CN112677827B - 氢燃料商用车功率输出预测方法、系统、设备以及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料商用车功率输出预测方法、系统、装置以及介质，属于智能汽车技术领域。通过实时测量车辆在行驶过程中的行驶倾角并根据倾角变化判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段；通过实施测量车辆的行驶加速度判断车辆的行驶加减速状态，从而实现对车辆的爬坡或下坡阶段时氢燃料电堆的功率需求的预测，以在氢燃料商用车的后轮在进入爬坡前提前对电堆提出功率需求，使氢燃料商用车在后轮进入爬坡前获得足够的动力支持，减小因系统延迟导致电堆功率输出不足的影响。

Description

氢燃料商用车功率输出预测方法、系统、设备以及介质

技术领域

本发明属于智能汽车技术领域，尤其是一种氢燃料商用车功率输出预测方法、系统、设备以及介质。

背景技术

氢燃料系统中的电堆进行反应时需要氢气和氧气，并通过高压储氢罐以及空压机等燃料电池系统附件来提供。

当氢燃料商用车在爬坡时，行车电脑对氢燃料系统中的电堆突然提出过大的功率要求。而燃料电池系统附件由于机械性能延迟以及响应延迟，无法立即满足氢燃料系统中的电堆内部化学反应需求，从而影响氢燃料系统中电堆的功率输出。

发明内容

本发明提供了一种氢燃料商用车功率输出预测方法、系统、设备以及介质，以解决现有技术中存在的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种氢燃料商用车功率输出预测方法，包括：

实时测量车辆行驶过程中的行驶倾角α，该倾角为车辆行驶方向与水平方向的夹角；

实时测量车辆行驶过程中的行驶加速度a；

当倾角发生变化时，判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段；

根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出P_电堆。

进一步地，所述倾角发生变化时，判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段的过程进一步为：

先记录倾角初始变化时的车辆行驶倾角α₁，间隔时间Δt后再次记录的车辆行驶倾角α₂；

根据记录的车辆行驶倾角变化判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段：

当α₁＞0且α₂＞0，则判断车辆进入爬坡路段，车辆的行驶倾角α＞0；

当α₁<0且α₂<0，则判断车辆进入下坡路段，车辆的行驶倾角α<0；

当α₁<0且α₂＞0，则判断车辆临时经过地面凹坑，车辆的行驶倾角α＝0；

当α₁＞0且α₂<0，则判断车辆临时经过地面凸起，车辆的行驶倾角α＝0。

进一步地，所述间隔时间Δt设定为0.01-0.03秒。

进一步地，根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出P_电堆的过程进一步为：

计算车辆的爬坡时所需的牵引力；

根据行驶倾角变化时的速度以及车辆的瞬时加速度计算车辆的后轮开始爬坡时的速度；

计算车辆的后轮开始爬坡时的功率需求；

根据燃料电池发动机的功率转化系数计算出燃料电池发动机的功率需求；

根据氢燃料电堆的功率转化系数计算出氢燃料电堆的功率需求。

进一步地，根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出P_电堆的过程进一步为：

计算车辆的爬坡时所需的牵引力，该牵引力为：

F_牵＝(μ·m·g·cosα+m·g·sinα±m·a)，

式中，μ为轮胎和路面的摩擦系数，m为车辆的整体重量，α为车辆的行驶倾角，a车辆的加速度；

计算车的后轮开始爬坡时的速度，该速度为v_t，

式中，v₀为车辆的倾角发生变化时的速度，a车辆的加速度，L为车头到后轮的距离，t为车辆的倾角发生变化时至车辆的后轮开始爬坡时的时间，t_延迟为系统的延迟时间，T为系统的响应时间；

计算车辆的后轮开始爬坡时的功率需求，为P_牵＝F_牵·v_t；

计算燃料电池发动机的功率需求，为P_发＝P_牵/θ₁，式中，θ₁为燃料电池发动机的功率转化系数；

计算氢燃料电堆的功率需求，为P_电堆＝P_发/θ₂，式中，θ₂为氢燃料电堆的功率转化系数。

进一步地，所述系统的延迟时间t_延迟≥0.03秒。

进一步地，燃料电池发动机的功率转化系数θ₁设定为0.8到0.95；所述氢燃料电堆的功率转化系数θ₂设定为0.4到0.6。

第二方面，本发明的实施例进一步提供一种氢燃料商用车功率输出预测系统，包括：

用于实时测量车辆行驶过程中的行驶倾角α的第一模块，所述第一模块包括倾角传感器；

用于实时测量车辆行驶过程中的行驶加速度a的第二模块，所述第二模块包括加速度传感器；

用于判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段的第三模块；

用于预测并调整氢燃料电堆的功率输出的第四模块。

第三方面，本发明的实施例进一步提供一种氢燃料商用车功率输出预测设备，包括：

处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；

所述处理器读取并执行所述计算机程序指令，以实现上述实施例中的氢燃料商用车功率输出预测方法。

第四方面，本发明的实施例进一步提供一种介质，所述介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现本发明第一方面实施例提供的氢燃料商用车功率输出预测方法。

有益效果：本发明提出的氢燃料商用车功率输出预测方法，通过实时测量车辆在行驶过程中的行驶倾角并根据倾角变化判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段；通过实施测量车辆的行驶加速度判断车辆的行驶加减速状态，从而实现对车辆的爬坡或下坡阶段时氢燃料电堆的功率需求的预测，以在氢燃料商用车的后轮在进入爬坡前提前对氢燃料系统中电堆提出功率需求，使氢燃料商用车在后轮进入爬坡前获得足够的动力支持，减小因系统延迟导致氢燃料系统中电堆的功率输出不足的影响。

附图说明

图1是本发明的氢燃料商用车功率输出预测方流程图。

图2是本发明的车辆爬坡判断以及功率氢燃料电堆功率调整流程图。

图3是本发明的氢燃料商用车功率输出预测系统的结构示意图。

图4是本发明的氢燃料商用车功率输出预测设备的结构示意图。

图1至图4中的各标注为：第一模块11、倾角传感器111、第二模块12、减速度传感器121、第三模块13、第四模块14、输出设备21、处理器22、存储器23、输出设备25、总线26。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

经研究发现，氢燃料系统中的电堆进行反应时需要氢气和氧气，并通过高压储氢罐以及空压机等燃料电池系统附件来提供，利用氢气和氧气的混合反应从而使电堆输出一定的功率以满足车辆行驶的功率需求。以氢燃料商用车在爬坡时，行车电脑对氢燃料系统中的电堆突然提出过大的功率要求，以使车辆获得足够的爬坡动力。但是，由于存在系统延迟以及机械性能延迟会导致燃料电池系统附件无法及时提供足够的氢气和氧气来满足电堆内部的化学反应需求，进而影响氢燃料系统中电堆的功率输出，导致氢燃料商用车在爬坡初始阶段时无法获得足够的爬坡动力。

为了解决现有技术中存在的氢燃料系统中电堆的功率输出不及时的问题，本发明提供一种氢燃料商用车功率输出预测方法、系统、设备以及介质。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的氢燃料商用车功率输出预测方法的流程图。本实施例适用于解决氢燃料系统中电堆的功率输出不及时的情况，该方法可以由氢燃料商用车功率输出预测系统来执行，该系统可以由软件和/或硬件来实现，并一般集成在计算机设备中。

如图1所示，本发明实施例的技术方案包括以下步骤：

S01，实时测量车辆行驶过程中的行驶倾角α，该倾角为车辆行驶方向与水平方向的夹角。而车辆的行驶倾角可以用倾角传感器来测量，倾角传感器设于靠近车头的位置。

S02，实时测量车辆行驶过程中的行驶加速度a。车辆行驶的加速度可以通过加速度传感器直接测量。同时，由于车辆的行驶加速度与车辆的行驶速度相关，而车辆行驶速度可以通过车辆通信CAN总线从车辆的控制系统中读取，因此行驶加速度也可以通过计算获得，为：a＝Δv/Δt。

S03，当倾角发生变化时，判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段。其具体过程为：

首先，先记录倾角初始变化时的车辆行驶倾角α₁，间隔时间Δt后再次记录的车辆行驶倾角α₂。

然后，根据记录的车辆行驶倾角变化判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段：

如果α₁＞0且α₂＞0，则判断车辆进入爬坡路段，车辆的行驶倾角α＞0；

如果α₁<0且α₂<0，则判断车辆进入下坡路段，车辆的行驶倾角α<0；

如果α₁<0且α₂＞0，则判断车辆临时经过地面凹坑，车辆的行驶倾角α＝0；

如果α₁＞0且α₂<0，则判断车辆临时经过地面凸起，车辆的行驶倾角α＝0。

结合图2，当确定车辆是在爬坡时，要对车辆的加速度进一步分析：此时，如果车辆依然处于加速状态，则需要减小氢燃料电堆的功率输出；如果车辆处于匀速行驶状态，即车辆的加速度为0，则保持氢燃料电堆的输出功率不变。如果确定车辆是在下坡时，则直接判断车辆进入节能模式，减小氢燃料电堆的功率输出。

此时，虽然可以直接确定如何对氢燃料电堆的输出功率进行调整，但是无法实现对氢燃料电堆的输出功率的精准把控，容易导致氢燃料的浪费。因此，需要进一步对燃料电堆的功率输出进行精准预测。

S04，根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出P_电堆。其具体过程为：

首先，计算车辆的爬坡时所需的牵引力，该牵引力为：

F_牵＝(μ·m·g·cosα+m·g·sinα±m·a)，

式中，μ为轮胎和路面的摩擦系数，m为车辆的整体重量，α为车辆的行驶倾角，a车辆的加速度；

其次，计算车的后轮开始爬坡时的速度，该速度为v_t，

式中，v₀为车辆的倾角发生变化时的速度，a车辆的加速度，L为车头到后轮的距离，t为车辆的倾角发生变化时至车辆的后轮开始爬坡时的时间；需要说明的是，氢燃料商用车通常采用后轮驱动的方式，因此，在车辆行驶倾角发生变化至车辆的后轮开始爬坡的这段时间内，燃料电池系统附件需要提前介入以使氢燃料电堆调整功率输出。

再其次，计算车辆的后轮开始爬坡时的功率需求，为P_牵＝F_牵·v_t。

然后，计算燃料电池发动机的功率需求，为P_发＝P_牵/θ₁，式中，θ₁为燃料电池发动机的功率转化系数；并且，燃料电池发动机的功率转化系数θ₁设定为0.8到0.95。

最后，计算氢燃料电堆的功率需求，为P_电堆＝P_发/θ₂，式中，θ₂为氢燃料电堆的功率转化系数，氢燃料电堆的功率转化系数θ₂设定为0.4到0.6。因此，通过上述步骤实现对氢燃料电堆的功率的精准预测，从而便于燃料电池系统附件系统提供相应的氢气以及氧气使氢燃料电堆输出相应的功率。

本发明实施例中的氢燃料商用车功率输出预测方法，通过实时测量车辆在行驶过程中的行驶倾角并根据倾角变化判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段；通过实施测量车辆的行驶加速度判断车辆的行驶加减速状态，从而实现对车辆的爬坡或下坡阶段时氢燃料电堆的功率需求的预测，以在氢燃料商用车的后轮在进入爬坡前提前对氢燃料系统中电堆提出功率需求，使氢燃料商用车在后轮进入爬坡前获得足够的动力支持，减小因系统延迟导致氢燃料系统中电堆的输出功率不足的影响。

实施例二

图3是本发明实施例提供的氢燃料商用车功率输出预测系统的结构示意图。该系统可以由软件和/或硬件来实现，并一般集成在计算机设备中。该系统包括第一模块11、第二模块12、第三模块13以及第四模块14。其中，第一模块11包括倾角传感器111，该倾角传感器111设于氢燃料商用车靠近车头的位置，通过倾角传感器111实时测量车辆行驶过程中的行驶倾角α。第二模块12包括加速度传感器121，通过该加速度传感器121实时测量车辆行驶过程中的行驶加速度a。第三模块13与第一模块11通讯连接并实时接收倾角传感器测量的数据，以判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段。第四模块14分别与第二模块12、第三模块13通讯连接，根据第二模块12以及第三模块13的数据预测并调整氢燃料电堆的功率输出。

其中，第三模块在判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段时，如果仅以某一时间点或者某一地点测得的倾角来判断车辆处于爬坡或者下坡路段，极易出现误判的情况。例如，当车辆路过小凹坑时，车辆会在短时间内依次经过倾角小于0以及倾角大于0两种状态。因此，为了防止第三模块出现误判的情况，第三模块先记录倾角初始变化时的车辆行驶倾角α₁，间隔时间Δt后再次记录的车辆行驶倾角α₂。然后根据记录的车辆行驶倾角变化判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段：如果α₁＞0且α₂＞0，则判断车辆进入爬坡路段，即车辆的行驶倾角α＞0，并且α＝(α₁+α₂)/2；如果α₁<0且α₂<0，则判断车辆进入下坡路段，车辆的行驶倾角α<0，并且α＝(α₁+α₂)/2；如果α₁<0且α₂＞0，则判断车辆临时经过地面凹坑，车辆总体还是处于水平行驶路段，即车辆的行驶倾角α＝0；如果α₁＞0且α₂<0，则判断车辆临时经过地面凸起，车辆总体还是处于水平行驶路段，即车辆的行驶倾角α＝0。而由于车辆临时经过地面凹坑或者地面凸起的时间非常短，设定间隔时间Δt为0.01-0.03秒内任一取值。为更好说明，本实施例中，设定间隔时间Δt＝0.02秒。

相应的，为了避免第三模块在规避误判的过程中，第四模块已经对氢燃料电堆的功率作出调整，第四模块设置有主动延时模块，通过主动延时模块降低系统的延迟时间。在此情况下，第四模块根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出P_电堆的过程进一步为：

首先，计算车辆的爬坡时所需的牵引力，该牵引力为：

F_牵＝(μ·m·g·cosα+m·g·sinα±m·a)，

式中，μ为轮胎和路面的摩擦系数，m为车辆的整体重量，α为车辆的行驶倾角，a车辆的加速度；

其次，计算车的后轮开始爬坡时的速度，该速度为v_t，

式中，v₀为车辆的倾角发生变化时的速度，a车辆的加速度，L为车头到后轮的距离，t为车辆的倾角发生变化时至车辆的后轮开始爬坡时的时间，t_延迟为系统的延迟时间，为第三模块提供足够的时间以判断车辆处于上坡阶段还是下坡阶段，避免出现误判。因此，t_延迟≥0.03秒，以车辆已60KM/h通过一个路段，这在0.03秒内车辆至少行驶0.5米，而常见的凹坑以及地面凸起一般长度不足0.5米，可以避免车辆出现误判的情况；T为系统的响应时间；

再其次，计算车辆的后轮开始爬坡时的功率需求，为P_牵＝F_牵·v_t；

然后，计算燃料电池发动机的功率需求，为P_发＝P_牵/θ₁，式中，θ₁为燃料电池发动机的功率转化系数；

最后，计算氢燃料电堆的功率需求，为P_电堆＝P_发/θ₂，式中，θ₂为氢燃料电堆的功率转化系数。因此，通过上述步骤实现对氢燃料电堆的功率的精准预测，以便在氢燃料商用车的后轮进入爬坡前使燃料电池系统附件系统提前响应并提供相应的氢气以及氧气使氢燃料电堆输出相应的功率。

进一步地，上述氢燃料商用车功率输出预测装置还包括GPS模块和通信模块。通过GPS模块可以确定车辆行驶的位置，通过通信模块可以获得相关的地图信息。

实施例三

如图4所示，本发明实施例提供的氢燃料商用车功率输出预测设备的结构示意图，该设备包括处理器22以及存储有计算机程序指令的存储器23。该处理器读取并执行所述计算机程序指令，以实现上述氢燃料商用车功率输出预测方法。该设备还包括输入设备21以及输出设备24。输入设备21、处理器22、存储器23以及输出设备24通过总线25相互连接。通过输入设备21接收外部的输入信息并传送至处理器22，处理器22基于存储器23中存储的计算机程序指令对输入信息进行处理生成输出信息，并最终通过输出设备24进行信息输出。

处理器通过运行存储在存储器中的软件程序、指令以及模块，从而执行计算机设备的各种功能应用以及数据处理，进而实现上述氢燃料商用车功率输出预测方法。该方法包括：

实时测量车辆行驶过程中的行驶倾角，该倾角为车辆行驶方向与水平方向的夹角；

实时测量车辆行驶过程中的行驶加速度；

当倾角发生变化时，判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段；

根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出。

实施例四

本发明实施例提供一种介质。该介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现本发明任意实施例提供氢燃料商用车功率输出预测方法，该方法包括：

实时测量车辆行驶过程中的行驶倾角，该倾角为车辆行驶方向与水平方向的夹角；

实时测量车辆行驶过程中的行驶加速度；

当倾角发生变化时，判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段；

根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种氢燃料商用车功率输出预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时测量车辆行驶过程中的行驶倾角α，该倾角为车辆行驶方向与水平方向的夹角；

实时测量车辆行驶过程中的行驶加速度a，所述行驶加速度a和车头到后轮的距离用于计算车辆爬坡时所需的牵引力及车的后轮开始爬坡时的速度；

当倾角发生变化时，判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段；

根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出P_电堆；

所述当倾角发生变化时，判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段的过程进一步为：

先记录倾角初始变化时的车辆行驶倾角α₁，间隔时间Δt后再次记录的车辆行驶倾角α₂；

根据记录的车辆行驶倾角变化判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段：

当α₁>0且α₂>0，则判断车辆进入爬坡路段，车辆的行驶倾角α>0；

当α₁<0且α₂<0，则判断车辆进入下坡路段，车辆的行驶倾角α<0；

当α₁<0且α₂>0，则判断车辆临时经过地面凹坑，车辆的行驶倾角α＝0；

当α₁>0且α₂<0，则判断车辆临时经过地面凸起，车辆的行驶倾角α＝0；

在车辆行驶倾角发生变化至车辆的后轮开始爬坡的时间内，燃料电池系统附件提前介入以使氢燃料电堆调整功率输出。

2.根据权利要求1所述的氢燃料商用车功率输出预测方法，其特征在于，所述间隔时间Δt设定为0.01-0.03秒。

3.根据权利要求1所述的氢燃料商用车功率输出预测方法，其特征在于，根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出P_电堆的过程进一步为：

计算车辆的爬坡时所需的牵引力；

根据行驶倾角变化时的速度以及车辆的瞬时加速度计算车辆的后轮开始爬坡时的速度；

计算车辆的后轮开始爬坡时的功率需求；

根据燃料电池发动机的功率转化系数计算出燃料电池发动机的功率需求；

根据氢燃料电堆的功率转化系数计算出氢燃料电堆的功率需求。

4.根据权利要求1所述的氢燃料商用车功率输出预测方法，其特征在于，其特征在于，根据车辆的行驶加减速状态预测并调整氢燃料电堆的功率输出P_电堆的过程进一步为：

计算车辆的爬坡时所需的牵引力，该牵引力为：

F_牵＝(μ·m·g·cosα+m·g·sinα±m·a)，

式中，μ为轮胎和路面的摩擦系数，m为车辆的整体重量，α为车辆的行驶倾角，a车辆的加速度；

步骤42`：计算车的后轮开始爬坡时的速度，该速度为v_t，

式中，v₀为车辆的倾角发生变化时的速度，a车辆的加速度，L为车头到后轮的距离，t为车辆的倾角发生变化时至车辆的后轮开始爬坡时的时间，t_延迟为系统的延迟时间，T为系统的响应时间；

计算车辆的后轮开始爬坡时的功率需求，为P_牵＝F_牵·v_t；

计算燃料电池发动机的功率需求，为P_发＝P_牵/θ₁，式中，θ₁为燃料电池发动机的功率转化系数；

计算氢燃料电堆的功率需求，为P_电堆＝P_发/θ₂，式中，θ₂为氢燃料电堆的功率转化系数。

5.根据权利要求4所述的氢燃料商用车功率输出预测方法，其特征在于，所述系统的延迟时间t_延迟≥0.03秒。

6.根据权利要求4所述的氢燃料商用车功率输出预测方法，其特征在于，燃料电池发动机的功率转化系数θ₁设定为0.8到0.95；所述氢燃料电堆的功率转化系数θ₂设定为0.4到0.6。

7.一种氢燃料商用车功率输出预测系统，其特征在于，包括：

用于实时测量车辆行驶过程中的行驶倾角α的第一模块，所述第一模块包括倾角传感器；

用于实时测量车辆行驶过程中的行驶加速度a的第二模块，所述行驶加速度a和车头到后轮的距离用于计算车辆爬坡时所需的牵引力及车的后轮开始爬坡时的速度，所述第二模块包括加速度传感器；

用于判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段的第三模块；

用于预测并调整氢燃料电堆的功率输出的第四模块；

所述第三模块还包括：第五模块，用于先记录倾角初始变化时的车辆行驶倾角α₁，间隔时间Δt后再次记录的车辆行驶倾角α₂；第六模块，用于根据记录的车辆行驶倾角变化判断车辆是否进入爬坡或者下坡路段：当α₁>0且α₂>0，则判断车辆进入爬坡路段，车辆的行驶倾角α>0；当α₁<0且α₂<0，则判断车辆进入下坡路段，车辆的行驶倾角α<0；当α₁<0且α₂>0，则判断车辆临时经过地面凹坑，车辆的行驶倾角α＝0；当α₁>0且α₂<0，则判断车辆临时经过地面凸起，车辆的行驶倾角α＝0；在车辆行驶倾角发生变化至车辆的后轮开始爬坡的时间内，燃料电池系统附件提前介入以使氢燃料电堆调整功率输出。

8.一种氢燃料商用车功率输出预测设备，其特征在于，包括：

处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；

所述处理器读取并执行所述计算机程序指令，以实现如权利要求1-6任意一项所述的氢燃料商用车功率输出预测方法。

9.一种介质，其特征在于，所述介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1-6任意一项所述的氢燃料商用车功率输出预测方法。

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