CN111137177A

CN111137177A - 燃料电池车的能量控制方法、装置、存储介质及电子设备

Info

Publication number: CN111137177A
Application number: CN201911413886.1A
Authority: CN
Inventors: 顾欣; 蔡俊; 夏增刚; 庄琳琳
Original assignee: Shanghai Jieqing Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Hydrogen Propulsion Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN111137177B

Abstract

本发明提供了一种燃料电池车的能量控制方法、装置、存储介质及电子设备，该能量控制方法应用于包括燃料电池以及动力电池的燃料电池汽车，基于上一采集周期的第一工作模式以及当前工作模式，判断动力电池的工作模式是否发生跳转，如果是，根据上一采集周期的燃料电池的功率给定，确定出燃料电池的目标功率给定；如果否，确定上一采集周期的燃料电池的功率为燃料电池的目标功率给定。可见，在本方案中，在工作模式进行跳转时，基于上一采集周期的燃料电池的功率进行功率预估，能够满足SOC平衡，且，相邻工作模式之间的SOC相互嵌套，减小了燃料电池运行过程中的变载次数以及变载时间，进而提高了燃料电池的耐久性。

Description

燃料电池车的能量控制方法、装置、存储介质及电子设备

技术领域

本发明涉及能量管理技术领域，具体涉及一种燃料电池车的能量控制方法、装置、存储介质及电子设备。

背景技术

氢燃料电池汽车凭借其零排放，启动快，运行噪声低，加氢时间短，且一次加氢续驶里程相当于汽油车等特点，被广泛应用在新能源汽车领域。

而氢燃料电池车辆上，通常以质子交换膜燃料电池为主能源，动力电池作为辅助能源，两种能源多数采用并联式连接，共同驱动车辆行驶。若整车电机需要高功率输出时，动力电池补充了燃料电池功率的不足；当整车功率需求快速增加或回馈制动时，动力电池弥补燃料电池动态响应能力的不足并可以吸收回馈制动的能量；当整车功率需求较小时，燃料电池输出较大功率，满足整车功率需求的同时，使用多余的能量对动力电池充电。并联式动力***克服了现阶段燃料电池峰值功率的较低缺点，并可以优化整车经济性。此外，辅助能源的加入也为优化质子交换膜燃料电池的经济性和耐久性提供了空间。所以，动力***的能量管理方式很大程度上影响整车动力性和燃料电池的耐久性、经济性。

因此，如何提供一种燃料电池车的能量控制方法，能够满足SOC平衡的前提下，提高燃料电池的耐久性，是本领域技术人员亟待解决的一大技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种燃料电池汽车的能量控制方法，能够满足SOC平衡的前提下，提高燃料电池的耐久性。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种燃料电池车的能量控制方法，应用于燃料电池汽车，所述燃料电池汽车至少包括燃料电池以及动力电池，所述能量控制方法包括：

获取所述动力电池的当前工作模式以及上一采集周期的第一工作模式，相邻工作模式之间的SOC相互嵌套；

基于所述第一工作模式以及所述当前工作模式，判断所述动力电池的工作模式是否发生跳转，如果是，根据上一采集周期的所述燃料电池的功率给定，确定出所述燃料电池的目标功率给定；如果否，确定上一采集周期的所述燃料电池的功率为所述燃料电池的目标功率给定。

可选的，所述获取所述动力电池的当前工作模式以及上一采集周期的第一工作模式，包括：

获取所述动力电池的当前SOC以及上一采集周期的所述动力电池的第一SOC；

基于所述当前SOC、所述第一SOC以及预设的SOC与工作模式的对应关系，确定出所述当前工作模式以及上一采集周期的所述第一工作模式。

可选的，所述根据上一采集周期的所述燃料电池的功率给定，确定出所述燃料电池的目标功率给定，包括：

当所述动力电池的当前工作模式为第一预设工作模式时，确定所述上一采集周期的所述燃料电池的功率给定以及所述燃料电池的目标功率给定均为第一预设值；

当所述动力电池的当前工作模式为所述对应关系中的其他工作模式时，将上一采集周期的所述燃料电池的功率给定代入预设公式，计算得到所述燃料电池的目标功率给定。

可选的，所述预设公式为：

一种燃料电池车的能量控制装置，应用于燃料电池汽车，所述燃料电池汽车至少包括燃料电池以及动力电池，所述能量控制装置包括：

获取模块，用于获取所述动力电池的当前工作模式以及上一采集周期的第一工作模式，相邻工作模式之间的SOC相互嵌套；

判断模块，用于基于所述第一工作模式以及所述当前工作模式，判断所述动力电池的工作模式是否发生跳转，如果是，根据上一采集周期的所述燃料电池的功率给定，确定出所述燃料电池的目标功率给定；如果否，确定上一采集周期的所述燃料电池的功率为所述燃料电池的目标功率给定。

可选的，所述获取模块包括：

获取单元，用于获取所述动力电池的当前SOC以及上一采集周期的所述动力电池的第一SOC；

第一确定单元，用于基于所述当前SOC、所述第一SOC以及预设的SOC与工作模式的对应关系，确定出所述当前工作模式以及上一采集周期的所述第一工作模式。

可选的，所述判断模块包括：

第二确定单元，用于当所述动力电池的当前工作模式为第一预设工作模式时，确定所述上一采集周期的所述燃料电池的功率给定以及所述燃料电池的目标功率给定均为第一预设值；

第三确定单元，用于当所述动力电池的当前工作模式为所述对应关系中的其他工作模式时，将上一采集周期的所述燃料电池的功率给定代入预设公式，计算得到所述燃料电池的目标功率给定。

可选的，所述预设公式为：

一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行任意一项上述的燃料电池车的能量控制方法。

一种电子设备，设备包括至少一个处理器、以及与处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，所述处理器、所述存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行任意一项上述的燃料电池车的能量控制方法。

基于上述技术方案，本发明实施例提供了一种燃料电池车的能量控制方法、装置、存储介质及电子设备，该能量控制方法应用于包括燃料电池以及动力电池的燃料电池汽车，首先获取动力电池的当前工作模式以及上一采集周期的第一工作模式。然后，基于第一工作模式以及当前工作模式，判断动力电池的工作模式是否发生跳转，如果是，根据上一采集周期的燃料电池的功率给定，确定出燃料电池的目标功率给定；如果否，确定上一采集周期的燃料电池的功率为燃料电池的目标功率给定。可见，在本方案中，在工作模式进行跳转时，基于上一采集周期的燃料电池的功率进行功率预估，能够满足SOC平衡，且，相邻工作模式之间的SOC相互嵌套，使得减小了燃料电池运行过程中的变载次数以及变载时间，进而提高了燃料电池的耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种燃料电池车的能量控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于动力电池的SOC划分工作模式的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种燃料电池车的能量控制方法的又一流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种燃料电池车的能量控制方法的又一流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种燃料电池车的能量控制方法的又一流程示意图；

图6为基于本发明实施例提供的能量管理方法进行能量管理下的运行数据示意图；

图7为按传统开关逻辑能量管理的运行数据示意图；

图8为本发明实施例提供的一种燃料电池车的能量控制装置的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种电子设备的硬件架构图。

具体实施方式

正如背景技术所述，动力***的能量管理方式很大程度上影响整车动力性和燃料电池的耐久性、经济性。因此，现有技术采用如下几种方式进行能量管理：

1)使用基于规则的控制进行能量管理。即，根据工程经验，使用开关逻辑、静态表格或模糊逻辑标定燃料电池输出功率。这类算法较为简单，计算量小，易于实现，在燃料电池车辆能量管理策略中应用广泛，但属于静态控制策略，车辆工况和环境适应性较差。

2)利用GPS、ITS获得驾驶循环的信息，从而针对未来工况优化能量管理策略，实现提高燃料电池经济性与耐久性的目的。但该类方法依靠智能交通***和外部通讯设备，***复杂度大，成本高，应用受到限制。

3)采用车辆行驶的历史数据进行建模，从而对未来工况进行预测，从而对燃料电池经济性进行优化。这类思路主要使用到的方法有：基于马尔科夫链的随机预测算法、基于动态规划的能量管理策略(DDP算法)、基于模型预测控制的能量管理算法(MPC算法)、基于分类器构造的工况识别(人工神经网络分类器，支持向量机分类器、K-means分类器)等。这类算法计算量较大，实时性不足，但无须外部设备的支持，理论上可以达到全局最优。

4)针对低混合度氢燃料电池车辆，建立了以燃料电池***作为主导，动力电池SOC平衡型的控制策略，并根据制定不同的工作模式满足不同工况的功率需求，提高了整车经济性能。这类算法工作模式设定较为复杂，对工况的识别要求较高。

基于此，本发明实施例提出一种燃料电池车的能量控制方法，利用四阶龙格库塔法积分和罚函数预估车辆工况，进而优化车载燃料电池耐久性。具有计算量小，功率预估准确，燃料电池变载极低且耐久性提高显著，算法鲁棒性强等特点，为质子交换膜燃料电池车辆能量管理提供有效途径。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种燃料电池车的能量控制方法的流程示意图，该燃料电池车的能量控制方法，应用于至少包括燃料电池以及动力电池的燃料电池汽车，具体的，该能量控制方法包括步骤：

S11、获取所述动力电池的当前工作模式以及上一采集周期的第一工作模式。

具体的，如图2所示，在本实施例中，基于动力电池的SOC划分工作模式，且相邻工作模式之间的SOC相互嵌套。需要说明的是，相邻工作模式之间的SOC相互嵌套是指同一个SOC可以对应至少两个相邻的工作模式，例如，结合图2，当SOC为62％时，其对应的工作模式为Mode11、Mode10以及Mode9。又如，当SOC为36％时，其对应的工作模式为Mode5以及Mode4。

S12、基于所述第一工作模式以及所述当前工作模式，判断所述动力电池的工作模式是否发生跳转，如果是，根据上一采集周期的所述燃料电池的功率给定，确定出所述燃料电池的目标功率给定；如果否，确定上一采集周期的所述燃料电池的功率为所述燃料电池的目标功率给定。

示意性的，如图3所示，当燃料电池完成启动，燃料电池所处Mode与功率给定为初始值。***运行时，按照图2的SOC与工作模式的对应关系，实时判断Mode是否跳转。若Mode没有发生跳转，表示当前功率给定符合当前工况，燃料电池功率给定不变；若Mode发生跳转，表示当前功率给定不符合当前工况，可以依据上一模式工作时间的功率消耗和惩罚值确定出燃料电池的目标功率给定，并继续判断模式是否发生跳转。

发明人发现，燃料电池运行过程中的寿命衰减主要发生在输出功率变化的过程(例如燃料电池恒定功率输出时的寿命是跟随车辆功率需求变载时的5到10倍)。所以本实施例预估车辆当前工况下的能量需求，给定准确的运行功率点，极大减小燃料电池运行过程中的变载次数与变载时间，以此显著提高燃料电池寿命的同时，并维持整车SOC平衡，避免车载动力电池馈电。

在上述实施例的基础上，本实施例进一步提供了一种获取所述动力电池的当前工作模式以及上一采集周期的第一工作模式的具体实现方式，如图4所示，包括步骤：

S41、获取所述动力电池的当前SOC以及上一采集周期的所述动力电池的第一SOC；

S42、基于所述当前SOC、所述第一SOC以及预设的SOC与工作模式的对应关系，确定出所述当前工作模式以及上一采集周期的所述第一工作模式。

即，由图2查表得到SOC对应的工作模式。

除此，本实施例还进一步提供了一种基于所述第一工作模式以及所述当前工作模式，判断所述动力电池的工作模式是否发生跳转的具体实现方式，例如：

当***开启时，获取当前SOC，由于***刚开启，则当前SOC较高，因此，当前SOC对应为Mode11，该模式下的功率给定为***初始值，例如Mode11功率给定恒为0。之后经过预设的时间周期，继续获取当前SOC，此时，上一采集周期的动力电池的SOC确定为第一SOC。

而在本方案中，不同的工作模式之间以滞环嵌套，避免工作模式的频繁切换。例如，当SOC由42％变成39％时，由于42％对应的工作模式为Mode6以及Mode5，而39％对应的工作模式为Mode5以及Mode4，那么，即便当SOC由42％变成39％时，确定出的工作模式仍为Mode5，这样能够避免相邻工作模式之间的频繁切换。

除此，本实施例还进一步提供了一种根据上一采集周期的所述燃料电池的功率给定，确定出所述燃料电池的目标功率给定的具体实现方式，如图5所示，包括步骤：

S51、当所述动力电池的当前工作模式为第一预设工作模式时，确定所述上一采集周期的所述燃料电池的功率给定以及所述燃料电池的目标功率给定均为第一预设值；

S52、当所述动力电池的当前工作模式为所述对应关系中的其他工作模式时，将上一采集周期的所述燃料电池的功率给定代入预设公式，计算得到所述燃料电池的目标功率给定。其中，所述预设公式为：

示意性的，当***处于Mode 11时，动力电池SOC较高，为保护动力电池并降低SOC，燃料电池功率给定恒定为0，当SOC小于45％时，重新开启燃料电池。而当工作状态处于每个模式内时，功率给定恒定，当***处于除Mode 11外的其他工作模式时，该给定值根据***处于上一个模式时的功率需求预估。

具体的，基于四阶龙格库塔积分进行功率预估：当SOC变化引起模式切换时，由Mode x₁切换至Mode x₂，控制周期为t_step，***处于Mode x₁的时间为t_x1，初始时间为t_{x1_0}，每个采样点的整车功率消耗为y_{x1_k}(k＝1,2,3…n，n＝t_x1/t_step)。当***处于时Modex₂时，若Mode x₂为Mode 11，该模式下的燃料电池功率给定为0；若否，模式下的燃料电池功率给定P_{x2_ref}按如下计算：

设整车消耗功率为P，整车消耗的功为y，则得：

由四阶龙格库塔积分公式对上式离散化得：

构造二阶Newton多项式插值函数：

使用下式计算k₁，k₂，k₃，k₄，并代入式(2)

初始值y₀＝0，迭代计算y_n并由下式计算Mode x₂的功率给定：

式(5)中，sign为符号函数，g(x)为惩罚函数，表达式为：

其中x单位为秒，函数值单位为kW。

结合上述方法实施例，本实施例进一步将本方案与现有技术进行对比，效果如下：

首先搭建基于大客车平台的整车HIL实验台架。其中，动力电池容量为51Kw*h，动力电池初始SOC与氢初始SOC均为100％，运行工况为某地公交工况，***运行至氢气与电量均为0后停止运行(其中，燃料电池功率为零代表氢已经耗尽)。经试验，得到基于本实施例提供的能量管理方法进行能量管理下的运行数据如图6所示，按传统开关逻辑能量管理的运行数据如图7所示。

可见，相对于基于传统逻辑的能量跟随策略，本实施例提出的基于龙格库塔积分的燃料电池汽车能量管理算法能够很好的预测未来功率需求，减小燃料电池功率变载超过50倍，显著提高燃料电池的耐久性。

在上述实施例的基础上，如图8所示，本发明实施例还提供了一种燃料电池车的能量控制装置，该能量控制装置应用于燃料电池汽车，所述燃料电池汽车至少包括燃料电池以及动力电池，包括：

获取模块81，用于获取所述动力电池的当前工作模式以及上一采集周期的第一工作模式，相邻工作模式之间的SOC相互嵌套；

判断模块82，用于基于所述第一工作模式以及所述当前工作模式，判断所述动力电池的工作模式是否发生跳转，如果是，根据上一采集周期的所述燃料电池的功率给定，确定出所述燃料电池的目标功率给定；如果否，确定上一采集周期的所述燃料电池的功率为所述燃料电池的目标功率给定。

其中，所述获取模块可以包括：

除此，所述判断模块可以包括：

其中，所述预设公式为：

所述燃料电池车的能量控制装置包括处理器和存储器，上述获取模块以及判断模块等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来满足SOC平衡的前提下，提高燃料电池的耐久性。

本发明实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述燃料电池车的能量控制方法。

本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述燃料电池车的能量控制方法。

本发明实施例提供了一种设备，如图9所示，设备包括至少一个处理器91、以及与处理器连接的至少一个存储器92、总线93；其中，处理器、存储器通过总线完成相互间的通信；处理器用于调用存储器中的程序指令，以执行上述的燃料电池车的能量控制方法。本文中的设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。

本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：

可选的，所述预设公式为：

综上，本发明实施例提供了一种燃料电池车的能量控制方法、装置、存储介质及电子设备，该能量控制方法应用于包括燃料电池以及动力电池的燃料电池汽车，首先获取动力电池的当前工作模式以及上一采集周期的第一工作模式。然后，基于第一工作模式以及当前工作模式，判断动力电池的工作模式是否发生跳转，如果是，根据上一采集周期的燃料电池的功率给定，确定出燃料电池的目标功率给定；如果否，确定上一采集周期的燃料电池的功率为燃料电池的目标功率给定。可见，在本方案中，在工作模式进行跳转时，基于上一采集周期的燃料电池的功率进行功率预估，能够满足SOC平衡，且，相邻工作模式之间的SOC相互嵌套，使得减小了燃料电池运行过程中的变载次数以及变载时间，进而提高了燃料电池的耐久性。

本说明书中各个实施例采用并列或递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种燃料电池车的能量控制方法，其特征在于，应用于燃料电池汽车，所述燃料电池汽车至少包括燃料电池以及动力电池，所述能量控制方法包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池车的能量控制方法，其特征在于，所述获取所述动力电池的当前工作模式以及上一采集周期的第一工作模式，包括：

3.根据权利要求2所述的燃料电池车的能量控制方法，其特征在于，所述根据上一采集周期的所述燃料电池的功率给定，确定出所述燃料电池的目标功率给定，包括：

4.根据权利要求3所述的燃料电池车的能量控制方法，其特征在于，所述预设公式为

5.一种燃料电池车的能量控制装置，其特征在于，应用于燃料电池汽车，所述燃料电池汽车至少包括燃料电池以及动力电池，所述能量控制装置包括：

6.根据权利要求5所述的燃料电池车的能量控制装置，其特征在于，所述获取模块包括：

7.根据权利要求6所述的燃料电池车的能量控制装置，其特征在于，所述判断模块包括：

8.根据权利要求3所述的燃料电池车的能量控制装置，其特征在于，所述预设公式为

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1至4中任意一项所述的燃料电池车的能量控制方法。

10.一种电子设备，设备包括至少一个处理器、以及与处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，所述处理器、所述存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行如权利要求1至4中任意一项所述的燃料电池车的能量控制方法。