CN112959901A

CN112959901A - 一种燃料电池汽车的控制方法

Info

Publication number: CN112959901A
Application number: CN202110258787.1A
Authority: CN
Inventors: 陈俊霖
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2021-06-15

Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车的控制方法，采用分层控制模式将燃料电池混合动力系统的功率输出模式分为相互相对独立的层次及其子模式，模式之间的流动通过策略中预先设定的规则实现，判断的条件依赖于车辆的运行参数。根据动力电池的SOC状态确定模块区间：高SOC区间：SOC＞75％；中SOC区间：40％≤SOC≤75％；低SOC区间：SOC＜40％。在三种SOC工作模式的划分区间上，根据当前整车需求功率P_load、燃料电池最大输出功率P_{fc_max}、燃料电池当前可用最大功率P_{fc_out_max}、燃料电池最佳效率点对应功率P_{fc_opt}、锂电池最大充电功率P_{chg_max}的信息进行功率计算和分配。本发明的燃料电池汽车的控制方法，采用分层控制模式对燃料电池采取功率控制，可有效避免系统频繁启停，优化运行区间。

Description

一种燃料电池汽车的控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池汽车的控制方法。

背景技术

燃料电池汽车的动力系统由燃料电池发动机和动力电池双动力源构成，这也是与传统汽车及纯电动车辆的最大不同之处。基于这种复杂的混合动力源系统，就需要开发合理的整车控制系统，使燃料电池系统与动力电池系统能够协调工作，以保证整车的正常运行。

目前燃料电池混合动力系统的主流控制策略采用开关控制策略和功率跟随控制策略，在燃料电池功率较小时，动力电池作为车辆的主动力来源，燃料电池系统通常作为增程器使用，这是通常采用开关控制策略。利用动力电池SOC确定燃料电池系统何时开关。当燃料电池系统开始运行后，功率维持在相对恒定的值。开关模式适合动力系统混合度较弱的系统，动力电池作为车辆的主要动力来源，动力电池的荷电状态作为燃料电池系统开关指令的决策变量。开关控制策略优势在于可以保证燃料电池系统和动力电池系统各自工作在高效率区域，尤其是燃料电池电堆可以工作在负载相对稳定的环境下，有利于寿命延长和系统高效。但这种策略应用的场合受到电堆功率一般不会太大的限制，所以车辆会出现动力性受限。另外，如果 SOC阈值设置不合理，还会出现频繁开关燃料电池系统的状况，反复启动反而对电堆的控制和寿命带来负面影响。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种燃料电池汽车的控制方法，采用基于有限状态情况下的分层能量管理策略，避免系统频繁启停，优化运行区间。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种燃料电池汽车的控制方法，采用分层控制模式将燃料电池混合动力系统的功率输出模式分为相互相对独立的层次及其子模式，模式之间的流动通过策略中预先设定的规则实现，判断的条件依赖于车辆的运行参数，具体如下：

根据动力电池的SOC状态确定模块区间：

高SOC区间：SOC＞75％；在此种情况下，锂电池系统电量充足，整车行驶驱动功率完全由锂电池提供，燃料电池系统处于关机模式中；

中SOC区间：40％≤SOC≤75％；此区间中，系统根据SOC当前荷电状态，维持锂电池电量在一个较为理想的区间，燃料电池启动工作，尽量工作在其最佳效率点。当车辆出现大功率需求时，燃料电池根据自身运行状态计算当前最大输出功率，用于和动力电池共同输出；

低SOC区间：SOC＜40％；此时锂电池系统的电量过低，需要尽快上升到合适范围，所以燃料电池此时会工作在可达的最大功率输出点。此模式下，存在车辆动力性降低的可能；

其中高中低之间的切换设置滞回区间，以防止状态之间的反复切换，保证控制逻辑执行的可靠性。

在三种SOC工作模式的划分区间上，根据当前整车需求功率P_load、燃料电池最大输出功率P_{fc_max}、燃料电池当前可用最大功率P_{fc_out_max}、燃料电池最佳效率点对应功率P_{fc_opt}、锂电池最大充电功率P_{chg_max}的信息进行功率计算和分配，具体为：

(一)高SOC区间：

子层1：此模式下，锂电池系统电量很高，驱动车辆的功率全部从锂电池系统中获得，此时燃料电池不输出功率，即

P_fc＝0 (3-1)

P_bat＝P_load (3-2)

(二)中SOC区间：锂电池系统荷电状态处于正常范围，此时燃料电池系统持续工作；

子层2：此模式下，P_load<P_{fc_opt}，且P_{fc_opt}<P_{fc_out_max}，则燃料电池系统功率分配为：

P_FC＝P_{fc_opt} (3-3)

同时，燃料电池为锂电池充电功率为：

P_bat＝P_{fc_opt}-P_load (3-4)

此时，虽然燃料电池对锂电池充电，但由于扣除整车驱动功率后，充电功率较小，所以 SOC上升速率很慢；

子层3：此模式下，P_load<P_{fc_opt}且P_{fc_opt}>P_{fc_out_max}，则燃料电池系统功率分配为：

P_FC＝P_{fc_out_max} (3-5)

锂电池系统功率分配为：P_bat＝P_load-P_FC (3-6)

式3-6为正时，锂电池工作在功率输出模式，若为负时，锂电池系统工作在充电模式下，即燃料电池富裕的功率给锂电池充电。

这种行车工况多存在于车辆刚启动低速运行的过程中，此时电堆刚启动成功，受到水温和加载速率的影响，功率输出受限，需要锂电池共同驱动。同时，策略中VCU会根据整车需求，发送大功率需求值给APU，燃料电池系统会按照最大加载速率加载，同时实时反馈P_{fc_out_max}当前数值。

子层4：此模式下，P_load≥P_{fc_opt}且P_{fc_opt}≤P_{fc_out_max}，则燃料电池系统功率分配为：

P_FC＝P_{fc_out_max} (3-7)

动力电池充电功率为：P_bat＝P_FC-P_load (3-8)

这种模式下，虽然燃料电池运行可能偏离高效区，但是考虑此时功率必定小于10kw，且此工况出现的概率较低，从平衡电池SOC的角度优先消耗氢能。

子层5：此模式下，P_load≥P_{fc_opt}且P_{fc_opt}>P_{fc_out_max}，则燃料电池系统功率分配为：P_FC＝P_{fc_opt} (3-9)

燃料电池工作在高效区域，动力电池提供差额电量：

P_bat＝P_load-P_FC (3-10)

(三)低SOC区间：锂电池系统荷电状态低，燃料电池拟全功率工作；

子层6：此模式下，P_load≥P_{fc_out_max}，则燃料电池系统功率分配为：

P_FC＝P_{fc_out_max} (3-11)

锂电池系统输出功率为：P_bat＝P_load-P_FC (3-12)

子层7：此模式下，P_load<P_{fc_out_max}且P_{chg_max}>P_{fc_out_max}-P_load，则燃料电池系统功率分配为：P_FC＝P_{fc_out_max} (3-13)

锂电池充电功率分配为：P_bat＝P_FC-P_load (3-14)

子层8：此模式下，P_load<P_{fc_out_max}且P_{chg_max}<P_{fc_out_max}-P_load，则燃料电池系统功率分配为：P_FC＝P_load+P_{chg_max} (3-15)

此时，锂电池充电功率分配为：P_bat＝P_{chg_max} (3-16)

本发明的燃料电池汽车的控制方法，采用分层控制模式对燃料电池采取功率控制，可有效避免系统频繁启停，优化运行区间；模式之间的流动是通过策略中预先设定的规则实现的，而判断的条件则是依赖于车辆的运行参数。本发明根据动力电池的SOC状态来确定模块区间，其中高中低之间的切换设置滞回区间，以防止状态之间的反复切换，保证控制逻辑执行的可靠性。根据驱动电机控制器的需求功率和燃料电池系统的最佳效率点进行比较，确定燃料电池系统的工作状态。

本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。

附图说明

图1：燃料电池车辆的动力系统示意图。

图2：本发明的分层控制模式示意图。

图3：启动控制过程。

图4：关机控制过程。

图5：紧急发电模式控制。

图6：停车充电控制过程。

图7：综合行驶过程的交互控制。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。

本发明对试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性和/或具体的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。

下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。

实施例1

根据对现有技术的分析，开关控制或者功率跟随的控制策略各有优缺点，当燃料电池系统功率较小时，应该适用于开关型的控制策略，但如果电堆控制采用相对固定的输出功率，则对系统的经济性不利。基于上述原因，本发明采用基于有限状态情况下的分层能量管理策略，避免系统频繁启停，优化运行区间。

针对燃料电池车辆的动力系统(如图1所示)，采用分层控制模式(如图2所示)，分层模式的控制策略将燃料电池混合动力系统的功率输出模式分为相互相对独立的层次及其子模式，模式之间的流动是通过策略中预先设定的规则实现的，而判断的条件则是依赖于车辆的运行参数。

根据动力电池的SOC状态来确定模块区间A、B、C，根据驱动电机控制器的需求功率和燃料电池系统的最佳效率点进行比较，确定燃料电池系统的工作状态。如表1所示。

表1依据SOC的上层模式区间划分

高SOC区间：在此种情况下，锂电池系统电量充足，整车行驶驱动功率完全由锂电池提供，燃料电池系统处于关机模式中。

中SOC区间：此区间中，系统根据SOC当前荷电状态，维持锂电池电量在一个较为理想的区间，燃料电池启动工作，尽量工作在其最佳效率点。当车辆出现大功率需求时，燃料电池根据自身运行状态计算当前最大输出功率，用于和动力电池共同输出。

低SOC区间：此时锂电池系统的电量过低，需要尽快上升到合适范围，所以燃料电池此时会工作在可达的最大功率输出点。此模式下，存在车辆动力性降低的可能。

一级工作模式层的设定，基于规则的制定了燃料电池系统动力源的开关控制逻辑，而燃料电池运行过程中的功率分配和工作点优化则是子层控制策略的核心解决问题。

在三种SOC工作模式的划分区间上，根据当前整车需求功率P_load、燃料电池最大输出功率P_{fc_max}、燃料电池当前可用最大功率P_{fc_out_max}、燃料电池最佳效率点对应功率P_{fc_opt}、锂电池最大充电功率P_{chg_max}的信息进行功率计算和分配。

(一)高SOC区间(SOC＞75％)：子层1：此模式下，锂电池系统电量很高，驱动车辆的功率全部从锂电池系统中获得，此时燃料电池不输出功率，即

P_fc＝0 (3-1)

P_bat＝P_load (3-2)

(二)中SOC区间(40％≤SOC≤75％)：锂电池系统荷电状态处于正常范围，此时燃料电池系统持续工作。

P_FC＝P_{fc_opt} (3-3)

同时，燃料电池为锂电池充电功率为：

P_bat＝P_{fc_opt}-P_load (3-4)

此时，虽然燃料电池对锂电池充电，但由于扣除整车驱动功率后，充电功率较小，所以 SOC上升速率很慢。

P_FC＝P_{fc_out_max} (3-5)

锂电池系统功率分配为：P_bat＝P_load-P_FC (3-6)

P_FC＝P_{fc_out_max} (3-7)

动力电池充电功率为：P_bat＝P_FC-P_load (3-8)

燃料电池工作在高效区域，动力电池提供差额电量：

P_bat＝P_load-P_FC (3-10)

(三)低SOC区间：锂电池系统荷电状态低，燃料电池拟全功率工作。

P_FC＝P_{fc_out_max} (3-11)

锂电池系统输出功率为：P_bat＝P_load-P_FC (3-12)

子层7：此模式下，P_load<P_{fc_out_max}且P_{chg_max}>P_{fc_out_max}-P_load，则燃料电池系统功率分配为：P_FC＝ P_{fc_out_max} (3-13)

锂电池充电功率分配为：P_bat＝P_FC-P_load (3-14)

子层8：此模式下，P_load<P_{fc_out_max}且P_{chg_max}<P_{fc_out_max}-P_load，则燃料电池系统功率分配为：P_FC＝ P_load+P_{chg_max} (3-15)

此时，锂电池充电功率分配为：P_bat＝P_{chg_max} (3-16)

应用实例1

本发明完成车辆控制系统的设计和实施，并在实际道路展开了试验验证工作。基于开发的车载数据采集系统对关键信号进行了记录和分析，具体如下：

图3是车辆起步阶段整车与燃料电池系统的交互控制过程。从图可见，整车控制器检测到电池荷电状态低于设定阈值，对电堆系统发出开机指令，电堆控制系统接收到信号后，开始响应，进入“正在启动”的阶段，即启动空压机和氢气供气系统，常温下，此过程需要15s 左右时间，然后电堆完成启动，进入正常功率输出工作状态。

图4是车辆停机交互控制过程。从图中可见，当车辆关闭钥匙后，整车发出关机指令，燃料电池系统接收到指令后，设置“正在关机”的中间过程，而后进入“准备FREEZE”状态，这一过程会持续60s左右用于吹扫和空压机降温过程。这个过程中，车辆始终高压保持，直到燃料电池反馈状态达到“关机”时，方可断开高压接触器，此时，车辆才真正完成关机下电流程。

图5则是车辆运行过程中紧急发电模式的交互控制。根据控制策略，当锂电池SOC低于 40％时，燃料电池进入全功率发电状态。由图中可见，此时车速变化对燃料电池功率输出已无影响，燃料电池系统基本工作在9.7Kw的功率点附近。如图所示，若此时车辆仍有大功率的需求，则锂电池SOC会持续下降，长时间在此工况下工作可能会导致车辆动力性能受限，这是由于燃料电池电堆功率决定的。

图6给出了车辆静止时的充电控制过程，从图中可见，此时锂电池SOC高于40％，所以燃料电池功率输出会根据燃料电池当前最大允许的加载功率值和其效率曲线进行优化，选择经济性较好的功率点持续发电。图中，当车辆无外在负载变化时，燃料电池功率输出基本维持恒定。

图7给出了某次综合路况行驶实验的数据。从图中可见，由于锂电池SOC低于设定阈值，所以燃料电池启动工作。当车速较低时，根据策略，主要由燃料电池系统来平衡负载功率，故图中曲线的前端SOC变化很小。当车速进一步降低为0时，即进入停车充电模式，电池SOC 会随之增加。而进入高速行驶时，锂电池和燃料电池共同承担整车负载，故此时SOC呈现出明显的下降趋势。

从实验结果来看，本文开发的高低压系统和控制策略基本得以实现，体现出了所需的控制逻辑，能够按照车辆运行状态实现实时的功率分配及交互控制。

上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种燃料电池汽车的控制方法，其特征在于：采用分层控制模式将燃料电池混合动力系统的功率输出模式分为相互相对独立的层次及其子模式，具体如下：

根据动力电池的SOC状态确定模块区间：

高SOC区间：SOC＞75％；

中SOC区间：40％≤SOC≤75％；

低SOC区间：SOC＜40％；

(一)高SOC区间：

P_fc＝0 (3-1)

P_bat＝P_load (3-2)

P_FC＝P_{fc_opt} (3-3)

同时，燃料电池为锂电池充电功率为：

P_bat＝P_{fc_opt}-P_load (3-4)

P_FC＝P_{fc_out_max} (3-5)

锂电池系统功率分配为：P_bat＝P_load-P_FC (3-6)

式3-6为正时，锂电池工作在功率输出模式，若为负时，锂电池系统工作在充电模式下，即燃料电池富裕的功率给锂电池充电；

P_FC＝P_{fc_out_max} (3-7)

动力电池充电功率为：P_bat＝P_FC-P_load (3-8)

子层5：此模式下，P_load≥P_{fc_opt}且P_{fc_opt}>P_{fc_out_max}，则燃料电池系统功率分配为：P_FC＝P_{fc_opt}(3-9)

燃料电池工作在高效区域，动力电池提供差额电量：

P_bat＝P_load-P_FC (3-10)

P_FC＝P_{fc_out_max} (3-11)

锂电池系统输出功率为：P_bat＝P_load-P_FC(3-12)

锂电池充电功率分配为：P_bat＝P_FC-P_load (3-14)

此时，锂电池充电功率分配为：P_bat＝P_{chg_max} (3-16)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的控制方法，其特征在于：所述高中低SOC区间之间的切换设置滞回区间。