CN112339580B - 一种燃料电池汽车能量管理优化方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池汽车能量管理优化方法和系统，通过差异化设定进入与退出燃料电池启动工况的条件、差异化设定进入蓄电池驱动放电工况与充电工况的条件，避免了燃料电池的频繁启停与蓄电池的反复充放电问题，解决了传统技术中的车辆动力源切换频繁的问题。本发明降低了工况间的频繁切换，从而提高了燃料电池与蓄电池的使用寿命。

Description

一种燃料电池汽车能量管理优化方法和系统
技术领域
本发明属于电池能量管理技术领域，具体涉及一种燃料电池汽车能量管理优化方法和系统。
背景技术
能量管理策略是燃料电池汽车的开发的关键技术，其关系到整车的动力性与经济性，同时也会影响到燃料电池及蓄电池的使用寿命。燃料电池的使用寿命与其频繁启停关系较大，同样蓄电池的使用寿命会受到蓄电池的频繁充、放电影响。因此，合理的能量管理策略应尽可能避免燃料电池的频繁启停与蓄电池的频繁充放电情况。
当前能量管理策略多采用开关型系统，即当车辆状态满足一定条件时，进入工作模式A，不满足该条件则进入工作模式B。当车辆的工作状态长时间处在该条件附近时，会发生工作模式A、B之间的反复切换。如果工作模式A与工作模式B的转换存在燃料电池的启、停转换和/或蓄电池的充、放电转换，则会严重影响燃料电池及蓄电池的使用寿命。
因此，对于开关型能量管理策略，需要一种优化的控制来避免状态之间的频繁切换。
常规采用开关型控制的能量管理策略，其基本流程如图1所示：
程序启动后，首先进行系统参数监测，比如监测车辆的车速，油门踏板开度(驾驶员需求功率)，蓄电池SOC(State of Charge，荷电状态)等，然后对监测的参数进行条件A判断。例如条件A为SOC大于某个设定值，如果条件A成立，则进入工作模式A，否则进一步判断条件B是否成立，如果条件B成立，则进入工作模式B，否则进入工作模式C。系统根据不同的工作模式，对蓄电池及燃料电池的能量进行分配，并将该能量分配值输入给FCCU(FuelCell Control Unit，燃料电池控制器)及BMS(Battery Management System，电池管理系统)，最终控制燃料电池及蓄电池的输出。
上述能量管理策略单一的从满足条件A即进入工作模式A，不满足条件A即进入工作模式B或工作模式C。如工作模式A为蓄电池单独驱动工作模式，工作模式B为燃料电池与蓄电池共同驱动，工作模式C为燃料电池驱动且对蓄电池进行充电，则工作模式A进入到工作模式B，燃料电池会发生启动工作、停机工作状态的变化，工作模式A进入到工作模式C，蓄电池会发生充、放电状态的变化。如果此时车辆的工作状态在条件A附近波动，则会出现工作模式A到B或A到C的反复切换，此种情况对燃料电池和蓄电池的寿命均会产生不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种燃料电池汽车能量管理优化方法和系统，用于避免燃料电池的频繁启停与蓄电池的频繁充放电。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种燃料电池汽车能量管理优化方法，包括以下步骤：
S1：搭建燃料电池汽车能量管理优化系统，包括油门踏板、位置传感器、VCU、FCCU、BMS、MCU、燃料电池、蓄电池、DC/DC电源模块、驱动电机；油门踏板和位置传感器的信号输出端分别连接VCU的信号输入端；VCU整车控制器的信号收发端分别连接MCU的信号收发端、BMS的信号收发端、FCCU的信号收发端；VCU包括能量管理策略模块；MCU的另一信号收发端连接驱动电机的信号收发端；BMS的另一信号收发端连接蓄电池的信号收发端；FCCU的另一信号收发端连接燃料电池的信号收发端；燃料电池和蓄电池的能量输出端分别连接DC/DC电源模块的能量输入端，DC/DC电源模块的能量输出端连接驱动电机的能量输入端；
S2：在蓄电池SOC值的单条件判断下，对蓄电池驱动状态和充电状态的切换进行能量管理策略优化；
S3：在蓄电池SOC值和驾驶员需求功率P的多条件判断下，对蓄电池单独驱动状态和双电池驱动状态的切换进行能量管理策略优化；
S4：在蓄电池SOC值和驾驶员需求功率P的多条件判断下，对蓄电池驱动状态和充电状态的切换进行能量管理策略优化。
按上述方案，设SOC1为蓄电池SOC值的基准值，ΔSOC为通过实验标定的变化量。
进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：能量管理策略模块通过BMS获取实时的蓄电池SOC值；
S22：能量管理策略模块根据蓄电池SOC值、蓄电池的上一工作状态和当前工作状态进行能量管理策略优化，并出输出控制信号；
进一步的，所述的步骤S22中，具体步骤为：
若SOC>SOC1，能量管理策略模块判断进入蓄电池驱动状态，将蓄电池应提供的功率值发送给BMS，并通过BMS控制蓄电池输出功率；
若SOC1-ΔSOC≤SOC≤SOC1，能量管理策略模块判断蓄电池维持上一工作状态，通过BMS控制蓄电池按上一工作状态工作；
若SOC<SOC1-ΔSOC，能量管理策略模块判断进入蓄电池充电状态，并将蓄电池的充电功率需求发送给FCCU，FCCU控制燃料电池按给定的功率发电并向蓄电池充电。
进一步的，设P1为油门开度信号转化的驾驶员需求功率P的基准值，ΔP为通过实验标定的变化量。
进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：
S31：能量管理策略模块通过BMS获取实时的蓄电池SOC值；
S32：能量管理策略模块采集油门踏板和位置传感器的信号，并转化为驾驶员需求功率P；
S33：能量管理策略模块根据蓄电池SOC值、驾驶员需求功率P、蓄电池的上一工作状态和当前工作状态进行能量管理策略优化，并出输出控制信号。
进一步的，所述的步骤S33中，具体步骤为：
若SOC>SOC1，且P<P1，能量管理策略模块判断进入蓄电池单独驱动状态，将蓄电池应提供的功率值发送给BMS，并通过BMS控制蓄电池输出功率；
若SOC1-ΔSOC≤SOC≤SOC1且P≤P1+ΔP，或SOC>SOC1且P1≤P≤P1+ΔP，能量管理策略模块判断蓄电池和燃料电池维持上一工作状态，分别通过BMS和FCCU控制蓄电池和燃料电池按上一工作状态工作；
若SOC<SOC1-ΔSOC或P>P1+ΔP，能量管理策略模块判断进入双电池驱动状态，将燃料电池用于发电的功率值发送给FCCU，通过FCCU启动燃料电池，并控制燃料电池按给定的功率发电。
进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：能量管理策略模块通过BMS获取实时的蓄电池SOC值；
S42：能量管理策略模块采集油门踏板和位置传感器的信号，并转化为驾驶员需求功率P；
S43：能量管理策略模块根据蓄电池SOC值、驾驶员需求功率P、蓄电池的上一工作状态和当前工作状态进行能量管理策略优化，并出输出控制信号。
进一步的，所述的步骤S43中，具体步骤为：
若SOC>SOC1且P<P1，能量管理策略模块判断进入蓄电池驱动状态，将蓄电池应提供的功率值发送给BMS，并通过BMS控制蓄电池为放电驱动状态并输出对应的功率；
若SOC1-ΔSOC≤SOC≤SOC1且P≤P1+ΔP，或SOC>SOC1且P1≤P≤P1+ΔP，能量管理策略模块判断蓄电池维持上一工作状态，通过BMS控制蓄电池按上一工作状态工作；
若SOC<SOC1-ΔSOC或P>P1+ΔP，能量管理策略模块判断进入蓄电池充电状态，将燃料电池用于驱动及发电的功率值发送给FCCU，通过FCCU启动燃料电池，并控制燃料电池按给定的功率发电并向蓄电池充电。
一种燃料电池汽车能量管理优化系统，包括油门踏板、位置传感器、VCU整车控制器、FCCU燃料电池控制器、BMS电池管理系统、MCU电机控制器、燃料电池、蓄电池、DC/DC电源模块、驱动电机；油门踏板和位置传感器的信号输出端分别连接VCU整车控制器的信号输入端，用于向VCU整车控制器发送油门控制信号和油门状态信号；VCU整车控制器的信号收发端分别连接MCU电机控制器的信号收发端、BMS电池管理系统的信号收发端、FCCU燃料电池控制器的信号收发端，用于分别接收MCU电机控制器、BMS电池管理系统、FCCU燃料电池控制器处理后的状态信号和下发控制信号；VCU整车控制器包括能量管理策略模块，用于根据当前工作状态进行能量管理策略优化，并出输出相应的控制信号；MCU电机控制器的另一信号收发端连接驱动电机的信号收发端，用于采集驱动电机的状态信号并转发VCU整车控制器的控制信号控制驱动电机的输出；BMS电池管理系统的另一信号收发端连接蓄电池的信号收发端，用于采集蓄电池的状态信号并转发VCU整车控制器的控制信号控制蓄电池的输出；FCCU燃料电池控制器的另一信号收发端连接燃料电池的信号收发端，用于燃料电池采集的状态信号并转发VCU整车控制器的控制信号控制燃料电池的输出；燃料电池和蓄电池的能量输出端分别连接DC/DC电源模块的能量输入端，DC/DC电源模块的能量输出端连接驱动电机的能量输入端，用于作为汽车的动力源向驱动电机供电；驱动电机用于通过驱动桥将动力传递至车轮。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种燃料电池汽车能量管理优化方法和系统，通过差异化设定进入与退出燃料电池启动工况的条件、差异化设定进入蓄电池驱动放电工况与充电工况的条件，避免了燃料电池的频繁启停与蓄电池的反复充放电问题，解决了传统技术中的车辆动力源切换频繁的问题。
2.本发明降低了工况间的频繁切换，从而提高了燃料电池与蓄电池的使用寿命。
附图说明
图1是现有开关型控制的能量管理方法的流程图。
图2是本发明实施例的功能框图。
图3是本发明实施例的场景1的优化图。
图4是本发明实施例的场景2的优化图。
图5是本发明实施例的场景3的优化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
对于燃料电池汽车，其基本结构如图2所示：燃料电池和蓄电池作为动力源，经DC/DC(Direct Current/Direct Current，直流到直流转换装置)向驱动电机供电；驱动电机通过驱动桥将动力传递至车轮；VCU(Vehicle Control Unit，整车控制器)分别与MCU(MotorControl Unit，电机控制器)、BMS(Battery Management System，电池管理系统)、FCCU(Fuel Cell Control Unit，燃料电池控制器)进行信号交互，经VCU的能量管理策略模块输出对应的控制信号给相应的控制单元MCU、BMS和FCCU，各控制单元根据控制信号分别控制驱动电机，蓄电池和燃料电池的输出。
本发明的实施例的一种燃料电池汽车能量管理优化方法，包括以下步骤：
S1：在场景1下对单一条件的开关判断采用如图3的方式进行能量管理策略优化：
S11：VCU接收BMS发送的蓄电池SOC(State of Charge，荷电状态)实时值，VCU获取上一轮的蓄电池的工作状态，即VCU接收系统当前的工作状态及BMS检测的蓄电池SOC值；
S12：通过能量管理策略判断蓄电池SOC值：
具体地，如果SOC>SOC1时，VCU内能量管理策略模块结合当前工作状态，判断蓄电池进入电池驱动模式，同时输出蓄电池应提供的功率给BMS，BMS最终控制蓄电池为放电驱动状态并输出对应的功率。
如果SOC1-ΔSOC≤SOC≤SOC1时，控制蓄电池维持上一工作状态，保持输出上一工作状态对应的功率给BMS，BMS最终控制蓄电池为上一工作状态并输出对应的功率。
如果蓄电池SOC<SOC1-ΔSOC时，VCU内能量管理策略模块结合当前工作状态，判断蓄电池进入充电模式，同时输出蓄电池的需求充电功率给FCCU，FCCU控制燃料电池按给定的功率发电并向蓄电池充电。
其中，ΔSOC可以通过实验进行标定，通过优化能量管理策略中进入蓄电池驱动的控制条件SOC>SOC1与进入蓄电池充电的控制条件SOC<SOC1-ΔSOC有ΔSOC的差异，从而有效避免了蓄电池SOC在SOC1附近变化导致的蓄电池驱动放电与蓄电池充电两种状态之间的反复变化，也即是避免了蓄电池的反复充、放电，从而延长了蓄电池的使用寿命。
S2：在场景2下对多条件的开关判断采用如图4的方式进行策略优化：
S21：VCU接收系统当前的工作状态、由油门开度信号转化的驾驶员需求功率P及BMS系统检测的蓄电池SOC值；
S22：通过能量管理策略判断蓄电池SOC值及驾驶员需求功率P：
具体地，如果电池SOC>SOC1且驾驶员需求功率P<P1时，VCU内能量管理策略模块结合当前工作状态，判断系统进入蓄电池单独驱动模式并输出蓄电池应提供的功率给BMS，BMS最终控制蓄电池为放电驱动状态并输出对应的功率。
如果SOC1-ΔSOC≤SOC≤SOC1且P≤P1+ΔP，或SOC>SOC1且P1≤P≤P1+ΔP时，控制蓄电池及燃料电池维持上一工作状态，保持输出上一工作状态对应的功率给BMS及FCCU。
如果蓄电池SOC<SOC1-ΔSOC或驾驶员需求功率P>P1+ΔP时，VCU内能量管理策略模块结合当前工作状态，判断燃料电池启动并输出燃料电池应输出的功率给FCCU，FCCU控制燃料电池按给定的功率发电。
其中，ΔSOC及ΔP可以通过实验进行标定，通过优化能量管理策略中进入蓄电池单独驱动的条件SOC>SOC1及驾驶员需求功率P<P1与退出蓄电池单独驱动至燃料电池启动工作的条件SOC<SOC1且驾驶员需求功率P>P1+ΔP分别有ΔSOC和ΔP的差异，从而有效避免了蓄电池的SOC在SOC1附近及驾驶员需求功率P在P1附近变化导致的燃料电池系统频繁启停的现象，延长了燃料电池的使用寿命。
S3：在场景3下对多条件的开关判断采用如图5的方式进行系统优化：
S31：VCU接收系统当前的工作状态、由油门开度信号转化的驾驶员需求功率P及BMS系统检测的蓄电池SOC值；
S32：能量管理策略对蓄电池SOC值及驾驶员需求功率P进行判断：
具体地，如果蓄电池SOC>SOC1且驾驶员需求功率P<P1时，VCU内能量管理策略模块结合当前工作状态，判断系统进入蓄电池驱动模式，同时输出蓄电池应提供的功率值给BMS，BMS最终控制蓄电池为放电驱动状态并输出对应的功率。
如果SOC1-ΔSOC≤SOC≤SOC1且P≤P1+ΔP或者SOC>SOC1且P1≤P≤P1+ΔP时，控制蓄电池维持上一工作状态，保持输出上一工作状态对应的功率给BMS及FCCU。
如果蓄电池SOC<SOC1-ΔSOC或驾驶员需求功率P>P1+ΔP时，VCU内能量管理策略模块结合当前工作状态，判断蓄电池进入充电模式，同时输出燃料电池用于驱动及发电的功率值给FCCU，FCCU控制燃料电池按给定的功率发电并向蓄电池充电。
其中，ΔSOC及ΔP可以通过实验进行标定，通过优化能量管理策略中进入蓄电池驱动的条件SOC>SOC1及P<P1与退出蓄电池驱动至蓄电池充电的条件SOC<SOC1且驾驶员需求功率P>P1+ΔP分别有ΔSOC和ΔP的差异，从而有效避免了蓄电池的SOC在SOC1附近或驾驶员需求功率P在P1附近变化导致的蓄电池反复充、放电的现象，延长了蓄电池的使用寿命。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池汽车能量管理优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：搭建燃料电池汽车能量管理优化系统，包括油门踏板、位置传感器、VCU、FCCU、BMS、MCU、燃料电池、蓄电池、DC/DC电源模块、驱动电机；
油门踏板和位置传感器的信号输出端分别连接VCU的信号输入端；
VCU整车控制器的信号收发端分别连接MCU的信号收发端、BMS的信号收发端、FCCU的信号收发端；VCU包括能量管理策略模块；
MCU的另一信号收发端连接驱动电机的信号收发端；
BMS的另一信号收发端连接蓄电池的信号收发端；
FCCU的另一信号收发端连接燃料电池的信号收发端；
燃料电池和蓄电池的能量输出端分别连接DC/DC电源模块的能量输入端，DC/DC电源模块的能量输出端连接驱动电机的能量输入端；
S2：在蓄电池SOC值的单条件判断下，对蓄电池驱动状态和充电状态的切换进行能量管理策略优化；
设SOC1为蓄电池SOC值的基准值，ΔSOC为通过实验标定的变化量；
通过实验标定ΔSOC，通过优化能量管理策略中进入蓄电池驱动的控制条件SOC>SOC1与进入蓄电池充电的控制条件SOC<SOC1-ΔSOC有ΔSOC的差异，避免蓄电池SOC在SOC1附近变化导致的蓄电池驱动放电与蓄电池充电两种状态之间的反复变化；
S3：在蓄电池SOC值和驾驶员需求功率P的多条件判断下，对蓄电池单独驱动状态和双电池驱动状态的切换进行能量管理策略优化；
设P1为油门开度信号转化的驾驶员需求功率P的基准值，ΔP为通过实验标定的变化量；
通过实验标定ΔSOC及ΔP，通过优化能量管理策略中进入蓄电池单独驱动的条件SOC>SOC1及驾驶员需求功率P<P1与退出蓄电池单独驱动至燃料电池启动工作的条件SOC<SOC1且驾驶员需求功率P>P1+ΔP分别有ΔSOC和ΔP的差异，避免蓄电池SOC在SOC1附近及驾驶员需求功率P在P1附近变化导致的燃料电池系统频繁启停的现象；
S4：在蓄电池SOC值和驾驶员需求功率P的多条件判断下，对蓄电池驱动状态和充电状态的切换进行能量管理策略优化；
通过实验标定ΔSOC及ΔP，通过优化能量管理策略中进入蓄电池驱动的条件SOC>SOC1及P<P1与退出蓄电池驱动至蓄电池充电的条件SOC<SOC1且驾驶员需求功率P>P1+ΔP分别有ΔSOC和ΔP的差异，避免蓄电池SOC在SOC1附近或驾驶员需求功率P在P1附近变化导致的蓄电池反复充、放电的现象。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车能量管理优化方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：能量管理策略模块通过BMS获取实时的蓄电池SOC值；
S22：能量管理策略模块根据蓄电池SOC值、蓄电池的上一工作状态和当前工作状态进行能量管理策略优化，并出输出控制信号。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车能量管理优化方法，其特征在于：所述的步骤S22中，具体步骤为：
若SOC>SOC1，能量管理策略模块判断进入蓄电池驱动状态，将蓄电池应提供的功率值发送给BMS，并通过BMS控制蓄电池输出功率；
若SOC1-ΔSOC≤SOC≤SOC1，能量管理策略模块判断蓄电池维持上一工作状态，通过BMS控制蓄电池按上一工作状态工作；
若SOC<SOC1-ΔSOC，能量管理策略模块判断进入蓄电池充电状态，并将蓄电池的充电功率需求发送给FCCU，FCCU控制燃料电池按给定的功率发电并向蓄电池充电。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车能量管理优化方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：
S31：能量管理策略模块通过BMS获取实时的蓄电池SOC值；
S32：能量管理策略模块采集油门踏板和位置传感器的信号，并转化为驾驶员需求功率P；
S33：能量管理策略模块根据蓄电池SOC值、驾驶员需求功率P、蓄电池的上一工作状态和当前工作状态进行能量管理策略优化，并出输出控制信号。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池汽车能量管理优化方法，其特征在于：所述的步骤S33中，具体步骤为：
若SOC>SOC1，且P<P1，能量管理策略模块判断进入蓄电池单独驱动状态，将蓄电池应提供的功率值发送给BMS，并通过BMS控制蓄电池输出功率；
若SOC1-ΔSOC≤SOC≤SOC1且P≤P1+ΔP，或SOC>SOC1且P1≤P≤P1+ΔP，能量管理策略模块判断蓄电池和燃料电池维持上一工作状态，分别通过BMS和FCCU控制蓄电池和燃料电池按上一工作状态工作；
若SOC<SOC1-ΔSOC或P>P1+ΔP，能量管理策略模块判断进入双电池驱动状态，将燃料电池用于发电的功率值发送给FCCU，通过FCCU启动燃料电池，并控制燃料电池按给定的功率发电。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车能量管理优化方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：能量管理策略模块通过BMS获取实时的蓄电池SOC值；
S42：能量管理策略模块采集油门踏板和位置传感器的信号，并转化为驾驶员需求功率P；
S43：能量管理策略模块根据蓄电池SOC值、驾驶员需求功率P、蓄电池的上一工作状态和当前工作状态进行能量管理策略优化，并出输出控制信号。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池汽车能量管理优化方法，其特征在于：所述的步骤S43中，具体步骤为：
若SOC>SOC1且P<P1，能量管理策略模块判断进入蓄电池驱动状态，将蓄电池应提供的功率值发送给BMS，并通过BMS控制蓄电池为放电驱动状态并输出对应的功率；
若SOC1-ΔSOC≤SOC≤SOC1且P≤P1+ΔP，或SOC>SOC1且P1≤P≤P1+ΔP，能量管理策略模块判断蓄电池维持上一工作状态，通过BMS控制蓄电池按上一工作状态工作；
若SOC<SOC1-ΔSOC或P>P1+ΔP，能量管理策略模块判断进入蓄电池充电状态，将燃料电池用于驱动及发电的功率值发送给FCCU，通过FCCU启动燃料电池，并控制燃料电池按给定的功率发电并向蓄电池充电。
8.一种用于权利要求1至7中任意一项所述的燃料电池汽车能量管理优化方法的优化系统，其特征在于：包括油门踏板、位置传感器、VCU整车控制器、FCCU燃料电池控制器、BMS电池管理系统、MCU电机控制器、燃料电池、蓄电池、DC/DC电源模块、驱动电机；
油门踏板和位置传感器的信号输出端分别连接VCU整车控制器的信号输入端，用于向VCU整车控制器发送油门控制信号和油门状态信号；
VCU整车控制器的信号收发端分别连接MCU电机控制器的信号收发端、BMS电池管理系统的信号收发端、FCCU燃料电池控制器的信号收发端，用于分别接收MCU电机控制器、BMS电池管理系统、FCCU燃料电池控制器处理后的状态信号和下发控制信号；VCU整车控制器包括能量管理策略模块，用于根据当前工作状态进行能量管理策略优化，并出输出相应的控制信号；
MCU电机控制器的另一信号收发端连接驱动电机的信号收发端，用于采集驱动电机的状态信号并转发VCU整车控制器的控制信号控制驱动电机的输出；
BMS电池管理系统的另一信号收发端连接蓄电池的信号收发端，用于采集蓄电池的状态信号并转发VCU整车控制器的控制信号控制蓄电池的输出；
FCCU燃料电池控制器的另一信号收发端连接燃料电池的信号收发端，用于燃料电池采集的状态信号并转发VCU整车控制器的控制信号控制燃料电池的输出；燃料电池和蓄电池的能量输出端分别连接DC/DC电源模块的能量输入端，DC/DC电源模块的能量输出端连接驱动电机的能量输入端，用于作为汽车的动力源向驱动电机供电；驱动电机用于通过驱动桥将动力传递至车轮。
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