CN111347940B - 一种电电混合燃料电池汽车能量管理控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的是一种电电混合燃料电池汽车能量管理控制方法,在整车满足燃料电池***开堆条件下,整车控制器根据动力电池剩余电量SOC、当前司机驾驶意图、附件电器功率需求等综合计算燃料电池***当前的需求功率,由动态比例因子K计算权重比,并通过对比获取当前许可的最小功率值Pr1,然后将燃料电池***运行功率划分为六个定点功率运行点,在达到设定功率滤波时间t1时,通过定点插值查询方式确定燃料电池***定点需求功率;燃料电池***功率达到需求功率时,设定功率持续运行的滤波时间t2后更新下一个需求功率。本发明可以满足燃料电池***功率能够稳定跟随整车功率趋势变化,有效避免燃料电池功率频繁变化导致燃料电池***寿命降低的风险。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池汽车技术领域,涉及整车能量管理的控制策略,更具体地说是一种电电混合燃料电池汽车能量管理控制方法。
背景技术
燃料电池汽车动力源通常采用动力电池***和燃料电池***组成的电电混合***,其中动力电池***作为辅助电源,提供启动燃料电池***、整车动力性能提升、制动能量回收等功能。而燃料电池***作为主要动力源,通过氢气与氧气(来自于空气)电化学反应产生电能和水,电能通过DC/DC变换器可以获得与动力电池***相同的电压平台提供整车高压部件使用。
目前对于燃料电池汽车能量管理控制策略一般采用恒功率、功率跟随、瞬时优化、全局优化等,但各种策略都有弊端。恒功率策略将燃料电池***运行功率一直稳定在某个功率点,利用动力电池起到功率 “削峰填谷”作用,对动力电池充放电倍率及循环寿命等性能要求高,且整车能量损失大;功率跟随策略利用燃料电池***运行功率跟随整车需求功率实时变化,导致燃料电池***频繁地拉变载,引起燃料电池电堆及辅助***使用寿命加速衰减,增大整车售后维护成本;瞬时优化和全局优化是基于燃料电池***特性进行优化,但燃料电池***是一个复杂的多输入多输出、非线性强耦合***,很难对其进行建模及控制,优化算法复杂占据控制***运行内存。
发明内容
本发明公开的是一种电电混合燃料电池汽车能量管理控制方法,其主要目的在于克服现有技术存在的上述不足和缺点,提出一种电电混合燃料电池汽车能量管理控制策略,结合整车实际运行工况及动力电池状态,实现整车能量管理的合理分配,在保证整车动力性需求的基础上,避免燃料电池***频繁变载导致燃料电池***寿命降低的风险,维持动力电池剩余电量SOC维持相对稳定。
本发明采用的技术方案如下:
一种电电混合燃料电池汽车能量管理控制方法,所述管理控制方法包括以下具体步骤:
步骤1:根据燃料电池电堆极化特性、燃料电池***效率特性、动力电池充放电效率特性和DC/DC变换器效率特性,将燃料电池***运行功率分为六个定点功率运行点,分别表示为 和,且满足,其中,为燃料电池***额定功率点,为燃料电池***峰值功率点,为燃料电池***怠速功率点;
步骤3:燃料电池***启动后,燃料电池***功率运行在最小定点功率点Pfc_1,当燃料电池***温度达到设定阈值T,进入步骤4,整车控制器计算燃料电池***需求功率;
步骤4:整车控制器根据动力电池剩余电量、当前司机驾驶意图和整车附件电器,计算燃料电池***当前的需求功率,并由动态比例因子K计算权衡比,其中和分别表示动力电池剩余电量和当前司机驾驶意图的动态比例因子;表示当前司机驾驶意图下的整车需求驱动功率;表示为整车当前附件高压电器工作的需求功率;
步骤8:整车控制器通过CAN网络将燃料电池***定点需求功率发送到燃料电池***控制器,由其执行整车控制器的功率命令,控制燃料电池***实际运行功率接近或达到整车控制器的定点需求功率,并将实际运行功率发送到CAN网络提供给整车控制器进行功率判断;
步骤9:整车控制器通过计算整车需求功率与燃料电池***实际运行功率差值的绝对值,若两者差值的绝对值大于设定阈值,则继续等待燃料电池***实际运行功率达到需求功率;若两者差值的绝对值不大于设定阈值,则在设定的功率持续滤波时间t2,整车控制器持续发送燃料电池***需求功率;
步骤10:在触发设定的功率持续滤波时间t2结束后,整车控制器更新当前燃料电池***需求功率,判断车辆是否处于静止或制动状态,当不处于静止或制动状态时,进入步骤11,当处于静止或制动状态时,则燃料电池***定点需求功率为最低功率档,并返回步骤7;
步骤11:判断是否满足关堆条件,当满足以下其中一个条件,燃料电池***严重故障、或整车严重故障、或整车控制***处于下高压状态、或动力电池剩余电量大于设定阈值时,整车控制器发送燃料电池***需求功率设定为0,且发送燃料电池***关堆指令,***下电,否则,重新进入步骤5。
若燃料电池***功率小于当前整车需求功率时,由动力电池***提供放电功率给整车高压部件使用;若燃料电池***功率大于当前整车需求功率时,由动力电池***吸收剩余的功率。
本发明在整车满足燃料电池***开堆条件下,整车控制器根据动力电池剩余电量SOC、当前司机驾驶意图、附件电器功率需求等综合计算燃料电池***当前的需求功率,由动态比例因子K计算权重比,并通过对比获取当前许可的最小功率值Pr1,然后将燃料电池***运行功率划分为六个定点功率运行点,在达到设定功率滤波时间t1时,通过定点插值查询方式确定燃料电池***定点需求功率;再通过判断燃料电池***实际功率与整车需求功率的跟随情况,若跟随情况良好,则需求功率持续一个功率持续运行的滤波时间t2再更新需求功率,否则一直等待燃料电池***功率变化。这样可以满足燃料电池***功率能够稳定跟随整车功率趋势变化,也可有效避免燃料电池功率频繁变化导致燃料电池***寿命降低的风险,同时在保证整车动力性需求的基础上,维持动力电池剩余电量SOC维持相对稳定,提高整车能量效率。
本方案与现有技术相比,其优点在于:
1、根据特性曲线获取燃料电池***运行的六个定点功率,可以确保这六个定点功率是处于该套燃料电池***的高效点、寿命最优点、适合整车道路工况所需的平均功率点,这样可以避免燃料电池***功率运行在不同的功率点,且定点功率是比燃料电池***额定功率更大,当整车需求驱动功率瞬时允许达到很高,对动力电池也是一种功率保护。
2、根据动力电池剩余电量SOC、当前司机驾驶意图和整车附件电器等综合计算燃料电池***当前的需求功率,并由动态比例因子K计算权衡比。相比现有方案,更多方案是仅参照动力电池剩余电量SOC,从而决定燃料电池***的需求功率,无法满足整车实时的动力性需求,且容易引起动力电池剩余电量SOC短时间内波动较大,频繁的进行充电和放电过程,影响动力电池的使用寿命。
本方案是综合考虑动力电池剩余电量SOC,还有驾驶意图决定的整车动力性需求,以及相对固定的整车附件电器对燃料电池***功率的需求,通过动态比例因子K进行调整上述的权衡比,可以有效地分配各部分所占的功率需求比例。
3、本方案设定功率滤波时间t1,可以有效地避开整车需求功率跟随司机的油门踏板开度实时变化,引起燃料电池***的需求功率实时变化。通过设定滤波时间t1,使燃料电池***功率能够跟随整车动力性的变化趋势,但不至于经常更新功率需求。
4、本方案设定功率持续运行的滤波时间t2,主要是考虑燃料电池***运行特性比较疲软,功率响应比较慢,通过功率跟随吻合,才可进行计时滤波时间t2,维持当前的需求功率稳定运行,保证燃料电池电堆内部气体和冷却液的压力、流量处于相对稳定。
5、本方案车辆处于静止或制动状态时,燃料电池***的需求功率处在最低档,整车处于等红绿灯或公交进站台时,整车需求功率小,且燃料电池散热器噪音较大,影响整车的舒适性,燃料电池***功率较低,可以有效降低整车的噪音;而整车处于制动状态时,整车需求驱动功率为零,且此时驱动电机处于制动能量回收,燃料电池***也处于在发电,驱动电机和燃料电池***发的电均由动力电池吸收,而动力电池充电功率又有限,只能降低燃料电池***功率(需要消耗氢气,且氢气费用较贵),让驱动电机发挥最大的制动能量(动能转换为电能,免费),提高整车能量的利用效率,有效延长整车的续航里程。
附图说明
图1是本发明燃料电池汽车电器***的架构图。
图2是本发明能量管理的实施流程图。
具体实施方式
下面参照附图说明来进一步地说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示,一种电电混合燃料电池汽车能量管理控制方法,所述管理控制方法包括以下具体步骤:
步骤1:根据燃料电池电堆极化特性、燃料电池***效率特性、动力电池充放电效率特性和DC/DC变换器效率特性,将燃料电池***运行功率分为六个定点功率运行点,分别表示为 和,且满足,其中,为燃料电池***额定功率点,为燃料电池***峰值功率点,为燃料电池***怠速功率点;
步骤3:燃料电池***启动后,燃料电池***功率运行在最小定点功率点Pfc_1,当燃料电池***温度达到设定阈值T,进入步骤4,整车控制器计算燃料电池***需求功率;
步骤4:整车控制器根据动力电池剩余电量、当前司机驾驶意图和整车附件电器,计算燃料电池***当前的需求功率,并由动态比例因子K计算权衡比,其中和分别表示动力电池剩余电量和当前司机驾驶意图的动态比例因子;表示当前司机驾驶意图下的整车需求驱动功率;表示为整车当前附件高压电器工作的需求功率;
根据当前油门踏板开度与驱动电机转速换算的车速查表综合计算整车需求驱动扭矩,同时根据整车驱动电机的外特性,计算在当前的电机转速下最大的电机输出扭矩,从而获取整车能够提供的需求扭矩,整车需求驱动功率可以表示为,其中n为当前电机的转速,为电机***的效率。
是根据整车当前附件高压电器的需求功率,附件高压电器包括低压DC/DC变换器、电空调、电动打气泵、电动油泵等。当整车需求驱动功率为0时,整车控制器根据燃料电池DC/DC变换器后端功率加上动力电池充放电功率的绝对值,从而计算当前整车能量输出量即为当前附件电器使用功率,其中动力电池放电功率为正数,动力电池充电功率为负数,从而间接获取附件电器使用功率。
步骤8:整车控制器通过CAN网络将燃料电池***定点需求功率发送到燃料电池***控制器,由其执行整车控制器的功率命令,控制燃料电池***实际运行功率接近或达到整车控制器的定点需求功率,并将实际运行功率发送到CAN网络提供给整车控制器进行功率判断;
步骤9:整车控制器通过计算整车需求功率与燃料电池***实际运行功率差值的绝对值,若两者差值的绝对值大于设定阈值,则继续等待燃料电池***实际运行功率达到需求功率;若两者差值的绝对值不大于设定阈值,则在设定的功率持续滤波时间t2,整车控制器持续发送燃料电池***需求功率;
步骤10:在触发设定的功率持续滤波时间t2结束后,整车控制器更新当前燃料电池***需求功率,判断车辆是否处于静止或制动状态,当不处于静止或制动状态时,进入步骤11,当处于静止或制动状态时,则燃料电池***定点需求功率为最低功率档,并返回步骤7;
步骤11:判断是否满足关堆条件,当满足以下其中一个条件,燃料电池***严重故障、或整车严重故障、或整车控制***处于下高压状态、或动力电池剩余电量大于设定阈值时,整车控制器发送燃料电池***需求功率设定为0,且发送燃料电池***关堆指令,***下电,否则,重新进入步骤5。
若燃料电池***功率小于当前整车需求功率时,由动力电池***提供放电功率给整车高压部件使用;若燃料电池***功率大于当前整车需求功率时,由动力电池***吸收剩余的功率。
本发明在整车满足燃料电池***开堆条件下,整车控制器根据动力电池剩余电量SOC、当前司机驾驶意图、附件电器功率需求等综合计算燃料电池***当前的需求功率,由动态比例因子K计算权重比,并通过对比获取当前许可的最小功率值Pr1,然后将燃料电池***运行功率划分为六个定点功率运行点,在达到设定功率滤波时间t1时,通过定点插值查询方式确定燃料电池***定点需求功率;再通过判断燃料电池***实际功率与整车需求功率的跟随情况,若跟随情况良好,则需求功率持续一个功率持续运行的滤波时间t2再更新需求功率,否则一直等待燃料电池***功率变化。这样可以满足燃料电池***功率能够稳定跟随整车功率趋势变化,也可有效避免燃料电池功率频繁变化导致燃料电池***寿命降低的风险,同时在保证整车动力性需求的基础上,维持动力电池剩余电量SOC维持相对稳定,提高整车能量效率。
本方案与现有技术相比,其优点在于:
1、根据特性曲线获取燃料电池***运行的六个定点功率,可以确保这六个定点功率是处于该套燃料电池***的高效点、寿命最优点、适合整车道路工况所需的平均功率点,这样可以避免燃料电池***功率运行在不同的功率点,且定点功率是比燃料电池***额定功率更大,当整车需求驱动功率瞬时允许达到很高,对动力电池也是一种功率保护。
2、根据动力电池剩余电量SOC、当前司机驾驶意图和整车附件电器等综合计算燃料电池***当前的需求功率,并由动态比例因子K计算权衡比。相比现有方案,更多方案是仅参照动力电池剩余电量SOC,从而决定燃料电池***的需求功率,无法满足整车实时的动力性需求,且容易引起动力电池剩余电量SOC短时间内波动较大,频繁的进行充电和放电过程,影响动力电池的使用寿命。
本方案是综合考虑动力电池剩余电量SOC,还有驾驶意图决定的整车动力性需求,以及相对固定的整车附件电器对燃料电池***功率的需求,通过动态比例因子K进行调整上述的权衡比,可以有效地分配各部分所占的功率需求比例。
3、本方案设定功率滤波时间t1,可以有效地避开整车需求功率跟随司机的油门踏板开度实时变化,引起燃料电池***的需求功率实时变化。通过设定滤波时间t1,使燃料电池***功率能够跟随整车动力性的变化趋势,但不至于经常更新功率需求。
4、本方案设定功率持续运行的滤波时间t2,主要是考虑燃料电池***运行特性比较疲软,功率响应比较慢,通过功率跟随吻合,才可进行计时滤波时间t2,维持当前的需求功率稳定运行,保证燃料电池电堆内部气体和冷却液的压力、流量处于相对稳定。
5、本方案车辆处于静止或制动状态时,燃料电池***的需求功率处在最低档,整车处于等红绿灯或公交进站台时,整车需求功率小,且燃料电池散热器噪音较大,影响整车的舒适性,燃料电池***功率较低,可以有效降低整车的噪音;而整车处于制动状态时,整车需求驱动功率为零,且此时驱动电机处于制动能量回收,燃料电池***也处于在发电,驱动电机和燃料电池***发的电均由动力电池吸收,而动力电池充电功率又有限,只能降低燃料电池***功率(需要消耗氢气,且氢气费用较贵),让驱动电机发挥最大的制动能量(动能转换为电能,免费),提高整车能量的利用效率,有效延长整车的续航里程。
上述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的设计构思并不仅局限于此,凡是利用此构思对本发明进行非实质性地改进,均应该属于侵犯本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种混合燃料电池汽车能量管理控制方法,其特征在于:所述能量管理控制方法包括以下具体步骤:
步骤1:根据燃料电池电堆极化特性、燃料电池***效率特性、动力电池充放电效率特性和DC/DC变换器效率特性,将燃料电池***运行功率分为六个定点功率运行点,分别表示为P FC_1、P FC_2、P FC_3、P FC_4、P FC_5和P FC_6,且满足、P FC_P≥P FC_6>P FC_E≥P FC_5>P FC_4 >P FC_3>P FC_2>P FC_1≥P FC_I,其中, P FC_E为燃料电池***额定功率点,P FC_P为燃料电池***峰值功率点,P FC_I为燃料电池***怠速功率点;
步骤2:当同时满足燃料电池***无故障、整车无严重故障、整车控制***处于上高压状态、动力电池剩余电量SOC不大于设定阈值SOC min的条件下,整车控制器发送燃料电池***开堆指令;
步骤3:燃料电池***启动后,燃料电池***功率运行在最小定点功率点P FC_1,当燃料电池***温度达到设定阈值T,进入步骤4,整车控制器计算燃料电池***需求功率;
步骤4:整车控制器根据动力电池剩余电量SOC、当前司机驾驶意图和整车附件电器,计算当前燃料电池***需求功率,P r0_FC =K S *SOC+K t *P t +P a 并由动态比例因子K计算权衡比,其中K S 和K t 分别表示动力电池剩余电量SOC和当前司机驾驶意图的动态比例因子;P t 表示当前司机驾驶意图下的整车需求驱动功率;P a 表示为整车当前附件高压电器工作的需求功率;
步骤5:将获得的当前燃料电池***需求功率,与燃料电池***许可的最大功率、动力电池持续可充电功率PBat_max进行对比,获取当前许可的功率值P r1_FC =min(P r0_FC ,P P_FC_Allow ,PBat_max)作为燃料电池***需求功率;
步骤8:整车控制器通过CAN网络将燃料电池***定点需求功率发送到燃料电池***控制器,由其执行整车控制器的功率命令,控制燃料电池***实际运行功率P p_FC 接近或达到整车控制器的燃料电池***定点需求功率,并将实际运行功率P p_FC 发送到CAN网络提供给整车控制器进行功率判断;
步骤9:整车控制器通过计算整车燃料电池***定点需求功率与燃料电池***实际运行功率P p_FC 差值的绝对值,若两者差值的绝对值大于设定阈值,则继续等待燃料电池***实际运行功率达到燃料电池***定点需求功率;若两者差值的绝对值不大于设定阈值,则在设定的功率持续滤波时间t2,整车控制器持续发送燃料电池***定点需求功率;
步骤10:在设定的功率持续滤波时间t2结束后,整车控制器更新当前燃料电池***需求功率,判断车辆是否处于静止或制动状态,当不处于静止或制动状态时,进入步骤11,当处于静止或制动状态时,则燃料电池***定点需求功率为最低功率点,并返回步骤7;
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