CN115701393A

CN115701393A - 提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置和方法

Info

Publication number: CN115701393A
Application number: CN202210523058.9A
Authority: CN
Inventors: 金基昌
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-02-10
Also published as: US20230036318A1; DE102022111827A1; KR20230020070A

Abstract

本发明公开一种用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置和方法。该装置可以在上坡路上行驶时在确定从燃料电池堆产生的堆输出的程度时，不仅可以基于电池的SOC而且可以基于在上坡路上行驶的车辆必须进一步行驶才能达到最高高度的上坡高度来计算从燃料电池堆产生的适当的堆输出，并且可以防止在上坡路上行驶时为产生过多的堆输出而燃料消耗增加或燃料电池堆的耐久性劣化。

Description

提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请基于2021年8月2日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2021-0101561的韩国专利申请并要求其优先权，该韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置和方法。本文公开的装置和方法可以通过在上坡行驶时使堆输出(stack output)最小化来减少燃料消耗。

背景技术

通常，在燃料电池车辆(例如氢电动卡车)中消耗氢燃料的燃料电池的堆输出基于电池的荷电状态(SOC)而改变。

即，当电池的荷电状态(SOC)处于特定水平，例如，70％以上时，车辆仅使用电池中充电的电力运行，而燃料电池堆不发电以防止电池再被充电。之后，当SOC因电池使用增加而降低时，再次进行堆发电。

另外，当在倾斜的上坡路上行驶的爬升状态下随着电池使用的增加而SOC降低时，堆输出也与SOC的降低成比例地增加。特别是，当SOC降低到大约35％以下时，堆发电以产生最高输出。因此，随着燃料电池堆产生高输出电力，氢燃料的消耗增加，从而降低燃料效率。

另外，当燃料电池堆产生高电力时，由于热量增加，冷却部件操作时噪音也增加，从而可能增加驾驶员的疲劳度。另外，当持续重复高发电时，燃料电池堆的耐久性迅速劣化。

因此，即使在比在平坦或下坡路上行驶时需要更多输出的上坡路上行驶时，也通过使燃料电池堆的高发电最小化来提高燃料电池车辆的燃料电池性能，另外，仍然需要提供可以提高燃料电池堆的耐久性的手段。

发明内容

本公开解决现有技术中出现的上述问题，同时保持现有技术实现的优点。

本公开的方面提供一种用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置和方法。本文公开的装置和方法在上坡路上行驶时在确定从燃料电池堆产生的堆输出的程度时，不仅可以基于电池的SOC而且可以基于在上坡路上行驶的车辆必须进一步行驶以达到最高高度的上坡高度来计算从燃料电池堆产生的适当的堆输出，并且可以防止在上坡路上行驶时为产生过多的堆输出而燃料消耗增加或燃料电池堆的耐久性劣化。

本公开要解决的技术问题不限于上述问题，本公开所属领域的技术人员通过以下描述将清楚地理解本文未提及的任何其它技术问题。

根据本公开的一方面，一种用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置包括：行驶高度确定装置，基于在车辆行驶的上坡路上的当前行驶高度来估计车辆将行驶到最高高度的上坡高度；以及最终堆输出确定装置，基于电池的剩余荷电状态SOC和上坡高度来确定为使车辆行驶到最高高度而在燃料电池堆中产生的堆输出。

在实施例中，最终堆输出确定装置可以包括：爬升能量估计装置，通过利用车辆的重量来计算在与上坡高度相对应的剩余上坡路上行驶所需的行驶能量作为所需爬升能量；爬升堆输出计算装置，计算所需爬升能量中除能够从电池提供的电池可用能量之外的剩余部分作为所需堆能量，并且通过利用所需堆能量计算燃料电池堆中要产生的用于在上坡路上行驶的所需堆输出；以及堆输出确定装置，将计算的所需堆输出与设置为响应于在剩余上坡路上行驶时电池的SOC的降低而在燃料电池堆中产生的基本堆输出进行比较，并且将计算的所需堆输出和基本堆输出之间的较低的值确定为要在燃料电池堆中产生的最终堆输出。

在实施例中，行驶高度确定装置可以包括：行驶高度估计装置，通过利用在上坡路上行驶的车辆的当前行驶高度估计车辆在上坡路的高度范围内行驶的水平高度；以及上坡高度计算装置，计算车辆将从当前行驶高度行驶到上坡路上的最高高度的上坡高度。

在实施例中，行驶高度估计装置可以从通过利用GPS信息获得的导航系统的位置信息获取车辆的当前行驶高度，或者基于由车辆中的大气压力传感器测量的大气压力信息的变化来获取车辆的当前行驶信息。

在实施例中，行驶高度估计装置可以通过利用基于在指定时段期间获得的多个当前行驶高度样本而生成的高度信息的正态分布来估计车辆在上坡路的高度范围内行驶的水平高度。

在实施例中，在上坡路上行驶的车辆沿包括充电站的路线行驶。

在实施例中，在上坡路上行驶的车辆可以包括燃料电池车辆。

在实施例中，爬升能量估计装置可以包括：车辆重量估计装置，通过利用上坡路的坡度和车辆的平均燃料效率来估计车辆的重量；以及所需爬升能量计算装置，计算具有估计重量的车辆通过在当前行驶高度在剩余上坡路上行驶而到达最高高度所需的行驶能量作为所需爬升能量。

在实施例中，车辆重量估计装置可以基于车辆行驶的上坡路的高度信息和在上坡路上行驶的车辆的平均燃料效率来估计车辆的重量。

在实施例中，车辆重量估计装置可以通过将值除以滚动阻力和倾斜阻力之中排除车辆的重量的剩余分量来计算车辆的重量，其中该值是基于平均燃料效率和车辆的里程计算的车辆行驶能量除以里程后减去空气阻力获得的。

在实施例中，所需爬升能量计算装置可以利用由行驶高度确定装置计算的上坡高度、上坡路的平均坡度、车辆的平均速度和重量来计算车辆从当前行驶高度沿剩余上坡路行驶到最高高度所需的车辆行驶能量作为所需爬升能量。

在实施例中，爬升堆输出计算装置可以包括：电池可用能量计算装置，基于电池的SOC计算在车辆爬升剩余上坡路时能够从电池提供的可用电池能量；所需堆能量计算装置，计算从由爬升能量估计装置计算出的所需爬升能量减去可用电池能量而获得的剩余部分，作为燃料电池堆中要产生的所需堆能量；以及所需堆输出计算装置，通过将所需堆能量除以当车辆以平均速度行驶时到达最高高度所需的估计时间来计算所需堆输出。

根据本公开的另一方面，一种用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的方法包括：通过行驶高度确定装置，基于在车辆行驶的上坡路上的当前行驶高度来估计车辆将行驶到最高高度的上坡高度；以及通过最终堆输出确定装置，基于电池的剩余荷电状态SOC和上坡高度来确定为使车辆行驶到最高高度而在燃料电池堆中产生的堆输出。

在实施例中，确定堆输出可以包括：通过爬升能量估计装置，通过利用车辆的重量来计算在与上坡高度相对应的剩余上坡路上行驶所需的行驶能量作为所需爬升能量；通过爬升堆输出计算装置，计算所需爬升能量中除能够从电池提供的电池可用能量之外的剩余部分作为所需堆能量，并且通过爬升堆输出计算装置，通过利用所需堆能量计算燃料电池堆中要产生的用于在上坡路上行驶的所需堆输出；以及通过堆输出确定装置，将计算的所需堆输出与设置为响应于在剩余上坡路上行驶时电池的SOC的降低而在燃料电池堆中产生的基本堆输出进行比较，并且通过堆输出确定装置，将计算的所需堆输出和基本堆输出之间的较低的值确定为要在燃料电池堆中产生的最终堆输出。

在实施例中，估计上坡高度可以包括：通过行驶高度估计装置，通过利用在上坡路上行驶的车辆的当前行驶高度估计车辆在上坡路的高度范围内行驶的水平高度；以及通过上坡高度计算装置，计算车辆将从当前行驶高度行驶到上坡路上的最高高度的上坡高度。

在实施例中，估计水平高度可以包括：通过行驶高度估计装置，从通过利用GPS信息获得的导航系统的位置信息获取车辆的当前行驶高度，或者通过行驶高度估计装置，基于由车辆中的大气压力传感器测量的大气压力信息的变化来获取车辆的当前行驶信息。

在实施例中，估计水平高度可以包括：通过行驶高度估计装置，通过利用基于在指定时段期间获得的多个当前行驶高度样本而生成的高度信息的正态分布来估计车辆在上坡路的高度范围内行驶的水平高度。

在实施例中，计算行驶能量可以包括：通过车辆重量估计装置，通过利用上坡路的坡度和车辆的平均燃料效率来估计车辆的重量；以及通过所需爬升能量计算装置，计算具有估计重量的车辆通过在当前行驶高度在剩余上坡路上行驶而到达最高高度所需的行驶能量作为所需爬升能量。

在实施例中，估计车辆的重量可以包括：通过车辆重量估计装置，通过将值除以滚动阻力和倾斜阻力之中排除车辆的重量的剩余分量来计算车辆的重量，其中该值是基于平均燃料效率和车辆的里程计算的车辆行驶能量除以里程后减去空气阻力获得的。

在实施例中，计算行驶能量可以包括：通过所需爬升能量计算装置，通过利用通过估计上坡高度计算的上坡高度、上坡路的平均坡度、车辆的平均速度和重量来计算车辆从当前行驶高度沿剩余上坡路行驶到最高高度所需的车辆行驶能量作为所需爬升能量。

在实施例中，计算所需爬升能量的剩余部分可以包括：通过电池可用能量计算装置，基于电池的SOC计算在车辆爬升剩余上坡路时能够从电池提供的可用电池能量；通过所需堆能量计算装置，计算从由爬升能量估计装置计算出的所需爬升能量减去可用电池能量而获得的剩余部分，作为燃料电池堆中要产生的所需堆能量；以及通过所需堆输出计算装置，通过将所需堆能量除以当车辆以平均速度行驶时到达最大高度所需的估计时间来计算所需堆输出。

附图说明

本公开的上述和其它目的、特征和优点将通过以下结合附图的详细描述而更加明显：

图1是根据本公开的用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置的框图；

图2是示出在一般的上坡路上行驶时电池电力和堆输出的增加/减少情况的示例图；

图3是示出根据本公开的实施例的高度信息的正态分布的示例图；

图4是示出根据本公开的实施例的用于利用高度信息的正态分布来估计上坡高度的正态分布的示例图；

图5是示出在未应用根据本公开的实施例的燃料效率提高逻辑的在一般的上坡路上行驶时的堆输出增加状态的示例图；

图6是示出应用了根据本公开的实施例的燃料效率提高逻辑后的堆所需输出的计算状态的示例图；

图7是示出根据本公开的实施例的在上坡或下坡道路上行驶时的行驶高度变化的示例图；

图8是示出根据是否应用根据本公开的实施例的燃料效率提高逻辑而改变的堆输出的模拟结果的示例图；

图9是示出根据本公开的另一实施例的提高燃料电池车辆的爬升燃料效率的方法的流程图；以及

图10是示出根据本公开的另一实施例的执行燃料效率提高逻辑的过程的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照示例性附图详细描述本公开的一些实施例。在对各图的组件添加附图标记时，应该注意的是，即使在其它图中显示，相同或等同的组件也用相同的附图标记表示。此外，在描述本公开的实施例时，可能不提供相关已知配置或功能的详细描述，以免不必要地干扰对本公开的实施例的理解。

在描述根据本公开的实施例的组件时，可以使用诸如“第一”、“第二”、“A”、“B”、“(a)”、“(b)”等术语。这些术语仅旨在将组件与其它组件区分开来，并且这些术语并不限制组件的性质、顺序或次序。除非另有定义，本文使用的包括技术和科学术语在内的所有术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如在通用词典中定义的那些术语，应被解释为具有与其在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于形式化的意义来解释，除非本文明确如此定义。

根据本公开的用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置可以包括执行行驶高度确定装置和最终堆输出确定装置的各种功能和/或操作的至少一个处理器。下面描述的行驶高度确定装置和最终堆输出确定装置是利用在至少一个处理器上执行的软件指令来实现的。

术语“上坡”可以指沿着斜坡朝向较高水平高度的方向，并且“下坡”可以指沿着斜坡朝向较低水平高度的方向。

在下文中，将参照图1至图10详细描述本公开的实施例。

图1是根据本公开的用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置的框图。

参照图1，根据本公开的用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置可以包括：行驶高度确定装置100，被配置为基于在车辆行驶的上坡路上的当前行驶高度来估计车辆将行驶到最高高度的上坡高度；以及最终堆输出确定装置，被配置为基于电池的剩余SOC和上坡高度来确定为使车辆行驶到最高高度而在燃料电池堆中要产生的堆输出。

在这种情况下，最终堆输出确定装置可以包括：爬升能量估计装置200，被配置为通过利用车辆的重量来计算在与上坡高度相对应的剩余上坡路上行驶所需的行驶能量作为所需爬升能量；爬升堆输出计算装置300，被配置为计算所需爬升能量中除能够从电池提供的电池可用能量之外的剩余部分作为所需堆能量，并通过利用所需堆能量计算燃料电池堆中要产生的用于在上坡路上行驶的所需堆输出；以及堆输出确定装置400，被配置为将计算的所需堆输出与设置为响应于在剩余的上坡路上行驶时电池的SOC的降低而在燃料电池堆中产生的基本堆输出进行比较，并将较低的值确定为要在燃料电池堆中产生的最终堆输出。

在这种情况下，车辆是指燃料电池车辆，其利用燃料电池堆中的燃料中的氢来产生电力以对电池进行充电并且利用所充电的电力驱动马达以产生驱动动力。

通常，在燃料电池车辆的情况下，如图2所示，当在燃料电池堆中产生的电力被充电的同时电池的SOC增加时，燃料电池堆中产生的堆输出减少。此后，车辆主要依靠电池中充电的电力来驱动，当电池的SOC低时，再次增加堆输出电力以增加电池的SOC。因此，当车辆在平地上行驶并且在电池的SOC增加的状态下车辆在需要大量电力的上坡路上行驶时，车辆主要依赖于电池的电力来驱动，直到电池的SOC降低到指定水平以下。

然而，即使在电池的SOC降低到指定水平以下之后，当车辆在上坡路上爬升到最高高度的路径仍然存在时，用于上坡路上爬升消耗的电力增加，使得电池的SOC不断降低，因此堆输出与电池的SOC的降低成比例地不断增加。

在图2中，将电池的SOC在车辆行驶的上坡路下的增加减少的曲线用粗实线表示，将在其之下的堆输出增加减少的曲线用虚线表示，因此示意性地示出，当在上坡路上行驶时，随着功耗的增加，电池的SOC降低，而堆输出增加。

在车辆到达上坡路的最高高度并完成爬升后，车辆消耗的功率也减少，电池的SOC再次增加，从而逐渐使堆输出减少。

即，当堆输出仅与电池的SOC的降低程度成比例地增加或减少时，当在上坡路上行驶时，电池的SOC随着车辆接近最高高度而降低，从而需要从燃料电池堆产生过多的堆输出。因此，当重复在上坡路上行驶时，燃料效率降低并且燃料电池堆的耐久性也迅速劣化。

因此，根据本公开的用于提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置在上坡路上行驶时在确定从燃料电池堆产生的堆输出的程度时，不仅可以基于电池的SOC而且可以基于在上坡路上行驶的车辆必须进一步行驶以达到最高高度的上坡高度来计算从燃料电池堆产生的适当的堆输出，因此可以防止在上坡路上行驶时为产生过多的堆输出而燃料消耗增加或燃料电池堆的耐久性劣化。

为此，行驶高度确定装置100可以包括：行驶高度估计装置110，被配置为通过利用在上坡路上行驶的车辆的当前行驶高度估计车辆在上坡路的高度范围内行驶的水平高度；以及上坡高度计算装置120，被配置为计算车辆将从当前行驶高度行驶到上坡路上的最高高度的上坡高度。

在这种情况下，行驶高度估计装置110可以从通过利用GPS信息获得的导航系统(AVN)的位置信息获取车辆的当前行驶高度，或者基于由车辆中的大气压力传感器测量的大气压力信息的变化来获取车辆的当前行驶信息。

另外，行驶高度估计装置110可以通过利用基于在指定时段期间获得的多个当前行驶高度样本而生成的高度信息的正态分布来估计车辆在上坡路的高度范围内行驶的水平高度。

为此，以高度信息的正态分布为例，如图3所示，行驶高度估计装置110可以获得指定时段(例如，最后3分钟)的多个当前高度信息样本(例如，500个样本)，并基于样本计算具有期望均值(m)为700米和标准偏差(σ)为100米的高度信息的正态分布。

此后，当行驶高度估计装置110附加地获取650米的当前行驶高度作为输入时，期望值、离差和标准偏差可如下面的等式1计算。

[等式1]

(a)期望值＝(700米*499个样本+650米*1个样本)/500个样本

(b)离差＝(100米²*499个样本+50米²*1个样本)/500个样本

(c)标准偏差＝sqrt(方差)

作为这种高度信息的正态分布的示例，行驶高度估计装置110可以利用在指定时段获取的多个当前高度信息样本来计算如图4所示的具有平均值“m”和标准偏差“σ”的高度信息的正态分布。在这种情况下，对应于图4的高度信息的正态分布中的3-sigma的高度可以假定为上坡路的最高高度。因此，车辆的当前高度信息和与3-sigma相对应的高度之间的差成为在上坡路上行驶的车辆必须进一步爬升以达到最高高度的上坡高度。

例如，在期望值为700米，标准偏差为100米的高度范围内，99.7％对应的高度可以计算为700+3*100＝1000，在当前上坡路上行驶的车辆将在1000米以下行驶的概率可以确定为99.7％，因此可以假设最高高度为1000米。

另外，上坡高度计算装置120可以计算通过从行驶高度估计装置假定的最高高度减去车辆的当前行驶高度而获得的差作为在上坡路上行驶的车辆必须从车辆的当前位置进一步行驶到上坡路上的最高高度的上坡高度。即，上坡高度是指车辆的当前高度与车辆必须爬升的最高高度之间的高度差。

另外，行驶高度确定装置100可以基于车辆在上坡路上行驶的过去行驶记录，通过设置和存储包括车辆行驶的上坡路的最低和最高高度的高度范围来建立高度信息数据库。

如上所述，通过限制车辆行驶的上坡路的最低和最高高度来建立高度信息数据库，可以利用该数据库计算上坡高度，并且可以计算车辆从当前行驶高度行驶到最高高度所需的上坡能量。因此，实施例可以适用于确定在充电站周围不断且重复地行驶指定行驶路线的燃料电池车辆(例如公共汽车或卡车)的堆输出。

另外，爬升能量估计装置200可以包括：车辆重量估计装置210，被配置为通过利用上坡路的坡度和车辆的平均燃料效率来估计车辆的重量；以及所需爬升能量计算装置220，被配置为计算用于具有估计重量的车辆通过在当前行驶高度在剩余的上坡路上行驶而到达最高高度所需的行驶能量作为所需爬升能量。

在这种情况下，车辆重量估计装置210可以通过利用基于车辆行驶的上坡路的高度信息和在上坡路上行驶的车辆的平均燃料效率生成的二维地图来估计车辆的重量。

另外，车辆的平均燃料效率主要受道路坡度和车辆的装载重量的影响。因此，车辆重量估计装置210可以通过利用上坡路的平均坡度和通过将消耗的氢燃料量除以里程而计算的平均燃料效率来估计车辆的重量。

在这种情况下，由于氢燃料以大约50％的效率转化为车辆行驶能量，因此车辆行驶能量(E)可以计算为消耗氢燃料产生的氢消耗能量的50％，或通过将平均燃料效率乘以里程获得的值乘以0.5来计算。一般来说，由于1g氢气的耗氢能量对应于120KJ，例如，在通过收集每60秒的车辆的平均燃料效率和平均坡度(在60秒的平均燃料效率为10km/kg，坡度为2％，行驶距离为1.2km的情况下)计算行驶能量时，可以理解在平均燃料效率为10km/kg的情况下，行驶1.2km消耗120g氢燃料，120g氢燃料产生7200kJ的行驶能量。

另外，如以下等式2所示，车辆行驶能量(E)还可以表示为车辆的重量(M)与里程之间的关系。在这种情况下，在等式2中，滚动阻力与车辆的重量(M)成正比(比例常数为f₀)，空气阻力与车辆的速度(v)成正比(比例常数为f₂)，倾斜阻力与车辆的重量(M)和坡度(θ)成正比。

[等式2]

车辆行驶能量(E)

＝由于行驶阻力导致的能量消耗+由于高度变化导致的势能增加/减少

＝行驶阻力平均值*里程+倾斜阻力平均值*里程

＝(滚动阻力平均值+空气阻力平均值)*里程+倾斜阻力平均值*里程

＝(M*g*f₀+f₂*v²+M*g*sinθ)*里程

因此，如以下等式3所示，通过利用公式2，车辆的重量(M)可以利用通过平均燃料效率和里程数计算的车辆行驶能量(E)和里程之间的关系来计算。

[等式3]

车辆重量(M)＝(E/里程-f₂*v²)/(g*f₀+g*sinθ)

另外，所需爬升能量计算装置220可以利用由行驶高度确定装置计算的上坡高度(H)、上坡路的平均坡度(θ)、车辆的平均速度(v)和重量(M)来计算车辆沿从当前行驶高度行驶到最高高度的剩余上坡路所需的平均燃料效率作为所需爬升能量。

为此，如以下等式4所示，所需爬升能量计算装置220可以通过车辆必须爬升的上坡高度(H)和上坡路的平均坡度(θ)来表示通过等式2计算的车辆行驶能量(E)。

[等式4]

车辆行驶能量(E)＝(M*g*f₀+f₂*v²+M*g*sinθ)*H/sinθ

另外，爬升堆输出计算装置300可以包括：电池可用能量计算装置310，被配置为基于电池的SOC计算在车辆爬升剩余的上坡路时能够从电池提供的可用电池能量；所需堆能量计算装置320，被配置为计算从由爬升能量估计装置计算出的所需爬升能量减去可用电池能量而获得的剩余部分，作为燃料电池堆中要产生的所需堆能量；以及所需堆输出计算装置330，被配置为通过将所需堆能量除以当车辆以平均速度行驶时到达最大高度所需的估计时间来计算所需堆输出。

在这种情况下，电池可用能量计算装置310可以将电池容量(73.2kWh)乘以电池的总SOC之中的可用SOC，以计算在爬升剩余的上坡路时可以从电池提供的电池可用能量(B)。

另外，所需堆能量计算装置320可以从爬升剩余的上坡路直到车辆到达最高高度所需的所需爬升能量(E)中减去电池可用能量(B)，从而获得所需堆能量(E-B)。

另外，如以下等式5所示，所需堆输出计算装置330可以将所需堆能量(E-B)除以车辆爬升到最高高度所需的估计时间，从而获得在燃料电池堆中要产生的所需堆输出。

[等式5]

所需堆输出＝(E-B)/估计时间＝(E-B)/(H/v/sinθ)

作为示例，当当前在400米至1000米高度范围内的上坡路上行驶在高度900米的车辆的电池SOC为65％、车辆60秒的平均速度为72kph、上坡路平均坡度为2％、车辆重量为14吨时，通过等式4可计算出车辆的所需爬升能量(E)约为163MJ。

另外，当除了能够防止电池被放电的5％的最小SOC之外的剩余部分被用作车辆的输出时，电池可用能量(B)可以被计算为约158MJ。

因此，所需堆能量(E-B)是在车辆爬升上坡路的最高高度1000米所需的所需爬升能量(E)之中排除可以从电池可用能量(B)提供的能量之后的剩余能量，并可以计算为5MJ。

由等式5计算的35kW的输出可以计算为要在燃料电池堆中产生的所需堆输出，以便将计算的所需堆能量(E-B)被提供给车辆。

因此，当车辆在与上坡高度相对应的剩余上坡路上行驶时，仅通过允许燃料电池堆产生35kW，车辆就可以到达上坡路的最高高度，同时防止电池完全放电。因此，当车辆在上坡路上行驶时，根据电池的SOC状态，即使燃料电池堆中没有过度发电，也可以到达上坡路的最高高度。

另外，堆输出确定装置400可以将由爬升堆输出计算装置300计算的所需堆输出与根据电池SOC的降低程度设置为在燃料电池堆中产生的基本堆输出进行比较，并将较低的值确定为要在燃料电池堆中产生的最终堆输出。

为此，本公开可以进一步包括堆输出映射，其中要在燃料电池堆中产生的堆输出被映射到电池SOC并被存储为基本堆输出。在这种情况下，在堆输出映射中，可以将基本堆输出设置为随着电池SOC降低而增加。例如，在氢电动卡车的堆输出映射中，当电池SOC为65％时，将基本堆输出设置为58kW，并且当电池SOC降低时，可以将基本堆输出设置为发电达180kW。

因此，堆输出确定装置400可以将从堆输出映射导出的基本堆输出与利用当前电池SOC计算的所需堆输出进行比较，以将较低的值确定为最终堆输出。

即，当所需堆输出大于基本堆输出时，可以将基本堆输出确定为最终堆输出，而当所需堆输出小于基本堆输出时，可以将所需堆输出输出为最终堆输出。因此，当车辆在上坡路上行驶时剩余的上坡高度不高或者电池的SOC没有明显不足时，可以降低堆输出，从而防止为产生过多的堆输出而消耗燃料。

接下来，参照图5和图6，将描述未应用根据本公开的实施例的用于比较所需堆输出和基本堆输出并将较低的值确定为最终堆输出的燃料效率提高逻辑的示例和应用了根据本公开的实施例的燃料效率提高逻辑的示例。在这种情况下，假设车辆在从当前行驶高度600m经过800m的点到达最大高度1000m的上坡路上行驶。

首先，在图5中，示出未应用燃料效率提高逻辑的情况，当在600m的当前行驶高度处的电池SOC为50％时，从燃料电池堆产生作为存储在堆输出映射中的基本堆输出的70kW。另外，随着车辆在上坡路上爬升，由于爬期间电池电力消耗，在800m的当前行驶高度处电池SOC降低至40％，相应地，基本堆输出增加至140kW。此后，当车辆到达1000m的最高高度时，电池SOC降低至30％，基本堆输出增加到180kW，这是燃料电池堆的最大输出。

因此，尽管在电池中充电的电力消耗在达到最高高度后预计减少，但燃料电池堆产生过多的堆输出。

然而，在示出应用根据本公开的实施例的燃料效率提高逻辑的情况的图6中，可以识别车辆行驶在400m到1000m的高度范围内的上坡路上，并计算车辆从当前行驶高度行驶到最高高度的爬升高度。

因此，当当前行驶高度为600m时，行驶高度确定装置100可以计算400m的爬升高度，并通过利用当前行驶上坡路的平均坡度和平均燃料效率计算车辆的重量。在图6中，车辆的重量设置为18吨。

另外，爬升能量估计装置200可以通过利用上坡高度的高度差、车辆的重量、车辆的平均速度和上坡路的平均坡度来计算在上坡路上行驶到最高高度所需的所需爬升能量，并且在图6中，所需爬升能量计算为200MJ。

在这种情况下，类似于图5的情况，当电池的SOC为50％时，可以从电池提供120MJ，因此所需堆能量可以被计算为仅不足的80MJ。通过将计算出的所需堆能量除以计算出的爬升到最高高度所需的估计爬升时间，可以计算出所需堆输出为70kW。

另外，堆输出确定装置400可以将所需堆输出与在电池SOC为50％时的基本堆输出进行比较，并且因为值相同，所以可以将最终堆输出确定为70kW。

此后，当车辆继续爬升并到达800m的当前行驶高度时，上坡高度可以是200m并且可以计算出所需堆能量为100MJ。在这种情况下，电池SOC降低到35％，但爬升高度也降低，因此到达最高高度所需的堆能量也降低到100MJ。

因此，由于当电池SOC为35％时可以从电池提供的可用能量为70MJ，所以所需堆能量可以被计算为仅不足的30MJ。另外，当计算出的所需堆能量除以爬升到最高高度所需的估计爬升时间时，可以计算出所需堆输出仅为60kW。

通过将计算的所需堆输出与当电池SOC为35％时的基本堆输出进行比较，可以将较低的所需堆输出确定为最终堆输出。因此，即使电池SOC从50％降低到35％，随着到最高高度的爬升高度的降低，堆输出可以反而降低，从而可以提高燃料效率。

也就是说，随着车辆的当前行驶高度的增加，电池SOC降低，但行驶高度和到达最高高度的估计爬升时间也一起降低，使得用于车辆爬升的要从燃料电池堆补充的输出也减少。

另外，当车辆的当前行驶高度达到1000m时，爬升高度变为0m，使得所需堆能量变为0MJ，因此不仅堆输出而且电池输出均不用于爬升。如上所述，在到达上坡路的最高高度后，车辆可能在平坦或下坡路行驶，因此即使在不产生过多的堆输出的情况下，也可以通过产生驱动车辆所需的电力来对电池充电，从而提高车辆的燃料效率。

图7作为行驶高度变化的上坡路的示例，示出从江陵IC到大关岭IC的上坡路和下坡路。在这种上坡路行驶的情况下从燃料电池堆产生的堆输出的模拟结果在图8中示出。可以理解的是，即使车辆在同一条上坡路上行驶时，与在不应用燃料效率提高逻辑的情况下的堆输出相比，应用了根据本公开的燃料效率提高逻辑的情况下的堆输出减少。特别地，可以确认当电池SOC在最高高度附近大大降低时，堆输出的差异很大。

接下来，将参照图9和图10描述根据本公开的另一实施例的提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的方法。

参照图9和图10，根据本公开的另一实施例的提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的方法可以包括：行驶高度确定操作S100，基于车辆行驶的上坡路上的当前行驶高度估计车辆要行驶达到最高高度的上坡高度；以及最终堆输出确定操作，基于电池的剩余SOC和上坡高度确定为使车辆行驶到最高高度而要在燃料电池堆中产生的堆输出。

在这种情况下，最终堆输出确定操作可以包括：爬升能量估计操作S200，通过利用车辆的重量来计算在与上坡高度相对应的剩余的上坡路上行驶所需的行驶能量作为所需爬升能量；爬升堆输出计算操作S300，计算所需爬升能量中除能够从电池提供的电池可用能量之外的剩余部分作为所需堆能量，并通过利用所需堆能量计算燃料电池堆中要产生的用于在上坡路上行驶的所需堆输出；以及堆输出确定操作S400，将计算的所需堆输出与设置为响应于在剩余的上坡路上行驶时电池的SOC的降低而在燃料电池堆中产生的基本堆输出进行比较，并将较低的值确定为要在燃料电池堆中产生的最终堆输出。

行驶高度确定操作S100可以包括：行驶高度估计操作S110，通过利用在上坡路上行驶的车辆的当前行驶高度估计车辆在上坡路的高度范围内行驶的水平高度；以及上坡高度计算操作S120，计算车辆将从当前行驶高度行驶到上坡路上的最高高度的上坡高度。

在这种情况下，在行驶高度估计操作S110中，可以从通过利用GPS信息获得的导航系统(AVN)的位置信息获取车辆的当前行驶高度，或者基于由车辆中的大气压力传感器测量的大气压力信息的变化来获取车辆的当前行驶信息。

另外，在行驶高度估计操作S110中，可以通过利用基于在指定时段期间获得的多个当前行驶高度样本而生成的高度信息的正态分布来估计车辆在上坡路的高度范围内行驶的水平高度。

为此，在行驶高度估计操作S110中，可以通过利用在指定时段期间获取的多个当前高度信息样本来计算如图4所示的具有平均值“m”和标准偏差σ的高度信息的正态分布。在这种情况下，与图4的高度信息的正态分布中的3-sigma相对应的高度可以假定为上坡路的最高高度。因此，车辆的当前高度信息和与3-sigma相对应的高度之间的差是在上坡路上行驶的车辆必须进一步爬升以达到最高高度的爬升高度。

另外，在上坡高度计算操作S120中，可以计算通过从行驶高度估计操作中假定的最高高度减去车辆的当前行驶高度而获得的差作为在上坡路上行驶的车辆必须从当前位置进一步行驶到上坡路上的最高高度的爬升高度。即，爬升高度是指车辆的当前高度与车辆可以爬升的最高高度之间的差。

另外，在行驶高度确定操作S100中，可以基于车辆在上坡路上行驶的过去行驶记录，通过设置和存储包括车辆行驶的上坡路的最低和最高高度的高度范围来建立高度信息数据库。

如上所述，通过限制车辆行驶的上坡路的最低和最高高度来建立高度信息数据库，可以通过利用该数据库来计算上坡高度，并且可以计算车辆从当前行驶高度到最高高度行驶所需的上坡能量。因此，实施例可以适用于确定在包括充电站的指定行驶路线上不断且重复地行驶的燃料电池车辆(例如公共汽车或卡车)的堆输出。

另外，爬升能量估计操作S200可以包括：车辆重量估计操作S210，通过利用上坡路的坡度和车辆的平均燃料效率来估计车辆的重量；以及所需爬升能量计算操作S220，计算具有估计重量的车辆通过在当前行驶高度在剩余的上坡路上行驶而到达最高高度所需的行驶能量作为所需爬升能量。

在这种情况下，在车辆重量估计操作S210中，可以通过利用上坡路的平均坡度和通过将消耗的氢燃料量除以里程而计算出的平均燃料效率来估计车辆的重量。

在这种情况下，用于车辆行驶所消耗的车辆行驶能量(E)可以计算为消耗氢燃料产生的氢消耗能量的50％，或通过将平均燃料效率乘以里程获得的值乘以0.5来计算。

另外，车辆行驶能量(E)可以表示为车辆的重量(M)与里程之间的关系。即，可以通过将与车辆的重量(M)成正比的滚动阻力、与车辆的速度(v)成正比的空气阻力以及与车辆的重量(M)和坡度(θ)成正比的倾斜阻力的总和乘以里程来计算车辆行驶能量(E)。

因此，在车辆重量估计操作S210中，可以通过将值除以滚动阻力和倾斜阻力之中排除车辆的重量(M)的剩余分量来计算车辆的重量(M)，其中该值是基于平均燃料效率和车辆里程计算的车辆行驶能量(E)除以里程后减去空气阻力获得的。

即，在车辆重量估计操作S210中，可以利用里程和通过平均燃料效率及里程计算的车辆行驶能量(E)之间的关系来计算车辆的重量(M)。

另外，在所需爬升能量计算操作S220中，可以利用在行驶高度确定操作中计算的上坡高度(H)、上坡路的平均坡度(θ)、车辆的平均速度(v)和重量(M)来计算车辆从当前行驶高度沿剩余的上坡路行驶到最高高度所需的车辆行驶能量作为所需爬升能量。

为此，在所需爬升能量计算操作S220中，通过将上坡高度(H)除以上坡路的平均坡度(θ)计算的里程可以乘以滚动阻力、空气阻力和倾斜阻力的总和，从而可以计算在剩余的上坡路上行驶直到车辆到达最高高度所需的爬升能量。

另外，爬升堆输出计算操作S300可以包括：电池可用能量计算操作S310，基于电池的SOC计算在车辆爬升剩余的上坡路时能够从电池提供的可用电池能量；所需堆能量计算操作S320，计算从由爬升能量估计操作计算出的所需爬升能量减去可用电池能量而获得的剩余部分，作为燃料电池堆中要产生的所需堆能量；以及所需堆输出计算操作S330，通过将所需堆能量除以当车辆以平均速度行驶时到达最大高度所需的估计时间来计算所需堆输出。

在这种情况下，在电池可用能量计算操作S310中，可以将电池的总SOC中的可用SOC乘以电池容量73.2kWh来计算在爬升剩余的上坡路时可以从电池提供的电池可用能量(B)。

另外，在所需堆能量计算操作S320中，可以从车辆爬升剩余的上坡路直到最高高度所需的爬升能量(E)中减去电池可用能量(B)来计算所需堆能量(E-B)。

另外，在所需堆输出计算操作S330中，可以将所需堆能量(E-B)除以车辆爬升到最高高度所需的估计时间来计算要在燃料电池堆中产生的所需堆输出。

另外，在堆输出确定操作S400中，可以将由爬升堆输出计算操作中计算的所需堆输出与根据电池SOC的降低程度设置为在燃料电池堆中产生的基本堆输出进行比较，从而将较低的值确定为要在燃料电池堆中产生的最终堆输出。

为此，可以提供通过将要在燃料电池堆中产生的堆输出映射到电池SOC而存储为基本堆输出的堆输出映射。在这种情况下，在堆输出映射中，可以将基本堆输出设置为随着电池SOC降低而增加。

因此，在堆输出确定操作S400中，可以通过将利用当前电池SOC计算的所需堆输出与从堆输出映射导出的基本堆输出进行比较来将较低的值确定为最终堆输出。

如上所述，通过将所需堆输出和基本堆输出中的较低输出确定为最终堆输出，当剩余爬升高度不高或电池的SOC并非明显不足以使车辆爬山时，堆输出可以被降低，从而防止氢燃料的消耗。

根据本公开的实施例，在上坡路上行驶时在确定从燃料电池堆产生的堆输出的程度时，不仅可以基于电池的SOC而且可以基于在上坡路上行驶的车辆必须进一步行驶以达到最高高度的上坡高度来计算从燃料电池堆产生的适当的堆输出，并且可以防止在上坡路上行驶时为产生过多的堆输出而燃料消耗增加或燃料电池堆的耐久性劣化。

另外，根据本公开的实施例，即使当车辆在比车辆在平坦或下坡路上行驶时需要更多的输出的上坡路上行驶时，也可以通过使燃料电池堆中产生的高输出功率最小化来使所产生的热量的增加最小化。因此，另外，可以通过降低冷却部件的操作程度来降低驾驶员感受到的噪音程度。

另外，可以提供通过本公开直接或间接理解的各种效果。

以上描述是对本公开的技术思想的简单示例，并且本公开所属领域的技术人员可以在不背离本公开的本质特征的情况下对本公开进行各种修正和修改。

因此，本公开所公开的实施例并不限制本公开的技术思想而是说明性的，并且本公开的技术思想的范围不受本公开实施例的限制。本公开的范围应当由权利要求书来解释，并且将理解的是，在等同范围内的所有技术思想都落入本公开的范围内。

Claims

1.一种提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的装置，包括：

行驶高度确定装置，基于在车辆行驶的上坡路上的当前行驶高度来估计所述车辆将行驶到最高高度的上坡高度；以及

最终堆输出确定装置，基于电池的剩余荷电状态即SOC和所述上坡高度来确定为使所述车辆行驶到所述最高高度而在燃料电池堆中产生的堆输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述最终堆输出确定装置包括：

爬升能量估计装置，基于所述车辆的重量来计算在与所述上坡高度相对应的剩余上坡路上行驶所需的行驶能量作为所需爬升能量；

爬升堆输出计算装置，被配置为：

计算所述所需爬升能量中除能够从所述电池提供的电池可用能量之外的剩余部分作为所需堆能量，以及

计算所述燃料电池堆中要产生的用于在所述上坡路上行驶的所需堆输出；以及

堆输出确定装置，被配置为：

将计算的所需堆输出与设置为响应于在所述剩余上坡路上行驶时所述电池的SOC的降低而在所述燃料电池堆中产生的基本堆输出进行比较，以及

将计算的所需堆输出和所述基本堆输出之间的较低的值确定为要在所述燃料电池堆中产生的最终堆输出。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述行驶高度确定装置包括：

行驶高度估计装置，基于在所述上坡路上行驶的所述车辆的当前行驶高度估计所述车辆在所述上坡路的高度范围内行驶的水平高度；以及

上坡高度计算装置，计算所述车辆将从所述当前行驶高度行驶到所述上坡路上的最高高度的上坡高度。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述行驶高度估计装置被配置为：

从通过利用GPS信息获得的导航系统的位置信息获取所述车辆的当前行驶高度，或者

基于由所述车辆中的大气压力传感器测量的大气压力信息的变化来获取所述车辆的当前行驶信息。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述行驶高度估计装置根据基于在指定时段期间获得的多个当前行驶高度样本而生成的高度信息的正态分布来估计所述车辆在所述上坡路的高度范围内行驶的水平高度。

6.根据权利要求2所述的装置，其中，在所述上坡路上行驶的所述车辆沿包括充电站的路线行驶。

7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述爬升能量估计装置包括：

车辆重量估计装置，基于所述上坡路的坡度和所述车辆的平均燃料效率来估计所述车辆的重量；以及

所需爬升能量计算装置，计算具有估计重量的所述车辆通过在所述当前行驶高度在所述剩余上坡路上行驶而到达所述最高高度所需的行驶能量作为所述所需爬升能量。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述车辆重量估计装置基于所述车辆行驶的所述上坡路的高度信息和在所述上坡路上行驶的所述车辆的平均燃料效率来估计所述车辆的重量。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述车辆重量估计装置通过将值除以滚动阻力和倾斜阻力之中排除所述车辆的重量的剩余分量来计算所述车辆的重量，其中所述值是基于所述平均燃料效率和所述车辆里程计算的所述车辆行驶能量除以所述里程后减去空气阻力获得的。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述所需爬升能量计算装置利用由所述行驶高度确定装置计算的所述上坡高度、所述上坡路的平均坡度、所述车辆的平均速度和重量来计算所述车辆从所述当前行驶高度沿剩余上坡路行驶到所述最高高度所需的车辆行驶能量作为所述所需爬升能量。

11.根据权利要求2所述的装置，其中，所述爬升堆输出计算装置包括：

电池可用能量计算装置，基于所述电池的SOC计算在所述车辆爬升所述剩余上坡路时能够从所述电池提供的可用电池能量；

所需堆能量计算装置，计算从由所述爬升能量估计装置计算出的所述所需爬升能量减去所述可用电池能量而获得的剩余部分，作为所述燃料电池堆中要产生的所述所需堆能量；以及

所需堆输出计算装置，通过将所述所需堆能量除以当所述车辆以平均速度行驶时到达所述最高高度所需的估计时间来计算所述所需堆输出。

12.一种提高燃料电池车辆上下坡行驶中的燃料效率的方法，所述方法包括：

通过行驶高度确定装置，基于在车辆行驶的上坡路上的当前行驶高度来估计所述车辆将行驶到最高高度的上坡高度；以及

通过最终堆输出确定装置，基于电池的剩余荷电状态即SOC和所述上坡高度来确定为使所述车辆行驶到所述最高高度而在燃料电池堆中产生的堆输出。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，确定所述堆输出包括：

通过爬升能量估计装置，基于所述车辆的重量来计算在与所述上坡高度相对应的剩余上坡路上行驶所需的行驶能量作为所需爬升能量；

通过爬升堆输出计算装置，计算所述所需爬升能量中除能够从所述电池提供的电池可用能量之外的剩余部分作为所需堆能量，并且通过所述爬升堆输出计算装置，计算所述燃料电池堆中要产生的用于在所述上坡路上行驶的所需堆输出；以及

通过堆输出确定装置，将计算的所需堆输出与设置为响应于在所述剩余上坡路上行驶时所述电池的SOC的降低而在所述燃料电池堆中产生的基本堆输出进行比较，并且通过所述堆输出确定装置，将计算的所需堆输出和所述基本堆输出之间的较低的值确定为要在所述燃料电池堆中产生的最终堆输出。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，估计所述上坡高度包括：

通过行驶高度估计装置，基于在所述上坡路上行驶的所述车辆的当前行驶高度估计所述车辆在所述上坡路的高度范围内行驶的水平高度；以及

通过上坡高度计算装置，计算所述车辆将从所述当前行驶高度行驶到所述上坡路上的最高高度的上坡高度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，估计所述水平高度包括：

通过所述行驶高度估计装置，从通过利用GPS信息获得的导航系统的位置信息获取所述车辆的当前行驶高度，或者通过所述行驶高度估计装置，基于由所述车辆中的大气压力传感器测量的大气压力信息的变化来获取所述车辆的当前行驶信息。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，估计所述水平高度包括：

通过所述行驶高度估计装置，通过利用基于在指定时段期间获得的多个当前行驶高度样本而生成的高度信息的正态分布来估计所述车辆在所述上坡路的高度范围内行驶的水平高度。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，计算所述行驶能量包括：

通过车辆重量估计装置，基于所述上坡路的坡度和所述车辆的平均燃料效率来估计所述车辆的重量；以及

通过所需爬升能量计算装置，计算具有估计重量的所述车辆通过在所述当前行驶高度在所述剩余上坡路上行驶而到达所述最高高度所需的行驶能量作为所述所需爬升能量。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，估计所述车辆的重量包括：

通过所述车辆重量估计装置，通过将值除以滚动阻力和倾斜阻力之中排除所述车辆的重量的剩余分量来计算所述车辆的重量，其中所述值是基于所述平均燃料效率和所述车辆里程计算的所述车辆行驶能量除以所述里程后减去空气阻力获得的。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，计算所述行驶能量包括：

通过所述所需爬升能量计算装置，通过利用通过估计所述上坡高度计算的上坡高度、所述上坡路的平均坡度、所述车辆的平均速度和重量来计算所述车辆从所述当前行驶高度沿剩余上坡路行驶到所述最高高度所需的车辆行驶能量作为所述所需爬升能量。

20.根据权利要求13所述的方法，其中，计算所述所需爬升能量的剩余部分包括：

通过电池可用能量计算装置，基于所述电池的SOC计算在所述车辆爬升所述剩余上坡路时能够从所述电池提供的可用电池能量；

通过所需堆能量计算装置，计算从由所述爬升能量估计装置计算出的所需爬升能量减去所述可用电池能量而获得的剩余部分，作为所述燃料电池堆中要产生的所述所需堆能量；以及

通过所需堆输出计算装置，通过将所述所需堆能量除以当所述车辆以平均速度行驶时到达所述最大高度所需的估计时间来计算所述所需堆输出。