CN113246805B - 考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法 - Google Patents

考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113246805B
CN113246805B CN202110751807.9A CN202110751807A CN113246805B CN 113246805 B CN113246805 B CN 113246805B CN 202110751807 A CN202110751807 A CN 202110751807A CN 113246805 B CN113246805 B CN 113246805B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
automobile
power
temperature
motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110751807.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113246805A (zh
Inventor
陈虹
杨惠策
胡云峰
张冲
宫洵
李勇
郭洪艳
解方喜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN202110751807.9A priority Critical patent/CN113246805B/zh
Publication of CN113246805A publication Critical patent/CN113246805A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113246805B publication Critical patent/CN113246805B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00357—Air-conditioning arrangements specially adapted for particular vehicles
    • B60H1/00385—Air-conditioning arrangements specially adapted for particular vehicles for vehicles having an electrical drive, e.g. hybrid or fuel cell
    • B60H1/00392—Air-conditioning arrangements specially adapted for particular vehicles for vehicles having an electrical drive, e.g. hybrid or fuel cell for electric vehicles having only electric drive means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/0073—Control systems or circuits characterised by particular algorithms or computational models, e.g. fuzzy logic or dynamic models
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/80—Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
    • Y02T10/88—Optimized components or subsystems, e.g. lighting, actively controlled glasses

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

一种考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法，属于汽车的节能控制技术领域。本发明的目的是充分利用智能网联提供的前瞻性信息与汽车驾驶舱温度变化缓慢的特性，根据需求功率场景进行调节输出功率的考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法。本发明建立需求功率模型、电堆工作效率模型及氢消耗模型、汽车驾驶舱温度模型，根据汽车的速度‑电机需求功率模型计算前方路况汽车运行时电机的需求功率，将求解得到的功率数据传递至燃料电池汽车的电子控制单元，电子控制单元决定燃料电池为电机与空调分配的功率。本发明在兼顾汽车动力性和温度舒适性时燃料电池易工作在满负荷状态的问题，延长其使用寿命，并提高汽车的燃料经济性。

Description

考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法
技术领域
本发明属于汽车的节能控制技术领域。
背景技术
当今，汽车已经成为人们生活中最普遍的交通代步工具。但随着其保有量的迅猛增加，环境和能源负担也不断加剧，选用排放清洁的新能源汽车代替传统的内燃机汽车是解决这一问题的有效途径。
燃料电池是燃料电池汽车中提供能量的动力源，其具有功率密度大、工作效率高的特性。燃料电池汽车的动力性与温度的舒适性是不容忽视的问题，当汽车处于上坡或急加速等需求功率较大的运行情境中时，燃料电池需要为汽车提供较大的需求功率，此时若燃料电池仍向空调供电，会导致燃料电池近乎满负荷运行，降低燃料电池汽车的燃料经济性，长时间满负荷运行对燃料电池的寿命亦有危害。
智能网联信息可以为汽车提供前瞻性的道路信息，能够提前为汽车的功率分配规划做出准备，进一步挖掘燃料电池汽车的节能潜力。
目前已经公开的专利只涉及传统内燃机汽车或纯电动汽车的驾驶舱温度控制，而未涉及有关燃料电池汽车驾驶舱温度的控制方法，也未涉及对智能网联信息的运用。因此，如何结合智能网联提供的前瞻性信息，提供一种在汽车动力需求较大的情形下能够维持温度的控制方法是本领域人员亟需解决的问题。
此问题的挑战包括：网联环境下汽车可以接收到前瞻性的网联信息，如何充分利用网联信息为燃料电池的输出功率做出规划是一个挑战；空调的需求功率一般会占据燃料电池最大输出能力的10％，汽车在处于上坡或急加速等需求功率较高的情境中时燃料电池为空调提供功率会导致自身满负荷运行，影响自身的工作效率及寿命，如何设计一个功率分配方法满足高动力需求情境下驾驶员对于温度舒适性的需求亦是一个挑战。
发明内容
本发明的目的是充分利用智能网联提供的前瞻性信息与汽车驾驶舱温度变化缓慢的特性，根据需求功率场景进行调节输出功率的考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法。
本发明步骤是：
S1、建立燃料电池汽车的速度-电机需求功率模型、燃料电池的电堆工作效率模型及燃料电池的氢消耗模型、汽车驾驶舱温度模型；
S101.建立燃料电池汽车的速度-电机需求功率模型，根据燃料电池汽车的车速信息计算汽车运行时电机的需求功率：
Figure GDA0003678042430000011
其中，Pautomobile是汽车运行时电机的需求功率，Vautomobile是汽车运行时的速度，ε是汽车轮胎与地面的摩擦力系数，ηmotor是燃料电池汽车电机的传动效率，mautomobile是燃料电池汽车的质量，σautomobile是燃料电池汽车旋转元件的质量系数，g是重力加速度，φpavement是路面的坡度，λautomobile是燃料电池汽车的迎风面积，ρair是空气密度，αD_automobile是空气阻力系数，
Figure GDA0003678042430000012
是车辆的速度对于时间t的微分；
S102.建立燃料电池的电堆工作效率模型及燃料电池的氢消耗模型
从0千瓦-50千瓦的功率点所对应的工作效率，并利用六次多项式拟合的方法得到其拟合关系式：
Figure GDA0003678042430000029
其中，Pstack是燃料电池电堆的输出功率，ηstack是燃料电池电堆的工作效率；
燃料电池的氢消耗Wstack计算公式如下：
Figure GDA0003678042430000021
其中，
Figure GDA0003678042430000022
是氢气的低热值；
S103.建立汽车驾驶舱温度模型
驾驶舱温度随外界环境与空调功率影响的公式如下：
Figure GDA0003678042430000023
其中，τ为采样时刻，
Figure GDA0003678042430000024
和
Figure GDA0003678042430000025
分别是第τ时刻和第τ+1时刻燃料电池汽车驾驶舱内的温度，
Figure GDA0003678042430000026
是第τ+1时刻的环境温度，
Figure GDA0003678042430000027
为环境的产热系数，θc为空调处于开启状态时，其制热功率或制冷功率对驾驶舱温度的调节系数，与空调的工作功率呈线性关系，Λτ是第τ时刻空调的启停状态，当其数值为1时，表示空调处于开启状态，其数值为0时，表示空调处于关闭状态。由于Λτ仅能为0或1，公式(4)可以简化成下式所示形式
Figure GDA0003678042430000028
S2、读取智能网联提供的前方道路的路况信息及车速信息，根据汽车的速度-电机需求功率模型计算前方路况汽车运行时电机的需求功率；
燃料电池汽车规划出未来一段时间的速度曲线。利用该速度曲线和坡度信息，根据公式(1)可计算该时间段汽车电机的需求功率，使燃料电池可提前预知未来一段时间汽车的需求功率情况，为功率的分配做出规划准备；
S3、实时采集汽车的驾驶舱温度信息与电机的工作功率信息；
驾驶舱内的温度传感器实时采集汽车驾驶舱内的温度并将信息发送至燃料电池汽车的电子控制单元，同样地，电机的功率传感器也将汽车运行时电机的功率信息发送至ECU，为考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法提供计算的数据；
S4、设计考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制器，根据实时采集到的驾驶舱温度信息、电机的工作功率信息与智能网联提供的前方路况信息计算燃料电池为空调提供的工作功率与为电机提供的工作功率；
S401.读取当前驾驶舱内的温度信息、电机的工作功率信息、驾驶员的期望温度信息、智能网联提供的未来一段时间内电机期望的需求功率信息，将读取到的信息传递至汽车的功率管理控制器；
S402.功率管理控制器根据读取的信息计算燃料电池为电机和空调分配的功率；
功率管理控制器通过智能网联提供的信息发现未来一段时间汽车将运行在上坡或急加速等需求功率较大的情境中时，汽车提前为空调提供其最大输出功率使驾驶舱温度升高到期望温度以上，否则按照基于规则的方法分配燃料电池汽车为电机和空调提供的功率；
S5、将求解得到的功率数据传递至燃料电池汽车的电子控制单元，电子控制单元决定燃料电池为电机与空调分配的功率。
本发明在兼顾汽车动力性和温度舒适性时燃料电池易工作在满负荷状态的问题，延长其使用寿命，并提高汽车的燃料经济性。本发明的创新点及有益效果是：
(1)发明了一种考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法，将驾驶舱温度的舒适性考虑进燃料电池汽车的功率分配中，兼顾了驾驶员在汽车驾驶舱温度舒适性和动力性两方面的需求，有效地避免了燃料电池长时间满负荷的工作，延长其使用寿命；
(2)利用智能网联提供的前瞻性的网联信息，有规划地为燃料电池汽车分配功率，提升了汽车的燃料经济性。
附图说明
图1为燃料电池汽车电机-空调能量流动示意图；
图2为考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法的控制框图；
图3为考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法的设计流程图；
图4为通过实验标定的燃料电池输出功率与电堆效率的拟合曲线图；
图5本发明所设计的功率管理控制器的工作流程图；
图6为仿真所用的高需求功率工况曲线图；
图7为高需求功率工况下本发明所设计的温度管理控制方法计算得到的燃料电池提供的总功率、汽车的需求功率、燃料电池为空调提供的功率曲线图；
图8为高需求功率工况下本发明所设计的温度管理控制方法计算得到的汽车驾驶舱温度变化的曲线图；
图9为高需求功率工况下本发明所设计的温度管理控制方法计算得到的燃料电池耗氢量曲线图；
图10为高需求功率工况下基于规则的控制方法计算得到的燃料电池提供的总功率、汽车的需求功率、燃料电池为空调提供的功率曲线图；
图11为高需求功率工况下基于规则的控制方法计算得到的汽车驾驶舱温度变化的曲线图；
图12为高需求功率工况下基于规则的控制方法计算得到的燃料电池耗氢量曲线图；
图13为高需求功率工况下本发明所设计的温度管理控制方法与基于规则的控制方法得到的燃料电池耗氢量对比图。
具体实施方式
燃料电池汽车在上坡或急加速等动力需求功率较大的情境中时，若想保持驾驶舱内当前的温度为空调提供功率，会导致燃料电池近乎满负荷运行。为兼顾燃料电池汽车在上坡或加速时的高动力需求与驾驶舱温度的需求，本发明设计了一种考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法，该方法充分利用智能网联提供的前瞻性信息与汽车驾驶舱温度变化缓慢的特性，当检测到汽车即将进入前方上坡或急加速等高需求功率场景时，燃料电池在为电机提供相应动力需求功率的同时为空调提供其最大输出功率，使其尽可能升温，运行至高需求功率场景时，燃料电池不再为空调提供功率，而只提供电机所需的功率，此时温度缓慢下降。该方法能够在满足动力需求与温度需求的基础上显著提高汽车运行时燃料电池的经济性。
本发明通过以下步骤实现：
步骤一：建立燃料电池汽车的速度-电机需求功率模型、燃料电池的电堆工作效率模型及燃料电池的氢消耗模型、汽车驾驶舱温度模型；
步骤二：读取智能网联提供的前方道路的路况信息及车速信息，根据汽车的速度-电机需求功率模型计算前方路况汽车运行时电机的需求功率；
步骤三：实时采集汽车的驾驶舱温度信息与电机的工作功率信息；
步骤四：设计考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制器，根据实时采集到的驾驶舱温度信息、电机的工作功率信息与智能网联提供的前方路况信息计算燃料电池为空调提供的工作功率与为电机提供的工作功率；
步骤五：将求解得到的功率数据传递至燃料电池汽车的电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)，电子控制单元决定燃料电池为电机与空调分配的功率；
步骤六：进行实验仿真，验证所设计的方法的有效性。
下面结合附图对本发明进行详细的描述：
本发明面向智能网联环境下的燃料电池汽车，根据前方的道路信息，有前瞻性的调整燃料电池汽车运行过程中燃料电池为电机与空调分配功率的方式，为兼顾燃料电池汽车在上坡或加速时的高动力需求与驾驶舱的升温需求，提升燃料电池汽车的燃料经济性，延长燃料电池的使用寿命。
图1为燃料电池汽车电机-空调能量流动示意图，如图所示，燃料电池汽车由燃料电池为电机与空调提供所需的功率，能量单向的从燃料电池流向电机与空调。图2为考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法的控制框图，如图所示，控制器根据电机的期望功率与驾驶舱的期望温度为电机和空调分配需求功率，而后电机的功率传感器和驾驶舱内的温度传感器分别读取当前汽车电机的工作功率和驾驶舱内的温度，并与期望的电机功率及驾驶舱温度进行比较，实时调整为电机与空调分配的功率。图3为考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法的设计流程图，如图所示。
S1.建立燃料电池汽车的速度-电机需求功率模型、燃料电池的电堆工作效率模型及燃料电池的氢消耗模型、汽车驾驶舱温度模型。
所述S1包含以下步骤：
S101.建立燃料电池汽车的速度-电机需求功率模型，根据燃料电池汽车的车速信息计算汽车运行时电机的需求功率：
Figure GDA0003678042430000041
其中，Pautomobile是汽车运行时电机的需求功率，Vautomobile是汽车运行时的速度，ε是汽车轮胎与地面的摩擦力系数，ηmotor是燃料电池汽车电机的传动效率，mautomobile是燃料电池汽车的质量，σautomobile是燃料电池汽车的旋转元件的质量系数，g是重力加速度，φpavement是路面的坡度，λautomobile是燃料电池汽车的迎风面积，ρair是空气密度，αD_automobile是空气阻力系数，
Figure GDA0003678042430000042
是车辆的速度对于时间t的微分。通过以上公式即可根据汽车的速度与路面坡度计算得到燃料电池汽车运行时电机的需求功率。
S102.建立燃料电池的电堆工作效率模型及燃料电池的氢消耗模型燃料电池电堆的工作效率-功率曲线具有极强的非线性，采用机理分析的方式难以准确的建立其模型，因而本发明采用实验标定与多项式拟合相结合的方式建立其电堆工作效率模型。本发明采用型号为“FC_ANL50H2”的燃料电池进行标定实验，得到其从0千瓦-50千瓦的功率点所对应的工作效率，并利用六次多项式拟合的方法得到其拟合关系式：
Figure GDA0003678042430000051
其中，Pstack是燃料电池电堆的输出功率，ηstack是燃料电池电堆的工作效率。由以上公式可根据燃料电池的电堆功率得到电堆的工作效率，图4为通过实验标定的燃料电池输出功率与电堆效率的拟合曲线图，从图中可以看出拟合关系式具有较好的拟合效果，能够准确地表达燃料电池功率与工作效率的关系。
燃料电池的氢消耗模型可根据燃料电池电堆的输出功率和效率计算得到，燃料电池的氢消耗Wstack计算公式如下：
Figure GDA0003678042430000052
其中，
Figure GDA0003678042430000053
是氢气的低热值。
S103.建立汽车驾驶舱温度模型
燃料电池汽车驾驶舱温度主要受外界环境温度与车内空调的功率影响。本文选取的车载空调最大制热功率为5千瓦。驾驶舱温度随外界环境与空调功率影响的公式如下：
Figure GDA0003678042430000054
其中，τ为采样时刻，
Figure GDA0003678042430000055
和
Figure GDA0003678042430000056
分别是第τ时刻和第τ+1时刻燃料电池汽车驾驶舱内的温度，
Figure GDA0003678042430000057
是第τ+1时刻的环境温度，
Figure GDA0003678042430000058
为环境的产热系数，θc为空调处于开启状态时，其制热功率或制冷功率对驾驶舱温度的调节系数，与空调的工作功率呈线性关系，Λτ是第τ时刻空调的启停状态，当其数值为1时，表示空调处于开启状态，其数值为0时，表示空调处于关闭状态。
由于Λτ仅能为0或1，公式(4)可以简化成下式所示形式。
Figure GDA0003678042430000059
从上式可以看出，当驾驶舱外的环境温度已知时，燃料电池汽车驾驶舱内温度的变化仅与空调工作功率的大小有关。
S2.读取智能网联提供的前方道路的路况信息及车速信息，根据汽车的速度-电机需求功率模型计算前方路况汽车运行时电机的需求功率智能网联信息可为汽车提供前方道路的路况信息及坡度信息，为燃料电池汽车规划出未来一段时间(20秒)的速度曲线。利用该速度曲线和坡度信息，根据公式(1)可计算该时间段汽车电机的需求功率，使燃料电池可提前预知未来一段时间汽车的需求功率情况，为功率的分配做出规划准备。
S3.实时采集汽车的驾驶舱温度信息与电机的工作功率信息
考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法需要结合智能网联提供前瞻性的路况信息和坡度信息，根据当前驾驶舱内的温度与电机的功率实时调整燃料电池为电机和空调分配的功率数值。因而需要驾驶舱内的温度传感器实时采集汽车驾驶舱内的温度并将信息发送至燃料电池汽车的ECU，同样地，电机的功率传感器也将汽车运行时电机的功率信息发送至ECU，为考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法提供计算的数据。
S4.设计考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制器，根据实时采集到的驾驶舱温度信息、电机的工作功率信息与智能网联提供的前方路况信息计算燃料电池为空调提供的工作功率与为电机提供的工作功率。
S401.读取当前驾驶舱内的温度信息、电机的工作功率信息、驾驶员的期望温度信息、智能网联提供的未来一段时间(20秒)内电机期望的需求功率信息，将读取到的信息传递至汽车的功率管理控制器。
S402.功率管理控制器根据读取的信息计算燃料电池为电机和空调分配的功率本发明所设计的功率管理控制器的工作流程图如图5所示，功率管理控制器通过智能网联提供的信息发现未来一段时间(20秒)汽车将运行在上坡或急加速等需求功率较大的情境中时，汽车提前为空调提供其最大输出功率使驾驶舱温度升高到期望温度以上。否则按照基于规则的方法分配燃料电池汽车为电机和空调提供的功率。当汽车处在上坡或急加速中时，燃料电池不再为空调供电，而为电机单独供电，以在正常的工作范围内满足驾驶员的动力需求。由于温度的变化较为缓慢，驾驶舱温度会在空调关闭后缓慢地下降到驾驶员期望的温度，以满足驾驶员对汽车驾驶舱的温度需求。
S5.将求解得到的功率数据传递至燃料电池汽车的电子控制单元，电子控制单元决定燃料电池为电机与空调分配的功率。
燃料电池汽车通过ECU使燃料电池为电机与空调按照功率管理控制方法分配相应的功率，实现对燃料电池汽车工作效率提升的目的。
进行实验仿真，验证所设计的方法的有效性
以人体觉得舒适的温度范围(20摄氏度～21摄氏度)为驾驶员的期望温度，在汽车频繁加速、上坡的高需求功率工况下进行实验仿真，仿真所用的高需求功率工况曲线图如图6所示，本发明一种考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法表现出如下优越性：
(1)设计的一种考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法，充分利用智能网联为汽车提供的前瞻性信息，以解决燃料电池汽车在同时满足驾驶员的动力需求和温度需求时易工作在满负荷区间的问题。图7为高需求功率工况下本发明所设计的温度管理控制方法计算得到的燃料电池提供的总功率、汽车的需求功率、燃料电池为空调提供的功率曲线图，图8为高需求功率工况下本发明所设计的温度管理控制方法计算得到的汽车驾驶舱温度变化的曲线图，从以上两幅图可以看出，燃料电池只有一次达到了其顶峰输出功率50千瓦，其余时间都工作在其顶峰输出功率以下，此外，汽车驾驶舱的温度能够很好的维持在人体舒适的温度，且在全部运行时间内燃料电池都能够满足汽车的需求功率，即满足驾驶员对汽车的动力性需求。图10为高需求功率工况下基于规则的控制方法计算得到的燃料电池提供的总功率、汽车的需求功率、燃料电池为空调提供的功率曲线图，图11为高需求功率工况下基于规则的控制方法计算得到的驾驶舱温度变化的曲线图。从图中可以看出，基于规则的控制方法多次使燃料电池的输出值达到了其输出顶峰，处于最大负荷的运行状态，且在全部的600秒工况中，共有53秒工作在超过最大输出功率90％的功率区间。而本发明所设计的方法可以有前瞻性的为燃料电池分配功率，在全部600秒的工况中仅有31秒工作在超过最大输出功率90％的功率区间，减少了41.5％燃料电池工作在高负荷区域的时间，能够有效延长燃料电池的工作寿命。在预知到未来汽车的需求功率较大时，提前为空调持续提供其最大功率，使其尽可能升温，在满足汽车需求功率的基础上有效避免燃料电池工作在尖峰状态，而后汽车驾驶舱温度缓慢降温，整个工况内驾驶舱的温度都处在期望温度范围内。
(2)设计的一种考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制方法能够充分利用智能网联为汽车提供的前瞻性信息，提升汽车的燃料经济性。图9为高需求功率工况下本发明所设计的温度管理控制方法计算得到的燃料电池耗氢量曲线图，图12为高需求功率工况下基于规则的控制方法计算得到的燃料电池耗氢量曲线图，图13为高需求功率工况下本发明所设计的温度管理控制方法与基于规则的控制方法得到的燃料电池耗氢量对比图。从图中可以看出，在相同的工况下，基于规则的功率管理方法计算所得的耗氢量为210.19克，本发明所设计的温度管理控制方法计算所得的耗氢量为166.64克，节约了20.7％的氢气消耗，有效地提升了燃料电池汽车的经济性。

Claims (1)

1.一种考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法，其特征在于：
S1、建立燃料电池汽车的速度-电机需求功率模型、燃料电池的电堆工作效率模型及燃料电池的氢消耗模型、汽车驾驶舱温度模型；
S101.建立燃料电池汽车的速度-电机需求功率模型，根据燃料电池汽车的车速信息计算汽车运行时电机的需求功率：
Figure FDA0003690002670000011
其中，Pautomobile是汽车运行时电机的需求功率，Vautomobile是汽车运行时的速度，ε是汽车轮胎与地面的摩擦力系数，ηmotor是燃料电池汽车电机的传动效率，mautomobile是燃料电池汽车的质量，σautomobile是燃料电池汽车旋转元件的质量系数，g是重力加速度，φpavement是路面的坡度，λautomobile是燃料电池汽车的迎风面积，ρair是空气密度，αD_automobile是空气阻力系数，
Figure FDA0003690002670000012
是车辆的速度对于时间t的微分；
S102.建立燃料电池的电堆工作效率模型及燃料电池的氢消耗模型
从0千瓦-50千瓦的功率点所对应的工作效率，并利用六次多项式拟合的方法得到其拟合关系式：
ηstack＝-1.299×109Pstack 6+2.492×107Pstack 5-1.887×105Pstack 4+0.0007117Pstack 3-0.0138Pstack 2+0.1289Pstack+0.1085， (2)
其中，Pstack是燃料电池电堆的输出功率，ηstack是燃料电池电堆的工作效率；
燃料电池的氢消耗Wstack计算公式如下：
Figure FDA0003690002670000013
其中，
Figure FDA0003690002670000014
是氢气的低热值；
S103.建立汽车驾驶舱温度模型
驾驶舱温度随外界环境与空调功率影响的公式如下：
Figure FDA0003690002670000015
其中，τ为采样时刻，
Figure FDA0003690002670000016
和
Figure FDA0003690002670000017
分别是第τ时刻和第τ+1时刻燃料电池汽车驾驶舱内的温度，
Figure FDA0003690002670000018
是第τ+1时刻的环境温度，
Figure FDA0003690002670000019
为环境的产热系数，θc为空调处于开启状态时，其制热功率或制冷功率对驾驶舱温度的调节系数，与空调的工作功率呈线性关系，Λτ是第τ时刻空调的启停状态，当其数值为1时，表示空调处于开启状态，其数值为0时，表示空调处于关闭状态，由于Λτ仅能为0或1，公式(4)简化成下式所示形式
Figure FDA0003690002670000021
S2、读取智能网联提供的前方道路的路况信息及车速信息，根据汽车的速度-电机需求功率模型计算前方路况汽车运行时电机的需求功率；
燃料电池汽车规划出未来一段时间的速度曲线，利用该速度曲线和坡度信息，根据公式(1)计算未来一段时间段汽车电机的需求功率，使燃料电池提前预知未来一段时间汽车的需求功率情况，为功率的分配做出规划准备；
S3、实时采集汽车的驾驶舱温度信息与电机的工作功率信息；
驾驶舱内的温度传感器实时采集汽车驾驶舱内的温度并将信息发送至燃料电池汽车的电子控制单元，同样地，电机的功率传感器也将汽车运行时电机的功率信息发送至电子控制单元，为考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法提供计算的数据；
S4、设计考虑燃料电池汽车驾驶舱温度的功率管理控制器，根据实时采集到的驾驶舱温度信息、电机的工作功率信息与智能网联提供的前方路况信息计算燃料电池为空调提供的工作功率与为电机提供的工作功率；
S401.读取当前驾驶舱内的温度信息、电机的工作功率信息、驾驶员的期望温度信息、智能网联提供的未来一段时间内电机期望的需求功率信息，将读取到的信息传递至汽车的功率管理控制器；
S402.功率管理控制器根据读取的信息计算燃料电池为电机和空调分配的功率；
功率管理控制器通过智能网联提供的信息发现未来一段时间汽车将运行在上坡或急加速需求功率大的情境中时，汽车提前为空调提供其最大输出功率使驾驶舱温度升高到期望温度以上，否则按照基于规则的方法分配燃料电池汽车为电机和空调提供的功率；
S5、将求解得到的功率数据传递至燃料电池汽车的电子控制单元，电子控制单元决定燃料电池为电机与空调分配的功率。
CN202110751807.9A 2021-07-02 2021-07-02 考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法 Active CN113246805B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110751807.9A CN113246805B (zh) 2021-07-02 2021-07-02 考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110751807.9A CN113246805B (zh) 2021-07-02 2021-07-02 考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113246805A CN113246805A (zh) 2021-08-13
CN113246805B true CN113246805B (zh) 2022-07-19

Family

ID=77190549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110751807.9A Active CN113246805B (zh) 2021-07-02 2021-07-02 考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113246805B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113815437B (zh) * 2021-10-28 2023-11-10 吉林大学 燃料电池混合动力汽车的预测性能量管理方法
EP4253107A1 (de) * 2022-03-31 2023-10-04 Siemens Mobility GmbH Verfahren und vorrichtung zum bestimmen eines betriebsparameters eines klimagerätes
CN115503559B (zh) * 2022-11-07 2023-05-02 重庆大学 考虑空调系统的燃料电池汽车学习型协同能量管理方法
CN115817285B (zh) * 2022-12-26 2024-06-18 潍柴动力股份有限公司 车辆控制方法、装置、车辆及存储介质
CN116093383B (zh) * 2023-04-11 2023-06-30 北京新研创能科技有限公司 一种用于氢燃料电池的进气控制方法及系统

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140036664A (ko) * 2012-09-17 2014-03-26 한국에너지기술연구원 차량용 연료전지 시스템 관리 장치
JP2016091648A (ja) * 2014-10-30 2016-05-23 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車
CN105609797A (zh) * 2014-11-15 2016-05-25 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法、以及燃料电池搭载车辆
CN107437627A (zh) * 2016-05-11 2017-12-05 大众汽车有限公司 带有多个可选的运行模式的燃料电池车辆
CN107745618A (zh) * 2017-09-11 2018-03-02 珠海格力电器股份有限公司 一种汽车空调的控制方法
JP2018156832A (ja) * 2017-03-17 2018-10-04 澤藤電機株式会社 燃料電池システムを備えた輸送機器
CN109103525A (zh) * 2017-06-20 2018-12-28 奥迪股份公司 用于运行动力电池的方法和电池管理系统以及机动车
CN110182071A (zh) * 2019-05-10 2019-08-30 中国第一汽车股份有限公司 一种功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法
CN110254174A (zh) * 2019-07-08 2019-09-20 华南理工大学 一种基于信息融合的电动汽车热管理系统
CN110395143A (zh) * 2018-04-25 2019-11-01 天津银隆新能源有限公司 具有冷启动功能的车载燃料电池热管理系统及控制方法
CN110920465A (zh) * 2019-11-25 2020-03-27 武汉科技大学 一种燃料电池组和空调联合热管理系统及其控制方法
CN111347940A (zh) * 2020-04-23 2020-06-30 厦门金龙联合汽车工业有限公司 一种电电混合燃料电池汽车能量管理控制方法
CN111439167A (zh) * 2020-03-20 2020-07-24 清华大学 燃料电池汽车多环境综合热管理方法
CN111891110A (zh) * 2020-05-15 2020-11-06 吉林大学 智能网联混合动力汽车能量-热量一体化实时管理系统
CN112124299A (zh) * 2020-09-14 2020-12-25 东南大学 一种智能网联新能源汽车分层式能耗优化方法
CN112373457A (zh) * 2020-05-15 2021-02-19 吉林大学 面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型
CN112776673A (zh) * 2020-12-06 2021-05-11 吉林大学 智能网联燃料电池汽车实时能量优化管理系统

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2860105B1 (fr) * 2003-09-19 2005-11-18 Renault Sa Systeme et procede de mise en oeuvre d'une pile a combustible d'un vehicule
KR101189581B1 (ko) * 2010-11-17 2012-10-11 기아자동차주식회사 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법
JP6191349B2 (ja) * 2013-09-11 2017-09-06 株式会社デンソー 車両エネルギーマネジメント装置
CN104139709B (zh) * 2014-05-27 2015-10-21 中北大学 一种燃料电池增程器的控制系统及控制方法
US9527404B2 (en) * 2014-09-23 2016-12-27 Atieva, Inc. EV adaptive thermal management system optimized to minimize power consumption
US10547070B2 (en) * 2018-03-09 2020-01-28 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. STL actuation-path planning
CN109808512B (zh) * 2019-01-08 2022-03-29 武汉理工大学 混合动力燃料电池汽车仿真控制方法及系统
CN113022380B (zh) * 2021-03-09 2022-06-21 吉林大学 一种考虑衰减的燃料电池汽车动力电池优化设计方法
CN112926211A (zh) * 2021-03-09 2021-06-08 吉林大学 一种基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化方法

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140036664A (ko) * 2012-09-17 2014-03-26 한국에너지기술연구원 차량용 연료전지 시스템 관리 장치
JP2016091648A (ja) * 2014-10-30 2016-05-23 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車
CN105609797A (zh) * 2014-11-15 2016-05-25 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法、以及燃料电池搭载车辆
CN107437627A (zh) * 2016-05-11 2017-12-05 大众汽车有限公司 带有多个可选的运行模式的燃料电池车辆
JP2018156832A (ja) * 2017-03-17 2018-10-04 澤藤電機株式会社 燃料電池システムを備えた輸送機器
CN109103525A (zh) * 2017-06-20 2018-12-28 奥迪股份公司 用于运行动力电池的方法和电池管理系统以及机动车
CN107745618A (zh) * 2017-09-11 2018-03-02 珠海格力电器股份有限公司 一种汽车空调的控制方法
CN110395143A (zh) * 2018-04-25 2019-11-01 天津银隆新能源有限公司 具有冷启动功能的车载燃料电池热管理系统及控制方法
CN110182071A (zh) * 2019-05-10 2019-08-30 中国第一汽车股份有限公司 一种功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法
CN110254174A (zh) * 2019-07-08 2019-09-20 华南理工大学 一种基于信息融合的电动汽车热管理系统
CN110920465A (zh) * 2019-11-25 2020-03-27 武汉科技大学 一种燃料电池组和空调联合热管理系统及其控制方法
CN111439167A (zh) * 2020-03-20 2020-07-24 清华大学 燃料电池汽车多环境综合热管理方法
CN111347940A (zh) * 2020-04-23 2020-06-30 厦门金龙联合汽车工业有限公司 一种电电混合燃料电池汽车能量管理控制方法
CN111891110A (zh) * 2020-05-15 2020-11-06 吉林大学 智能网联混合动力汽车能量-热量一体化实时管理系统
CN112373457A (zh) * 2020-05-15 2021-02-19 吉林大学 面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型
CN112124299A (zh) * 2020-09-14 2020-12-25 东南大学 一种智能网联新能源汽车分层式能耗优化方法
CN112776673A (zh) * 2020-12-06 2021-05-11 吉林大学 智能网联燃料电池汽车实时能量优化管理系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SOFC热电联供系统热电性能调节方法研究;赵玺灵等;《煤气与热力》;20080615(第06期);第91-94页 *
现代汽车热管理系统研究进展;于莹潇等;《汽车技术》;20090824(第08期);第5-11页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113246805A (zh) 2021-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113246805B (zh) 考虑汽车驾驶舱温度的燃料电池功率管理控制方法
US10570872B2 (en) System and method for a range extender engine of a hybrid electric vehicle
US10960873B2 (en) System and method for a range extender engine of a hybrid electric vehicle
CN104044479B (zh) 用于在充电时控制电动车辆的方法
CN112373457B (zh) 面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型
Mansour et al. Assessing additional fuel consumption from cabin thermal comfort and auxiliary needs on the worldwide harmonized light vehicles test cycle
CN111547041B (zh) 一种并行混合动力汽车的协同优化能量管理方法
CN113071506B (zh) 考虑座舱温度的燃料电池汽车能耗优化系统
US10781784B2 (en) System and method for a range extender engine of a hybrid electric vehicle
WO2021159660A1 (zh) 一种混合动力汽车能量管理方法和系统
US10953864B2 (en) System and method for a range extender engine of a hybrid electric vehicle
CN105522932A (zh) 车用动力电池组主动风冷散热系统及其控制方法
CN205239180U (zh) 车用动力电池组主动风冷散热系统
US20190249638A1 (en) System and method for a range extender engine of a hybrid electric vehicle
CN113147321B (zh) 一种车载空调与可再生制动协调控制方法
JP2005512871A (ja) 自動車内の機械的、電気的、及び熱的な出力の伝達を協調制御する方法
Chen et al. Joint propulsion and cooling energy management of hybrid electric vehicles by optimal control
Vignesh et al. Intelligent energy management through neuro-fuzzy based adaptive ECMS approach for an optimal battery utilization in plugin parallel hybrid electric vehicle
CN113815437A (zh) 燃料电池混合动力汽车的预测性能量管理方法
Cho et al. Optimization of active grille shutters operation for improved fuel economy
Doshi et al. Modeling of thermal dynamics of a connected hybrid electric vehicle for integrated HVAC and powertrain optimal operation
Zhang et al. Half-Power Prediction and Its Application on the Energy Management Strategy for Fuel Cell City Bus
WO2021228019A1 (zh) 一种延长电动汽车电池寿命的方法
Amini et al. Experimental validation of eco-driving and eco-heating strategies for connected and automated hevs
CN113928182A (zh) 基于全局交通信息的混合动力汽车电池热管理优化系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant