CN112140911A - 用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，该燃料电池发动机系统包括整车控制器和与所述整车控制器相连接的燃料电池子系统和动力电池子系统，该方法包括以下步骤：步骤1：所述燃料电池子系统按照正常上电逻辑预运行；步骤2：当整车SOC处于不同状态下时，所述燃料电池子系统针对不同状态输出对应功率以使得所述动力电池子系统在寒冷天气下的安全状态。与现有技术相比，本发明具有适应寒冷天气，功率平衡性好，故障率低等优点。

Description

用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法

技术领域

本发明设计新能源客车燃料电池技术领域，尤其是涉及一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法。

背景技术

近年来，随着国家节能减排相关政策的不断推进，电动汽车产业得到了迅猛发展，电动汽车也成为了汽车产业发展的重点方向。从世界范围分析，包括欧洲、美国、日本在内的发达国家，都相继在电动汽车领域进行了深入的探索与发展，并逐渐形成了一定的生产与利用规模。我国电动汽车从产业链条角度分析，还处于初期快速发展阶段，产业化升级及规模化发展仍面临着一定的问题，与世界发达国家产业化程度相比还有一定差距。

电动汽车具有较强的清洁、经济发展优势，随着国家政策的扶持，已经成为汽车产业发展中的重要组成部分，世界各国大型汽车制造企业也在相继加大科研投入与研发力度，推动电动汽车工业的发展。电动车按照动力材料不同大体可以分为燃料电池汽车、混合动力汽车与纯电动汽车三类，其中纯电动车具有突出的节能与环保优势，但动力电池技术问题一直制约其规模化快速发展；混合动力汽车由于仍然部分依赖于石油能源，因此节能效果受到一定影响；燃料电池汽车多以氢为动力燃料，但由于燃料制造成本较高，发展受限。

国家相继出台了多部政策文件大力扶持电动汽车发展，我国电动汽车生产及使用规模不断增大，燃料电池车辆也开始逐步扩大生产。2014年我国新能源汽车销量已接近8万量，成为世界第二大新能源汽车消费市场，仅次于美国；2015年我国新能源汽车保持了迅猛的增长态势，生产总量已突破30万辆，成为全球最大的新能源汽车市场。以此发展规模推算，我国电动汽车工业将迎来一个飞速发展阶段；同时基于储能技术的不断进步，市场商业化模式的不断完善，需求响应效果日趋明显，我国电动汽车生产及消费规模将仍然保持一个较高的增长态势。

电动汽车产业发展对于推动我国汽车产业节能减排具有至关重要的推动作用，但从产业链角度分析，电动汽车综合发展仍面临许多挑战与瓶颈。收电动汽车发展影响，锂离子产业当前正处于高速发展阶段，技术、市场和产业格局等并没有完全确定，已处于在变化之中，通过2018年锂电产品发生的变化来审视产业发展问题和趋势，综合分析，目前锂离子动力电池寿命虽然有大的进步，稳定性也有了较大提高，但是电池的最大问题是所有锂离子动力电池性能受环境影响较大，由于燃料电池车辆也开始逐步推广，从去年的产品来看，燃料电池用锂离子动力电池(不论是磷酸铁锂电池或者锰酸锂电池以及三元里锂离子电池等)一般都受外部环境影响较大，在温度较低时，容易出现电池自放电现象，严重影响电池的使用。特别是销售在北方寒冷地区的燃料电池车辆，对电池低温性能带来了重大挑战；为了适应北方及东北等寒冷地区，电池系统提出加热方案，通过电池加热解决大部分的电池加热问题，纯电动汽车可以用此方案解决，设定固定电池最佳适宜的25℃工作区环境工作，但是对于燃料电池车辆，单纯的加热无法解决此问题，因为燃料电池发动机在零度以下也会工作，而此时若直接给电池充电，会对电池造成析锂现象，对电池安全造成影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法。

将对锂电池充放电与温度关系进行分析，同时结合氢燃料电池车辆的实际工作情况，特提出通过加热方法的方法，解决电池燃料电池在北方寒冷地区使用的缺陷，使得电池性能满足氢燃料发动机低温工作给电池充电的需求，以保证匹配的动力电池正常使用。由于车辆经常会处于低温地区，运行回来停放一晚上后，电池温度会降低至零度以下，甚至更低此时电池特性决定电池零度以下不允许充电，且随着电池温度升高至25℃以上，整个过程电池可以接收的充电电流逐渐加大，25℃时可以发挥最大的充电性能，所以电池在外界低温环境下，如何通过控制加热方法，保证电池迅速从零度以下温度升至最适合工作的温度，可以接收燃料电池正常工作电流充电，以满足启动燃料电池正常工作给电池大电流补电，充分的发挥燃料电池的性能，成为本发明的改进方向。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，该燃料电池发动机系统包括整车控制器和与所述整车控制器相连接的燃料电池子系统和动力电池子系统，该方法包括以下步骤：

步骤1：所述燃料电池子系统按照正常上电逻辑预运行；

步骤2：当整车SOC处于不同状态下时，所述燃料电池子系统针对不同状态输出对应功率以使得所述动力电池子系统在寒冷天气下的安全状态。

进一步地，所述的动力电池子系统由多个电池单体和包裹于多个电池单体彼此之间的电池加热膜组成。

进一步地，所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤21：当整车SOC≥90％时，所述燃料电池子系统输出功率为0，当前车辆的充放电状态与纯电动客车相同；

步骤22：当整车SOC≥80％且＜90％时，所述燃料电池子系统启动并以恒定20KW输出功率；

步骤23：当整车SOC≥60％且＜80％时，所述燃料电池子系统启动并以恒定40KW输出功率；

步骤24：当整车SOC＜60％时，所述燃料电池子系统启动并以恒定60KW输出功率。

进一步地，所述的步骤1具体包括：所述整车控制器预先接收所述动力电池子系统发来的SOC指令值并同时判断该SOC指令值的大小，然后将该指令值发送至所述燃料电池子系统执行具体操作。

进一步地，所述的步骤24中还包括以下分步骤：

步骤241：将所述动力电池子系统加热，即对所述动力电池子系统中的电池加热膜的供电阈值进行重新标定；

步骤242：以首次上电为信号，所述动力电池子系统完成首次上电控制逻辑后对所述动力电池子系统中的电池加热膜开始加热并持续加热至经过重新标定的供电阈值状态；

步骤243：每经过一次上电信号便循环执行步骤241和步骤242；

步骤244：在所述动力电池子系统中的电池加热膜的加热过程中同时增加其功率以匹配所述燃料电池子系统全负荷启动的工况。

进一步地，所述步骤243中的上电信号为钥匙KeyON档对应的上电信号。

进一步地，所述步骤241中的对所述动力电池子系统中的电池加热膜的供电阈值进行重新标定具体包括将电芯温度5℃以下开启，10℃以上加热关闭改定为电芯温度12℃以下开启，17℃以上加热关闭。

进一步地，所述的整车控制器通过CAN通信网络分别与所述燃料电池子系统和所述动力电池子系统相连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)适应性更强，更合理；本发明方法为了适应低温环境，更为合理的分配功率值，适应北方寒冷工况，使得燃料电池长时间处于高效率工作。

(2)效率高；本发明方法中通过加大加热膜公路，调整加热条件，加长加热时间，加热速率提升1倍以上，5分钟内电池系统可以达到事宜温度，充分发挥燃料电池低温工作特性。

(3)安全；本发明方法由于在原纯电动的控制方法基础上，增加整车控制器与燃料电池子系统的功率分配的步骤，降低甚至避免电池系统在低温环境下处于析锂的边界条件的可能性，提升电池系统及整车安全性。

(4)平衡性好；本发明更有效的使得燃料电池与系统工况需求能量处于一个平衡状态，保证良好的使用性能，平衡系统供给功率和消耗功率，改善了前期低温环境能量消耗后“供不应求”的缺陷。

(5)故障率低；本发明方法通过优化方法，系统的匹配度更高，工作交互更协调，故障率与原状态比较降低70％。

附图说明

图1为本发明控制方法的整体流程图；

图2为本发明的系统架构图；

图3为本发明中的动力电池子系统的组织结构图。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示燃料电池整车控制方法保留了原纯电动的控制方法以及故障处理机制，在原纯电动的控制方法基础上，增加整车控制器(简称VCU)与燃料电池子系统的功率分配的方法，并且整车控制器(简称VCU)在基于锂离子动力电池子系统(简称电池系统)的SOC(state of charge)的状态下，通过CAN(Controller Area Network)网络线束，通信交互控制燃料电池子系统按照不同工作的功率输出，在整车无故障的前提下，具体方法为：

步骤1.60kw燃料电池子系统的正常上电逻辑运行；

步骤2.整车SOC大于等于90％时，燃料电池输出功率为零，当车辆的充放电状态与纯电动客车一致；

步骤3.整车SOC小于90％且大于等于80％时，燃料电池子系统启动，并恒定20kW的功率输出；

步骤4.整车SOC小于80％且大于等于60％时，燃料电池子系统启动，并恒定40kW的功率输出；

步骤5.整车SOC小于60％时，燃料电池子系统以60kW的功率恒定输出；

以上所述步骤1中：整车控制器，它将先接收锂离子动力电池子系统发来的电池系统SOC指令，同时判断SOC指令大小，然后根据既定方法发送指令给燃料电池子系统执行，实现控制；

以上所述步骤5中：电池单体在温度较低情况下，电池系统为了发挥燃料电池的发电性能满足整车工况要求，匹配燃料电池的动力电池加热方法增加如下调整：

步骤01.将电池系统开始加热，即给电池加热膜供电的阀值重新标定，即由“电芯温度5℃以下开启，10℃以上加热关闭”的阀值改为“12℃以下加热开启，17℃以上加热关闭”；

步骤02.加热方法调整为：以首次钥匙KeyON档(客车启动档位)上电为信号，电池系统完成首次上电控制逻辑后就开始加热，一直加热至电芯温度到17℃以上；除非有钥匙key ON消失操作之外；

步骤03.每次钥匙KeyON档信号上电都执行一次以上加热方法。

步骤04.为匹配燃料电池低温下全负荷启动的工况，电池系统中，将电池加热模功率加大，从而提升加热速率，与加热方法一起完成优化。

如图2所示为本发明的燃料电池发动机系统的系统架构图，包括整车控制器(简称VCU)、燃料电池子系统、锂离子动力电池子系统，整车控制器(简称VCU)、燃料电池子系统、锂离子动力电池子系统(简称电池系统)3个部件由CAN网络线束连接，进行通信交互，实现控制方法完成；其中锂离子动力电池子系统，如图3所示由电池单体和单体之间的电池加热膜包络组成。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，该燃料电池发动机系统包括整车控制器和与所述整车控制器相连接的燃料电池子系统和动力电池子系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：所述燃料电池子系统按照正常上电逻辑预运行；

步骤2：当整车SOC处于不同状态下时，所述燃料电池子系统针对不同状态输出对应功率以使得所述动力电池子系统在寒冷天气下的安全状态。

2.根据权利要求1所述的一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，其特征在于，所述的动力电池子系统由多个电池单体和包裹于多个电池单体彼此之间的电池加热膜组成。

3.根据权利要求1所述的一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，其特征在于，所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤21：当整车SOC≥90％时，所述燃料电池子系统输出功率为0，当前车辆的充放电状态与纯电动客车相同；

步骤22：当整车SOC≥80％且＜90％时，所述燃料电池子系统启动并以恒定20KW输出功率；

步骤23：当整车SOC≥60％且＜80％时，所述燃料电池子系统启动并以恒定40KW输出功率；

步骤24：当整车SOC＜60％时，所述燃料电池子系统启动并以恒定60KW输出功率。

4.根据权利要求1所述的一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括：所述整车控制器预先接收所述动力电池子系统发来的SOC指令值并同时判断该SOC指令值的大小，然后将该指令值发送至所述燃料电池子系统执行具体操作。

5.根据权利要求3所述的一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，其特征在于，所述的步骤24中还包括以下分步骤：

步骤241：将所述动力电池子系统加热，即对所述动力电池子系统中的电池加热膜的供电阈值进行重新标定；

步骤242：以首次上电为信号，所述动力电池子系统完成首次上电控制逻辑后对所述动力电池子系统中的电池加热膜开始加热并持续加热至经过重新标定的供电阈值状态；

步骤243：每经过一次上电信号便循环执行步骤241和步骤242；

步骤244：在所述动力电池子系统中的电池加热膜的加热过程中同时增加其功率以匹配所述燃料电池子系统全负荷启动的工况。

6.根据权利要求5所述的一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，其特征在于，所述步骤243中的上电信号为钥匙KeyON档对应的上电信号。

7.根据权利要求5所述的一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，其特征在于，所述步骤241中的对所述动力电池子系统中的电池加热膜的供电阈值进行重新标定具体包括将电芯温度5℃以下开启，10℃以上加热关闭改定为电芯温度12℃以下开启，17℃以上加热关闭。

8.根据权利要求1所述的一种用于北方地区的燃料电池发动机系统的动力电池控制方法，其特征在于，所述的整车控制器通过CAN通信网络分别与所述燃料电池子系统和所述动力电池子系统相连接。

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