CN117261697A - 一种燃料电池车辆的能量控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池车辆的能量控制方法及系统，包括如下步骤：S1：获取动力电池的SOC，根据动力电池的SOC确定燃料电池系统的第一输出功率；S2：计算动力电池的SOC变化率，并基于动力电池的SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整，得到第二输出功率；S3：将所得第二输出功率作为燃料电池系统的最终输出功率。本发明通过对燃料电池系统的第一输出功率进行阶数调整，使得燃料电池系统最终以第二输出功率为车辆提供动力输出，第二输出功率相较于第一输出功率能够更好的节省氢气的输出量，提高氢气的利用率，从而增加了车辆的续航里程。

Description

一种燃料电池车辆的能量控制方法及系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池车辆的能量控制方法及系统。

背景技术

燃料电池车辆通常采用燃料电池与动力电池混合输出的方式运行，燃料电池作为主要电源，动力电池作为辅助电源，当车辆运行时，燃料电池和动力电池一起为整车提供行驶所需动力。

燃料电池车的动力电池容量相对较大（尤其商用车），以提供较大的电力缓冲空间，在保证整车动力性能需求的基础上，为避免燃料电池系统频繁变载及开关机导致燃料电池系统寿命降低的风险，一般都是基于动力电池SOC（电池剩余容量）的分段区间来确定燃料电池的输出功率，动力电池SOC与燃料电池输出功率成反比，燃料电池在SOC设定范围内以恒定功率输出，从而降低车辆对燃料电池功率瞬态性能的要求。

但是上述基于动力电池SOC的分段式能量管理策略，缺乏对车辆实时运行状态的考虑，例如，当车辆长时间行驶且速度较低时，所需功率就小，如果此时动力电池SOC低，则燃料电池输出功率就大，从而使燃料电池处于低效率发电状态，就会降低氢气利用率，缩短车辆续航里程。

发明内容

本发明旨在解决上述问题而提供一种燃料电池车辆的能量控制方法及系统，解决现有能量控制方法不能根据车辆的实际运行状况对燃料电池系统的输出功率进行调整，无法有效提高氢气利用率，导致车辆续航里程受到影响的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：获取动力电池的SOC，根据动力电池的SOC确定燃料电池系统的第一输出功率；

S2：计算动力电池的SOC变化率，并基于动力电池的SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整，得到第二输出功率；

S3：将所得第二输出功率作为燃料电池系统的最终输出功率。

优选的，所述步骤S1中根据动力电池的SOC确定燃料电池系统的第一输出功率包括如下步骤：

S11：将动力电池的SOC分为n个区间；

S12：将燃料电池系统分为与上述n个区间一一对应的n阶输出功率；

其中，n＞2且n为正整数；

S13：根据动力电池的SOC匹配对应阶数的输出功率，定义对应阶数的输出功率为第一输出功率。

优选的，步骤S2中动力电池的SOC变化率包括第一SOC变化率和第二SOC变化率，基于第一SOC变化率和第二SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整；

第一SOC变化率为Δt1时间段内动力电池的SOC变化量与Δt1的比值；

第二SOC变化率为Δt2时间段内动力电池的SOC变化量与Δt2的比值；

其中，Δt2≥2Δt1。

优选的，第一SOC变化率和第二SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整包括如下步骤：

S21：设置分别与第一SOC变化率和第二SOC变化率相匹配的第一阈值和第二阈值；

S22：将第一SOC变化率和第二SOC变化率分别与第一阈值和第二阈值比较；

S23：根据步骤S22中的比较结果对第一输出功率进行阶数调整并输出得到第二输出功率。

优选的，根据步骤S22中的比较结果，将第二输出功率分为4种状态，其中：

状态1：当第一SOC变化率大于第一阈值，第二SOC变化率大于第二阈值，所述第一输出功率减小两阶并输出得到第二输出功率；

状态2：当第一SOC变化率大于0且小于等于第一阈值，第二SOC变化率大于0且小于等于第二阈值，所述第一输出功率减小一阶并输出得到第二输出功率；

状态3：当第一SOC变化率小于等于0，第二SOC变化率小于等于0，所述第一输出功率维持当前阶数并输出得到第二输出功率；

状态4：当第一SOC变化率与第一阈值的比较结果和第二SOC变化率与第二阈值的比较结果不同于状态1、状态2和状态3时，将上一时刻的第二输出功率作为当前时刻的第二输出功率。

一种燃料电池车辆系统，包括上述的能量控制方法，还包括：

燃料电池系统，所述燃料电池系统用于为车辆输出电力；

动力电池，与所述燃料电池系统并联设置，所述动力电池用于缓冲车辆的输出电力；

逆变器，所述逆变器的输入端分别与所述燃料电池系统和动力电池连接，所述逆变器用于将直流电转换为三相交流电；

驱动电机，与所述逆变器的输出端连接，用于为车辆提供动力输出。

优选的，所述燃料电池系统包括燃料电池和升压DC/DC变换器；

所述燃料电池的输出端与所述升压DC/DC变换器的输入端连接；

所述升压DC/DC变换器的输出端与所述逆变器的输入端连接，所述升压DC/DC变换器用于提高所述燃料电池的输出电压。

优选的，还包括高压部件，所述高压部件连接于所述燃料电池系统和所述动力电池之间。

本发明的贡献在于：本发明通过对燃料电池系统的第一输出功率进行阶数调整，使得燃料电池系统最终以第二输出功率为车辆提供动力输出，第二输出功率相较于第一输出功率能够更好的节省氢气的输出量，提高氢气的利用率，从而增加了车辆的续航里程。

附图说明

图1是本发明燃料电池车辆的能量控制方法的示意图；

图2是本发明燃料电池系统的输出功率和动力电池的SOC之间的关系图；

图3是本发明第一SOC变化率和第二SOC变化率与时间之间的关系图；

图4是本发明燃料电池系统基于第一SOC变化率和第二SOC变化率调整第一输出功率阶数并得到第二输出功率的示意图；

图5是本发明单燃料电池车辆的系统结构示意图；

其中：燃料电池系统10、燃料电池11、升压DC/DC变换器12、动力电池20、逆变器30、驱动电机40、高压部件50。

具体实施方式

下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。

如图1所示，一种燃料电池车辆的能量控制方法，包括如下步骤：

S1：获取动力电池20的SOC（电池剩余容量），根据动力电池20的SOC确定燃料电池系统10的第一输出功率；

S2：计算动力电池20的SOC变化率，并基于动力电池20的SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整，得到第二输出功率；

S3：将所得第二输出功率作为燃料电池系统10的最终输出功率。

动力电池20的SOC指的是动力电池20的剩余电池容量，动力电池20的SOC与燃料电池系统10配合共同为车辆提供动力，其中，动力电池20的SOC与燃料电池系统10的输出功率之间存在对应关系（例如将动力电池20的SOC分为若干区间，则燃料电池系统10会对应划分为若干阶段的输出功率，如1阶输出功率、2阶输出功率等），根据动力电池20的SOC可以确定燃料电池系统10对应阶数的输出功率，此处将该对应阶数的输出功率定义为第一输出功率，车辆在第一输出功率和动力电池20的SOC配合下可以正常驾驶，但是燃料电池系统10对第一输出功率的控制并不精准，第一输出功率时常会出现大于车辆实际所需输出功率的情况（尤其在车辆低速行驶时），即燃料电池系统10提供的功率大于车辆实际所需功率需求，导致燃料电池系统10处于低效状态，降低了燃料电池系统10中氢气的利用率，缩短了车辆的续航里程。

通过计算动力电池20的SOC变化率，并根据动力电池20的SOC变化率对燃料电池系统10的第一输出功率进行调整，将第一输出功率所对应的阶数进行调整（减小或是保持不变），将调整得到的输出功率定义为第二输出功率，第二输出功率为燃料电池系统10的最终输出功率。

本发明通过对燃料电池系统10的第一输出功率进行阶数调整，使得燃料电池系统10最终以第二输出功率为车辆提供动力输出，第二输出功率相较于第一输出功率能够更好的节省氢气的输出量（第二输出功率小于第一输出功率，燃料电池系统10反应所需提供的氢气减少），提高了氢气的利用率，增加了车辆的续航里程。

如图2所示，所述步骤S1中根据动力电池20的SOC确定燃料电池系统10的第一输出功率包括如下步骤：

S11：将动力电池20的SOC分为n个区间；

S12：将燃料电池系统10分为与上述n个区间一一对应的n阶输出功率；

其中，n＞2且n为正整数；

S13：根据动力电池20的SOC匹配对应阶数的输出功率，定义对应阶数的输出功率为第一输出功率。

具体的，本实施例中动力电池20的SOC划分为n个区间（n＞2），动力电池20的SOC所划分的区间越多，动力电池20的稳定性越好，与动力电池20的SOC相对应的是燃料电池系统10的输出功率，当动力电池20的SOC分为n个区间后，燃料电池系统10的输出功率也需要划分为与动力电池20的SOC相匹配的n阶输出功率，进一步的说明，动力电池20的SOC与燃料电池系统10的输出功率呈反比关系，即动力电池20的SOC越高，则燃料电池系统10所对应阶数的输出功率越低，随着动力电池20的SOC逐渐减少，燃料电池系统10所对应的阶数逐渐增加，对应的输出功率也会逐渐增加，确保车辆能够正常运行。

如图3所示，步骤S2中动力电池20的SOC变化率包括第一SOC变化率和第二SOC变化率，基于第一SOC变化率和第二SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整；

第一SOC变化率为Δt1时间段内动力电池20的SOC变化量与Δt1的比值；

第二SOC变化率为Δt2时间段内动力电池20的SOC变化量与Δt2的比值；

其中，Δt2≥2Δt1。

为了能够准确对第一输出功率进行调整，本实施例中将动力电池20的SOC变化率分为了第一SOC变化率和第二SOC变化率，通过两个不同时间段的动力电池20的SOC变化率来确定车辆的运行状态，从而能够筛选出更适合车辆运行的第二输出功率。

本实施例中，第一SOC变化率（短趋势变化率）所选取的时间段为Δt1，第二SOC变化率（长趋势变化率）所选取的时间段为Δt2，其中，Δt2≥2Δt1，举例说明，当Δt1取值为5-10min，则Δt2可对应的取值为10-20min。

第一SOC变化率和第二SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整包括如下步骤：

S21：设置分别与第一SOC变化率和第二SOC变化率相匹配的第一阈值和第二阈值；

S22：将第一SOC变化率和第二SOC变化率分别与第一阈值和第二阈值比较；

S23：根据步骤S22中的比较结果对第一输出功率进行阶数调整并输出得到第二输出功率。

通过设置第一阈值和第二阈值分别对第一SOC变化率和第二SOC变化率进行比较，根据比较的结果对第一输出功率进行阶数调整，调整后得到的为第二输出功率。

如图4所示，根据步骤S22中的比较结果，将第二输出功率分为4种状态，其中：

状态1：当第一SOC变化率大于第一阈值，第二SOC变化率大于第二阈值，所述第一输出功率减小两阶并输出得到第二输出功率；

状态2：当第一SOC变化率大于0且小于等于第一阈值，第二SOC变化率大于0且小于等于第二阈值，所述第一输出功率减小一阶并输出得到第二输出功率；

状态3：当第一SOC变化率小于等于0，第二SOC变化率小于等于0，所述第一输出功率维持当前阶数并输出得到第二输出功率；

状态4：当第一SOC变化率与第一阈值的比较结果和第二SOC变化率与第二阈值的比较结果不同于状态1、状态2和状态3时，将上一时刻的第二输出功率作为当前时刻的第二输出功率。

在车辆行驶过程中，会实时监测动力电池20的SOC，并计算动力电池20的第一SOC变化率和第二SOC变化率。

具体的，当第一SOC变化率和第二SOC变化率分别大于第一阈值和第二阈值时，此时燃料电池系统10的第一输出功率偏大，整车输出功率过剩，动力电池20处于充电状态，此时可以将第一输出功率的阶数向下调整两阶并得到第二输出功率（第二输出功率最小值为1阶输出功率），燃料电池系统10以第二输出功率与动力电池20配合即可保持车辆稳定运行，需要进行说明的是，第一输出功率的下调阶数根据第一SOC变化率和第二SOC变化率的数值决定，具体的，当第一SOC变化率和第二SOC变化率远大于第一阈值和第二阈值时，说明第一输出功率远大于车辆所需输出功率，此时下调阶数可适应性增加，确保燃料电池系统10所输出的功率不会被过多浪费。

当第一SOC变化率大于0且小于等于第一阈值，第二SOC变化率大于0且小于等于第二阈值，此时燃料电池系统10的第一输出功率依旧偏大（但小于状态1的第一输出功率），整车输出功率依旧过剩，动力电池20处于充电状态（此时充电速率相比状态1更低），故而将第一输出功率的阶数向下调整一阶并得到第二输出功率（第二输出功率最小值为1阶输出功率），燃料电池系统10以第二输出功率与动力电池20配合即可保持车辆稳定运行。

当第一SOC变化率等于0，第二SOC变化率等于0，此时燃料电池系统10的第一输出功率仍然偏大，但是来自燃料电池系统10过剩的功率与动力电池20所输出的功率持平，此时动力电池20维持在一个稳定的数值上进行功率输出，有利于车辆的平稳运行，故而保持燃料电池系统10当前的输出功率，即不调整第一输出功率的阶数，使得第二输出功率与第一输出功率相等，确保车辆平稳运行。

当第一SOC变化率小于0，第二SOC变化率小于0，此时燃料电池系统10的第一输出功率偏小，要维持车辆的稳定运行需要额外补充输出功率，此时动力电池20处于欠电状态（需要由动力电池20输出更多的功率弥补所欠缺的部分），动力电池20的SOC会逐渐降低，由于此时第一输出功率偏小，故而不调整第一输出功率的阶数，使得第二输出功率与第一输出功率相等。

当第一SOC变化率和第二SOC变化率不处于上述三种状态时（不属于状态1、状态2和状态3），则当前时刻燃料电池系统10的第二输出功率维持上一时刻燃料电池系统10的第二输出功率。

在本发明的另一实施例中，为延长燃料电池系统10的使用寿命，燃料电池系统10的状态选择（即从状态1、状态2、状态3和状态4中选择适合当前运行环境的状态）还包括如下步骤：

设置判断阈值；

计算燃料电池系统10的电堆平均单电压，将所得电堆平均单电压与判断阈值比较；

若电堆平均单电压小于判断阈值，定义燃料电池系统10此时状态为低衰减状态，燃料电池系统10根据步骤S22的比较结果分别按照状态1-4输出第二输出功率；

若电堆平均单电压大于判断阈值，定义燃料电池系统10此时状态为高衰减状态，燃料电池系统10按照状态3输出第二输出功率，即第一输出功率维持当前阶数并输出得到第二输出功率（不对第一输出功率进行阶数调整，减少燃料电池系统10的变载频率）。

状态1和状态2中燃料电池系统10的输出功率频繁发生变化，即燃料电池系统10的变载频率大，对应燃料电池系统10的电堆衰减速度增加（燃料电池系统10内均包含有电堆和辅机，燃料电池系统10的衰减具体指的是燃料电池系统10的电堆的衰减），状态1和状态2适用于燃料电池系统10衰减程度不大时使用（即燃料电池系统10此时状态为低衰减状态），使得车辆能够充分利用氢气，提高车辆的续航里程，当燃料电池系统10衰减程度较大时（即电堆平均单电压大于判断阈值，定义燃料电池系统10此时状态为高衰减状态），为了尽可能延长燃料电池系统10的使用寿命，在不影响车辆正常行驶的前提下尽量减少燃料电池系统10的变载频率，此时燃料电池系统10选择状态3的输出模式对车辆进行输出。

在本发明的另一实施例中，涉及了一种使用上述的能量控制方法的燃料电池车辆系统，如图5所示，包括：

燃料电池系统10，所述燃料电池系统10用于为车辆输出电力；

动力电池20，与所述燃料电池系统10并联设置，所述动力电池20用于缓冲车辆的输出电力；

逆变器30，所述逆变器30的输入端分别与所述燃料电池系统10和动力电池20连接，所述逆变器30用于将直流电转换为三相交流电；

驱动电机40，与所述逆变器30的输出端连接，用于为车辆提供动力输出。

燃料电池系统10与动力电池20配合，共同向车辆输出电力，具体的，当燃料电池系统10的输出电力不足时（较低），动力电池20会放电，确保车辆能够获取足够的电力进行运行，当燃料电池系统10的输出电力过剩或是驱动电机40制动发电时，动力电池20会进行充电。

所述燃料电池系统10包括燃料电池11和升压DC/DC变换器12；

所述燃料电池11的输出端与所述升压DC/DC变换器12的输入端连接；

所述升压DC/DC变换器12的输出端与所述逆变器30的输入端连接，所述升压DC/DC变换器12用于提高所述燃料电池11的输出电压。

还包括高压部件50，所述高压部件50连接于所述燃料电池系统10和所述动力电池20之间。

高压部件50通过电线连接于燃料电池系统10和所述动力电池20之间，以获得来自燃料电池系统10和所述动力电池20的高压电力，高压部件50无需额外再配备供电设备。

此处需要注意的是，本发明所提及的单燃料电池系统10与动力电池20的组合方式适用于家用或是商务车辆，若使用对象为大型车辆（如重型客车、重型工程车等），由于大型车需要较大的输出功率，通常使用两个燃料电池系统10来满足动力输出，两燃料电池系统10与动力电池20配合并采用本发明的能量控制方法对车辆进行控制（可根据所使用车型选择燃料电池系统10的个数）。

在本发明的另一实施例中，双燃料电池系统10与动力电池20配合并采用本发明能量控制方法对车辆进行控制还包括如下步骤：

判断两燃料电池系统10的衰减程度，将衰减程度低的燃料电池系统10定义为低衰减燃料电池系统10，衰减程度高的燃料电池系统10定义为高衰减燃料电池系统10；

低衰减燃料电池系统10根据步骤S22的比较结果分别按照状态1、状态2、状态3或状态4输出第二输出功率，高衰减燃料电池系统10按照状态3输出第二输出功率。

由于两燃料电池系统10的衰减程度不一致，若两燃料电池系统10均采用状态1或状态2的输出方式对车辆进行输出控制，高衰减燃料电池系统10由于频繁变化第二输出功率，其电堆的衰减程度加剧，会导致高衰减燃料电池系统10过早的损坏，故而通过比较判断两燃料电池系统10的衰减程度，将低衰减燃料电池系统10按照状态1、状态2、状态3或状态4输出第二输出功率，高衰减燃料电池系统10按照状态3输出第二输出功率（第二输出功率变化频率少），在确保车辆平稳运行的基础上，既可以节省一部分的氢气消耗量，又能够减缓高衰减燃料电池系统10的衰减速率，延长高衰减燃料电池系统10的使用寿命。

进一步的说明，两燃料电池系统10的衰减程度的判断步骤如下：

设置比对阈值；

计算两燃料电池系统10的电堆平均单电压差值（将两燃料电池系统10拉载至相同的电堆电流，保持其他运行参数相同，其他运行参数包括空气流量、空气压力、氢气压力和电堆温度），将所得电堆平均单电压差值的绝对值与比对阈值比较；

当电堆平均单电压差值的绝对值大于比对阈值时，定义电堆平均单电压更高的燃料电池系统10为低衰减燃料电池系统10，电堆平均单电压更低的燃料电池系统10为高衰减燃料电池系统10；

若电堆平均单电压差值的绝对值小于比对阈值，可能是测量误差带来的偏差，不能采用上述阈值判断的方法，此时可以采用电堆单电压均低差（电堆单电压均低差=平均单电压-最低单电压）的差值进行判断，具体为：

当两燃料电池系统10的电堆平均单电压差值小于比对阈值时，比较两燃料电池系统10的电堆单电压均低差的差值，定义电堆单电压均低差更小的燃料电池系统10为低衰减燃料电池系统10，电堆单电压均低差更大的燃料电池系统10为高衰减燃料电池系统10。

尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：获取动力电池的SOC，根据动力电池的SOC确定燃料电池系统的第一输出功率；

S2：计算动力电池的SOC变化率，并基于动力电池的SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整，得到第二输出功率；

S3：将所得第二输出功率作为燃料电池系统的最终输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，步骤S1中根据动力电池的SOC确定燃料电池系统的第一输出功率包括如下步骤：

S11：将动力电池的SOC分为n个区间；

S12：将燃料电池系统分为与上述n个区间一一对应的n阶输出功率；

其中，n＞2且n为正整数；

S13：根据动力电池的SOC匹配对应阶数的输出功率，定义对应阶数的输出功率为第一输出功率。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于：步骤S2中动力电池的SOC变化率包括第一SOC变化率和第二SOC变化率，基于第一SOC变化率和第二SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整；

第一SOC变化率为Δt1时间段内动力电池的SOC变化量与Δt1的比值；

第二SOC变化率为Δt2时间段内动力电池的SOC变化量与Δt2的比值；

其中，Δt2≥2Δt1。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，第一SOC变化率和第二SOC变化率对第一输出功率进行阶数调整包括如下步骤：

S21：设置分别与第一SOC变化率和第二SOC变化率相匹配的第一阈值和第二阈值；

S22：将第一SOC变化率和第二SOC变化率分别与第一阈值和第二阈值比较；

S23：根据步骤S22中的比较结果对第一输出功率进行阶数调整并输出得到第二输出功率。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池车辆的能量控制方法，其特征在于，根据步骤S22中的比较结果，将第二输出功率分为4种状态，其中：

状态1：当第一SOC变化率大于第一阈值，第二SOC变化率大于第二阈值，所述第一输出功率减小两阶并输出得到第二输出功率；

状态2：当第一SOC变化率大于0且小于等于第一阈值，第二SOC变化率大于0且小于等于第二阈值，所述第一输出功率减小一阶并输出得到第二输出功率；

状态3：当第一SOC变化率小于等于0，第二SOC变化率小于等于0，所述第一输出功率维持当前阶数并输出得到第二输出功率；

状态4：当第一SOC变化率与第一阈值的比较结果和第二SOC变化率与第二阈值的比较结果不同于状态1、状态2和状态3时，将上一时刻的第二输出功率作为当前时刻的第二输出功率。

6.一种燃料电池车辆系统，包括如权利要求1-5任一项所述的能量控制方法，其特征在于，还包括：

燃料电池系统，所述燃料电池系统用于为车辆输出电力；

动力电池，与所述燃料电池系统并联设置，所述动力电池用于缓冲车辆的输出电力；

逆变器，所述逆变器的输入端分别与所述燃料电池系统和动力电池连接，所述逆变器用于将直流电转换为三相交流电；

驱动电机，与所述逆变器的输出端连接，用于为车辆提供动力输出。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池车辆系统，其特征在于：所述燃料电池系统包括燃料电池和升压DC/DC变换器；

所述燃料电池的输出端与所述升压DC/DC变换器的输入端连接；

所述升压DC/DC变换器的输出端与所述逆变器的输入端连接，所述升压DC/DC变换器用于提高所述燃料电池的输出电压。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池车辆系统，其特征在于：还包括高压部件，所述高压部件连接于所述燃料电池系统和所述动力电池之间。