CN113103925A - 跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法，包括优先级依次升高的三个部分：第一部分：基于车辆运行电机功率平均值

确定氢燃料电池系统目标功率：在确定燃料电池系统目标功率前提下，跟踪车轮转速数据，当车轮转速超过T_P时间持续为零时，设定燃料电池系统目标功率为系统怠速功率或零净输出功率；第三部分：每个T周期基于动力电池SOC的值判定系统目标功率；本发明在现有氢燃料电池客车电‑电混合动力模式广泛应用前提下，实现燃料电池系统近似于跟随的能量控制策略，同时兼顾停车判断工况，进一步降低了由于动力电池长时间电流充放电高通量导致电池寿命衰减速度，同时保持了对于动力电池SOC超限后整车的判断和控制。

Description

跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法

技术领域

本发明涉及氢燃料电池领域，特别涉及一种跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法。

背景技术

对于燃料电池客车，由于燃料电池堆自身的缺陷，如其输出特性软、输出响应慢等，不能及时给整车所需动力，而且价格昂贵，使用寿命短等缺点，所以不能单独直接作为能量源，这就需要辅助电源配合燃料电池使用。而动力电池能够满足燃料电池响应慢的问题，同时动力电池还可以提供燃料电池启动时所需的电能，如空气压缩机、增湿器、控制器等部件的供电，在燃料电池开始发点之前这些部件必须先启动运行；当车辆加速或爬坡时，需要短时间的峰值功率，这时，动力电池系统可以辅助燃料电池提供这一能量；另外，在车辆制动时，动力电池可以用来吸收制动回馈的能量，减少能源消耗。这样，动力电池系统使燃料电池客车在动力性和经济性上都得到提高。但目前整车厂对于燃料电池堆和动力电池的能量管理策略以保护燃料电池堆寿命为主，只是让燃料电池堆在几个特定的功率点工作，而动力电池SOC变化波动较大，加速动力电池的寿命衰减。本项目在保证燃料电池堆寿命的前提下，兼顾动力电池寿命，使动力电池稳定在一定小范围内工作，以提高动力电池寿命和使用效率。

专利文献1(专利号：CN202010535163.5)公开了一种根据电池容量进行燃料电池功率查表锁定的方法，具体操作如下：氢燃料电池额定功率为PN,PN≥20kW,将动力电池的荷电状态SOC划分成N个SOC段,N＞3,将整车用功功率需求划分成M个功率段,M＞3,N个SOC段和M个功率段构成N×M个燃料电池输出目标功率段,控制每个目标功率段内输出功率不变化。在每个整车用功功率段根据,动力电池的荷电状态SOC的不同,来进行控制。

专利文献2(专利号：CN202010348777.2)公开了一种基于燃料电池汽车能量分配的控制方法，结合整车控制器、燃料电池控制器，配合燃料电池系统状态位，也是通过电池SOC来进行燃料电池目标功率的查表锁定和状态位的锁定。具体操作：步骤S1、整车控制器VCU通过总线获取燃料电池控制器FCU当前状态、电池剩余电量SOC以及当前车速,并根据电池和电机数据判断整车是否处于高压状态；步骤S2、获取的燃料电池控制器FCU当前状态、当前车速以及整车高压状态经逻辑门处理后,将整车运行模式划分为停车充电模式、纯电模式、混动模式和燃料电池系统停机模式。

以上两种现有技术只通过单一维度进行能量分配的控制，不能兼顾停车判断工况，和动力电池SOC超限后整车的判断和控制。

发明内容

本发明目的是：提供一种跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法，实现燃料电池系统近似于跟随的能量控制策略，同时兼顾停车判断工况，进一步降低了由于动力电池长时间电流充放电高通量导致电池寿命衰减速度，同时保持了对于动力电池SOC超限后整车的判断和控制。

本发明的技术方案是：

跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法，包括三个部分：

第一部分：基于车辆运行电机功率平均值

确定氢燃料电池系统目标功率：

所述车辆运行电机功率平均值

为计算点之前T时间范围内整车电机功率数据，T为用于计算电机平均功率的时间周期；

第二部分：在确定燃料电池系统目标功率前提下，跟踪车轮转速数据，当车轮转速超过T_P时间持续为零时，设定燃料电池系统目标功率为系统怠速功率或零净输出功率；

T_P为从车轮转速传感器判断出的车辆从动转静的时间；

第三部分：每个T周期基于动力电池SOC的值判定系统目标功率；

1)若动力电池SOC低于设计的动力电池容量允许的最下限值SOC_low，则目标功率为燃料电池系统最大额定功率P_e-max；

2)若动力电池SOC高于设计的动力电池容量允许的最上限值SOC_high，则目标功率为燃料电池系统最小额定功率P_e-min或为0净输出功率；

三个部分的控制方法中：第一部分控制方法的优先级小于第二部分，第二部分控制方法的优先级小于第三部分。

优选的，第一部分的控制方法中，如果车辆累计运行时间不满一个周期时间T，则设定燃料电池系统目标功率为系统额定功率范围[P_e-min,P_e-max]的平均值：

直到车辆运行时间满一个周期时间T后，计算

作为燃料电池系统目标功率；

优选的，第二部分的控制方法中，系统怠速或零净功率输出后，检测到不为零车轮转速信号持续时间超过Tr，则执行第一部分设定的目标功率，并将此时间点定义为新的计算点起始点；

Tr为从车轮转速传感器判断出的车辆从静转动的时间。

优选的，第三部分的控制方法中，在执行SOC≤SOC_low或SOC≥SOC_high时的目标功率后，当动力电池SOC变化到了≤SOC_{low_accept}或≥SOC_{high_accept}，执行第一部分设定的目标功率，并将此时间点定义为新的计算点起始点；

SOC_{high_accept}为车辆运行期间动力电池容量变化设计的上限；

SOC_{low_accept}为车辆运行期间动力电池容量变化设计的下限。

本发明的优点是：

1.本发明在现有氢燃料电池客车电-电混合动力模式广泛应用前提下，提出一种跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法，实现燃料电池系统近似于跟随的能量控制策略，同时兼顾停车判断工况，进一步降低了由于动力电池长时间电流充放电高通量导致电池寿命衰减速度，同时保持了对于动力电池SOC超限后整车的判断和控制。

2.本发明的燃料电池系统运行功率由两个维度和之间的优先策略参数决定：(1)最近时间周期内电机功率需求的平均功率值；(2)增加整车长时间不运行的工况判断，以减少停车充电运行工况占比；(3)在动力电池容量过高或过低情况下，优先降低或拉升燃料电池系统功率。

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为跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法的流程图；

图2为基于车辆运行电机功率的计算与控制目标功率的示意图；

图3为针对动力电池SOC过高或过低的目标功率确定及优先级示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法，包括以下步骤：

步骤一：判断计算点之前运行时间是否超过T，如不超过，则根据系统特性计算

设定燃料电池系统目标功率为

若超过，则继续步骤二；

步骤二：取计算点之前T时间周期范围内整车电机功率数据，并计算平均值

设定燃料电池系统目标功率为

步骤一和步骤二的具体过程，如图2所示，可以清晰的示意基于车辆运行电机功率的计算与控制目标功率的关系图；

步骤三：完成步骤一或二后随时关注车轮转速信号，记录转速为零的时间，连续超过T_P时间限定，则VCU向FCU发送目标功率为系统怠速功率或零净输出功率；

步骤四：在计算点通过BMS读取动力电池SOC值，进行判断，如SOC在[SOC_low,SOC_high]范围之外，则由VCU向FCU发送特定目标功率，如图3所示，具体定义如下：

当SOC≤SOC_low时，目标功率＝P_e-max；

当SOC≥SOC_high时，目标功率＝P_e-low或零净功率输出；

步骤五：在执行完步骤三，系统怠速或零净功率输出之后，检测到不为零车轮转速信号超过Tr，则执行步骤二所得数据，并将此时间点定义为新的计算点起始点；

步骤六：在出现SOC超出限值，执行完步骤四后，当SOC分别从≤SOC_low和≥SOC_high变化为了SOC_{low_accept}和SOC_{high_accept}，执行步骤二所得数据，并将此时间点定义为新的计算点起始点。

实施例1

燃料电池车辆动力电池初始SOC为45％，燃料电池系统的额定功率是[12kW,60kW]。动力电池允许容量范围[30％,90％]，能量控制策略控制动力电池容量范围[40％,80％]。能量控制策略设计跟随时间间隔定义是10min。

(1)0～10min，目标功率设定为(12+60)/2＝36kW；

(2)10～20min，计算0～10min的

作为系统的目标功率；

(3)……(以步骤2规则运行)

(4)在第n·10～(n+1)·10min内，出现SOC＝28％情况，则设置目标功率为60kW，待SOC变化为40％时，改变目标功率为(n-1)·10～n·10内的电机平均需求功率，并以此点为计算点重新开始计时和计算；

(5)……(以步骤4规则运行)

(6)m·10～(m+1)·10min内，检测到超过Tp时间的停车时间，则向系统发送怠速或0净功率输出指令，待检测到车辆从静止到运动超过了Tr时间开始，则指令切换成(m-1)·10～m·10min内的电机平均需求功率；

(7)……(以步骤6规则运行)

(8)停车。

实施例2

燃料电池车辆动力电池初始SOC为25％，燃料电池系统的额定功率是[8kW,40kW]。动力电池允许容量范围[35％,85％]，能量控制策略控制动力电池容量范围[55％,75％]。能量控制策略设计跟随时间间隔定义是5min。

(1)0～10min，SOC低于允许范围的最低值，故将40kW作为系统目标功率，待SOC回到55％，重新定义目标功率，并以此点为计算点重新开始计时和计算。由于是第一个时间周期，若运营已超过5min，则按照电机需求平均功率设置为新的目标功率；如果没有到达5min，则设置目标功率为24kW；

(2)10～20min，计算0～10min的

作为系统的目标功率；

(3)……(以步骤2此规则运行)

(4)在第n·10～(n+1)·10min内，出现SOC＝88％情况，则设置目标功率为8kW，待SOC变化为75％时，改变目标功率为(n-1)·10～n·10内的电机平均需求功率，并以此点为计算点重新开始计时和计算；

(5)……(以步骤4规则运行)

(6)m·10～(m+1)·10min内，检测到超过Tp时间的停车时间，则向系统发送怠速或0净功率输出指令，待检测到车辆从静止到运动超过了Tr时间开始，则指令切换成(m-1)·10～m·10min内的电机平均需求功率；

(7)……(以步骤6规则运行)

(8)停车。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法，其特征在于，包括三个部分：

第一部分：基于车辆运行电机功率平均值

确定氢燃料电池系统目标功率：

所述车辆运行电机功率平均值

为计算点之前T时间范围内整车电机功率数据，T为用于计算电机平均功率的时间周期；

第二部分：在确定燃料电池系统目标功率前提下，跟踪车轮转速数据，当车轮转速超过T_P时间持续为零时，设定燃料电池系统目标功率为系统怠速功率或零净输出功率；

T_P为从车轮转速传感器判断出的车辆从动转静的时间；

第三部分：每个T周期基于动力电池SOC的值判定系统目标功率；

1)若动力电池SOC低于设计的动力电池容量允许的最下限值SOC_low，则目标功率为燃料电池系统最大额定功率P_e-max；

2)若动力电池SOC高于设计的动力电池容量允许的最上限值SOC_high，则目标功率为燃料电池系统最小额定功率P_e-min或为0净输出功率；

三个部分的控制方法中：第一部分控制方法的优先级小于第二部分，第二部分控制方法的优先级小于第三部分。

2.根据权利要求1所述的跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法，其特征在于，第一部分的控制方法中，如果车辆累计运行时间不满一个周期时间T，则设定燃料电池系统目标功率为系统额定功率范围[P_e-min,P_e-max]的平均值：

直到车辆运行时间满一个周期时间T后，计算

作为燃料电池系统目标功率。

3.根据权利要求2所述的跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法，其特征在于，第二部分的控制方法中，系统怠速或零净功率输出后，检测到不为零车轮转速信号持续时间超过Tr，则执行第一部分设定的目标功率，并将此时间点定义为新的计算点起始点；

Tr为从车轮转速传感器判断出的车辆从静转动的时间。

4.根据权利要求2所述的跟随式氢燃料电池客车整车能量控制方法，其特征在于，第三部分的控制方法中，在执行SOC≤SOC_low或SOC≥SOC_high时的目标功率后，当动力电池SOC变化到了≤SOC_{low_accept}或≥SOC_{high_accept}，执行第一部分设定的目标功率，并将此时间点定义为新的计算点起始点；

SOC_{high_accept}为车辆运行期间动力电池容量变化设计的上限；

SOC_{low_accept}为车辆运行期间动力电池容量变化设计的下限。

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