CN113173080B - 燃料电池车辆控制方法、控制系统及燃料电池车辆 - Google Patents

燃料电池车辆控制方法、控制系统及燃料电池车辆 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池车辆控制方法、控制系统及燃料电池车辆，涉及车辆技术领域。本发明的车辆控制方法包括：获取车辆的实时车速、实时加速踏板开度和实时制动踏板开度。根据车辆的实时车速、实时加速踏板开度和实时制动踏板开度确定车辆状态。车辆状态包括停车状态、滑行状态、驱动状态和制动状态。根据车辆状态控制采用不同的驱动模式驱动车辆运行或控制车辆在不同的驱动模式之间相互切换。其中，驱动模式包括车辆的电机不输出转矩的零转矩模式、输出正向转矩或反向转矩的正转矩模式和电机进行回馈制动的负转矩模式。本发明车辆在行驶过程中在零转矩模式、正转矩模式和负转矩模式之间进行切换，既保证了行车安全，又能提高能量利用率。

Description

燃料电池车辆控制方法、控制系统及燃料电池车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池车辆技术领域，特别是涉及一种燃料电池车辆控制方法、控制系统及燃料电池车辆。
背景技术
电动化、智能化和网联化是汽车未来的发展趋势，氢燃料电池及其电驱动车辆是实现碳达峰碳中和目标的关键路径。氢燃料电池及其电驱动车辆利用电机驱动车辆行驶，在车辆制动时利用驱动电机的发电模式使其发电，将车辆的动能转化为电能来对动力电池充电，从而提高了车辆的能量经济性。然而在将车辆的动能转化为电能的过程中存在能量损失，同样这部分电能驱动车辆行驶时也存在一定的能量损失，因此在保障行车安全的情况下减少车辆的动能和电能的相互转换，势必也可以减少能量损失。现有技术中从车轮通过电机的制动能量回收储存到动力电池，然后动力电池再通过电机驱动车轮，整个过程能量转化效率只要50％左右。目前电驱动车辆为了模拟传统汽车的发动机拖拽力矩，采取的方案是只要松开加速踏板，驱动电机就进入制动状态，实际上驾驶员完全松开加速踏板，并非全部需要制动。也就是目前的车辆中驱动电机控制只有驱动和回馈制动两种控制方式，使得车辆能耗大，能量利用率低，且车辆的安全性能差。
发明内容
本发明的第一方面的一个目的是要提供一种燃料电池车辆控制方法，解决现有技术中因只存在驱动和制动两种控制方式而导致车辆的能耗大的问题。
本发明的第一方面的一个目的是要提供一种燃料电池车辆控制方法，解决现有技术中不存在零转矩控制方式，且不存在零转矩控制方式与正转矩控制方式切换的条件的问题。
本发明的第二方面的一个目的是提供一种燃料电池车辆控制系统，以实现上述车辆控制方法。
本发明的第三方面的一个目的是提供一种燃料电池车辆，包含上述燃料电池车辆控制系统。
特别地，本发明提供一种燃料电池车辆控制方法，包括：
获取车辆的实时车速、实时加速踏板开度和实时制动踏板开度；
根据所述车辆的所述实时车速、所述实时加速踏板开度和所述实时制动踏板开度确定车辆状态；其中，所述车辆状态包括停车状态、滑行状态、驱动状态和制动状态；
根据所述车辆状态控制采用不同的驱动模式驱动所述车辆运行或控制所述车辆在不同的所述驱动模式之间相互切换；其中，所述驱动模式包括所述车辆的电机不输出转矩的零转矩模式、输出正向转矩或反向转矩的正转矩模式和电机进行回馈制动的负转矩模式；当所述车辆状态为停车状态或滑行状态时，控制采用所述零转矩模式驱动车辆；当所述车辆状态为驱动状态时，控制采用所述正转矩模式驱动车辆；当所述车辆状态为制动状态时，控制采用所述负转矩模式驱动车辆。
可选地，当所述车辆状态在所述驱动状态和所述滑行状态之间切换时，控制所述车辆在所述零转矩模式和所述正转矩模式之间切换，并且在所述车辆的所述实时车速和所述加速踏板开度满足预设条件时进行切换。
可选地，所述预设条件包括第一预设条件，当所述车辆的所述实时车速和所述实时加速踏板开度满足所述第一预设条件时，所述车辆由所述正转矩模式切换为所述零转矩模式；
其中，所述第一预设条件为：以所述车辆的所述车速作为横坐标、所述加速踏板开度作为纵坐标形成一个坐标系，所述车辆的所述实时车速和所述实时加速踏板开度形成的坐标点由预先标定的第一曲线的上方到达所述第一曲线的下方。
可选地，所述第一曲线为折线，所述第一曲线的坐标包括：
Ai(Vai，αai)其中，Ai为所述第一曲线中Ai位置的坐标，其中，i＝1，2，3；
其中，Vai为Ai点车速，Vai为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
αai为Ai点加速踏板开度，αai为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
其中，所述第一曲线的所述车速Va与加速踏板开度αa的关系为：
Figure GDA0003547649430000031
其中，0≤αa1＜αa2≤αa3。
可选地，所述预设条件包括第二预设条件，当所述车辆的所述实时车速和所述实时加速踏板开度满足第二预设条件时，所述车辆由所述零转矩模式切换为所述正转矩模式；
其中，所述第二预设条件为：以所述车辆的所述车速作为横坐标、所述加速踏板开度作为纵坐标形成一个坐标系，当所述车辆的所述实时车速和所述实时加速踏板开度形成的坐标点由预先标定的第二曲线的下方到达所述第二曲线的上方时。
可选地，所述第二曲线为折线，所述第二曲线的坐标包括：
Bi(Vbi，αbi)，其中，Bi为所述第二曲线中Bi的位置坐标，其中，i＝1，2，3；
Vbi为Bi点速度，Vbi为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
αbi为Bi点加速踏板开度，αbi为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
其中，所述第二曲线的车速Vb与加速踏板开度αb的关系为：
Figure GDA0003547649430000032
其中，0≤αb1＜αb2≤αb3。
可选地，在所述第一曲线和所述第二曲线位于同一坐标系中时，所述第一曲线位于所述第二曲线的下方。
可选地，当所述车辆在所述驱动状态、所述滑行状态和所述回馈状态之间切换，且所述电机在所述正转矩模式和所述负转矩模式之间在相互切换时需要经过所述零转矩模式。
特别地，本发明还提供一种燃料电池车辆控制系统，包括
控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器内存储有控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时用于实现上面所述的燃料电池车辆控制方法。
特别地，本发明还提供一种燃料电池车辆，包括上面所述的车辆控制系统。
本发明中由于车辆不同状态中包含正转矩模式、零转矩模式和负转矩模式，则车辆在行驶过程中根据实际情况在三种模式中进行切换，既保证了行车安全，同时又能提高能量利用率。
本发明中在车辆由电机驱动状态和滑行状态之间切换时，电机驱动模式需要满足预设条件时进行切换，车速高于一定值随着加速踏板开度逐渐减小，驱动电机由驱动状态转到滑行状态，此时车辆由正转矩模式切换为零转矩模式。随着加速踏板开度逐渐增大，驱动电机由滑行状态到驱动状态时，车辆由零转矩模式切换为正转矩模式，两种状态的切换时机不同，避免了车辆在正转矩模式和零转矩模式之间反复波动。
本发明的控制方法安全可靠，系统较为简单，易于实现，开发周期短，节能效果显著。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的燃料电池车辆控制方法的示意性流程图；
图2是根据本发明一个实施例的燃料电池车辆状态及状态转移的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的零转矩模式和正转矩模式之间切换的预设条件的示意图；
图4为根据本发明一个实施例的燃料电池车辆的示意性结构图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的燃料电池车辆控制方法的示意性流程图。
其中，本实施例的燃料电池车辆控制方法可以包括：
步骤S100，获取车辆的实时车速、实时加速踏板开度和实时制动踏板开度；
步骤S200，根据车辆的实时车速、实时加速踏板开度和实时制动踏板开度确定车辆状态；其中，车辆状态包括停车状态、滑行状态、驱动状态和制动状态；
步骤S300，根据车辆状态控制采用不同的驱动模式驱动车辆运行或控制车辆在不同的驱动模式之间相互切换；其中，驱动模式包括车辆的电机不输出转矩的零转矩模式、输出正向转矩或反向转矩的正转矩模式和电机进行回馈制动的负转矩模式；当车辆状态为停车状态或滑行状态时，控制采用零转矩模式驱动车辆；当车辆状态为驱动状态时，控制采用正转矩模式驱动车辆；当车辆状态为制动状态时，控制采用负转矩模式驱动车辆。
在步骤S100中，车辆的实时车速是车辆通过采集制动踏板的开度和车轮的转速信息，结合这两个信息进行分析计算后获得车辆的实时车速。实时加速踏板开度则直接根据设置在车辆的加速踏板处的传感器获得，实时制动踏板开度则根据车辆的制动踏板开度则是根据设置在车辆的制动踏板处的传感器获得。
在步骤S200中，车辆的状态可以包括停车状态、滑行状态、驱动状态和制动状态，而制动状态又可以包括行车制动状态、回馈制动状态和行车制动&回馈制动状态。此时车辆分为六种状态，六种状态中有十五种状态转移，具体每一种状态转移对应的驱动模式的切换如下所述。
图2是根据本发明一个实施例的燃料电池车辆状态及状态转移的示意图。
其中，
(1)为从停车状态到电机驱动状态，踏下加速踏板车辆起步，车速逐渐增加，实现车辆起步及正常驱动行驶。此时车辆由零转矩模式切换为正转矩模式。在车辆处于正转矩模式时，前进时电机正转，倒车时电机反转。
(2)为从电机驱动状态到停车状态，车速低且松开加速踏板，车辆蠕行。此时车辆由正转矩模式切换为零转矩模式。
(3)为从电机驱动状态到行车制动状态，车速低且踏下制动踏板，车辆减速行驶。此时车辆由正转矩模式到行车制动模式，电机不能产生回馈制动。
(4)为从行车制动状态到电机驱动状态，车速低且踏下加速踏板，车辆加速行驶。此时车辆电机零转矩后再切换为正转矩模式。
(5)为从行车制动状态到停车状态，车速低且踏下制动踏板，直至车辆停车。此时车辆由负转矩模式切换为电机零转矩模式。
(6)为从滑行状态到停车状态，车速低且加速踏板和制动踏板同时松开，车辆滑行直至车辆停车。此时电机一直处于零转矩模式。
(7)为从电机驱动状态到滑行状态，车速较高，加速踏板开度减少，且低于驱动转矩切换为零转矩变换线(O-A1-A2-A3折线)，电机由正转矩模式切换为零转矩模式，车辆处于滑行状态。
(8)为从滑行状态到电机驱动状态，车速较高，加速踏板开度增加，且高于零转矩切换为驱动转矩变换线(O-B1-B2-B3折线)，电机由零转矩模式切换为正转矩模式，车辆处于电机驱动状态。
(9)为从行车制动及回馈制动同时作用状态到行车制动状态，踏下制动踏板，车速逐步降低，电机回馈转矩减少，直至回馈制动为零。电机车辆由负转矩模式切换为零转矩模式。
(10)为从行车制动状态到行车制动及回馈制动同时作用状态，踏下制动踏板，但车速逐步增加，电机逐渐产生回馈制动转矩，车辆由行车制动及回馈制动同时起制动作用。车辆电机由零转矩模式切换为负转矩模式。
(11)为从回馈制动状态到滑行状态，制动加速踏板由较小开度状态到完全松开电机由负转矩模式切换为零转矩模式。
(12)为从滑行状态到回馈制动状态，制动踏板由完全松开到较小开度状态，电机由零转矩模式切换为负转矩模式。
(13)为从回馈制动到行车制动及回馈制动同时作用状态，也就是从制动踏板从较小开度状态到较大开度状态，电机一直处于负转矩模式。
(14)为从行车制动及回馈制动同时作用状态到回馈制动状态，也就是从制动踏板从较大开度状态到较小开度状态，电机一直处于负转矩模式。
(15)为从滑行状态到行车制动状态，车速较低，踏下制动踏板。电机不能产生回馈制动，行车制动起作用。
本实施例中，由于车辆不同状态中包含正转矩模式、零转矩模式和负转矩模式，则车辆在行驶过程中根据实际情况在三种模式中进行切换，既保证了行车安全，同时又能提高能量利用率。
图3为根据本发明一个实施例的零转矩模式和正转矩模式之间切换的预设条件的示意图。作为本发明一个具体的实施方式，本实施例中，当车辆状态在驱动状态和滑行状态之间切换时，控制车辆在零转矩模式和正转矩模式之间切换，并且在车辆的实时车速和加速踏板开度满足预设条件时进行切换。具体为上述状态(7)和状态(8)。
该预设条件可以包括第一预设条件，当车辆的实时车速和实时加速踏板开度满足第一预设条件时，车辆由正转矩模式切换为零转矩模式。
其中，如图3所示，第一预设条件为：以车辆的车速作为横坐标、加速踏板开度作为纵坐标形成一个坐标系，车辆的实时车速和实时加速踏板开度形成的坐标点由预先标定的第一曲线的上方到达第一曲线的下方。
此处，本实施例中，第一曲线可以表示为O-A1-A2-A3折线。车辆的实时车速和实时加速踏板开度形成的坐标点其实就是在车辆实际行驶过程中某个时刻的实时车速和实时加速踏板开度的数值形成的一个点。当下一个时刻该实时车速和实时加速踏板开度所形成点与前一时刻相比刚好穿过了第一曲线，那么此时车辆的驱动模式就可以进行切换。具体地，若某时刻的实时车速和实时加速踏板开度所形成的坐标点与下一时刻的实时车速和实时加速踏板开度所形成的坐标点刚好由折线O-A1-A2-A3的上方到达折线O-A1-A2-A3的下方，那么此时车辆的电机则由正转矩模式切换为零转矩模式。具体地，第一曲线为折线，第一曲线的坐标包括：
Ai(Vai，αai)其中，Ai为第一曲线中Ai位置的坐标，其中，i＝1，2，3；
其中，Vai为Ai点车速，Vai为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
αai为Ai点加速踏板开度，αai为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
其中，第一曲线的车速Va与加速踏板开度αa的关系为：
Figure GDA0003547649430000071
其中，0＜αa1＜αa2≤αa3。
具体该Ai(Vai，αai)其中，i＝1，2，3；的坐标点是由实际标定得到的。根据不同车型不同而不同。而具体A1(Va1，αa1)选择为A1(Va1，0)，是因为车速太小，制动回馈较小，不在考虑范围内。由于车辆在行驶过程中，车速随着油门踏板开度的增加逐渐上升，且在油门踏板开度到的一定值后部会再继续增加，而此时车速还可能会继续增加。因此，A1到A2之间的变化则是A2点的车速值和油门踏板开度值均大于A1坐标点的值，而A3坐标点中车速的值大于A2点中车速的值，而油门踏板开度值不变。
具体地，预设条件包括第二预设条件，当车辆的实时车速和实时加速踏板开度满足第二预设条件时，车辆由零转矩模式切换为正转矩模式。其中，如图3所示，第二预设条件为：以车辆的车速作为横坐标、加速踏板开度作为纵坐标形成一个坐标系，当车辆的实时车速和实时加速踏板开度形成的坐标点由预先标定的第二曲线的下方到达第二曲线的上方时。
具体地，第二曲线为折线，第二曲线的坐标包括：
Bi(Vbi，αbi)，其中，Bi为第二曲线中Bi的位置坐标，其中，i＝1，2，3；
Vbi为Bi点速度，Vbi为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
αbi为Bi点加速踏板开度，αbi为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
其中，第二曲线的车速Vb与加速踏板开度αb的关系为：
Figure GDA0003547649430000081
其中，0＜αb1＜αb2≤αb3。
同样地，第二预设条件与第一预设条件一样，均为标定的折线。具体该折线可以如图中所示的折线O-B1-B2-B3。该折线O-B1-B2-B3的变化趋势和折线O-A1-A2-A3的一样。
作为一个具体的实施例，本实施例中，在第一曲线和第二曲线位于同一坐标系中时，第一曲线位于第二曲线的下方。在理想状态下，第一曲线和第二曲线可以是重合的。但是在实际的应用过程中，若将第一曲线和第二曲线重合，那么在行车过程中，零转矩模式和正转矩模式会不断的切换，因此将第一曲线和第二曲线形成不同的曲线，第一曲线位于第二曲线的下方，也就是车辆由正转矩模式切换为零转矩模式的时机不同，可以避免电机在零转矩模式和正转矩模式之间反复波动。
步骤S300中，负转矩模式即为回馈制动模式，而该回馈制动模式中的回馈强度是受回馈强度开关的调节。而该回馈强度开关则是车辆在出厂时已经设定好，在车辆使用过程中，用户可以通过按动开关来调节回馈强度。利用该回馈强度开关信号，反馈用户意图，可以使车辆在下大坡实时施较大回馈制动尽可能多回收能量，下小坡实时施较小回馈制动或不回收能量。上述的预设条件可以是折线O-B1-B2-B3和O-A1-A2-A3的一样的折线，也可以是多段折线、或车速与加速踏板开度的函数。本实施例的燃料电池车辆控制方法安全可靠，系统较为简单，易于实现，开发周期短，节能效果显著。
作为本发明一个具体的实施例，本实施例还提供一种燃料电池车辆控制系统200，该燃料电池车辆控制系统200还可以包括控制装置，控制装置包括存储器和处理器，存储器内存储有控制程序，控制程序被处理器执行时用于实现上面的燃料电池车辆控制方法。处理器可以是一个中央处理单元(central processing unit，简称CPU)，或者为数字处理单元等等。处理器通过通信接口收发数据。存储器用于存储处理器执行的程序。存储器是能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何介质，也可以是多个存储器的组合。上述计算程序可以从计算机可读存储介质下载到相应计算/处理设备或者经由网络(例如因特网、局域网、广域网和/或无线网络)下载到计算机或外部存储设备。
图4为根据本发明一个实施例的车辆的示意性结构图；本实施例还提供一种燃料电池车辆100，该燃料电池车辆100包括上面的燃料电池车辆控制系统200。此外，车辆还包括制动踏板开度传感器10、油门踏板开度传感器20、车轮转速传感器30、ABS控制器40、回馈强度开关50、车身控制器60、电机控制器70和驱动电机80。其中，制动踏板开度传感器10采集制动踏板开度信息。车轮转速传感器30采集车辆的轮速。ABS控制器40接受制动踏板跨度信息和车轮转速信号，经分析处理后获取车速信息，回馈强度开关50输入车身控制器60，获取回馈强度信息，车速、回馈强度和加速踏板信号同时输入给燃料电池车辆控制系统200，也接受来自电机控制器70的电机转速信息。通过上述硬件得到的各种车辆信息与车辆控制系统结合，最终使得车辆在零转矩模式、正转矩模式和负转矩模式之间切换，从而既保证行车安全，同时又能提高能量利用率。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种燃料电池车辆控制方法，其特征在于，包括：
获取车辆的实时车速、实时加速踏板开度和实时制动踏板开度；
根据所述车辆的所述实时车速、所述实时加速踏板开度和所述实时制动踏板开度确定车辆状态；其中，所述车辆状态包括停车状态、滑行状态、驱动状态和制动状态；
根据所述车辆状态控制采用不同的驱动模式驱动所述车辆运行或控制所述车辆在不同的所述驱动模式之间相互切换；其中，所述驱动模式包括所述车辆的电机不输出转矩的零转矩模式、输出正向转矩或反向转矩的正转矩模式和电机进行回馈制动的负转矩模式；当所述车辆状态为停车状态或滑行状态时，控制采用所述零转矩模式驱动车辆；当所述车辆状态为驱动状态时，控制采用所述正转矩模式驱动车辆；当所述车辆状态为制动状态时，控制采用所述负转矩模式驱动车辆；
当所述车辆状态在所述驱动状态和所述滑行状态之间切换时，控制所述车辆在所述零转矩模式和所述正转矩模式之间切换，并且在所述车辆的所述实时车速和所述加速踏板开度满足预设条件时进行切换；
所述预设条件包括第一预设条件，当所述车辆的所述实时车速和所述实时加速踏板开度满足所述第一预设条件时，所述车辆由所述正转矩模式切换为所述零转矩模式；
其中，所述第一预设条件为：以所述车辆的所述车速作为横坐标、所述加速踏板开度作为纵坐标形成一个坐标系，所述车辆的所述实时车速和所述实时加速踏板开度形成的坐标点由预先标定的第一曲线的上方到达所述第一曲线的下方；
所述第一曲线为折线，所述第一曲线的坐标包括：
Ai(Vai，αai)其中，Ai为所述第一曲线中Ai位置的坐标，其中，i＝1，2，3；
其中，Vai为Ai点车速，Vai为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
αai为Ai点加速踏板开度，αai为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
其中，所述第一曲线的所述车速Va与加速踏板开度αa的关系为：
Figure FDA0003547649420000021
其中，0≤αa1＜αa2≤αa3。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆控制方法，其特征在于，
所述预设条件包括第二预设条件，当所述车辆的所述实时车速和所述实时加速踏板开度满足第二预设条件时，所述车辆由所述零转矩模式切换为所述正转矩模式；
其中，所述第二预设条件为：以所述车辆的所述车速作为横坐标、所述加速踏板开度作为纵坐标形成一个坐标系，当所述车辆的所述实时车速和所述实时加速踏板开度形成的坐标点由预先标定的第二曲线的下方到达所述第二曲线的上方时。
3.根据权利要求2所述的燃料电池车辆控制方法，其特征在于，
所述第二曲线为折线，所述第二曲线的坐标包括：
Bi(Vbi，αbi)，其中，Bi为所述第二曲线中Bi的位置坐标，其中，i＝1，2，3；
Vbi为Bi点速度，Vbi为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
αbi为Bi点加速踏板开度，αbi为标定的常数，其中，i＝1，2，3；
其中，所述第二曲线的车速Vb与加速踏板开度αb的关系为：
Figure FDA0003547649420000022
其中，0≤αb1＜αb2≤αb3。
4.根据权利要求3所述的燃料电池车辆控制方法，其特征在于，
在所述第一曲线和所述第二曲线位于同一坐标系中时，所述第一曲线位于所述第二曲线的下方。
5.根据权利要求1所述的燃料电池车辆控制方法，其特征在于，
当所述车辆在所述驱动状态、所述滑行状态和所述制动状态之间切换，且所述电机在所述正转矩模式和所述负转矩模式之间在相互切换时需要经过所述零转矩模式。
6.一种燃料电池车辆控制系统，其特征在于，包括
控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器内存储有控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时用于实现权利要求1-5中任一项所述的燃料电池车辆控制方法。
7.一种燃料电池车辆，其特征在于，包括权利要求6所述的车辆控制系统。
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