CN113306455A - 燃料电池管理方法及装置和燃料电池汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了燃料电池管理方法和装置，应用于燃料电池动力系统，通过在燃料电池动力系统被启动后，实时获取动力系统被需求功率和动力电池的SOC值；判断SOC值与预设阈值之间的大小关系，只有当SOC值不大于第一阈值时，燃料电池的电堆才启动并为动力电池充电，而SOC值位于不同阈值区间电堆请求输出不同功率，且对于SOC值较小时，电堆仅在预设时间内输出第三电堆功率。与现有技术相比，本申请中电堆输出功率被限制在高效和额定及峰值等状态间转换，且在峰值状态的时间被限制，燃料电池电堆将不再经历频繁启停、怠速、变载、峰值及过载等工况，以此来延长电堆寿命，提高了应用于燃料电池汽车时的整车经济性。

Description

燃料电池管理方法及装置和燃料电池汽车

技术领域

本发明涉及新能源动力领域，尤其涉及一种燃料电池管理方法及装置和应用该种燃料电池管理方法的燃料电池汽车。

背景技术

燃料电池作为新能源的一种，可应用于汽车、客车等动力车上，其能量是通过氢气和氧气的化学作用产生的，能量转化效率高达60％～70％，实际使用效率是普通内燃机的2倍左右，且燃料电池无废气排放，在能量转化中没有机械传动，不会造成噪音污染；从节约能源和生态保护的角度来看，燃料电池是最有发展前途的动力能源。

当前燃料电池汽车通常具有两个动力源，动力系统的能量管理和控制是燃料电池汽车的核心技术之一。能量管理和控制的主要作用是根据燃料电池和动力电池的参数特点，实时控制能量输出，优化能量分配，同时减少燃料电池系统的动态负荷，保护燃料电池构成的动力系统；并且，通过优化燃料电池的工作区域，使动力系统的运行效率最优。

常用的燃料电池构成的动力系统的管理策略可分为定点输出式和功率跟随式；其中，定点输出式管理是选择燃料电池在高效区高等级功率范围内以定点稳定工作，以此避免燃料电池的功率在大范围内快速波动，有利于燃料电池寿命的提升；但其缺点在于，需要搭配大功率动力电池。而功率跟随式管理是燃料电池的输出功率跟随车辆需求功率的变化而变化，而动力电池的输出功率针对动力系统的输出功率起到削峰填谷的作用，以在车辆加速和爬坡时提供辅助功率，同时能够通过动力电池回收制动能量，其能量分配的原则是根据动力电池和燃料电池各自局部的最优功率分配，然后进行整个动力系统的最优功率调节，使动力电池和燃料电池两者相互折中，以达到能量的最优分配；但是其缺陷在于：其没有考虑到动力系统参数的匹配特点和特定的行驶工况，不能够充分、有效的发挥动力电池和燃料电池的作用，不利于车辆整车动力系统效率的提高；并且由于是根据动力电池的荷电状态(State of Charge，简称SOC)的大小和整车需求功率来请求燃料电池电堆输出功率的，电堆输出功率会不停地变化，也会有很大一部分时间处于怠速或峰值状态，频繁加载或减载会使电堆效率下降，且不利于电堆寿命。

因此，针对目前燃料电池管理策略上存在的问题，有必要提供一种燃料电池管理方法及装置，可应用于燃料电池汽车上以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供了一种燃料电池管理方法和装置，可应用于燃料电池汽车上，旨在解决现有的燃料电池管理策略中存在的影响电堆寿命、燃料电池系统效率的问题，以此提高燃料电池的效率，尽量延长电堆寿命。

一种燃料电池管理方法，应用于燃料电池动力系统，所述燃料电池动力系统包括动力电池和燃料电池系统；所述方法包括如下步骤：

所述燃料电池动力系统被启动后，实时获取所述动力系统被需求功率和动力电池的SOC值；

判断所述SOC值是否大于第一阈值；

若是，则不请求所述燃料电池系统的电堆启动；

若所述SOC值不大于第一阈值，则请求所述燃料电池系统的所述电堆启动并为所述动力电池充电；

判断所述SOC值是否大于第二阈值；

若是，则请求所述电堆输出第一电堆功率；

若所述SOC值不大于第二阈值，判断所述SOC值是否大于第三阈值；

若是，则请求所述电堆输出第二电堆功率；

若所述SOC值不大于第三阈值，则请求所述电堆输出第三电堆功率，并在预设时间内保持所述第三电堆功率恒定输出。

一种燃料电池管理装置，应用于燃料电池动力系统，所述燃料电池动力系统包括动力电池和燃料电池系统；所述燃料电池能量管理装置包括：

获取模块，用于所述燃料电池动力系统被启动后，实时获取所述动力系统被需求功率和动力电池的SOC值；判断模块，用于判断所述SOC值是否大于第一阈值；

电堆开合模块，用于在所述SOC值大于第一阈值，则不请求所述燃料电池系统的电堆启动；若所述SOC值不大于第一阈值，则请求所述燃料电池系统的电堆启动并为所述动力电池充电；

所述判断模块还用于判断所述SOC值是否大于第二阈值；

输出模块，用于在所述SOC值大于第二阈值时，请求所述电堆输出第一电堆功率；

所述判断模块还用于所述SOC值不大于第二阈值，判断所述SOC值是否大于第三阈值；

所述输出模块还用于在所述SOC值大于第三阈值时，请求所述电堆输出第二电堆功率；若所述SOC值不大于第三阈值时，则请求所述电堆输出第三电堆功率，并在预定时间内保持所述第三电堆功率恒定输出。

一种燃料电池汽车，包括燃料电池动力系统和燃料电池动力系统管理程序，所述燃料电池动力系统管理程序执行如上所述的燃料电池管理方法。

相较于现有技术，本申请所提出的燃料电池管理装置和燃料电池管理方法中将电堆输出功率控制在高效、额定和峰值状态之间变化，且在峰值状态的时间被限制，尽力避免电堆长时间处于怠速或峰值状态，燃料电池系统的电堆将不再经历频繁启停、怠速、变载、峰值及过载等工况，并尽可能使电堆工作在高效状态，以此来延长电堆寿命；同时，本申请在考虑电堆寿命情况下，还考虑到燃料电池系统效率，其同时也为动力电池充电，且燃料电池系统基本持续运行在高效状态，提高燃料电池系统的利用效率，提高了应用于燃料电池汽车时的整车经济性。

附图说明

图1为本申请燃料电池动力系统的能量流示意图；

图2为本发明燃料电池管理方法一实施例的流程示意图；

图3为本发明燃料电池管理方法中S105的流程示意图；

图4为本发明燃料电池管理方法中S107的流程示意图；

图5为本发明燃料电池管理方法一实施例的流程示意图；

图6为本发明燃料电池管理系统一实施例的功能模块示意图；

图7为本发明燃料电池管理方法一实施例的流程示意图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

燃料电池汽车为电动汽车的一种，而本申请中的燃料电池汽车为插电式燃料电池汽车，现有设计中，该类型车的动力源包括两个，具体为较大电量(10kwh左右)动力电池和中等功率(额定功率60-80kw)燃料电池电堆组成，如图1所示燃料电池动力系统中的能量流示意图，其中箭头方向代表了能量流向；其中，燃料电池系统和动力电池同时对燃料电池汽车的电机供电，以使其在不同工况下工作，与此同时，燃料电池系统还可以在对电机供电的同时，还可以对动力电池进行充电，以提高动力电池的SOC值，当然，动力电池主要的充电方式还是依靠外接电源来充电。在现有的燃料电池汽车的电池管理策略基本是根据动力电池SOC值的大小和燃料电池动力系统被需求功率(即整车需求功率)来请求燃料电池电堆输出功率，燃料电池电堆会出现频繁启停、怠速、变载、峰值及过载运行等工况，不利于电堆寿命，严重缩短电堆寿命。在此，从燃料电池电堆的寿命考虑，提出本申请用于插电式燃料电池汽车的燃料电池管理方法及装置。

本申请实施例中的燃料电池管理方法，应用于如上所述的燃料电池汽车中，该燃料电池汽车的燃料电池动力系统，如图1所示，包括两个动力源，燃料电池系统和动力电池，其中燃料电池系统又包括燃料电池电堆和燃料电池系统辅件；这里的燃料电池管理方法如图2所示，包括如下步骤：

S101，整车起动后，即燃料电池动力系统被启动，实时获取燃料电池动力系统被需求功率P₀(即整车需求功率，以下将以整车需求功率来表示)和动力电池的SOC值。

此时燃料电池系统读取燃料电池电堆输出的电流和电压，以此计算电堆输出功率；燃料电池系统获取到电堆输出的电流、电压和功率信号，同时获取动力电池的荷电状态SOC值以及燃料电池动力系统在被启动后各种工况下整车需求功率P₀。

此外，燃料电池系统还需要获取本实施例在后续中涉及到的一系列设定值，包括：燃料电池的电堆输出的第一电堆功率(电堆高效输出功率)、第二电堆功率(电堆额定输出功率)和第三电堆功率(电堆峰值输出功率)，以及燃料电池系统输出的第一系统功率(系统高效输出功率)、第二系统功率(系统额定输出功率)和第三系统功率(系统峰值输出功率)；以上功率值的获取可根据燃料电池系统的实际情况获得，在此可以不做限定。补充说明的是，本实施例给出了基于燃料电池汽车的能量分配方法来获取上述设定值，该能量分配方法首先测试出燃料电池电堆在各电流密度下，燃料电池系统的效率MAP图，即计算燃料电池系统在电堆每个电流密度点下的电堆理论电压效率a、氢气利用率b和系统效率c。

具体地测试方法为：首先将电堆输出电流密度以100mA/cm²间隔划分，随后计算各电流密度下的电堆理论电压效率a，计算公式如下：a＝u/1.229，其中u为燃料电池电堆单体平均电压；其次通过实验得到各电流密度下氢气利用率b，计算公式为b＝理论氢气消耗质量与实际氢气消耗质量比；再次通过实验得到各电流密度下辅件消耗功率，并计算出系统效率c，计算公式为：c＝1-P_BOP/P_FC，其中P_BOP为燃料电池辅件的消耗功率，P_FC为燃料电池电堆的输出功率；由此得到燃料电池系统效率η＝a×b×c；最后根据得到的燃料电池效率η作出电堆电流密度-燃料电池系统效率MAP图。

本实施例中定义系统输出功率为P_FS，电堆输出功率为P_FC；根据燃料电池系统效率MAP图，可得知系统最高效率点时的系统输出功率P_FS1、电堆输出功率P_FC1。此外，根据电堆性能，可得知系统额定输出功率和系统峰值输出功率时对应的电堆输出功率。具体地，上述参数的代表字母参见下表1。

系统输出功率点	系统输出功率P<sub>FS</sub>	电堆输出功率P<sub>FC</sub>
			系统输出功率高效点	第一系统功率P<sub>FS1</sub>	第一电堆功率P<sub>FC1</sub>
系统输出功率额定点	第二系统功率P<sub>FS2</sub>	第二电堆功率P<sub>FC2</sub>
			系统输出功率峰值点	第三系统功率P<sub>FS3</sub>	第三电堆功率P<sub>FC3</sub>

表1.

S102，判断动力电池的SOC值是否大于第一阈值。

需要说明的是，这里的第一阈值和后面的第二阈值、第三阈值、第四阈值以及第五阈值一般是根据动力电池的电量和电堆的额定功率来设定的，不同燃料电池系统中所使用的动力电池的电量和电堆的额定功率不相同，对SOC值的阈值设定也会有细微的差别，在具体的操作过程中，以上阈值设定可以根据实际情况做相应的调整。

S103，若是，则不请求燃料电池系统的电堆启动。

如果动力电池的SOC值大于第一阈值，那么根据动力电池的荷电状态，完全可以提供燃料电池汽车的整车需求功率P₀，那么燃料电池动力系统就不会启动燃料电池的电堆来对电机供电。

S103′，若动力电池的SOC值不大于第一阈值，则请求燃料电池系统启动电堆并为动力电池充电。

具体地，如果动力电池的SOC值不大于第一阈值，此时，可以判断动力电池的电量，在提供整车需求功率时，将会出现不足，那么就需要请求燃料电池系统启动电堆，让电堆和动力电池同时来对电机供电，同时，如果电堆输出功率足够大，这时电堆还可以对动力电池充电。

S104，判断动力电池的SOC值是否大于第二阈值，即当SOC值不大于第一阈值时，继续判断该SOC值的大小，判断其与第二阈值的大小关系，其中，第二阈值小于第一阈值。

S105，若是，则请求电堆输出第一电堆功率。

具体地，如果动力电池的SOC值大于第二阈值，电堆启动后，可请求电堆输出第一电堆功率P_FC1，该第一电堆功率P_FC1为根据MAP曲线得到的系统高效点时，电堆的输出功率；但是考虑到燃料电池系统的效率，在SOC值大于第二阈值，但不大于第一阈值的情况下，如图3所示，请求电堆输出第一电堆功率包括以下步骤：

S115，判断燃料电池整车需求功率P₀是否大于第一系统功率P_FS1；

S135，若整车需求功率P₀是大于第一系统功率P_FS1，则燃料电池系统输出功率为第一系统功率P_FS1，电堆输出功率为第一电堆功率P_FC1；

S125，若整车需求功率P₀不大于第一系统功率P_FS1，则此时，电堆提供整车需求功率同时还对动力电池充电，则判断第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值是否大于动力电池的最大允许充电功率值(即动力电池被允许充电的最大功率值，下同)；

S145，若第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值大于动力电池的最大允许充电功率值，那么燃料电池系统输出功率为整车需求功率P₀和动力电池的最大允许充电功率之和；

而若第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值不大于动力电池的最大允许充电功率值，那么进行步骤S135，燃料电池系统输出功率为第一系统功率P_FS1，电堆输出功率为第一电堆功率P_FC1。

S106，若否，判断动力电池的SOC值是否大于第三阈值；即如果SOC值不大于第二阈值，则需要继续判断该SOC值与第三阈值的大小关系。

S107，若是，则请求电堆输出第二电堆功率。

如果动力电池的SOC值大于第三阈值，则电堆启动后，请求输出第二电堆功率P_FC2，该第二电堆功率P_FC2是根据MAP曲线得到的系统额定点时电堆的输出功率。但是考虑到燃料电池系统的效率，在SOC值大于第三阈值，但不大于第二阈值的情况下，如图4所示，请求电堆输出第二电堆功率包括以下步骤：

S117，判断燃料电池整车需求功率P₀是否大于第二系统功率P_FS2；

S137，若整车需求功率P₀是大于第二系统功率P_FS2，则燃料电池系统输出功率为第二系统功率P_FS2，电堆输出功率为第二电堆功率P_FC2；

S127，若整车需求功率P₀不大于第二系统功率P_FS2，则此时，电堆提供整车需求功率同时还对动力电池充电，则判断第二系统功率P_FS2与整车需求功率P₀之间的差值是否大于动力电池的最大允许充电功率值(即被允许充电的最大功率值，下同)；

S147，若第二系统功率P_FS2与整车需求功率P₀之间的差值大于动力电池的最大允许充电功率值，那么燃料电池系统输出功率为整车需求功率P₀和动力电池的最大允许充电功率之和；

而若第二系统功率P_FS2与整车需求功率P₀之间的差值不大于动力电池的最大允许充电功率值，那么进行步骤S137，燃料电池系统输出功率为第二系统功率P_FS2，电堆输出功率为第二电堆功率P_FC2。

S108，若否，则请求电堆输出第三电堆功率，并在预设时间内保持第三电堆功率恒定输出。

如果动力电池SOC值和第三阈值相同或者比第三阈值还小，那么电堆启动后，输出第三电堆功率P_FC3，该第三电堆功率P_FC3是根据MAP曲线得到的系统峰值点时电堆的输出功率，同时电堆对动力电池进行充电，以第三电堆功率P_FC3输出的时间是设定好的，可以为三分钟、五分钟等，在此时间内，电堆对动力电池进行充电，使动力电池的SOC值提高。

通过上述步骤S101-S108，本实施例中燃料电池系统电堆输出功率仅在高效、额定和峰值状态之间变化，且在峰值状态的时间被限制，尽力避免电堆长时间处于怠速或峰值状态，燃料电池电堆将不再经历频繁启停、怠速、变载、峰值及过载等工况，并尽可能使电堆工作在高效区，以此来延长电堆寿命。同时，本实施例在考虑电堆寿命情况下，还考虑到燃料电池系统效率，其燃料电池系统基本持续运行在高效点，同时还对动力电池充电，提高燃料电池的效率，提高了应用于燃料电池汽车时的整车经济性。

作为对本发明燃料电池管理方法的进一步改进，本实施例基于前述步骤S101-S108，如图5和7所示，这里的燃料电池管理方法还包括以下步骤：

S201，在步骤S108请求电堆输出第三电堆功率，并在预设时间内保持第三电堆功率恒定输出之后，判断动力电池的SOC值是否大于第四阈值。

电堆在以第三电堆功率输出对电机供电的同时，还会对动力电池进行供电(充电)，以改善动力电池的荷电状态，当然也是尽量避免电堆长期在峰值供电，以此延长电堆寿命；另外，以第三电堆功率P_FC1输出的时间是设定好的，可以为三分钟、五分钟等，在此时间内，电堆对动力电池进行充电，使动力电池的SOC值提高，避免电堆效率低下。这里在预设时间后，由于电堆对动力电池供电，则动力电池的荷电状态会改善，因此在预设时间后，需要判断SOC值与第四阈值的关系；这里的第四阈值一般情况下可以设定为大于第二阈值，当然，设定为等于第二阈值也是可以的，但是此时会认为动力电池SOC偏低，其输出能力较差；此外，第四阈值一般情况下是小于第一阈值，当然也可以完全大于第一阈值，但是，这样对电堆的输出能力要求较高，一般不考虑；具体地，本实施例中可以将第一阈值设定为50％，第二阈值设定为25％，第四阈值可设定为35％，这样在燃料电池动力系统在供电时不会因为整车需求功率较大时，导致动力电池的SOC迅速下降，电堆输出功率再次变为峰值功率，不利于其寿命。

如果此时检测到的SOC值是大于第四阈值的，那么则可以请求电堆输出第一电堆功率P_FC1。当动力电池的荷电状态改善后，电堆将停止以第三电堆功率P_FC3输出，避免电堆长期处于峰值状态；当确认SOC大于第四阈值，即也处于大于第二阈值的情况下，就可以请求电堆在高效状态输出，请求输出第一电堆功率P_FC1，以此提高电堆的寿命。除此之外，考虑到燃料电池系统效率，请求电堆输出第一电堆功率P_FC1包括如下步骤：

S202，判断燃料电池整车需求功率P₀是否大于第一系统功率P_FS1；

S205，若整车需求功率P₀是大于第一系统功率P_FS1，则燃料电池系统输出功率为第一系统功率P_FS1，电堆输出功率为第一电堆功率P_FC1；

S203，若整车需求功率P₀不大于第一系统功率P_FS1，则判断第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值是否大于动力电池的最大允许充电功率值(即动力电池被允许充电的最大功率值，下同)；

S204，若第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值大于动力电池的最大允许充电功率值，那么系统输出功率为整车需求功率P₀和动力电池的最大允许充电功率之和；

而若第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值不大于动力电池的最大允许充电功率值，那么系统进行步骤S205，系统输出功率为第一系统功率P_FS1，电堆输出功率为第一电堆功率P_FC1。

S212，但是，如果在预定时间后，SOC值还是不大于第四阈值的情况下，这时，需要请求电堆输出第二电堆功率P_FC2，同时燃料电池系统输出第二系统功率P_FS2；即电堆将变换到在额定状态下输出，系统也将在额定状态下输出。该状态(即SOC值不大于第四阈值)一直持续，在此过程中，会持续获取SOC值，以进行后续步骤。

S213，判断SOC值是否大于第四阈值；将步骤S212中获取到的SOC值与第四阈值进行比较，当其大于第四阈值，则可以进行步骤S202但是，若SOC值一直不大于第四阈值，则电堆持续输出第二电堆功率。

从上述步骤S201-S205中可以看出，本实施例中燃料电池管理方法尽量避免电堆在峰值输出，其峰值输出状态仅持续上述设定的预设时间，在以第三电堆功率P_FC3输出预设时间后，电堆将会根据此时动力电池SOC转换为在高效状态(第一电堆功率)或者额定状态(第二电堆功率)输出。

更进一步地，本实施例还可以在步骤S205之后，进行步骤S206，判断动力电的SOC值是否大于第五阈值；需要说明的是这里的第五阈值是大于第一阈值的，具体地，若将第一阈值设定50％，这里可以将第五阈值设定为90％。

S207，若SOC值大于第五阈值，在该种情况下，可以请求电堆关闭，仅通过动力电池对电机供电；若SOC值不大于第五阈值，则电堆继续以第一电堆功率P_FC1输出，同时对电机和动力电池进行供电。

从以上实施例中可以看出，本申请中的电堆将长期在高效或者额定状态时输出功率，其功率转换值仅限于高效状态、额定状态和峰值状态的功率之间变化，且峰值状态时输出的功率输出时间是被限制的，这样就尽力避免电堆长时间处于怠速或峰值状态，电堆也将不再经历频繁启停、怠速、变载、峰值及过载等工况，电堆在工作时，大部分时间均处于高效区，这样可以延长电堆寿命。同时，本实施例在考虑电堆寿命情况下，还考虑到燃料电池系统效率，其燃料电池系统也基本持续运行在高效点，提高燃料电池的效率，提高了应用于燃料电池汽车时的整车经济性。

基于上述燃料电池管理方法，在此还提出了对应的燃料电池管理装置，如图6所示，该燃料电池管理装置600包括获取模块601、判断模块602、电堆控制模块603和输出模块604，通过上述对电堆和动力电池的输出和充放电情况进行控制，以此来延长电堆工作寿命，并提高燃料电池系统的效率。具体地，燃料电池管理装置执行如下功能：

获取模块601，用于在起动整车后，实时获取整车需求功率和动力电池的SOC值。

燃料电池汽车在点火启动后，，此时燃料电池系统读取电堆输出的电流和电压，以此计算电堆输出功率；燃料电池系统获取到电堆输出的电流、电压和功率信号，同时获取动力电池的荷电状态SOC值以及燃料电池汽车在启动后各种工况下整车需求功率P₀。

判断模块602，用于判断动力电池的SOC值是否大于第一阈值。

需要说明的是，这里的一般是根据动力电池的电量和电堆的额定功率来设定的，不同燃料电池动力系统中所使用的动力电池的电量和电堆的额定功率不相同，对SOC值的阈值设定也会有细微的差别，在具体的操作过程中，第一阈值和后面的第二阈值、第三阈值、第四阈值以及第五阈值设定可以根据实际情况做相应的调整。

电堆控制模块603，用于在SOC值大于第一阈值，则不请求燃料电池系统的电堆启动(即控制电堆不启动)；若SOC值不大于第一阈值，则请求电堆启动(即控制电堆启动)并为动力电池充电。

如果动力电池的SOC值大于第一阈值，那么根据动力电池的核电状态，完全可以提供燃料电池汽车整车需求功率，那么系统就不会请求启动燃料电池电堆来对电机供电。如果动力电池的SOC值不大于第一阈值，此时，可以判断动力电池的电量，在提供整车需求功率时，将会出现不足，那么就请求系统启动电堆，让电堆和动力电池同时来对电机供电，同时，如果电堆输出功率足够大，这时电堆还可以对动力电池充电。

判断模块602，还用于判断SOC值是否大于第二阈值；即当SOC值不大于第一阈值时，继续判断该SOC值的大小，判断其与第二阈值的大小关系，其中，第二阈值小于第一阈值。

输出模块604，用于在SOC值大于第二阈值时，请求电堆输出第一电堆功率。

如果动力电池的SOC值大于第二阈值，电堆启动后，请求输出第一电堆功率P_FC1，该第一电堆功率P_FC1为根据MAP曲线得到的系统高效点时，电堆的输出功率。此外，考虑到燃料电池系统的效率，在SOC值大于第二阈值，但不大于第一阈值的情况下，请求电堆输出第一电堆功率具体包括：

判断燃料电池整车需求功率P₀是否大于第一系统功率P_FS1；

若整车需求功率P₀是大于第一系统功率P_FS1，则燃料电池系统输出功率为第一系统功率P_FS1，电堆输出功率为第一电堆功率P_FC1；

若整车需求功率P₀不大于第一系统功率P_FS1，则此时，电堆提供整车需求功率同时还对动力电池充电，则判断第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值是否大于动力电池的最大允许充电功率值(即动力电池被允许充电的最大功率值)；

若第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值大于动力电池的最大允许充电功率值，那么燃料电池系统输出功率为整车需求功率P₀和动力电池的最大允许充电功率之和；

而若第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值不大于动力电池的最大允许充电功率值，那么燃料电池系统输出功率为第一系统功率P_FS1，电堆输出功率为第一电堆功率P_FC1。

判断模块602，还用于判断SOC值是否大于第三阈值。

输出模块604，还用于在SOC值大于第三阈值时，请求电堆输出第二电堆功率；若SOC值不大于第三阈值时，则请求电堆输出第三电堆功率，并保持第三电堆功率恒定输出。

如果动力电池的SOC值大于第三阈值，则电堆启动后，请求电堆输出第二电堆功率P_FC2，该第二电堆功率P_FC2是根据MAP曲线得到的系统额定点时电堆的输出功率。考虑到燃料电池系统的效率，在SOC值大于第三阈值，但不大于第二阈值的情况下，请求电堆输出第二电堆功率包括以下步骤：

判断燃料电池整车需求功率P₀是否大于第二系统功率P_FS2；

若整车需求功率P₀是大于第二系统功率P_FS2，则燃料电池系统输出功率为第二系统功率P_FS2，电堆输出功率为第二电堆功率P_FC2；

若整车需求功率P₀不大于第二系统功率P_FS2，则此时，电堆提供整车需求功率同时还对动力电池充电，则判断第二系统功率P_FS2与整车需求功率P₀之间的差值是否大于动力电池的最大允许充电功率值(即被允许充电的最大功率值，下同)；

若第二系统功率P_FS2与整车需求功率P₀之间的差值大于动力电池的最大允许充电功率值，那么燃料电池系统输出功率为整车需求功率P₀和动力电池的最大允许充电功率之和；

而若第二系统功率P_FS2与整车需求功率P₀之间的差值不大于动力电池的最大允许充电功率值，那么燃料电池系统输出功率为第二系统功率P_FS2，电堆输出功率为第二电堆功率P_FC2。

输出模块604还用于SOC值不大于第三阈值时，则请求电堆输出第三电堆功率，并在预设时间内保持第三电堆功率恒定输出。即如果动力电池SOC值和第三阈值相同或者比第三阈值还小，那么电堆启动后，输出第三电堆功率P_FC3，该第三电堆功率P_FC3是根据MAP曲线得到的系统峰值点时电堆的输出功率，同时电堆对动力电池进行充电，以第三电堆功率P_FC1输出的时间是设定好的，可以为三分钟、五分钟等，在此时间内，电堆对动力电池进行充电，使动力电池的SOC值提高，避免电堆效率低下。

通过上述模块601-604，本实施例中燃料电池系统电堆输出功率仅在高效点、额定点和峰值之间变化，且在峰值状态的时间被限制，尽力避免电堆长时间处于怠速或峰值状态，燃料电池电堆将不再经历频繁启停、怠速、变载、峰值及过载等工况，并尽可能使电堆工作在高效区，以此来延长电堆寿命。同时，本实施例在考虑电堆寿命情况下，还考虑到燃料电池系统效率，其燃料电池系统基本持续运行在高效点，提高燃料电池的效率，提高了应用于燃料电池汽车时的整车经济性。

作为对本发明燃料电池管理系统的进一步改进，本实施例基于前述模块601-604，这里的燃料电池管理系统中的判断模块602、输出模块604还分别被用于：

判断模块602，还用于在请求电堆输出第三电堆功率，并在预设时间内保持第三电堆功率恒定输出之后，判断动力电池的SOC值是否大于第四阈值。

电堆在以第三电堆功率输出对电机供电的同时，还会对充电电池进行供电(充电)，以改善充电电池的荷电状态，当然也是尽量避免电堆长期在峰值供电，以此延长电堆寿命；这里在预设时间后，由于电堆对动力电池供电，则动力电池的荷电状态会改善，因此在预设时间后，需要判断SOC值与第四阈值的关系；这里的第四阈值一般情况下可以设定为大于第二阈值，当然，设定为等于第二阈值也是可以的。

输出模块604，还用于如果此时检测到的SOC值是大于第四阈值的，那么则可以请求电堆输出第一电堆功率。

当动力电池的荷电状态改善后，电堆将停止以第三电堆功率P_FC3输出，避免电堆长期处于峰值状态；当确认SOC大于第四阈值，即也处于大于第二阈值的情况下，就可以请求电堆在高效点输出，输出第一电堆功率P_FC1，以此提高电堆的寿命。考虑到燃料电池系统效率，请求电堆输出第一电堆功率还包括：

判断燃料电池整车需求功率P₀是否大于第一系统功率P_FS1；

若整车需求功率P₀是大于第一系统功率P_FS1，则请求系统输出功率为第一系统功率P_FS1；

若整车需求功率P₀不大于第一系统功率P_FS1，则判断第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值是否大于动力电池的最大允许充电功率值(即动力电池被允许充电的最大功率值，下同)；

第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值大于动力电池的最大允许充电功率值，那么系统输出功率为整车需求功率P₀和动力电池的最大允许充电功率之和；而若第一系统功率P_FS1与整车需求功率P₀之间的差值不大于动力电池的最大允许充电功率值，那么请求系统输出功率为第一系统功率P_FS1。但是，如果在预定时间后，SOC值还是不大于第四阈值的情况下，这时，需要请求电堆输出第二电堆功率P_FC2，同时系统输出第二系统功率P_FS2；即电堆将变换到在额定状态下输出，系统也将在额定状态下输出。该状态下降一直持续，在此过程中，会持续获取SOC值。

判断模块602，还用于判断SOC值是否大于第四阈值；将获取到的SOC值与第四阈值进行比较，当其大于第四阈值，则电堆请求输出第一电堆功率；但是，若SOC值一直不大于第四阈值，则电堆持续请求输出第二电堆功率。

从上述模块602和604中可以看出，本实施例中燃料电池管理系统尽量避免电堆在峰值输出，其峰值输出状态仅持续上述设定的预设时间，在以第三电堆功率P_FC3输出预设时间后，电堆将会根据此时动力电池SOC转换为在高效状态(第一电堆功率)或者额定状态(第二电堆功率)输出。

更进一步地，本实施例的判断模块602还可以用于判断动力电的SOC值是否大于第五阈值；需要说明的是这里的第五阈值是大于第一阈值的。

电堆控制模块603，还用于若SOC值大于第五阈值，在该种情况下，请求电堆关闭，仅通过动力电池对电机供电；若SOC值不大于第五阈值，则电堆继续以第一电堆功率P_FC1输出，同时对电机和动力电池进行供电。

从以上实施例中可以看出，本申请中的电堆将长期在高效或者额定点时输出功率，其功率转换仅限于在高效状态、额定状态和峰值状态之间变化，且峰值状态输出时间是被限制的，这样就尽力避免电堆长时间处于怠速或峰值状态，电堆也将不再经历频繁启停、怠速、变载、峰值及过载等工况，电堆在工作时，大部分时间均处于高效区，这样可以延长电堆寿命。同时，本实施例在考虑电堆寿命情况下，还考虑到燃料电池系统效率，其燃料电池系统也基本持续运行在高效点，提高燃料电池的效率，提高了应用于燃料电池汽车时的整车经济性。

本实施例中的燃料电池汽车，包括燃料电池动力系统和燃料电池动力系统管理程序，该燃料电池动力系统管理程序执行如上所述燃料电池管理方法。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台燃料电池汽车或燃料电池设备执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池管理方法，其特征在于，应用于燃料电池动力系统，所述燃料电池动力系统包括动力电池和燃料电池系统；所述方法包括如下步骤：

所述燃料电池动力系统被启动后，实时获取所述动力系统被需求功率和动力电池的SOC值；

判断所述SOC值是否大于第一阈值；

若是，则不请求所述燃料电池系统的电堆启动；

若所述SOC值不大于第一阈值，则请求所述燃料电池系统的电堆启动并为所述动力电池充电；

判断所述SOC值是否大于第二阈值；

若是，则请求所述电堆输出第一电堆功率；

若所述SOC值不大于第二阈值，判断所述SOC值是否大于第三阈值；

若是，则请求所述电堆输出第二电堆功率；

若所述SOC值不大于第三阈值，则请求所述电堆输出第三电堆功率，并在预设时间内保持所述第三电堆功率恒定输出。

2.如权利要求1所述燃料电池管理方法，其特征在于，所述“请求所述电堆输出第一电堆功率”，包括：

判断所述动力系统被需求功率是否大于第一系统功率；

若是，所述燃料电池系统输出功率为所述第一系统功率，所述电堆输出功率为所述第一电堆功率；

若否，判断所述第一系统功率与所述动力系统被需求功率的差值是否大于所述动力电池的最大允许充电功率值；

若是，则所述燃料电池系统输出功率为所述动力系统被需求功率与所述动力电池的最大允许充电功率之和；

若否，所述燃料电池系统输出功率为所述第一系统功率，所述电堆输出功率为所述第一电堆功率。

3.如权利要求1所述燃料电池管理方法，其特征在于，所述“请求所述电堆输出第二电堆功率”，包括：

判断所述动力系统被需求功率是否大于第二系统功率；

若是，所述燃料电池系统输出功率为所述第二系统功率，所述电堆输出功率为所述第二电堆功率；

若否，判断所述第二系统功率与所述动力系统被需求功率的差值是否大于所述动力电池的最大允许充电功率值；

若是，则所述燃料电池系统输出功率为所述动力系统被需求功率与所述动力电池的最大允许充电功率之和；

若否，所述燃料电池系统输出功率为所述第二系统功率，所述电堆输出功率为所述第二电堆功率。

4.如权利要求1所述燃料电池管理方法，其特征在于，所述“请求所述电堆输出第三电堆功率，并在预设时间内保持所述第三电堆功率恒定输出”之后，还包括：

在所述预设时间段后，判断所述SOC值是否大于第四阈值；

若是，则请求所述电堆输出所述第一电堆功率；

若否，则所述电堆输出功率为所述第二电堆功率，所述燃料电池系统输出功率为第二系统功率。

5.如权利要求4所述燃料电池管理方法，其特征在于，所述“请求所述电堆输出所述第一电堆功率”，包括：

判断所述动力系统被需求功率是否大于所述第一系统功率；

若是，所述燃料电池系统输出功率为所述第一系统功率，所述电堆输出功率为所述第一电堆功率；

若否，判断所述第一系统功率与所述动力系统被需求功率的差值是否大于所述动力电池的最大允许充电功率值；

若是，则所述燃料电池系统输出功率为所述动力系统被需求功率与所述动力电池的最大允许充电功率之和；

若否，所述燃料电池系统输出功率为所述第一系统功率，所述电堆输出功率为所述第一电堆功率。

6.如权利要求4或5所述燃料电池管理方法，其特征在于，还包括，判断所述SOC值是否大于第五阈值，若是，则请求所述燃料电池系统关闭所述电堆。

7.如权利要求4所述燃料电池管理方法，其特征在于：所述第四阈值大于所述第二阈值。

8.如权利要求1-7任一项所述燃料电池管理方法，其特征在于：所述第一电堆功率为所述燃料电池系统输出功率高效点时所述电堆的输出功率，所述第二电堆功率为所述燃料电池系统输出功率额定点时所述电堆的输出功率，所述第三电堆功率为所述燃料电池系统输出功率峰值点时所述电堆的输出功率。

9.一种燃料电池管理装置，其特征在于，应用于燃料电池动力系统，所述燃料电池动力系统包括动力电池和燃料电池系统；所述燃料电池能量管理装置包括：

获取模块，用于所述燃料电池动力系统被启动后，实时获取所述动力系统被需求功率和动力电池的SOC值；

判断模块，用于判断所述SOC值是否大于第一阈值；

电堆开合模块，用于在所述SOC值大于第一阈值，则不请求所述燃料电池系统的电堆启动；若所述SOC值不大于第一阈值，则请求所述燃料电池系统的所述电堆启动并为所述动力电池充电；

所述判断模块还用于判断所述SOC值是否大于第二阈值；

输出模块，用于在所述SOC值大于第二阈值时，请求所述电堆输出第一电堆功率；

所述判断模块还用于所述SOC值不大于第二阈值，判断所述SOC值是否大于第三阈值；

所述输出模块还用于在所述SOC值大于第三阈值时，请求所述电堆输出第二电堆功率；若所述SOC值不大于第三阈值时，则请求所述电堆输出第三电堆功率，并在预设时间内保持所述第三电堆功率恒定输出。

10.一种燃料电池汽车，其特征在于：包括燃料电池动力系统和燃料电池动力系统管理程序，所述燃料电池动力系统管理程序执行如权利要求1-8所述的燃料电池管理方法。

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