CN110182071A - 一种功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法，属于燃料电池混合动力汽车技术领域，针对目前的燃料电池整车能量管理控制方法无法根据动力电池SOC和驾驶员功率需求控制动力电池和燃料电池在最优效率区间之内进行工作，影响电池寿命和经济性的问题。本发明充分利用了燃料电池和动力电池的特性，根据整车功率需求和动力电池实时荷电状态来对应控制燃料电池的实际输出功率，保证二者均工作在最优区间，在动力电池不同荷电状态区间对燃料电池功率进行滤波和斜率限制保证了整个工况中动力电池的多充或多放和避免燃料电池输出功率的大幅值频繁波动，也增加了燃料电池的耐久性。

Description

一种功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池混合动力汽车技术领域，涉及一种针对燃料电池和动力电池的的能量进行协调分配的方法，具体为功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法。

背景技术

在石油资源的日益缺乏及环保法规的越发严格的今天，各国都在大力发展新能源汽车，而作为在应用环节里真正意义上零排放的清洁能源，氢燃料电池有其独到优势。燃料电池汽车不仅能够在燃料上实现对汽油的完全代替，而且具备能量转换效率高、加氢时间短，续航里程长等优势。

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。

针对燃料电池能量管理技术，有以下几种控制方法：

中国专利1(CN104002804B)中公开了一种用于燃料电池混合动力的能量控制方法，实时获取车辆状态数据，根据庞特里亚金最小值原理计算得到预存数据表，根据车辆数据查表实时获取电机扭矩需求和DCDC电流最优值。

中国专利2(CN101612939B)中公开了一种控制燃料电池的输出以改善燃料电池混合动力车的燃料效率的方法，燃料电池以最佳效率点恒定功率运行，如果蓄能装置输出或能量不足，则直接连接燃料电池和蓄能装置，并且当停车或者低动力运行期间蓄能装置的能量水平增加时，停止燃料电池的动力生成，使得燃料电池集中在最佳效率点运行。

中国专利文3(CN105313710A)公开了一种燃料电池混合动力汽车控制系统的控制方法。所述燃料电池混合动力汽车系统包括燃料电池组、升压逆变器、蓄电池组和电动机。所述方法混合动力汽车不同的运行工况，由上位机通讯模块给出功率指令，系统控制模块根据燃料电池、蓄电池和交流侧输出功率上一时刻的匹配程度，计算得到燃料电池需输出的功率，蓄电池检测模块检测蓄电池的荷电量等信息，由系统控制模块计算决定是否给蓄电池充电，来控制蓄电池的充放电。

对于上述专利文献所公开的控制方法，均没有设定和明确动力电池SOC相关限值的设定原则和根据车辆实时状态动态自适应调整SOC目标值，无法控制动力电池在最优效率区间之内进行充放电；另外，均没有考虑对燃料电池的功率请求信号进行平滑处理，燃料电池的负载频繁且较大幅值的波动会降低其耐久性和输出效率。另外，均没有设定跛行模式，燃料电池的氢气不足或者出现故障时，会导致车辆不能行驶，降低了系统的可靠性。专利文献1的控制方法中，只考虑了针对每个SOC和整车需求功率的map点下的DCDC最优功率，没有考虑SOC平衡，会导致动力电池过充或过放；专利文献2的控制方法中，燃料电池会随着动力电池电量的升高和降低频繁起停机，降低耐久性；专利文献3的控制方法中，只公布了几种车辆模式，没有说明具体的实施控制算法，不利于实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池混合动力汽车的功率跟随型能量管理控制算法，通过实时识别动力电池SOC和驾驶员功率需求，尽量使燃料电池和动力电池各自工作在高效率区间，同时减少燃料电池的功率波动，从而提高总成的寿命和整车的经济性。

本发明所述的动力系统包括：燃料电池系统、动力电机、动力电池；所述燃料电池系统包含燃料电池发动机、升压DCDC变换器、氢管理系统及自身附件，燃料电池发动机通过升压DCDC变换器与动力电池并联为电机提供功率输出；燃料电池控制单元、动力电池控制单元、电机控制单元和整车控制器通过整车CAN线组成车辆局域CAN网络，进行信息交互。

所述的燃料电池混合动力能量管理控制方法，包括以下步骤：

(1)实时采集车辆总成信息，所述车辆总成信息包括动力电池荷电状态SOC_actual、动力电池电流I_bat、动力电池电压U_bat、动力电池许用充电功率为P_{bat_charge}、动力电池许用放电功率为P_{bat_discharge}、燃料电池系统功率P_FC、电机转速n_TM、电机效率η_TM、电机许用扭矩能力T_{Motor_available}、车辆高压附件功率P_acc、车速V，加速踏板开度

(2)根据加速踏板开度车速V、电机许用扭矩能力T_{Motor_available}计算驾驶员需求扭矩T_req；

针对匹配的电机特性，给出每个车速V下对应的电机许用扭矩能力T_{Motor_available}；

驾驶员需求扭矩：

(3)根据驾驶员需求扭矩T_req、电机转速n_TM、电机效率η_TM计算驾驶员需求功率P_req，

(4)根据驾驶员需求功率和车辆高压附件功率计算车辆需求功率P_veh

P_veh＝P_req+P_acc

(5)根据匹配的动力电池的特性参数，考虑最优充放电效率和耐久性，根据动力电池台架试验设置最优控制目标SOC_target，在此SOC下工作动力电池的效率最佳和寿命最长。

计算期望动力电池输出功率P_bat，

其中，Q_bat、t_int为设定值，分别为动力电池可用能量和最优SOC目标期望时间；

所述SOC_target可根据车辆的实时车速进行调整，SOC较高将SOC_target调低，SOC较低时将SOC_target调高；

所述P_bat符号为正时，计算值为动力电池期望放电功率；P_bat符号为负时，计算值为动力电池期望充电功率；

(6)根据匹配的动力电池的特性，得出动力电池的电压最佳工作区、充电电压上限和放电电压下限，由两个电压限值对应得出动力电池允许使用的SOC区间上限值为SOC_{available_max}，动力电池允许使用的SOC区间下限值为SOC_{available_min}；根据燃料电池的特性参数，设定燃料电池的最优效率工作点为P_{FC_Optimal}，燃料电池的最小功率工作点为P_{FC_min}，燃料电池的额定功率点为P_{FC_max}。

对于动力电池荷电状态SOC和车辆需求功率P_veh，满足：SOC≤SOC_{available_min}时，动力电池容量处于极低荷电状态，为了避免动力电池SOC持续走低导致过度放电，限制驾驶员需求功率，整车控制器发送给燃料电池控制系统的功率请求输出为燃料电池的额定功率和整车需求功率加上动力电池许用充电功率取小值，即P_FC＝min{P_{FC_max}，P_veh+P_{bat_charge}}；SOC_{available_min}＜SOC＜SOC_target时，动力电池容量处于较低荷电状态，整车控制器请求燃料电池控制系统输出为整车需求功率加上动力电池期望充电功率和整车需求功率加上动力电池许用充电功率取小值，即P_FC＝min{P_veh+P_bat，P_veh+P_{bat_charge}}；SOC＝SOC_target时，整车控制器请求燃料电池系统输出为整车需求功率，即P_FC＝P_veh；SOC_target＜SOC＜SOC_{available_max}时，动力电池容量处于较高荷电状态，整车控制器请求燃料电池控制系统输出为燃料电池最小功率和整车需求功率减去动力电池许用放电功率取大值，即P_FC＝max{P_veh-P_{bat_discharge}，P_{FC_min}}；SOC≥SOC_{available_max}时，动力电池容量处于极高荷电状态，为了避免动力电池SOC过高造成过充，整车控制器请求燃料电池系统停机。

所述极高荷电状态、较高荷电状态、较低荷电状态、极低荷电状态是由动力电池控制单元计算并发送动力电池的实时电量到车辆CAN网络，HCU采集后根据电量处于的不同区间进行判断。

(7)根据燃料电池的特性，对步骤6所计算的燃料电池功率请求值(以下简称为功率请求值)进行修正，当功率请求值处于燃料电池高效率区间时，不对其进行修正处理，当功率请求值处于燃料电池低效率区间时，将功率请求值偏移至高效区边界值。同时，当动力电池荷电状态低于最优控制目标SOC时，设置对动力电池的最小充电功率；当动力电池荷电状态高于最优控制目标SOC时，设置对动力电池的最小放电功率。

所述燃料电池高效率区间、低效率区间是由燃料电池模型仿真并结合发动机台架测试，设定燃料电池系统效率高于或等于50％的功率区间为高效率区间，设定燃料电池系统效率低于于50％的功率区间为低效率区间。

(8)对计算出的燃料电池功率请求进行滤波和斜率限制，并根据动力电池的荷电状态调整滤波系数和斜率限值的大小，动力电池荷电状态较低时减小下降速率，动力电池荷电状态较高时减小上升速率，避免了燃料电池负载的频繁波动和输出功率幅值变化过大，提高了燃料电池系统的经济性和耐久性。

所述能量管理控制方法中还包括了以下步骤：

当所述车辆进行制动能量回收时，将燃料电池功率降低至最小功率工作点，最大限度的回收制动能量；

当所述动力电池系统的荷电状态过高时，对燃料电池进行正常停机处理，同时关闭升压DCDC变换器，以切断燃料电池与电机母线的能量连接，同时使动力电池承担整车的功率需求；

当所述燃料电池系统出现异常不能输出功率时，对燃料电池系统进行紧急停机处理，同时关闭升压DCDC变换器，切换燃料电池与电机母线的能量连接，同时使动力电池承担整车的功率需求；

本发明的有益效果：

本发明提供的能量管理控制方法针对燃料电池混合动力系统，充分利用了燃料电池和动力电池的特性，根据整车功率需求和动力电池实时荷电状态来对应控制燃料电池的实际输出功率，同时能够最大限度的回收再生制动能量，在动力电池不同荷电状态区间对燃料电池功率进行不同程度的滤波和ramp，同时保证了整个工况中动力电池的多充或多放和避免燃料电池输出功率的大幅值频繁波动，使燃料电池和动力电池的效率达到了最优，也增加了燃料电池的耐久性。此外，在燃料电池氢气余量不足或出现故障时，将燃料电池从车辆能量供给系统中剥离出来，利用动力电池的能量为车辆供电，提高了整个能量管理系统的可靠性。

附图说明

图1所示为本发明适用于的燃料电池混合动力车车辆的能量管理系统构型；

图2所示为本发明动力电池荷电状态区间划分示意图；

图3所示为本发明所述燃料电池混合动力的能量管理控制方法流程图；

图4所示为本发明燃料电池高效率区间和工作点划分示意图；

图5所示为本发明所述能量管理控制算法框架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出详细的说明。

图1是一种本发明适用的燃料电池混合动力车辆的能量管理系统构型。如图，所述的系统包括燃料电池系统及燃料电池控制单元、动力电池及动力电池控制单元、DCDC变换器及DCDC控制单元、动力电机及动力电机控制单元，以及一些其他控制单元及部件。所述燃料电池系统包括燃料电池发动机、升压DCDC变换器、氢管理系统及自身附件，能量传递路径为燃料电池发动机通过升压DCDC变换器与动力电池并联提供能量给动力电机，动力电机输出转矩，经过驱动桥最后传递到车轮端，实现车辆驱动。其中燃料电池控制单元、动力电池控制单元、动力电池控制单元和整车控制器通过整车CAN线组成车辆局域CAN网络，进行信息交互，整车控制器HCU负责协调能量分配，在保证安全性前提下实现经济性最优。

图2是本发明中动力电池荷电状态区间划分示意图。根据匹配的动力电池的特性参数，考虑动力电池最优充放电效率和耐久性，设置最优控制目标SOC_target，动力电池荷电状态范围为0-100％，允许使用的SOC区间上限值为SOC_{available_max}，允许使用的SOC区间上限值为SOC_{available_min}；所述动力电池极低荷电状态，符合0≤SOC≤SOC_{available_min}；所述动力电池较低荷电状态，符合SOC_{available_min}＜SOC＜SOC_target；所述动力电池较高荷电状态，符合SOC_target＜SOC＜SOC_{available_max}；所述动力电池极高荷电状态，符合SOC≥SOC_{available_max}。

图3是本发明所述燃料电池混合动力的能量管理控制方法流程图。所述能量管理控制方法包括以下步骤：

(1)实时采集车辆总成信息，所述车辆总成信息包括但不限于动力电池荷电状态SOC_actual、动力电池电流I_bat、动力电池电压U_bat、动力电池许用充电功率为P_{bat_charge}、动力电池许用放电功率为P_{bat_discharge}、燃料电池系统功率P_FC、电机转速n_TM、电机效率η_TM、车辆高压附件功率P_acc、车速V，加速踏板开度

(2)根据加速踏板开度和车速V计算驾驶员需求扭矩T_req；

(3)根据驾驶员需求扭矩T_req、电机转速n_TM、电机效率η_TM计算驾驶员需求功率P_req，

(4)根据驾驶员需求功率和车辆高压附件功率计算车辆需求功率P_veh，

P_veh＝P_req+P_acc

(5)根据匹配的动力电池的特性参数，考虑动力电池的最优充放电效率和耐久性，设置最优控制目标SOC_target，计算期望动力电池输出功率P_bat，

其中，Q_bat、t_int为设定值，分别为动力电池可用能量和最优SOC目标期望时间；

所述SOC_target可根据车辆的实时车速进行调整，SOC较高将SOC_target调低，SOC较低时将SOC_target调高；

所述P_bat符号为正时，计算值为动力电池期望放电功率；P_bat符号为负时，计算值为动力电池期望充电功率；所述P_bat值均在动力电池许用充放电能力范围之内。

所述t_int可根据动力电池状态和车辆所处的生命周期进行调整，以调整算法对最优目标SOC平衡的敏感性。

(6)根据动力电池的特性参数，设定动力电池允许使用的SOC区间上限值为SOC_{available_max}，动力电池允许使用的SOC区间上限值为SOC_{available_min}；根据燃料电池的特性参数，设定燃料电池的最优效率工作点为P_{FC_Optimal}，燃料电池的最小功率工作点为P_{FC_min}，燃料电池的额定功率点为P_{FC_matx}。

对于动力电池荷电状态SOC和车辆需求功率P_veh，满足：SOC≤SOC_{available_min}时，动力电池容量处于极低荷电状态，为了避免动力电池SOC持续走低导致过度放电，限制驾驶员需求功率，整车控制器发送给燃料电池控制系统的功率请求输出为燃料电池的额定功率和整车需求功率加上动力电池许用充电功率取小值，即P_FC＝min{P_{FC_max}，P_veh+P_batcharge}；SOC_{available_min}＜SOC＜SOC_target时，动力电池容量处于较低荷电状态，整车控制器请求燃料电池控制系统输出为整车需求功率加上动力电池期望充电功率和整车需求功率加上动力电池许用充电功率取小值，即P_FC＝min{P_veh+P_bat，P_veh+P_{bat_charge}}；SOC＝SOC_target时，整车控制器请求燃料电池系统输出为整车需求功率，即P_FC＝P_veh；SOC_target＜SOC＜SOC_{available_max}时，动力电池容量处于较高荷电状态，整车控制器请求燃料电池控制系统输出为燃料电池最小功率和整车需求功率减去动力电池许用放电功率取大值，即P_FC＝max{P_veh-P_{bat_discharge}，P_{FC_min}}；SOC≥SOC_{available_max}时，动力电池容量处于极高荷电状态，为了避免动力电池SOC过高造成过充，整车控制器请求燃料电池系统停机。

所述极高荷电状态、较高荷电状态、较低荷电状态、极低荷电状态是由动力电池控制单元计算并发送动力电池的实时电量到车辆CAN网络，HCU采集后根据电量处于的不同区间进行判断。

(7)根据燃料电池的特性，考虑燃料电池的效率，对步骤6所计算的燃料电池功率请求值(以下简称为功率请求值)进行修正。

(8)对计算出的燃料电池功率请求进行滤波和斜率限制。

所述能量管理控制方法中还包括了以下步骤：

当所述车辆进行制动能量回收时，将燃料电池功率降低至最小功率工作点，最大限度的回收制动能量；

当所述动力电池系统的荷电状态过高时，对燃料电池进行正常停机处理，同时关闭升压DCDC变换器，以切断燃料电池与电机母线的能量连接，同时动力电池承担整车的功率需求；

当所述燃料电池系统出现异常不能输出功率时，对燃料电池系统进行紧急停机处理，同时关闭升压DCDC变换器，切断燃料电池与电机母线的能量连接，同时动力电池承担整车的功率需求；

图4是本发明中燃料电池高效率区间和工作点划分示意图。如图所示，根据燃料电池特性参数，设定燃料电池最小功率工作点为P_{FC_min}，额定功率工作点为P_{FC_max}，高效率区下限功率点为P_{FC_optimal_min}，最优效率工作点为P_{FC_Optimal}，高效率区上限功率点为P_{FC_opttmal_max}。所述步骤6中对燃料电池功率请求修正，包括：当功率请求值处于燃料电池高效率区间时，不对其进行处理；当功率请求值低于高效率区间时，将功率请求值偏移至高效率区下限；当功率请求值高于高效率区间时，将功率请求值偏移至高效率区上限；同时，当动力电池荷电状态低于最优控制目标SOC时，设置对动力电池的最小充电功率；当动力电池荷电状态高低于最优控制目标SOC时，设置对动力电池的最小放电功率。

所述燃料电池高效率区间、低效率区间是由燃料电池模型仿真并结合发动机台架测试，设定燃料电池系统效率高于或等于50％的功率区间为高效率区间，设定燃料电池系统效率低于于50％的功率区间为低效率区间。

图5是本发明所述能量管理控制算法框架。具体分为动力电池充放电功率计算部分、燃料电池功率请求计算部分、燃料电池功率请求修正部分、功率滤波和ramp部分。所述步骤8中对燃料电池功率请求进行滤波和斜率限制，并根据动力电池的荷电状态调整滤波系数和斜率限值的大小，避免了燃料电池负载的频繁波动和输出功率幅值变化过大，提高了燃料电池系统的经济性和耐久性。

Claims (5)

1.一种功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法，包括以下步骤：

(1)实时采集车辆总成信息，所述车辆总成信息包括动力电池荷电状态SOC_actual、动力电池电流I_bat、动力电池电压U_bat、动力电池许用充电功率为P_{bat_charge}、动力电池许用放电功率为P_{bat_discharge}、燃料电池系统功率P_FC、电机转速n_TM、电机效率η_TM、电机许用扭矩能力T_{Motor_available}、车辆高压附件功率P_acc、车速V，加速踏板开度

(2)根据加速踏板开度车速V、电机许用扭矩能力T_{Motor_available}计算驾驶员需求扭矩T_req；

针对匹配的电机特性，给出每个车速V下对应的电机许用扭矩能力T_{Motor_available}；

驾驶员需求扭矩：

(3)根据驾驶员需求扭矩T_req、电机转速n_TM、电机效率η_TM计算驾驶员需求功率P_req，

(4)根据驾驶员需求功率和车辆高压附件功率计算车辆需求功率P_veh

P_veh＝P_req+P_acc

(5)根据匹配的动力电池的特性参数，考虑最优充放电效率和耐久性，根据动力电池台架试验设置最优控制目标SOC_target，在此SOC下工作动力电池的效率最佳和寿命最长；

计算期望动力电池输出功率P_bat，

其中，Q_bat、t_int为设定值，分别为动力电池可用能量和最优SOC目标期望时间；

所述SOC_target可根据车辆的实时车速进行调整，SOC较高将SOC_target调低，SOC较低时将SOC_target调高；

所述P_bat符号为正时，计算值为动力电池期望放电功率；P_bat符号为负时，计算值为动力电池期望充电功率；

(6)根据匹配的动力电池的特性，得出动力电池的电压最佳工作区、充电电压上限和放电电压下限，由两个电压限值对应得出动力电池允许使用的SOC区间上限值为SOC_{available_max}，动力电池允许使用的SOC区间下限值为SOC_{available_min}；根据燃料电池的特性参数，设定燃料电池的最优效率工作点为P_{FC_Optimal}，燃料电池的最小功率工作点为P_{FC_min}，燃料电池的额定功率点为P_{FC_max}；

对于动力电池荷电状态SOC和车辆需求功率P_veh，满足：SOC≤SOC_{available_min}时，动力电池容量处于极低荷电状态，为了避免动力电池SOC持续走低导致过度放电，限制驾驶员需求功率，整车控制器发送给燃料电池控制系统的功率请求输出为燃料电池的额定功率和整车需求功率加上动力电池许用充电功率取小值，即P_FC＝min{P_{FC_max},P_veh+P_{bat_charge}}；SOC_{available_min}＜SOC＜SOC_target时，动力电池容量处于较低荷电状态，整车控制器请求燃料电池控制系统输出为整车需求功率加上动力电池期望充电功率和整车需求功率加上动力电池许用充电功率取小值，即P_FC＝min{P_veh+P_bat,P_veh+P_{bat_charge}}；SOC＝SOC_target时，整车控制器请求燃料电池系统输出为整车需求功率，即P_FC＝P_veh；SOC_target＜SOC＜SOC_{available_max}时，动力电池容量处于较高荷电状态，整车控制器请求燃料电池控制系统输出为燃料电池最小功率和整车需求功率减去动力电池许用放电功率取大值，即P_FC＝max{P_veh-P_{bat_discharge},P_{FC_min}}；SOC≥SOC_{available_max}时，动力电池容量处于极高荷电状态，为了避免动力电池SOC过高造成过充，整车控制器请求燃料电池系统停机；

所述极高荷电状态、较高荷电状态、较低荷电状态、极低荷电状态是由动力电池控制单元计算并发送动力电池的实时电量到车辆CAN网络，HCU采集后根据电量处于的不同区间进行判断；

7)根据燃料电池的特性，对步骤6所计算的燃料电池功率请求值进行修正，当燃料电池功率请求值处于燃料电池高效率区间时，不对其进行修正处理，当燃料电池功率请求值处于燃料电池低效率区间时，将燃料电池功率请求值偏移至高效区边界值；同时，当动力电池荷电状态低于最优控制目标SOC时，设置对动力电池的最小充电功率；当动力电池荷电状态高于最优控制目标SOC时，设置对动力电池的最小放电功率；

所述燃料电池高效率区间、低效率区间是由燃料电池模型仿真并结合发动机台架测试，设定燃料电池系统效率高于或等于50％的功率区间为高效率区间，设定燃料电池系统效率低于于50％的功率区间为低效率区间；

8)对计算出的燃料电池功率请求进行滤波和斜率限制。

2.根据权利要求1所述的功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法，其特征在于，步骤8)对计算出的燃料电池功率请求进行滤波和斜率限制，具体根据动力电池的荷电状态调整滤波系数和斜率限值的大小，动力电池荷电状态较低时减小下降速率，动力电池荷电状态较高时减小上升速率。

3.根据权利要求1所述的功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：当所述车辆进行制动能量回收时，将燃料电池功率降低至最小功率工作点。

4.根据权利要求1所述的功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：当所述动力电池系统的荷电状态过高时，对燃料电池进行正常停机处理，同时关闭升压DCDC变换器，以切断燃料电池与电机母线的能量连接，同时使动力电池承担整车的功率需求。

5.根据权利要求1所述的功率跟随型燃料电池整车能量管理控制方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：当所述燃料电池系统出现异常不能输出功率时，对燃料电池系统进行紧急停机处理，同时关闭升压DCDC变换器，切换燃料电池与电机母线的能量连接，同时使动力电池承担整车的功率需求。