WO2022041411A1 - 一种燃料电池能量管理控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池能量管理控制方法，包括：获取动力电池温度T，若T≤第一温度阈值T1或T≥第四温度阈值T4，控制动力电池不允许持续充电，控制燃料电池不启动；若T2≥T＞T1时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P≤第一功率阈值P1，且动力电池SOC＜SOC2；若T4＞T≥第三温度阈值T3时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P≤第二功率阈值P2，且SOC＜第三SOC阈值SOC3；若T3＞T＞T2时，根据SOC范围控制动力电池的充电功率，控制P4≥P≥P3。避免出现动力电池在高SOC和高、低温下仍有持续高功率充电的情况，保证动力电池有良好的使用寿命和安全性。

Description

一种燃料电池能量管理控制方法及系统 技术领域

本发明属于燃料电池混合动力汽车技术领域，具体地涉及一种燃料电池能量管理控制方法及系统。

背景技术

当前燃料电池车辆采用的燃料电池和动力电池混合动力驱动方式，基于燃料电池车辆的混合动力驱动方式，在合理使用燃料电池动力也需要综合考虑动力电池的特性，避免动力电池在高荷电状态(SOC)时持续大功率充电，极端温度下过度使用，使动力电池系统出现故障，寿命降低，造成动力电池出现过充等安全隐患。

针对燃料电池工作时功率控制的输出特性，结合动力电池的使用环境要求，因此发明了该燃料电池能量管理控制方法，以解决电池混合驱动方式中在动力电池性能受限时燃料电池仍然持续高功率输出，对动力电池造成的损坏。

燃料电池混合动力汽车能量管理控制策略是燃料电池控制系统的关键技术。燃料电池汽车能量来源包括燃料电池和能量储存器，这个能量储存器可以是动力电池或超级电容，通过能量控制算法实时协调分配燃料电池和能量储存器的功率输出，减少燃料电池发动机的负载功率波动，优化发动机的工作区间并最大程度回收制动能量，实现整车动力系统经济性最优。

在设计能量管理控制过程中，发现控制燃料电池功率没有与动力电池允许功率相匹配等问题，经过一系列的研究和探索把相关问题解决。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种燃料电池能量管理控制方法及系统，考虑燃料电池车辆混合动力输出系统的特性，分别针对燃料电池系统和动力电池系统进行策略优化控制，使混合动力输出系统性能发挥到最佳状态，可以对燃料电池系统车辆所配置的动力电池系统做到良好的保护，避免出现动力电池在高SOC和高、低温下仍有持续高功率充电的情 况，保证动力电池有良好的使用寿命和安全性。

本发明的技术方案是：

一种燃料电池能量管理控制方法，包括以下步骤：

S01：获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断，若动力电池温度T小于等于第一温度阈值T1或动力电池温度T大于等于第四温度阈值T4，控制动力电池不允许持续充电，控制燃料电池不启动；

S02：若动力电池温度T大于第一温度阈值T1小于等于第二温度阈值T2时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第一功率阈值P1，且动力电池SOC小于第二SOC阈值SOC2；

S03：若动力电池温度T大于等于第三温度阈值T3小于第四温度阈值T4时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第二功率阈值P2，且动力电池SOC小于第三SOC阈值SOC3；

S04：若动力电池温度T大于第二温度阈值T2小于第三温度阈值T3时，根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，控制燃料电池功率P大于等于第三功率阈值P3小于等于第四功率阈值P4，其中T1<T2<T3<T4，SOC2<SOC3，P1<P2<P3<P4。

优选的技术方案中，所述步骤S01之前还包括：

获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断，若动力电池温度T在动力电池最低温度阈值Tmin与最高温度阈值Tmax之间，进入燃料电池开启流程，其中Tmin<T1<T2<T3<T4<Tmax。

优选的技术方案中，所述根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，包括：

S11：获取动力电池SOC，对SOC进行判断，若SOC大于等于第五SOC阈值SOC5时，控制燃料电池不启动；

S12：若SOC大于第四SOC阈值SOC4小于第五SOC阈值SOC5时，控制燃料电池功率P小于等于第三功率阈值P3；

S13：若SOC大于第一SOC阈值SOC1小于等于第四SOC阈值SOC4时，控制燃料电池功率P大于等于第四功率阈值P4小于第五功率阈值P5；

S14：若SOC小于等于第一SOC阈值SOC1，控制燃料电池功率P小于等于第五功率阈值P5，其中P1<P2<P3<P4<P5，SOC1<SOC2<SOC3<SOC4。

本发明还公开了一种燃料电池能量管理控制系统，包括：

动力电池温度获取判断单元：获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断；

第一控制处理单元，若动力电池温度T小于等于第一温度阈值T1或动力电池温度T大于等于第四温度阈值T4，控制动力电池不允许持续充电，控制燃料电池不启动；

第二控制处理单元，若动力电池温度T大于第一温度阈值T1小于等于第二温度阈值T2时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第一功率阈值P1，且动力电池SOC小于第二SOC阈值SOC2；

第三控制处理单元，若动力电池温度T大于等于第三温度阈值T3小于第四温度阈值T4时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第二功率阈值P2，且动力电池SOC小于第三SOC阈值SOC3；

第四控制处理单元，若动力电池温度T大于第二温度阈值T2小于第三温度阈值T3时，根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，控制燃料电池功率P大于等于第三功率阈值P3小于等于第四功率阈值P4，其中T1<T2<T3<T4，SOC2<SOC3，P1<P2<P3<P4。

优选的技术方案中，还包括预判单元，获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断，若动力电池温度T在动力电池最低温度阈值Tmin与最高温度阈值Tmax之间，进入燃料电池开启流程，其中Tmin<T1<T2<T3<T4<Tmax。

优选的技术方案中，所述根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，包括：

S11：获取动力电池SOC，对SOC进行判断，若SOC大于等于第五SOC阈值SOC5时，控制燃料电池不启动；

S12：若SOC大于第四SOC阈值SOC4小于第五SOC阈值SOC5时，控制燃料电池功率P小于等于第三功率阈值P3；

S13：若SOC大于第一SOC阈值SOC1小于等于第四SOC阈值SOC4时，控制燃料电池功率P大于等于第四功率阈值P4小于第五功率阈值P5；

S14：若SOC小于等于第一SOC阈值SOC1，控制燃料电池功率P小于等于第五功率阈值P5，其中P1<P2<P3<P4<P5，SOC1<SOC2<SOC3<SOC4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明方法考虑燃料电池车辆混合动力输出系统的特性，分别针对燃料电池系统和动力电池系统进行策略优化控制，使混合动力输出系统性能发挥到最佳状态。在应用于燃料电池系统新能源车辆中，能够持续为车辆提供持续稳定的动力来源，并对可能存在的故障进行预警处理，对燃料电池系统车辆所配置的动力电池系统做到良好的保护，避免出现动力电池在高SOC和高、低温下仍有持续高功率充电的情况，保证动力电池有良好的使用寿命和安全性。

2、本发明控制燃料电池功率与动力电池允许功率相匹配，同时解决避免动力电池过度使用，造成寿命减少，系统安全等问题。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明燃料电池能量管理控制方法的流程图；

图2为本发明各阈值关系示意图；

图3为本发明燃料电池能量管理控制系统的原理框图；

图4为本发明燃料电池能量管理控制方法的逻辑图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，一种燃料电池能量管理控制方法，包括以下步骤：

S01：获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断，若动力电池温度T小于等于第一温度阈值T1或动力电池温度T大于等于第四温度阈值T4，控制动力电池不允许持续充电，控制燃料电池不启动；

S02：若动力电池温度T大于第一温度阈值T1小于等于第二温度阈值T2时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第一功率阈值P1，且动力电池SOC小于第二SOC阈值SOC2；

S03：若动力电池温度T大于等于第三温度阈值T3小于第四温度阈值T4时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第二功率阈值P2，且动力电池SOC小于第三SOC阈值SOC3；

S04：若动力电池温度T大于第二温度阈值T2小于第三温度阈值T3时，根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，控制燃料电池功率P大于等于第三功率阈值P3小于等于第四功率阈值P4。

各阈值关系示意图如图2所示，其中，T1<T2<T3<T4，P1<P2<P3<P4<P5，SOC1<SOC2<SOC3<SOC4。T1、T2、T3、T4，P1、P2、P3、P4、P5，SOC1、SOC2、SOC3、SOC4，为预先设定值，可以根据经验得到或者测试数据得到。其中，SOC是根据系统参数设定值，基于考虑用户体验设定的。

上述方法是作为软件程序融入控制系统中，包括以下单元，如图3所示：

动力电池温度获取判断单元：获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断；

第一控制处理单元，若动力电池温度T小于等于第一温度阈值T1或动力电池温度T大于等于第四温度阈值T4，控制动力电池不允许持续充电，控制燃料电池不启动；

第二控制处理单元，若动力电池温度T大于第一温度阈值T1小于等于第二温度阈值T2时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第一功率阈值P1，且动力电池SOC小于第二SOC阈值SOC2；

第三控制处理单元，若动力电池温度T大于等于第三温度阈值T3小于第四温度阈值T4时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第二功率阈值P2，且动力电池SOC小于第三SOC阈值SOC3；

第四控制处理单元，若动力电池温度T大于第二温度阈值T2小于第三温度阈值T3时，根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，控制燃料电池功率P大于等于第三功率阈值P3小于等于第四功率阈值P4。

燃料电池系统所配的动力电池，可以为功率型动力电池和能量型动力电池等等。

本发明能量管理控制方法，需要对动力电池温度和SOC进行实时判断，动力电池在不同温度区间的允许功率不同，尤其注意高温区域和低温区域；动力电池SOC尽量避免长时间处于高区间，SOC区间控制在50％左右，有 利于延长动力电池系统寿命。

动力电池在低温区域持续高功率充电会造成动力电池析锂，高温区间持续高功率充电会造成动力电池有过温或热失控的风险，因此对高低温温度区间进行控制有利于提高动力电池的安全性。

如果燃料电池系统可以输出较低功率，且不会影响燃料电池系统寿命，可以为动力电池在低温区域进行加热提供能量，但要求燃料电池输出功率≤动力电池加热所需功率。

燃料电池系统根据自身特性，需要进行变载或高功率运行时，可进行参数标定，在动力电池允许最大持续功率范围内均可进行。

车辆在做制动回馈时需要判断当前燃料电池功率，对可能出现的持续回电做预处理。

燃料电池能量管理控制方法，总体设计原理包括以下步骤：

1、车辆正常启动后，对动力电池温度进行预判，根据动力电池当前所处温度区间，判断燃料电池系统是否正常开启或限制功率开启；若动力电池温度T在动力电池最低温度阈值Tmin与最高温度阈值Tmax之间，进入燃料电池开启流程，其中Tmin<T1<T2<T3<T4<Tmax。

2、根据动力电池不同温度，进入燃料电池开启流程后，结合动力电池当前SOC，燃料电池进行分配功率输出；

3、当出现动力电池出现高温、高SOC时，燃料电池进行限制输出功率或停机；

4、当动力电池温度恢复正常或SOC降低至可以开启燃料电池系统后，燃料电池系统开机。

本控制方法，主要设计燃料电池系统和动力电池系统在混合动力输出情况下的能量管理。控制燃料电池功率输出时，需要结合动力电池在不同SOC和温度下的允许持续充电功率进行。动力电池在不同温度下允许持续充电功率不同，因此，燃料电池在实际控制功率输出时，需要考虑在车辆在无功率或小功率运行情况下，燃料电池持续给动力电池充电的情况，此时需要参考动力电池允许充电功率。

本发明控制方法所采取的方案如图4所示，包括以下步骤：

步骤一：燃料电池车辆正常启动后，整车控制器根据当前动力电池温度 进行判断，燃料电池是否正常启动或小功率启动；

步骤二：燃料电池开启条件参考动力电池温度、SOC判断：

1、当T≤T1或T≥T4时，动力电池不允许持续充电，此时燃料电池不启动工作或关机；

2、当T1＜T≤T2，T3≤T＜T4，动力电池允许小功率持续充电，此时燃料电池限制功率P≤P1&SOC＜SOC2，燃料电池功率P≤P2&SOC＜SOC3；

3、当T2＜TBAT3＜T3时，动力电池允许宽范围持续充电功率，P3≤燃料电池功率P≤P4；

步骤三：燃料电池正常功率输出参考动力电池SOC变化：

1、当T2＜T＜T3，燃料电池在宽范围内功率输出时，根据动力电池SOC范围进行控制；

2、当SOC≥SOC5，燃料电池不启动或燃料电池关机；

3、当SOC5＞SOC＞SOC4时，燃料电池功率P≤P3；

4、当SOC1＜SOC≤SOC4时，P4≤燃料电池功率＜P5，在根据当前实际SOC的值，来判断在SOC1和SOC4区间内，根据设定SOC允许功率范围，在P4到P5的区间内的功率值进行加载变化，在根据不同的SOC区间范围内可以设定燃料电池对应的功率，参考横纵坐标对应的值进行，SOC1到SOC4可以根据动力电池允许功率进行设定；

5、当SOC≤SOC1时，SOC根据设定参数要求，实际SOC低于SOC1时，燃料电池可按照最大P5功率输出。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1. 一种燃料电池能量管理控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

   S01：获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断，若动力电池温度T小于等于第一温度阈值T1或动力电池温度T大于等于第四温度阈值T4，控制动力电池不允许持续充电，控制燃料电池不启动；

   S02：若动力电池温度T大于第一温度阈值T1小于等于第二温度阈值T2时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第一功率阈值P1，且动力电池SOC小于第二SOC阈值SOC2；

   S03：若动力电池温度T大于等于第三温度阈值T3小于第四温度阈值T4时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第二功率阈值P2，且动力电池SOC小于第三SOC阈值SOC3；

   S04：若动力电池温度T大于第二温度阈值T2小于第三温度阈值T3时，根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，控制燃料电池功率P大于等于第三功率阈值P3小于等于第四功率阈值P4，其中T1<T2<T3<T4，SOC2<SOC3，P1<P2<P3<P4。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池能量管理控制方法，其特征在于，所述步骤S01之前还包括：

   获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断，若动力电池温度T在动力电池最低温度阈值Tmin与最高温度阈值Tmax之间，进入燃料电池开启流程，其中Tmin<T1<T2<T3<T4<Tmax。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池能量管理控制方法，其特征在于，所述根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，包括：

   S11：获取动力电池SOC，对SOC进行判断，若SOC大于等于第五SOC阈值SOC5时，控制燃料电池不启动；

   S12：若SOC大于第四SOC阈值SOC4小于第五SOC阈值SOC5时，控制燃料电池功率P小于等于第三功率阈值P3；

   S13：若SOC大于第一SOC阈值SOC1小于等于第四SOC阈值SOC4时，控制燃料电池功率P大于等于第四功率阈值P4小于第五功率阈值P5；

   S14：若SOC小于等于第一SOC阈值SOC1，控制燃料电池功率P小于等于第五功率阈值P5，其中P1<P2<P3<P4<P5，SOC1<SOC2<SOC3<SOC4。
4. 一种燃料电池能量管理控制系统，其特征在于，包括：

   动力电池温度获取判断单元：获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断；

   第一控制处理单元，若动力电池温度T小于等于第一温度阈值T1或动力电池温度T大于等于第四温度阈值T4，控制动力电池不允许持续充电，控制燃料电池不启动；

   第二控制处理单元，若动力电池温度T大于第一温度阈值T1小于等于第二温度阈值T2时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第一功率阈值P1，且动力电池SOC小于第二SOC阈值SOC2；

   第三控制处理单元，若动力电池温度T大于等于第三温度阈值T3小于第四温度阈值T4时，控制动力电池允许小功率持续充电，控制燃料电池功率P小于等于第二功率阈值P2，且动力电池SOC小于第三SOC阈值SOC3；

   第四控制处理单元，若动力电池温度T大于第二温度阈值T2小于第三温度阈值T3时，根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，控制燃料电池功率P大于等于第三功率阈值P3小于等于第四功率阈值P4，其中T1<T2<T3<T4，SOC2<SOC3，P1<P2<P3<P4。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池能量管理控制系统，其特征在于，还包括预判单元，获取动力电池温度T，对动力电池温度T进行判断，若动力电池温度T在动力电池最低温度阈值Tmin与最高温度阈值Tmax之间，进入燃料电池开启流程，其中Tmin<T1<T2<T3<T4<Tmax。
6. 根据权利要求4所述的燃料电池能量管理控制系统，其特征在于，所述根据动力电池SOC范围控制动力电池的充电功率，包括：

   S11：获取动力电池SOC，对SOC进行判断，若SOC大于等于第五SOC阈值SOC5时，控制燃料电池不启动；

   S12：若SOC大于第四SOC阈值SOC4小于第五SOC阈值SOC5时，控制燃料电池功率P小于等于第三功率阈值P3；

   S13：若SOC大于第一SOC阈值SOC1小于等于第四SOC阈值SOC4时，控制燃料电池功率P大于等于第四功率阈值P4小于第五功率阈值P5；

   S14：若SOC小于等于第一SOC阈值SOC1，控制燃料电池功率P小于等于第五功率阈值P5，其中P1<P2<P3<P4<P5，SOC1<SOC2<SOC3<SOC4。

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