CN112848972B - 一种低温情况下燃料电池控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温情况下燃料电池控制方法，包括以下步骤：获取动力电池的温度、SOP和SOC；对动力电池所处温度范围、SOC及当前允许SOP进行判断，控制燃料电池启动和动力电池加热开启；当动力电池温度低于设定阈值或SOC小于设定阈值时，启动燃料电池；燃料电池输出功率根据动力电池允许功率、加热所需功率和车辆最低能耗功率进行控制。在低温环境下动力电池容量降低，且不允许充电，在动力电池可用电量有限时，进行综合分配，分别控制加热时序并对燃料电池系统输出功率进行限制使用。加快双电源系统迅速能够进入正常工作状态，使动力电池电量能够恢复到正常控制范围，避免出现过度放电的情况，车辆动力性也逐渐恢复正常。

Description

一种低温情况下燃料电池控制方法及系统
技术领域
本发明属于燃料电池汽车的燃料电池系统技术领域，具体地涉及一种低温情况下燃料电池控制方法及系统。
背景技术
燃料电池是一种不经过燃烧直接将化学能转化为电能的发电装置，可用作固定式发电站也可作为移动电源，作为车载电源，燃料一般为H2，氧化剂一般为空气。燃料电池系统虽然具有燃料加载快、续航里程长，无污染等优点。
但是氢燃料新能源车辆在低温环境运行时受环境温度限制。在低温环境下，动力电池可用电量是车辆上唯一的动力来源，动力电池在低温环境下可用功率受到限制，氢燃料系统在低温下同时也难以直接启动。动力电池在低温情况下需要开启加热，系统可用电量在加热和行车需求下，动力电池电量将出现持续降低的情况，在氢燃料系统还未达到开启条件下，锂电池已经无电可用，导致车辆运行受到影响，严重情况下导致动力电池过放，影响动力电池的使用寿命和安全性。
根据燃料电池启动时的温度特性，同时结合动力电池的温度特性，制定相应的低温启动的控制方法，用以解决在氢燃料新能源车辆中因低温因素导致的影响车辆运行的情况，同时也避免对动力电池在低温环境中过度使用造成不可逆的影响。
在燃料电池低温启动控制中，研究发现燃料电池启动输出和动力电池控制的相互匹配，可以很好的解决车辆在低温应用中出现的问题。本发明因此而来。
发明内容
针对燃料电池在低温环境中启动问题，解决动力电池和燃料电池低温启动策略，在避免同时启动时动力电池电量的快速降低，造成过放等的技术问题，本发明的目的是提供一种低温情况下燃料电池控制方法及系统，在低温环境下动力电池容量降低，且不允许充电，在动力电池可用电量有限的情况下，进行综合分配，分别控制加热时序并对燃料电池系统输出功率进行限制使用。加快双电源系统迅速能够进入正常工作状态，使动力电池电量能够恢复到正常控制范围，避免出现过度放电的情况，车辆动力性也逐渐恢复正常。
本发明的技术方案是：
一种低温情况下燃料电池控制方法，包括以下步骤：
S01：获取动力电池的温度、SOP和SOC；
S02：对动力电池所处温度范围、SOC及当前允许SOP进行判断，控制燃料电池启动和动力电池加热开启；
S03：当动力电池温度低于设定阈值或SOC小于设定阈值时，启动燃料电池；燃料电池输出功率根据动力电池允许功率、加热所需功率和车辆最低能耗功率进行控制。
优选的技术方案中，所述步骤S02中，动力电池加热开启根据不同温度区间结合SOP进行分阶段开启加热。
优选的技术方案中，所述步骤S02中判断方法包括：
S21：当动力电池温度TBATmin≤T1，动力电池禁止充电，控制动力电池加热开启，控制燃料电池不启动；
S22：当动力电池加热开启，T1＜TBATmin≤T2时，控制动力电池加热关闭，控制动力电池以功率P1充电，控制燃料电池启动；
S23：当燃料电池启动后，燃料电池系统开启加热，达到设定温度后，燃料电池开启功率输出，且控制输出功率为P1FCU；
S24：燃料电池开启输出后，动力电池继续开启加热，当TBATmin≥T3时，动力电池充放电SOP恢复到正常范围，控制动力电池加热关闭；
S25：当动力电池SOC≤SOC1时，优先启动燃料电池系统，并将行车功率降至最低，待燃料电池系统开启功率输出后，控制动力电池加热开启。
优选的技术方案中，所述步骤S03中燃料电池输出功率的判断方法包括：
S31：当动力电池温度达到T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC变化小于阈值时，控制燃料电池输出功率P1FCU=P1+P2+P3；其中，P2为动力电池加热功率，P3为车辆电附件最低功率；
S32：当动力电池温度处于T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC持续降低时，燃料电池输出功率P2FCU=P1+P2+P3+P4；其中，P4为车辆行车功率；
S33：当动力电池温度TBATmin≥T3时，燃料电池输出功率根据动力电池允许SOP和SOC的变化趋势进行功率输出；
S34：当动力电池SOC≤SOC1时，燃料电池启动后输出功率P3FCU=P3+P4，动力电池温度达到设定范围后，燃料电池输出功率根据动力电池SOC和SOP的变化进行正常输出。
优选的技术方案中，所述步骤S34中动力电池温度在设定范围内，燃料电池输出功率≥车辆行车功率P4。
本发明还公开了一种低温情况下燃料电池控制系统，包括：
参数获取模块，获取动力电池的温度、SOP和SOC；
判断控制模块，对动力电池所处温度范围、SOC及当前允许SOP进行判断，控制燃料电池启动和动力电池加热开启；
燃料电池输出功率模块，当动力电池温度低于设定阈值或SOC小于设定阈值时，启动燃料电池；燃料电池输出功率根据动力电池允许功率、加热所需功率和车辆最低能耗功率进行控制。
优选的技术方案中，所述判断控制模块中，动力电池加热开启根据不同温度区间结合SOP进行分阶段开启加热。
优选的技术方案中，所述判断控制模块中判断方法包括：
S21：当动力电池温度TBATmin≤T1，动力电池禁止充电，控制动力电池加热开启，控制燃料电池不启动；
S22：当动力电池加热开启，T1＜TBATmin≤T2时，控制动力电池加热关闭，控制动力电池以功率P1充电，控制燃料电池启动；
S23：当燃料电池启动后，燃料电池系统开启加热，达到设定温度后，燃料电池开启功率输出，且控制输出功率为P1FCU；
S24：燃料电池开启输出后，动力电池继续开启加热，当TBATmin≥T3时，动力电池充放电SOP恢复到正常范围，控制动力电池加热关闭；
S25：当动力电池SOC≤SOC1时，优先启动燃料电池系统，并将行车功率降至最低，待燃料电池系统开启功率输出后，控制动力电池加热开启。
优选的技术方案中，所述燃料电池输出功率模块中燃料电池输出功率的判断方法包括：
S31：当动力电池温度达到T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC变化小于阈值时，控制燃料电池输出功率P1FCU=P1+P2+P3；其中，P2为动力电池加热功率，P3为车辆电附件最低功率；
S32：当动力电池温度处于T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC持续降低时，燃料电池输出功率P2FCU=P1+P2+P3+P4；其中，P4为车辆行车功率；
S33：当动力电池温度TBATmin≥T3时，燃料电池输出功率根据动力电池允许SOP和SOC的变化趋势进行功率输出；
S34：当动力电池SOC≤SOC1时，燃料电池启动后输出功率P3FCU=P3+P4，动力电池温度达到设定范围后，燃料电池输出功率根据动力电池SOC和SOP的变化进行正常输出。
优选的技术方案中，所述步骤S34中动力电池温度在设定范围内，燃料电池输出功率≥车辆行车功率P4。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）、在燃料电池系统车辆上，针对低温启动中双系统在进入正常工作状态前都需要一定能量作为辅助开启的条件，最大限度降低动力电池电量快速消耗的情况。对燃料电池的启动和动力电池加热开启控制进行有效的分阶段进行。在燃料电池开启后的功率控制上，经过合理的计算得出不同阶段的功率需求，同时也能更好的保护动力电池不会出现过充、过放。
（2）、考虑燃料电池低温启动的工作特性和动力电池低温性能的影响，分别对燃料电池系统和动力电池加热策略进行控制，加快双电源系统迅速能够进入正常工作状态，使动力电池电量能够恢复到正常控制范围，避免出现过度放电的情况，车辆动力性也逐渐恢复正常。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明低温情况下燃料电池控制方法的流程图；
图2为本发明燃料电池工作状态与动力电池加热开启关系；
图3为本发明燃料电池输出功率和动力电池温度关系；
图4为本发明低温情况下燃料电池控制系统的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例
一种低温情况下燃料电池控制方法，主要设计在低温环境下，燃料电池系统无法正常启动和动力电池功率限制情况下的控制方法。在低温环境下动力电池容量降低，且不允许充电，在动力电池可用电量有限的情况下，进行综合分配，分别控制加热时序并对燃料电池系统输出功率进行限制使用。
如图1所示，一种低温情况下燃料电池控制方法，包括以下步骤：
S01：获取动力电池的温度、SOP和SOC；
S02：对动力电池所处温度范围、SOC及当前允许SOP进行判断，控制燃料电池启动和动力电池加热开启；
S03：当动力电池温度低于设定阈值或SOC小于设定阈值时，启动燃料电池；燃料电池输出功率根据动力电池允许功率、加热所需功率和车辆最低能耗功率进行控制。
一较佳的实施例中，步骤S02中，动力电池加热开启根据不同温度区间结合SOP进行分阶段开启加热。在进入允许充电时可以关闭，以降低能耗，当燃料电池启动后，继续开启加热。
一较佳的实施例中，步骤S02中判断方法包括：
S21：当动力电池温度TBATmin≤T1，动力电池禁止充电，控制动力电池加热开启，控制燃料电池不启动；
S22：当动力电池加热开启，T1＜TBATmin≤T2时，控制动力电池加热关闭，控制动力电池以功率P1充电，控制燃料电池启动；
S23：当燃料电池启动后，燃料电池系统开启加热，达到设定温度后，燃料电池开启功率输出，且控制输出功率为P1FCU；
S24：燃料电池开启输出后，动力电池继续开启加热，当TBATmin≥T3时，动力电池充放电SOP恢复到正常范围，控制动力电池加热关闭；
S25：当动力电池SOC≤SOC1时，优先启动燃料电池系统，并将行车功率降至最低，待燃料电池系统开启功率输出后，控制动力电池加热开启。
燃料电池工作状态与动力电池加热开启关系如图2所示，燃料电池输出功率和动力电池温度关系如图3所示。
一较佳的实施例中，步骤S03中燃料电池输出功率的判断方法包括：
S31：当动力电池温度达到T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC变化小于阈值时，控制燃料电池输出功率P1FCU=P1+P2+P3；其中，P2为动力电池加热功率，P3为车辆电附件最低功率；
S32：当动力电池温度处于T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC持续降低时，燃料电池输出功率P2FCU=P1+P2+P3+P4；其中，P4为车辆行车功率；
S33：当动力电池温度TBATmin≥T3时，燃料电池输出功率根据动力电池允许SOP和SOC的变化趋势进行功率输出；
S34：当动力电池SOC≤SOC1时，燃料电池启动后输出功率P3FCU=P3+P4，动力电池温度达到设定范围后，燃料电池输出功率根据动力电池SOC和SOP的变化进行正常输出。
另一实施例中，如图4所示，本发明还公开了一种低温情况下燃料电池控制系统，包括：
参数获取模块，获取动力电池的温度、SOP和SOC；
判断控制模块，对动力电池所处温度范围、SOC及当前允许SOP进行判断，控制燃料电池启动和动力电池加热开启；
燃料电池输出功率模块，当动力电池温度低于设定阈值或SOC小于设定阈值时，启动燃料电池；燃料电池输出功率根据动力电池允许功率、加热所需功率和车辆最低能耗功率进行控制。
控制系统的执行流程如下：
步骤一：车辆正常启动后，整车控制器根据燃料电池系统状态和动力电池系统温度进行判断，根据当前两个系统情况进行控制；
步骤二：燃料电池启动和动力电池开启加热根据动力电池温度、SOP判断：
1、当TBATmin≤T1，动力电池禁止充电，放电SOP减小，此时燃料电池不启动；
2、当动力电池加热开启，T1＜TBATmin≤T2时，动力电池加热关闭，动力电池允许小功率充电P1,燃料电池启动；
3、当燃料电池启动后，燃料电池系统开启加热，达到设定温度后，燃料电池开启功率输出，且控制输出功率为P1FCU;
4、燃料电池开启输出后，动力电池继续开启加热，TBATmin≥T3时，动力电池充放电SOP恢复到正常范围，动力电池加热关闭；
5、当动力电池SOC≤SOC1时，优先启动燃料电池系统，并将行车功率降至最低，待燃料电池系统开启功率输出后，动力电池加热开启。
步骤三：燃料电池开启功率输出根据动力电池允许SOP、温度、SOC判断：
1、当动力电池温度达到T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC无明显变化，燃料电池输出功率P1FCU=P1+P2+P3;
2、当动力电池处于T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC持续降低，燃料电池输出功率P2FCU=P1+P2+P3+P4;
3、当动力电池温度TBATmin≥T3时，燃料电池输出功率Pn根据动力电池允许SOP和SOC的变化趋势进行功率输出；
4、当动力电池SOC≤SOC1时，燃料电池启动后输出功率P3FCU=P3+P4，动力电池温度逐渐回复后，燃料电池输出功率根据动力电池SOC和SOP的变化进行正常输出。
注：
低温环境下，动力电池温度低时，参考TBATmin，P2：动力电池加热功率，P3：车辆电附件最低功率，P4：车辆行车功率。
本低温控制方法，主要基于对燃料电池在低温情况下不能直接启动，需要先进行加热，然而加热所需电源来自于此时车辆上唯一的动力来源动力电池。
因此需要对动力电池的温度、SOP、SOC进行实时的判断，动力电池在低温下不允许充电，动力电池在低温状态下的可用电量随温度的变化也需要经过计算，防止动力电池可用电量不足，出现过放，燃料电池低温启动后不对功率进行有效控制，直接给动力电池进行低温充电，动力电池出现析锂，影响动力电池的使用寿命和安全性。
当动力电池SOC偏低，优先启动燃料电池，燃料电池启动输出后，开启动力电池加热，燃料电池输出功率≤动力电池加热功率+车辆最低需求功率，必要情况下禁止行车，优先恢复双电源系统性能。
动力电池温度在正常范围内，燃料电池输出功率≥车辆行车功率。维持动力电池电量在相对平衡状态，减少动力电池吞吐量。
动力电池加热需要考虑当前SOC，加热可以时分阶段进行，在进入允许充电时可以关闭，以降低能耗，当燃料电池启动后，继续开启加热。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种低温情况下燃料电池控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：当车辆处于低温情况下时，获取动力电池的温度、SOP和SOC；
S02：对动力电池所处温度范围、SOC及当前允许SOP进行判断，控制燃料电池启动和动力电池加热开启，包括：S21：当动力电池温度TBATmin≤T1，动力电池禁止充电，控制动力电池加热开启，控制燃料电池不启动；
S22：当动力电池加热开启，T1＜TBATmin≤T2时，控制动力电池加热关闭，控制动力电池以功率P1充电，控制燃料电池启动；
S23：当燃料电池启动后，燃料电池系统开启加热，达到设定温度后，燃料电池开启功率输出，且控制输出功率为P1FCU；
S24：燃料电池开启输出后，动力电池继续开启加热，当TBATmin≥T3时，动力电池充放电SOP恢复到正常范围，控制动力电池加热关闭；
S25：当动力电池SOC≤SOC1时，优先启动燃料电池系统，并将行车功率降至最低，待燃料电池系统开启功率输出后，控制动力电池加热开启；
S03：当动力电池温度低于设定阈值或SOC小于设定阈值时，启动燃料电池；燃料电池输出功率根据动力电池允许功率、加热所需功率和车辆最低能耗功率进行控制。
2.根据权利要求1所述的低温情况下燃料电池控制方法，其特征在于，所述步骤S02中，动力电池加热开启根据不同温度区间结合SOP进行分阶段开启加热。
3.根据权利要求1所述的低温情况下燃料电池控制方法，其特征在于，所述步骤S03中燃料电池输出功率的判断方法包括：
S31：当动力电池温度达到T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC变化小于阈值时，控制燃料电池输出功率P1FCU＝P1+P2+P3；其中，P2为动力电池加热功率，P3为车辆电附件最低功率；
S32：当动力电池温度处于T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC持续降低时，燃料电池输出功率P2FCU＝P1+P2+P3+P4；其中，P4为车辆行车功率；
S33：当动力电池温度TBATmin≥T3时，燃料电池输出功率根据动力电池允许SOP和SOC的变化趋势进行功率输出；
S34：当动力电池SOC≤SOC1时，燃料电池启动后输出功率P3FCU＝P3+P4，动力电池温度达到设定范围后，燃料电池输出功率根据动力电池SOC和SOP的变化进行正常输出。
4.根据权利要求3所述的低温情况下燃料电池控制方法，其特征在于，所述步骤S34中动力电池温度在设定范围内，燃料电池输出功率≥车辆行车功率P4。
5.一种低温情况下燃料电池控制系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，当车辆处于低温情况下时，获取动力电池的温度、SOP和SOC；
判断控制模块，对动力电池所处温度范围、SOC及当前允许SOP进行判断，控制燃料电池启动和动力电池加热开启；
燃料电池输出功率模块，当动力电池温度低于设定阈值或SOC小于设定阈值时，启动燃料电池；燃料电池输出功率根据动力电池允许功率、加热所需功率和车辆最低能耗功率进行控制；
所述判断控制模块中判断方法包括：
S21：当动力电池温度TBATmin≤T1，动力电池禁止充电，控制动力电池加热开启，控制燃料电池不启动；
S22：当动力电池加热开启，T1＜TBATmin≤T2时，控制动力电池加热关闭，控制动力电池以功率P1充电，控制燃料电池启动；
S23：当燃料电池启动后，燃料电池系统开启加热，达到设定温度后，燃料电池开启功率输出，且控制输出功率为P1FCU；
S24：燃料电池开启输出后，动力电池继续开启加热，当TBATmin≥T3时，动力电池充放电SOP恢复到正常范围，控制动力电池加热关闭；
S25：当动力电池SOC≤SOC1时，优先启动燃料电池系统，并将行车功率降至最低，待燃料电池系统开启功率输出后，控制动力电池加热开启。
6.根据权利要求5所述的低温情况下燃料电池控制系统，其特征在于，所述判断控制模块中，动力电池加热开启根据不同温度区间结合SOP进行分阶段开启加热。
7.根据权利要求5所述的低温情况下燃料电池控制系统，其特征在于，所述燃料电池输出功率模块中燃料电池输出功率的判断方法包括：
S31：当动力电池温度达到T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC变化小于阈值时，控制燃料电池输出功率P1FCU＝P1+P2+P3；其中，P2为动力电池加热功率，P3为车辆电附件最低功率；
S32：当动力电池温度处于T1＜TBATmin≤T2时，动力电池SOC持续降低时，燃料电池输出功率P2FCU＝P1+P2+P3+P4；其中，P4为车辆行车功率；
S33：当动力电池温度TBATmin≥T3时，燃料电池输出功率根据动力电池允许SOP和SOC的变化趋势进行功率输出；
S34：当动力电池SOC≤SOC1时，燃料电池启动后输出功率P3FCU＝P3+P4，动力电池温度达到设定范围后，燃料电池输出功率根据动力电池SOC和SOP的变化进行正常输出。
8.根据权利要求7所述的低温情况下燃料电池控制系统，其特征在于，所述步骤S34中动力电池温度在设定范围内，燃料电池输出功率≥车辆行车功率P4。
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