可充电电流，工作电压，放电电流，故障等级和严重故障时下电请求；驱动电机系统反馈电机扭矩和电机转速；驾驶员输入纯电动混动开关信号；

上层软件信号输入例如巡航、再生制动和整车故障等，上层软件根据车辆信心决策当前车辆运行模式输入例如急加速、爬坡等。

燃料电池管理模块基于以上输入信号输入进行功率计算，开关机控制，目标功率决策等。

二、燃料电池目标功率决策

参见图3，图3为本发明的控制流程图：

1)在混动模式下，获取车辆状态；2)根据获取的车辆状态，判断车辆需求功率的起伏度是否小于预设值；

3)根据判断结果决定燃料电池的控制模式；

301)若车辆需求功率的小于预设值，则燃料电池进入双参数控制模式；

301)否则，燃料电池进入单参数动力电池SOC控制模式

燃料电池目标功率计算采用两种方式，第一种是单参数动力动力电池SOC控制，按照SOC进行分段处理，较高的SOC区间动力电池可用功率较高，电荷量充足，对应的燃料电池功率较小，随着SOC降低燃料电池的目标功率增加。无论车辆需求功率怎么变化，SOC区间相对稳定，从而燃料电池功率也是相对稳定的，减少燃料电池功率频繁变化对其寿命的影响。

而纯电动车辆能量回收会存在SOC增加的情况，为防止SOC在区间边缘变化跨越SOC区间而引起燃料电池功率跳变，在SOC区间边缘之间设置5％滞回以消除目标功率波动。见表1，表1为单参数燃料电池功率决策策略。

表1单参数燃料电池功率决策策略

SOC区间(5％滞回)	SOC≤50％	50％＜SOC≤70％	70％＜SOC≤88％	88％＜SOC
					VCU目标功率	40KW	25KW	15KW	VCU发出FCU关机指令功率降为0

若当前动力电池电荷量处在一个区间，例如50％＜SOC≤70％，此时，燃料电池的目标功率均为25KW，车辆运行过程中SOC增加或者减少一定的量，燃料电池的目标功率还是稳定为25KW，燃料电池目标功率不会存在波动，还是以25KW稳定运行，有利于提高燃料电池寿命。

若SOC在区间边缘50％运行，由于车辆运行，动力电池电量消耗，使得动力电池SOC下降，电量消耗SOC继续下降进入SOC≤50％区间，此时燃料电池的目标功率会切换为40KW；为防止能量回收导致SOC升高使SOC返回50％＜SOC≤70％区间造成的燃料电池的目标功率跳变，设置5％区间滞回解决该问题，只有SOC增加到55％以上时，燃料电池才会重新按照50％＜SOC≤70％区间的设定的目标功率运行。

另外，在SOC区间的断点设置、燃料电池的目标功率、SOC滞回值都设置为标定量，以满足不同车辆和不同燃料电池需求，实际车辆调试过程中都可以手动设置。

单参数动力动力电池SOC控制主要适用于整车功率变化较为频繁的工况，此时燃料电池的目标功率决策仅仅受动力电池电荷量一个因素影响，避免了整车工率频繁变化引起燃料电池功率频繁变化。

第二种方式使用双参数功率策略，按照动力电池SOC等级和整车当前需求功率等级进行双参数功率决策，SOC按照区间划分，需求功率也按照区间划分。车辆需求功率由油门踏板决定。

按照油门踏板深度计算电机的目标扭矩，再结合电机转速可计算车辆需求功率，车辆需求功率的计算式为：P_re＝(T_mot*acc％*mot_Spd)/9550

其中，T_mot为电机当前可用扭矩，由电机外特性曲线查表获得；acc％为当前油门开度；mot_Spd-当前电机转速。

车辆需求功率分为低、中、高三个需求功率等级，不同功率等级结合SOC变化决策燃料电池的目标功率，该策略决策的功率适用于整车运行需求功率相对稳定的情况，如巡航模式。按照巡航功率大小分成几个功率区间，每个功率区间内部按照SOC区间分段来控制燃料电池的目标功率；而在每个车辆需求功率段内，燃料电池的目标功率决策与单参数SOC功率控制的相同，只与SOC功率的大小相关；燃料电池的目标功率决策见表2，表2为双参数下的燃料电池的目标功率。

表2双参数功率决策策略

另外，一些特定工况燃料电池的目标功率以变量参数的形式给出以便实际车辆调试时可以手动调节。例如首次燃料电池热机启动，急加速或爬坡，制动回收工况。急加速或爬坡的工况燃料电池直接按照燃料电池的最大功率40kw进行输出(程序内部可做成标定量，可以按照不同燃料电池设定)；制动回收时，若燃料电池处于开机状态燃料电池按照5kw(同样也是可以标定的)运行；首次启动热机功率5kw。这些特定工况燃料电池目标功率不再受车辆需求功率和动力电池电荷量因素的影响。

三、燃料电池启动停机决策

燃料电池开机决策取决于整车高压状态，整车故障，燃料电池故障，司机开关机请求(混动纯电模式切换)，动力电池SOC等。关机取决于开机条件及钥匙关机、动力电池SOC达到一定限制(上述策略已备注)、动力电池可充电功率、电池故障请求下高压等。

整车高压就绪，无故障，司机输入运行模式为混动，动力电池当前允许充电电流大于5A，动力电池SOC达到开机条件(表1和表2)，燃料电池开机。

四、燃料电池低压供电控制

整车下电时燃料电池需要延时工作以完成停机过程，因而燃料电池低压电也需要进行管理以实现延时。整车上电完成后立即使能燃料电池低压供电接触器，钥匙下电时停机过程低压电的停止取决于燃料电池反馈状态及整车下电状态；接收到燃料电池停机完成，整车下电完成，电池主负接触器断开而后撤销燃料电池低压供电接触器使能，切断其低压。

当钥匙断电，或者故障下电时，首先燃料电池降功率，而后关机。待燃料电池反馈停机完成状态后再执行纯电下电流程，最后切断燃料电池低压供电。但是车辆运行过程中燃料电池启停(SOC过高需要关机时)低压不作处理一直保持。

五、基于车辆状态，驾驶模式燃料电池目标功率输出

基于车辆状态和驾驶模式，匹配不同的燃料电池功率以满足不同工况及驾驶模式需求，同时兼顾燃料电池特性，满足整车动力性需求前提下，尽可能保持燃料电池目标功率稳定。

按照车辆的驾驶模式燃料电池功率输出可分为以下几种模式：

启动热机、加速爬坡、定速巡航、再生制动和一般工况。

(1)车辆上电行驶中燃料电池首次启动时，触发首次启动标志，按照热机功率运行，运行时间依据实际情况手动标定，主要目的使燃料电池达到最佳工作温度，车辆动力主要由动力电池提供。热机完成后不再触发首次启动标志，按照其他模式运行。首次启动工况优先级最高以避免燃料电池刚刚启动就有其他大功率工况需求。待启动热机完成后再按照相应的模式运行。

(2)上层软件输入车辆急加速或者爬坡标志时，燃料电池目标功率切换至最大功率运行联合峰值电源动力电池作驱动车辆，满足整车动力性需求。

(3)当车辆开启定速巡航时，此时车辆需求功率比较稳定，巡航标志将触发双参数功率策略决策的功率。车辆需求功率变化较小，SOC区间在一段时间内相对稳定。这就使得燃料电池满足车辆需求功率的同时又减小了功率波动，燃料电池寿命及性能得以兼顾。

(4)车辆滑行或制动减速再生制动时(滑行能量反馈和制动能量反馈)为了充分回收再生制动能量增加车辆续航里程，此时无论燃料电池在那种模式下工作，都会使其目标功率切换至再生制动模式。按照上述制动回馈工况燃料电池目标功率工作，尽可能释放电池的可充电功率，以便电机能够执行更大的回收制动扭矩向动力电池充电。

(5)车辆运行期间一段时间内需求功率多变，将触发单参数SOC决策的燃料电池目标功率，此时燃料电池只按照SOC等级决定的功率响应，不再受车辆需求功率因素影响，SOC区间一段时间是相对稳定的决定了燃料电池功率的稳定。

整车出现非致命故障时，必须降低燃料电池的输出功率以保证整车安全。不同的故障等级设置不同的限功率系数与当前燃料电池目标功率做积从而限制燃料电池功率，保障整车安全运行。

各种状态切换时必然存在燃料电池功率的变化，但这是不可避免的。考虑到为这种功率突变，增加了功率的变化率使各个功率切换时平滑过渡。保证燃料电池寿命及工作稳定。

另外，所有的工作模式决策的目标功率在输出时和电池可充电能力进行比较以免导致电池故障。通过车辆运行状态识别决策燃料电池目标功率不仅保证了车辆运行需求，同时兼顾燃料电池特性保证燃料电池寿命。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在混动模式下，获取车辆状态；

2)根据获取的车辆状态，判断车辆需求功率的变化频率是否小于预设值；

3)根据判断结果决定燃料电池的控制模式；

若车辆需求功率变化频率的小于预设值，则燃料电池进入双参数控制模式；

所述双参数为车辆需求功率和动力电池SOC；

否则，则燃料电池进入单参数动力电池SOC控制模式。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，其特征在于，燃料电池的单参数动力电池SOC控制模式具体为：

将动力电池的SOC进行分段，得到若干个区间；

在每个SOC区间将燃料电池目标功率设置为定值；

所述定值范围为0～最大输出功率。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，其特征在于，若出现能量回收导致SOC升高致使SOC的区间跳变，则设置区间滞回；

当SOC跳变超过区间滞回时，燃料电池目标功率变到对应的区间的定值；

否则，燃料电池目标功率仍滞留在SOC升高前对应的区间的定值。

4.根据权利要求3所述的氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，其特征在于，区间滞回为5％。

5.根据权利要求1所述的氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，其特征在于，双参数控制模式具体为：

通过获取的车辆状态，得到车辆需求功率；

将车辆需求功率进行分段，得到若干需求功率区间；

在每个需求功率区间中，将动力电池的SOC进行分段，得到若干个SOC区间；

在每个SOC区间将燃料电池目标功率设置为定值；

所述定值范围为0～最大输出功率。

6.根据权利要求5所述的氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，其特征在于，车辆需求功率由以下计算得到：

P_re＝(T_mot*acc％*mot_Spd)/9550

其中，P_re为车辆需求功率，T_mot为电机当前可用扭矩，由电机外特性曲线查表获得；acc％为当前油门开度；mot_Spd-当前电机转速。

7.根据权利要求1所述的氢燃料电池车辆的燃料电池控制方法，其特征在于，还包括以下操作：

首次燃料电池热机启动，急加速爬坡，制动回收工况。

当车辆处于急加速或爬坡工况时，燃料电池按照最大输出功率进行输出；

当制动回收时，若燃料电池处于开机状态，则燃料电池输出5kw；

当首次燃料电池热机启动时，则燃料电池输出5kw。

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