CN112977180A - 一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法 - Google Patents

一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法，使燃料电池***前N分钟以固定功率P0输出，之后燃料电池***以前段时间t的整车需求总功率的平均值作为功率输出。这样燃料电池***的输出功率逐渐趋于前段时间t的整车需求总功率平均值，动力电池的SOC就会控制在一个小范围高效区间内运行，不仅提高动力电池寿命和使用效率，而且燃料电池***输出功率变化缓慢，变化区间相对较小，同时减少燃料电池***启停次数，进而进一步延长燃料电池寿命。通过对燃料电池***功率与动力电池功率的合理分配，在不影响燃料电池***寿命的前提下，能够提高动力电池寿命和使用效率。

Description

一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法
技术领域
本发明涉及一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法。
背景技术
对于燃料电池汽车，由于燃料电池堆自身的缺陷，如其输出特性软、输出响应慢等，不能及时供给整车所需动力，而且价格昂贵，使用寿命短等缺点，所以不能单独直接作为能量源，这就需要辅助电源配合燃料电池堆使用。而动力电池能够解决燃料电池堆响应慢的问题，同时动力电池还可以提供燃料电池堆启动时所需的电能，如空压机总成、水泵等高压部件的供电，在燃料电池堆开始发电之前这些部件必须先启动运行；当车辆加速或爬坡时，需要短时间的峰值功率，这时，动力电池可以辅助燃料电池堆提供这一能量；另外，在车辆制动时，动力电池可以用来吸收制动回馈的能量，减少能源消耗。这样，动力电池使燃料电池汽车在动力性和经济性上都得到提高。但目前整车厂对于燃料电池堆和动力电池的能量管理策略以保护燃料电池堆寿命为主，只是让燃料电池堆在几个特定的功率点工作，而动力电池SOC变化波动较大，加速动力电池的寿命衰减。
现有的燃料电池汽车能量管理方法，一般是对动力电池的SOC进行分段，以通过燃料电池堆对动力电池进行不同功率的充电。动力电池的SOC变化区间较大，导致燃料电池堆变载频繁，且变载幅度相对较大。不仅影响燃料电池堆的使用寿命，还影响动力电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法，在保证燃料电池***寿命的前提下，兼顾动力电池寿命，使动力电池的SOC波动稳定在较小范围内，以提高动力电池的寿命和使用效率；同时减少燃料电池***的启停次数，进而进一步延长燃料电池***的寿命。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法，包括以下步骤：
S1：启动燃料电池***前，先启动动力电池，并判断SOC(t)是否小于SOC中，若成立，则PFC(t)以P0运行N分钟，然后按照S2执行；否则所述燃料电池***不工作，然后按照S1执行；
S2：判断PFC(t)是否小于PV(t)，若成立，则按照S3执行；否则按照S8执行；
S3：判断PV(t)是否大于Pmax，若成立，则按照S4执行，否则按照S5执行；
S4：判断SOC(t)是否大于SOC上，若成立，则PFC(t+1)为0，所述燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则PFC(t+1)为Pmax，然后按照S2执行；
S5：判断SOC(t)是否大于SOC上，若成立，则PFC(t+1)为0，所述燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则按照S6执行；
S6：判断SOC(t)是否小于SOC下，若成立，则PFC(t+1)为Pmax，然后按照S7执行；否则PFC(t+1)以PFC(t)加上P1运行，然后按照S2执行；
S7：判断SOC(t)是否大于SOC中，若成立，则按照S2执行；否则PFC(t+1)为Pmax，然后按照S7执行；
S8：判断PV(t)是否小于Pmin，若成立，则按照S9执行；否则按照S10执行；
S9：判断SOC(t)是否大于SOC上，若成立，则PFC(t+1)为0，所述燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则PFC(t+1)为Pmin，然后按照S2执行；
S10：判断SOC(t)是否大于SOC上，若成立，则PFC(t+1)为0，所述燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则按照S11执行；
S11：判断SOC(t)是否小于SOC下，若成立，则PFC(t+1)继续以PFC(t)运行，然后按照S2执行；否则PFC(t+1) 以PFC(t) 减去P2运行，然后按照S2执行；
其中：
PFC(t)为所述燃料电池***当前输出功率，kw；
PFC(t+1)为所述燃料电池***下一时间输出功率，kw；
P0为所述燃料电池***初始运行功率，kw；
Pmin为所述燃料电池***最小运行功率，kw；
Pmax为所述燃料电池***最大运行功率，kw；
PV(t)为当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率，kw；
SOC(t)为所述动力电池当前荷电状态，%；
SOC上为所述动力电池荷电状态上限值，%；
SOC中为所述动力电池荷电状态中间值，%；
SOC下为所述动力电池荷电状态下限值，%；
P1为所述燃料电池***加载功率，kw；
P2为所述燃料电池***降载功率，kw。
优选地，在S1-S11中，相互比较的两个值相等时，分别按照成立条件执行或未成立条件执行。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法，使燃料电池***前N分钟以固定功率P0输出，之后燃料电池***以前段时间t的整车需求总功率的平均值作为功率输出。这样燃料电池***的输出功率逐渐趋于前段时间t的整车需求总功率平均值，动力电池的SOC就会控制在一个小范围高效区间内运行，不仅提高动力电池寿命和使用效率，而且燃料电池***输出功率变化缓慢，变化区间相对较小，同时减少燃料电池***启停次数，进而进一步延长燃料电池寿命。通过对燃料电池***功率与动力电池功率的合理分配，在不影响燃料电池***寿命的前提下，能够提高动力电池寿命和使用效率。
附图说明
附图1为根据本发明具体实施例的车载燃料电池功率控制方法流程示意图；
附图2为现有的公交车燃料电池功率控制方法；
附图3为现有的公交车燃料电池功率控制方法对表1中的公交车进行燃料电池功率控制后得到的动力电池SOC变化曲线示意图；
附图4为现有的公交车燃料电池功率控制方法对表1中的公交车进行燃料电池功率控制后得到的燃料电池***功率变化曲线示意图；
附图5为本发明实施例中的公交车燃料电池功率控制方法对表1中的公交车进行燃料电池功率控制后得到的动力电池SOC变化曲线示意图；
附图6为本发明实施例中的公交车燃料电池功率控制方法对表1中的公交车进行燃料电池功率控制后得到的燃料电池***功率变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1所示，本实施例提供一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法，包括以下步骤：
S1：启动燃料电池***前，先启动动力电池，并判断动力电池当前荷电状态SOC(t)是否小于动力电池荷电状态中间值SOC中，若成立，则燃料电池***当前输出功率PFC(t)以燃料电池***初始运行功率P0运行N分钟，然后按照S2执行；否则所述燃料电池***不工作，然后按照S1执行。
首次启动燃料电池***时，动力电池当前荷电状态SOC(t)要低于一定值才允许启动，以避免SOC(t)过高，在较短时间内达到动力电池荷电状态上限值SOC上,导致燃料电池***启动后在较短时间内停机，停机次数增加，以及燃料电池寿命缩短。
：判断燃料电池***当前输出功率PFC(t)是否小于当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率PV(t)，若成立，则按照S3执行；否则按照S8执行。
燃料电池***当前输出功率PFC(t)大于当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率PV(t)时，需要降低燃料电池***功率，以此使燃料电池***功率逐渐逼近整车平均实时需求总功率。
：判断当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率PV(t)是否大于燃料电池***最大运行功率Pmax，若成立，则按照S4执行，否则按照S5执行。
此时需要考虑燃料电池***是否加载，因此需要判断当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率PV(t)是否大于燃料电池***最大运行功率Pmax。
：判断动力电池当前荷电状态SOC(t)是否大于动力电池荷电状态上限值SOC上，若成立，则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)为0，燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)为燃料电池***最大运行功率Pmax，然后按照S2执行。
燃料电池***功率不能超过自身最大值，同时只要SOC(t)大于SOC上，燃料电池***就需要停止工作。
：判断动力电池当前荷电状态SOC(t)是否大于动力电池荷电状态上限值SOC上，若成立，则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)为0，燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则按照S6执行。
此阶段燃料电池***功率小于自身最大值，同时只要SOC(t)大于SOC上，燃料电池***就需要停止工作，否则就需要执行是否加载。
：判断动力电池当前荷电状态SOC(t)是否小于动力电池荷电状态下限值SOC下，若成立，则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)为燃料电池***最大运行功率Pmax，然后按照S7执行；否则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)以燃料电池***当前输出功率PFC(t)加上燃料电池***加载功率P1运行，然后按照S2执行。
当SOC(t)小于SOC下，需要加载，为了快速回到动力电池高效区，燃料电池***以最大运行功率Pmax快速给动力电池充电。
：判断动力电池当前荷电状态SOC(t)是否大于动力电池荷电状态中间值SOC中，若成立，则按照S2执行；否则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)为燃料电池***最大运行功率Pmax，然后按照S7执行。
此阶段能够使动力电池当前荷电状态SOC(t)快速回到动力电池荷电状态中间值SOC中。
：判断当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率PV(t)是否小于燃料电池***最小运行功率Pmin，若成立，则按照S9执行；否则按照S10执行。
此时需要考虑燃料电池是否减载，因此需要判断当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率PV(t)是否小于燃料电池***最小运行功率Pmin。
：判断动力电池当前荷电状态SOC(t)是否大于动力电池荷电状态上限值SOC上，若成立，则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)为0，燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)为燃料电池***最小运行功率Pmin，然后按照S2执行。
燃料电池***功率不能小于自身最小值，同时只要SOC(t)大于SOC上，燃料电池***就需要停止工作。
：判断动力电池当前荷电状态SOC(t)是否大于动力电池荷电状态上限值SOC上，若成立，则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)为0，燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则按照S11执行。
此阶段燃料电池***功率大于自身最小值，只要SOC(t)大于SOC上，燃料电池***就需要停止工作，否则就需要执行是否减载。
：判断动力电池当前荷电状态SOC(t)是否小于动力电池荷电状态下限值SOC下，若成立，则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1)继续以燃料电池***当前输出功率PFC(t)运行，然后按照S2执行；否则燃料电池***下一时间输出功率PFC(t+1) 以燃料电池***当前输出功率PFC(t) 减去燃料电池***降载功率P2运行，然后按照S2执行。
当SOC(t)小于SOC下，为了回到动力电池高效区，燃料电池***功率不能减载，应保持不变，实现持续充电。
其中：
PFC(t)为燃料电池***当前输出功率，单位为kw；
PFC(t+1)为燃料电池***下一时间输出功率，单位为kw；
P0为燃料电池***初始运行功率，单位为kw；
Pmin为燃料电池***最小运行功率，单位为kw；
Pmax为燃料电池***最大运行功率，单位为kw；
PV(t)为当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率，单位为kw；
SOC(t)为动力电池当前荷电状态，%；
SOC上为动力电池荷电状态上限值，%；
SOC中为动力电池荷电状态中间值，%；
SOC下为动力电池荷电状态下限值，%；
P1为燃料电池***加载功率，单位为kw；
P2为燃料电池***降载功率，单位为kw。
这里对动力电池当前荷电状态SOC(t)的判断通过动力电池BMS提供。动力电池BMS属于现有技术，这里不做详述。
在S1-S11中，相互比较的两个值相等时，分别按照成立条件执行或未成立条件执行。
以S2为例，燃料电池***当前输出功率PFC(t)等于当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率PV(t)时，按照S3执行，或者按照S8执行，两者取其一执行。
以下以某城市公交车每天运行情况进行仿真分析，运行参数如下表1所示。
表1 某城市公交车每天运行参数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
参见图2所示，为现有的公交车燃料电池功率控制方法，燃料电池***功率PFC(t)随动力电池SOC进行变化。燃料电池***的启堆功率是22kw；动力电池的SOC充到75%时，燃料电池***停止工作，之后动力电池的SOC要降到50%以下，燃料电池***才启动工作。
参见图2所示，在燃料电池***的功率变化点之间具有滞回区间，功率变化点包括30%、45%、50%、65%。以功率变化点30%和45%为例，SOC在30%和45%之间变化时，功率在36kw和54kw两个点之间滞回。滞回原理属于现有技术，这里不做详述。
在本实施例方法中，每次启堆前N=5min燃料电池***以恒定P0=20kw功率输出；从第5min之后，以整车平均实时需求总功率作为燃料电池***输出功率。同时其他参数取值如下：
Pmin取8kw；Pmax取54kw；SOC上取75%；SOC中取65%；SOC下取30%；P1取20w；P2取30w。
将上述两种方法对表1中的公交车运行进行仿真对比分析，仿真时间步长为0.1s。
参见图3-6，为仿真结果：
图3-4分别是现有的公交车燃料电池功率控制方法仿真动力电池SOC和燃料电池***功率变化图，横轴为时间，单位为0.1S。由图可知，SOC变化幅度很大，其中有一次超过75%，导致燃料电池***停机，直到SOC降到50%才让燃料电池***启动。燃料电池***功率变化幅度较大。动力电池SOC的变化区间大，导致动力电池寿命快速缩短；燃料电池***启停次数多，同样使燃料电池***寿命加速缩短。
图5-6分别是本实施例车载燃料电池功率控制方法仿真动力电池SOC和燃料电池***功率变化图，横轴为时间，单位为0.1S。由图可知，SOC变化幅度很小，而且燃料电池***功率变化范围相对较小，时间越长功率越稳定，也没有出现动力电池SOC超过75%，并导致燃料电池***停机的问题。不仅延长了动力电池使用寿命，也延长燃料电池***使用寿命。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：启动燃料电池***前，先启动动力电池，并判断SOC(t)是否小于SOC中，若成立，则PFC(t)以P0运行N分钟，然后按照S2执行；否则所述燃料电池***不工作，然后按照S1执行；
S2：判断PFC(t)是否小于PV(t)，若成立，则按照S3执行；否则按照S8执行；
S3：判断PV(t)是否大于Pmax，若成立，则按照S4执行，否则按照S5执行；
S4：判断SOC(t)是否大于SOC上，若成立，则PFC(t+1)为0，所述燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则PFC(t+1)为Pmax，然后按照S2执行；
S5：判断SOC(t)是否大于SOC上，若成立，则PFC(t+1)为0，所述燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则按照S6执行；
S6：判断SOC(t)是否小于SOC下，若成立，则PFC(t+1)为Pmax，然后按照S7执行；否则PFC(t+1)以PFC(t)加上P1运行，然后按照S2执行；
S7：判断SOC(t)是否大于SOC中，若成立，则按照S2执行；否则PFC(t+1)为Pmax，然后按照S7执行；
S8：判断PV(t)是否小于Pmin，若成立，则按照S9执行；否则按照S10执行；
S9：判断SOC(t)是否大于SOC上，若成立，则PFC(t+1)为0，所述燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则PFC(t+1)为Pmin，然后按照S2执行；
S10：判断SOC(t)是否大于SOC上，若成立，则PFC(t+1)为0，所述燃料电池***停止工作，然后按照S1执行；否则按照S11执行；
S11：判断SOC(t)是否小于SOC下，若成立，则PFC(t+1)继续以PFC(t)运行，然后按照S2执行；否则PFC(t+1) 以PFC(t) 减去P2运行，然后按照S2执行；
其中：
PFC(t)为所述燃料电池***当前输出功率，kw；
PFC(t+1)为所述燃料电池***下一时间输出功率，kw；
P0为所述燃料电池***初始运行功率，kw；
Pmin为所述燃料电池***最小运行功率，kw；
Pmax为所述燃料电池***最大运行功率，kw；
PV(t)为当前时间前t分钟内整车平均实时需求总功率，kw；
SOC(t)为所述动力电池当前荷电状态，%；
SOC上为所述动力电池荷电状态上限值，%；
SOC中为所述动力电池荷电状态中间值，%；
SOC下为所述动力电池荷电状态下限值，%；
P1为所述燃料电池***加载功率，kw；
P2为所述燃料电池***降载功率，kw。
2.根据权利要求1所述的一种基于平均值的车载燃料电池能量管理方法，其特征在于：在S1-S11中，相互比较的两个值相等时，分别按照成立条件执行或未成立条件执行。
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