CN113401009B - 电电混合燃料电池汽车能量管理***及其控制方法 - Google Patents

电电混合燃料电池汽车能量管理***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电电混合燃料电池汽车能量管理***，包括参数获取模块、控制模块、燃料电池、动力电池和超级电容，参数获取模块用于获取整车需求功率、动力电池SOC、燃料电池最大输出功率、燃料电池最小输出功率和燃料电池最优输出功率；控制模块用于，当动力电池SOC位于第一电量区时，优先使燃料电池匹配整车需求功率；当动力电池SOC位于第二电量区时，优先使燃料电池在最高放电效率下放电，然后再避免动力电池放电；当动力电池SOC位于第三电量区时，优先使动力电池尽快充电，燃料电池以最大输出功率输出，多余功率或不足功率由动力电池和/或超级电容充电或放电。优先保证了动力电池SOC的稳定性，其次保证燃料电池发电效率以及实现整车能量的削峰填谷。

Description

电电混合燃料电池汽车能量管理***及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车能量管理技术领域，具体地指一种电电混合燃料电池汽车能量管理***及其控制方法。
背景技术
燃料电池汽车混合动力***通常由燃料电池***和动力电池***组成的电电混合***，其中，燃料电池***为主要动力源，而动力电池***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。本发明引入超级电容与动力电池结合组成新的辅助电源***，使得两者优势得到互补，充分提升动力电池使用寿命，改善整车响应能力。
目前对于燃料电池汽车混合动力***的能量管理方法主要分为基于规则和基于优化的能量管理策略。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述现有技术存在的不足，提供一种电电混合燃料电池汽车能量管理***及其控制方法。
为实现上述目的，本发明提供一种电电混合燃料电池汽车能量管理***，包括参数获取模块、控制模块、燃料电池、动力电池和超级电容；
所述参数获取模块用于获取整车需求功率、动力电池SOC、燃料电池最大输出功率、燃料电池最小输出功率和燃料电池最优输出功率；
所述控制模块用于，当判断动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最小输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最小输出功率，多余的功率输送给动力电池和/或超级电容；
当判断动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最优输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最优输出功率，多余的功率输送给动力电池和/或超级电容；
当判断动力电池SOC位于第三电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，多余的功率输送给动力电池和/或超级电容；
所述第一电量区、第二电量区、第三电量区的大小依次减小。
进一步地，所述控制模块还用于，当判断动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率大于燃料电池最小输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为整车需求功率；当判断动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率大于燃料电池最优输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为整车需求功率。
进一步地，所述控制模块还用于，当判断整车需求功率大于或等于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，不足的功率由动力电池和/或超级电容补充。
进一步地，所述控制模块还用于，控制多余的功率首先给超级电容充电，然后超级电容给动力电池充电；控制不足的功率首先由超级电容补充，然后动力电池给超级电容充电。
进一步地，所述参数获取模块还用于，对获取的整车需求功率和动力电池SOC进行低通滤波处理。
本发明还提供一种基于上述所述的电电混合燃料电池汽车能量管理***的控制方法，包括：
获取整车需求功率、动力电池SOC、燃料电池最大输出功率、燃料电池最小输出功率和燃料电池最优输出功率；
当动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最小输出功率时，燃料电池实际输出功率为燃料电池最小输出功率，多余的功率输送给动力电池和/或超级电容；
当动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最优输出功率时，燃料电池实际输出功率为燃料电池最优输出功率，多余的功率输送给动力电池和/或超级电容；
当动力电池SOC位于第三电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最大输出功率时，燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，多余的功率输送给动力电池和/或超级电容。
进一步地，当动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率大于燃料电池最小输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，燃料电池实际输出功率为整车需求功率；当动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率大于燃料电池最优输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，燃料电池实际输出功率为整车需求功率。
进一步地，当整车需求功率大于或等于燃料电池最大输出功率时，燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，不足的功率由动力电池和/或超级电容补充。
进一步地，所述多余的功率首先给超级电容充电，然后超级电容给动力电池充电；所述不足的功率首先由超级电容补充，然后动力电池给超级电容充电。
进一步地，对获取的整车需求功率和动力电池SOC进行低通滤波处理。
本发明的有益效果：实现整车能量的削峰填谷，维持动力电池SOC的稳定性以及保证燃料电池发电效率。本发明将动力电池SOC分为高中低三个电量区间，当动力电池SOC位于第一电量区时，优先避免动力电池放电，使燃料电池匹配整车需求功率；当动力电池SOC位于第二电量区时，优先使燃料电池在最高放电效率下放电，然后再避免动力电池放电；当动力电池SOC位于第三电量区时，优先使动力电池尽快充电，燃料电池以最大输出功率输出，在出现多余功率或不足功率时由动力电池和/或超级电容充电或放电。这样优先保证了动力电池SOC的稳定性，其次保证燃料电池发电效率以及实现整车能量的削峰填谷。
附图说明
图1为电电混合燃料电池汽车能量管理***结构示意图。
图中各部件标号如下：参数获取模块100、控制模块200、燃料电池300、动力电池400、超级电容500、整车母线600。
具体实施方式
下面具体实施方式用于对本发明的权利要求技术方案作进一步的详细说明，便于本领域的技术人员更清楚地了解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下面具体的实施例。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。
如图1所示，一种电电混合燃料电池汽车能量管理***，包括参数获取模块100、控制模块200、燃料电池300、动力电池400和超级电容500。
参数获取模块100用于获取整车需求功率、动力电池SOC，并根据燃料电池的放电特性确定燃料电池最大输出功率、燃料电池最小输出功率和燃料电池最优输出功率，并对获取的整车需求功率和动力电池SOC进行低通滤波处理。其中燃料电池最大输出功率、燃料电池最小输出功率是该时刻燃料电池允许放电的最大功率、最小功率，燃料电池最优输出功率为燃料电池放电效率最高时的输出功率，其大小位于燃料电池最大输出功率与燃料电池最小输出功率之间，燃料电池以最优输出功率放电时，可以延长燃料电池的循环使用寿命。
本发明中将动力电池SOC划分为第一电量区、第二电量区和第三电量区，其中第一电量区与第二电量区的临界值为90％，第二电量区与第三电量区的临界值为60％，当动力电池位于第一电量区时其充电需求小，当动力电池位于第三电量区时其充电需求大。
控制模块200用于，当判断动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最小输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最小输出功率，多余的功率输送给动力电池400和/或超级电容500。
当判断动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最优输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最优输出功率，多余的功率输送给动力电池400和/或超级电容500。
当判断动力电池SOC位于第三电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，多余的功率输送给动力电池400和/或超级电容500。
当判断动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率大于燃料电池最小输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为整车需求功率；当判断动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率大于燃料电池最优输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为整车需求功率。
本实施例中，控制模块还用于，当判断整车需求功率大于或等于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，不足的功率由动力电池400和/或超级电容500补充。
本实施例中，控制模块200还用于，控制多余的功率首先给超级电容500充电，然后超级电容500给动力电池400充电；控制不足的功率首先由超级电容500补充，然后动力电池400给超级电容500充电。
燃料电池300、动力电池400和超级电容500均与整车母线600连接，整车母线用于将输出的功率传输给整车负载进行供电。
上述的电电混合燃料电池汽车能量管理***的控制方法如下：
参数获取模块100实时获取整车需求功率、动力电池SOC、燃料电池最大输出功率、燃料电池最小输出功率和燃料电池最优输出功率，并对并对获取的整车需求功率和动力电池SOC进行低通滤波处理。这样，使得整车需求功率的变化更加平滑，且动力电池SOC的变化范围更小，有利于延长动力电池使用寿命。
控制模式1：当动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最小输出功率时，控制模块100控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最小输出功率，多余的功率输送给动力电池400和/或超级电容500，多余的功率首先给超级电容500充电，然后超级电容500给动力电池400充电。
控制模式2：当动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率大于燃料电池最小输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，控制模块100控制燃料电池实际输出功率为整车需求功率。
在控制模式1和2中，此时由于动力电池充电需求小，且可容纳电量的空间很小，为了避免动力电池过充，应尽量避免燃料电池出现多余的功率，因此当整车需求功率大于燃料电池最小输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，燃料电池应优先正好匹配整车需求功率，当整车需求功率小于或等于燃料电池最小输出功率时，此时无可避免的会出现多余的功率，此时才允许由动力电池和/或超级电容来吸收多余功率。这样保证了动力电池的SOC尽量位于第二电量区，保证了其稳定性。
控制模式3：当动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最优输出功率时，控制模块100控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最优输出功率，多余的功率输送给动力电池400和/或超级电容500。
控制模式4：当动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率大于燃料电池最优输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，控制模块100控制燃料电池实际输出功率为整车需求功率。
在控制模式3和4中，此时动力电池的SOC比较适宜，动力电池的充放电需求既不大也不小，应优先保证燃料电池以最优输出功率输出，因此在控制模式3中可以保证燃料电池的放电效率最高，且此时动力电池可以吸收一定的多余功率；但是当整车需求功率大于燃料电池最优输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，若燃料电池实际输出功率为燃料电池最优输出功率，则会导致供电功率不足，这样就导致需要由动力电池和超级电容补充，降低了动力电池SOC，因此控制模式4中燃料电池应正好匹配整车需求功率，优先保证动力电池SOC稳定性。
控制模式5：当动力电池SOC位于第三电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最大输出功率时，控制模块100控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，多余的功率输送给动力电池400和/或超级电容500。
此时，动力电池的充电需求为最优先，应尽快使得动力电池SOC升高到中/第一电量区，因此此时燃料电池应以最大输出功率输出，优先保证动力电池SOC的稳定性。
控制模式6：当整车需求功率大于或等于燃料电池最大输出功率时，不论动力电池SOC位于哪个电量区，均控制模块100控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，不足的功率由动力电池400和/或超级电容500补充，其中不足的功率首先由超级电容500补充，然后动力电池400给超级电容500充电。这样，由于超级电容放电速度快，可以快速补充不足的功率，然后再由动力电池给超级电容补充电量。
本发明优先保证了动力电池SOC的稳定性，其次保证燃料电池发电效率以及实现整车能量的削峰填谷。

Claims (8)

1.一种电电混合燃料电池汽车能量管理***，其特征在于：包括参数获取模块(100)、控制模块(200)、燃料电池(300)、动力电池(400)和超级电容(500)；
所述参数获取模块(100)用于获取整车需求功率、动力电池SOC、燃料电池最大输出功率、燃料电池最小输出功率和燃料电池最优输出功率；
所述控制模块(200)用于，当判断动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最小输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最小输出功率，多余的功率输送给动力电池(400)和/或超级电容(500)；
当判断动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率大于燃料电池最小输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为整车需求功率；
当判断动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最优输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最优输出功率，多余的功率输送给动力电池(400)和/或超级电容(500)；
当判断动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率大于燃料电池最优输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为整车需求功率；
当判断动力电池SOC位于第三电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，多余的功率输送给动力电池(400)和/或超级电容(500)；
所述第一电量区、第二电量区、第三电量区的大小依次减小，其中第一电量区与第二电量区的临界值为90％，第二电量区与第三电量区的临界值为60％。
2.根据权利要求1所述的电电混合燃料电池汽车能量管理***，其特征在于：所述控制模块(200)还用于，当判断整车需求功率大于或等于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，不足的功率由动力电池(400)和/或超级电容(500)补充。
3.根据权利要求1所述的电电混合燃料电池汽车能量管理***，其特征在于：所述控制模块(200)还用于，控制多余的功率首先给超级电容(500)充电，然后超级电容(500)给动力电池(400)充电；当判断整车需求功率大于或等于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，控制不足的功率首先由超级电容(500)补充，然后动力电池(400)给超级电容(500)充电。
4.根据权利要求1所述的电电混合燃料电池汽车能量管理***，其特征在于：所述参数获取模块(100)还用于，对获取的整车需求功率和动力电池SOC进行低通滤波处理。
5.一种基于上述权利要求1～4任意一项所述的电电混合燃料电池汽车能量管理***的控制方法，其特征在于：
获取整车需求功率、动力电池SOC、燃料电池最大输出功率、燃料电池最小输出功率和燃料电池最优输出功率；
当动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最小输出功率时，燃料电池实际输出功率为燃料电池最小输出功率，多余的功率输送给动力电池(400)和/或超级电容(500)；
当动力电池SOC位于第一电量区、且整车需求功率大于燃料电池最小输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，燃料电池实际输出功率为整车需求功率；
当动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最优输出功率时，燃料电池实际输出功率为燃料电池最优输出功率，多余的功率输送给动力电池(400)和/或超级电容(500)；
当动力电池SOC位于第二电量区、且整车需求功率大于燃料电池最优输出功率并小于燃料电池最大输出功率时，燃料电池实际输出功率为整车需求功率；
当动力电池SOC位于第三电量区、且整车需求功率小于或等于燃料电池最大输出功率时，燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，多余的功率输送给动力电池(400)和/或超级电容(500)。
6.根据权利要求5所述的电电混合燃料电池汽车能量管理***的控制方法，其特征在于：当整车需求功率大于或等于燃料电池最大输出功率时，燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，不足的功率由动力电池(400)和/或超级电容(500)补充。
7.根据权利要求5所述的电电混合燃料电池汽车能量管理***的控制方法，其特征在于：所述多余的功率首先给超级电容(500)充电，然后超级电容(500)给动力电池(400)充电；当判断整车需求功率大于或等于燃料电池最大输出功率时，控制燃料电池实际输出功率为燃料电池最大输出功率，不足的功率首先由超级电容(500)补充，然后动力电池(400)给超级电容(500)充电。
8.根据权利要求5所述的电电混合燃料电池汽车能量管理***的控制方法，其特征在于：对获取的整车需求功率和动力电池SOC进行低通滤波处理。
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