CN1263629C - 燃料电池混合动力系统的功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池混合动力系统的功率分配方法涉及燃料电池混合动力系统的功率优化设计技术领域。其特征在于，它首先确定蓄电池和燃料电池系统各自局部的最优功率分配，然后进行整个系统的最优功率调节，使蓄电池和燃料电池系统两者相互折中，以达到功率的最优分配。本发明能够合理的分配燃料电池系统和蓄电池的功率，有效的发挥蓄电池的作用，使燃料电池系统得到有效的保护，并提高了混合动力系统的能量效率。

Description

燃料电池混合动力系统的功率分配方法
技术领域
燃料电池混合动力系统的功率分配方法涉及燃料电池混合动力系统的功率优化设计技术领域。
背景技术
随着人类环保意识的日渐强烈，汽车领域中越来越多的人将目光投到了零排放的燃料电池车辆上。但由于燃料电池系统本身技术的原因，直到近两年，燃料电池车辆才逐渐有所发展。由于燃料电池的动态特性很难满足燃料电池车辆频繁的负载变动，所以在燃料电池车辆中需要利用蓄电池作为系统能量的补偿装置。在这种两种能量源组成的动力系统中，如何合理的进行功率分配，优化系统效率是发展燃料电池车辆所面临的一大难题。
在美国专利局2002年7月公布的专利US 2002/0095247 A1中，Yi Ding等人提出了一种完全基于蓄电池荷电状态(State of Charge，简称SOC)值进行功率分配的方法。他们将SOC值划分为几个区间，根据当前SOC值所处的范围，决定燃料电池是工作在负载跟随还是充电模式，并决定蓄电池是否放电。但文中并未提及具体的功率分配方案，也没有提及当需求功率过大时的处理办法。
在美国专利局2002年11月公布的专利US2002/0175657 A1中，David Leboe提出了燃料电池的准静态工作方法。他也是预先设定一系列的蓄电池SOC范围，然后检测当前SOC值处于哪个范围之中，从而调整燃料电池的输出。在调整燃料电池输出时，他要求变化量足够大，以满足燃料电池在新的功率点能够稳定的工作一段时间，避免频繁调节。这种控制策略保证了燃料电池工作的平稳性，能有效的增加燃料电池的寿命。但他没有能够考虑到负载变动的情况，没有说明有负载变动时功率是如何分配的，因而不适于工况变化剧烈的情况。
在中国专利局2003年1月公布的专利CN 1388781A中，岩崎靖和提出了用平均负载作为燃料电池需求功率，并根据蓄电池SOC值进行修正的控制策略。但他的控制策略会使蓄电池一直在SOC的上、下限值之间持续的充放电，对蓄电池的寿命影响很大。此外，当蓄电池SOC达到上限值时，燃料电池被关闭，由蓄电池单独放电，直到到达下限值。这样实际上降低了系统的输出功率的能力，车辆在大负载情况下的性能必然会受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提出一种实时的燃料电池混合动力系统的功率分配方法。首先从蓄电池和燃料电池系统各自局部最优的角度去考虑功率分配，随后从全局的角度出发，让两者相互折中，最后使得系统全局的性能最佳，从而可以提高混合动力系统的能量效率。
本发明的特征在于，它首先确定蓄电池和燃料电池系统各自局部的最优功率分配，然后进行整个系统的最优功率调节，使蓄电池和燃料电池系统两者相互折中，以达到功率的最优分配；它含有在整车控制器中依次进行的以下步骤：
1)通过车载传感器获取车辆速度，根据车辆速度和油门脚踏板的位置计算当前司机需求转矩，并根据司机需求转矩和车辆速度计算司机需求功率Pd；
2)从蓄电池SOC测量装置获取蓄电池的SOC值；
3)按照以下规则，根据蓄电池SOC和司机需求功率Pd确定蓄电池局部最优输出功率Pb1：
             当Pd大，且SOC为高时，    Pb1为正大，
             当Pd大，且SOC为中时，    Pb1为正小；
             当Pd大，且SOC为低时，    Pb1为零；
             当Pd中，且SOC为高时，    Pb1为正小；
             当Pd中，且SOC为中时，    Pb1为零；
             当Pd中，且SOC为低时，    Pb1为负小；
             当Pd小，且SOC为高时，    Pb1为零；
             当Pd小，且SOC为中时，    Pb1为负小；
             当Pd小，且SOC为低时，    Pb1为负大；
4)燃料电池动态最优功率约束：根据司机需求功率Pd，蓄电池局部最优输出功率Pb1，以及燃料电池功率允许变化量ΔPe确定燃料电池平稳运行的输出功率Pe1：
Figure C20031010325300051
其中，Pe0为当前燃料电池功率；
5)系统总体约束：根据上述司机的需求功率Pd，和当前情况下燃料电池系统和蓄电池所能提供的最大功率Pdmax，确定混合动力系统允许司机需求功率P*d：
Figure C20031010325300052
6)蓄电池极限功率约束：根据系统允许的司机需求功率P*d，燃料电池平稳运行的输出功率Pe1，以及蓄电池最大允许功率Pbmax和最小允许功率Pbmin确定蓄电池输出功率Pb：
7)燃料电池极限功率约束：根据系统允许的司机需求功率P*d，燃料电池系统额外功率损耗Ploss，以及蓄电池输出功率Pb和燃料电池的最大功率Pemax，确定燃料电池系统的输出功率Pe：
Figure C20031010325300061
8)根据蓄电池输出功率Pb和当前蓄电池SOC，查蓄电池SOC-输出电压特性曲线表，得到蓄电池的电压Ucmd，并将该电压Ucmd值输出到DC/DC控制器，以控制DC/DC转换器输出电压为Ucmd；
9)根据计算得到的燃料电池系统的输出功率Pe，蓄电池输出功率Pb得到系统输出总功率Pe+Pb，并将该总功率折算成电机转矩命令输出给汽车的电机控制器，以控制转矩输出总功率Pe+Pb；在DC/DC转换器和电机转矩的共同控制下，使燃料电池输出功率自然达到Pe。
通过实验证明，本方法能够合理的分配燃料电池系统和蓄电池的功率，有效的发挥蓄电池的作用，使燃料电池系统得到有效的保护，并提高了混合动力系统的能量效率，达到了预期的目的。
附图说明
图1所示为燃料电池混合动力车辆动力系统的结构框图。
图2所示为燃料电池车辆在混合动力工作模式下的能量流。
图3所示为燃料电池混合动力系统的功率分配方法流程框图。
图4所示为SOC控制中的输入输出变量的隶属度函数。
图5所示为蓄电池在不同输出功率下的蓄电池SOC-输出电压特性曲线。
图6所示为DC/DC转换器的外特性曲线。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明的燃料电池混合动力车辆的动力驱动系统构造如图1所示，其中能量源由燃料电池系统1、蓄电池5组成。在车辆行驶过程中，燃料电池系统1提供车辆所需的主要能量，而蓄电池5作为辅助能量系统提供不足功率或吸收多余功率。此外，附图1中的电流传感器A1用来测量燃料电池输出电流，U1用来测量燃料电池输出电压，A2用来测量蓄电池输出电流，U2用来测量蓄电池输出电压，SOC测量装置10根据A2和U2的测量值来获取蓄电池SOC。蓄电池控制器的作用是保护蓄电池，使蓄电池的输出电压不会因为系统的突发故障而使蓄电池的输出电压超过其额定电压。另外，驱动系统包括了电机8及其控制系统7、燃料电池系统1、蓄电池5和DC/DC转换器2。
如附图2所示，本发明所提出的的功率分配方法是要在尽量满足司机需求功率(Pd)的前提下，对燃料电池功率(Pe)和蓄电池功率(Pb)进行分配。这里需要指出的是，蓄电池功率(Pb)大于0为放电，小于0为充电。
燃料电池混合动力车辆的功率分配方法流程框图如附图3所示。
在功率分配之前，必需利用车速传感器获取车辆速度，根据油门踏板和车速获取到司机需求转矩，利用图1中SOC测量装置(10)得到蓄电池SOC。
在步骤S30中，利用公知算法，可根据司机需求转矩和车辆速度计算出司机需求功率(Pd)。
在步骤S31中，根据蓄电池荷电状态SOC和司机需求功率(Pd)得到蓄电池局部最优的输出功率(Pb1)，具体的计算采用了模糊推理系统的方法。在模糊推理系统中，司机需求功率(Pd)和蓄电池SOC是模糊输入，蓄电池局部最优的输出功率(Pb1)是模糊输出，具体的模糊规则如附图中表1所示，SOC控制模糊系统的输入输出变量的隶属度函数如图4所示。
  条件   结论
  如果(需求功率是大)and(SOC是高)   那么蓄电池功率是正大；
  如果(需求功率是大)and(SOC是中)   那么蓄电池功率是正小；
  如果(需求功率是大)and(SOC是低)   那么蓄电池功率是零；
  如果(需求功率是中)and(SOC是高)   那么蓄电池功率是正小；
  如果(需求功率是中)and(SOC是中)   那么蓄电池功率是零；
  如果(需求功率是中)and(SOC是低)   那么蓄电池功率是负小；
  如果(需求功率是小)and(SOC是高)   那么蓄电池功率是零；
  如果(需求功率是小)and(SOC是中)   那么蓄电池功率是负小；
  如果(需求功率是小)and(SOC是低)   那么蓄电池功率是负大。
                             表1
在步骤S32中，以司机需求功率减去蓄电池局部最优的输出功率(Pd-Pb1)为输入，对燃料电池系统输出功率的变化率进行控制。通过附图1中的A1和U1可以计算得到当前燃料电池功率为(Pe0)。一般来说，单位控制周期T内燃料电池功率允许变化量为(ΔPe)是由燃料电池供应商来提供，那么燃料电池平稳运转的输出功率(Pe1)的计算公式为：
简而言之，S32的目的是通过增加允许变化量(ΔPe)的控制来防止燃料电池系统的功率发生剧烈变化，确保燃料电池系统平稳工作。
在步骤S33中，根据燃料电池系统和蓄电池状况决定当前情况下混合动力系统总体的约束，即根据当前情况下燃料电池系统和蓄电池所能提供的最大功率(Pdmax)，来确定系统允许的司机需求功率(Pd*)。首先通过燃料电池系统内部的温度检测仪获得燃料电池的当前水温Te，并利用供应商提供的该燃料电池的温度-功率对应表格查出不同水温下对应的最大燃料电池功率(Pemax)；然后通过蓄电池控制器获得当前温度Tb，利用前面测得的蓄电池当前SOC，查阅经销商提供的该蓄电池的温度-SOC-功率对应表格得到在当前温度和SOC下蓄电池能够提供的最大功率(Pbmax)。则当前情况下燃料电池系统和蓄电池所能提供的最大功率Pdmax＝Pemax+Pbmax。进一步得到系统允许的司机需求功率Pd*：
Figure C20031010325300081
在步骤S34中，以系统允许的司机需求功率减去燃料电池平稳运转的输出功率(Pd*-Pe1)为输入，根据蓄电池当前情况下能提供的最大功率Pbmax和最小允许功率Pbmin(也是利用当前温度和SOC查表获得)的约束得到蓄电池输出功率(Pb)的计算公式：
在步骤S36中，以系统允许的司机需求功率加上燃料电池系统额外功率损耗Ploss(此值由燃料电池供应商提供)减去蓄电池输出功率(Pd*+Ploss-Pb)作为输入，根据燃料电池的最大功率(Pemax)可以得到燃料电池系统的输出功率(Pe)的计算公式：
在获取了蓄电池输出功率(Pb)和燃料电池系统的输出功率(Pe)之后，功率分配策略就确定了，下一步是要将功率分别分配在燃料电池系统和蓄电池上，即通过控制电机转矩来输出允许的司机期望功率(Pe+Pb)，通过控制DC/DC转换器输出电压来确定蓄电池输出功率(Pb)和燃料电池系统的输出功率(Pe)。首先根据蓄电池的优化功率和当前的SOC值，通过查阅不同功率下的蓄电池SOC-输出电压特性曲线表得到DC/DC转换器的输出控制电压(Ucmd)。在步骤S37中，以蓄电池SOC和蓄电池输出功率(Pb)为输入，根据附图5所示的不同特定蓄电池功率下的蓄电池SOC-输出电压特性曲线查表可以得到DC/DC转换器的输出控制电压(Ucmd)。举例说明，若蓄电池输出功率(Pb)为5kW，找出相对应的曲线，接着根据蓄电池SOC就可以查到DC/DC输出控制电压(Ucmd)，将该电压输出到DC/DC控制器，控制DC/DC转换器输出电压(Ucmd)，该电压即是蓄电池的输出电压。
将总输出功率(Pe+Pb)折算成电机转矩命令，从而完成车轮的转矩控制。由于DC/DC转换器控制蓄电池输出功率为Pb，则此时燃料电池系统的输出功率为Pe，从而完成了功率分配。
在上述步骤中，所有经销商提供的表格数据，可先存储在整车控制器中，在运用时直接查找提取。
此外，为了防止燃料电池输出功率超过其当前情况下的极限功率(pemax)，本发明中的DC/DC转换器的外特性还可设计成如附图6所示。图中，Pemax是燃料电池当前状态下能够输出的最大功率，它是随着燃料电池状态不断变化的。因此，DC/DC转换器控制器(即图1中的4)应该具备如下功能：
1)可以接受电压值命令Ucmd，并且控制DC/DC转换器的输出电压值恒定在这个设定值。
2)DC/DC转换器控制器的控制策略还包括：
a)当燃料电池输入给它的功率小于Pemax时，控制DC/DC转换器的输出电压到给定电压值Ucmd；
b)当燃料电池输入给DC/DC转换器的功率接近或者等于Pemax时，这说明燃料电池系统已经接近其最大输出功率的极限，DC/DC转换器控制器将主动降低DC/DC转换器的输出电压，使燃料电池的输出功率稳定在Pemax附近。
3)根据燃料电池的状态决定当前最大的允许输出功率Pemax，保护燃料电池系统以避免燃料电池过载。另外，限制DC/DC转换器的输出电压范围，以避免蓄电池过充和过放。
本发明的技术不仅仅适用于燃料电池混合动力车辆的功率分配控制，在不脱离本发明主要特征的原理的条件下，可以做一些其它修改，本发明也适用于其它种类的混合动力车辆的功率分配控制。比如，把图3中的S32模块换成内燃发动机的动态约束以后，本发明的主要原理也可用于由内燃机和蓄电池组成的混合动力电动车辆的功率分配控制中。

Claims (1)

1、燃料电池混合动力系统的功率分配方法，其特征在于，它首先确定蓄电池和燃料电池系统各自局部的最优功率分配，然后进行整个系统的最优功率调节，使蓄电池和燃料电池系统两者相互折中，以达到功率的最优分配；它含有在整车控制器中依次进行的以下步骤：
(1)通过车载传感器获取车辆速度，根据车辆速度和油门脚踏板的位置计算当前司机需求转矩，并根据司机需求转矩和车辆速度计算司机需求功率Pd；
(2)从蓄电池SOC测量装置获取蓄电池的SOC值；
(3)按照以下规则，根据蓄电池SOC和司机需求功率Pd确定蓄电池局部最优输出功率Pb1：
        当Pd大，且SOC为高时，Pb1为正大，
        当Pd大，且SOC为中时，Pb1为正小；
        当Pd大，且SOC为低时，Pb1为零；
        当Pd中，且SOC为高时，Pb1为正小；
        当Pd中，且SOC为中时，Pb1为零；
        当Pd中，且SOC为低时，Pb1为负小；
        当Pd小，且SOC为高时，Pb1为零；
        当Pd小，且SOC为中时，Pb1为负小；
        当Pd小，且SOC为低时，Pb1为负大；
(4)燃料电池动态最优功率约束：根据司机需求功率Pd，蓄电池局部最优输出功率Pb1，以及燃料电池功率允许变化量ΔPe确定燃料电池平稳运行的输出功率Pe1：
其中，Pe0为当前燃料电池功率；
(5)系统总体约束：根据上述司机的需求功率Pd，和当前情况下燃料电池系统和蓄电池所能提供的最大功率Pdmax，确定混合动力系统允许司机需求功率P*d：
Figure C2003101032530002C2
(6)蓄电池极限功率约束：根据系统允许的司机需求功率P*d，燃料电池平稳运行的输出功率Pe1，以及蓄电池最大允许功率Pbmax和最小允许功率Pbmin确定蓄电池输出功率Pb：
(7)燃料电池极限功率约束：根据系统允许的司机需求功率P*d，燃料电池系统额外功率损耗Ploss，以及蓄电池输出功率Pb和燃料电池的最大功率Pemax，确定燃料电池系统的输出功率Pe：
(8)根据蓄电池输出功率Pb和当前蓄电池SOC，查蓄电池SOC-输出电压特性曲线表，得到蓄电池的电压Ucmd，并将该电压Ucmd值输出到DC/DC控制器，以控制DC/DC转换器输出电压为Ucmd；
(9)根据计算得到的燃料电池系统的输出功率Pe，蓄电池输出功率Pb得到系统输出总功率Pe+Pb，并将该总功率折算成电机转矩命令输出给汽车的电机控制器，以控制转矩输出总功率Pe+Pb；在DC/DC转换器和电机转矩的共同控制下，使燃料电池输出功率自然达到Pe。
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