CN113721154A - 一种燃料电池工况点选取方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池工况点选取方法及装置，基于整车配置信息，确定整车的测试试验循环；在测试试验循环下，计算燃料电池未工作时的动力电池的电池荷电量的第一变化量，以及计算燃料电池以最大功率工作时动力电池的电池荷电量的第二变化量，并获得二者对应的取值范围；计算获得在取值范围内不同工况下使得所述燃料电池氢耗最低的燃料电池功率曲线；根据所述燃料电池电池功率曲线，确定各个功率的工况点的占比信息；基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点。本发明为燃料电池工况点的选取提供计算方法和理论依据，既可以保证燃料电池的工作特性，又可以最大程度的提高整车的经济性。

Description

一种燃料电池工况点选取方法及装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池工况点选取方法及装置。
背景技术
随着新能源技术的发展，燃料电池凭借其节能环保特征，并因其拥有能量转换效率高、续航里程久、燃料加注迅速等优点，被认为是目前代替化石能源极具前景的车用发电装置。
工况点是指燃料电池的工作点，由于燃料电池功率响应较慢，且频繁切换燃料电池工况点会影响燃料电池的寿命等新能，所以在燃料电池工作时只选取几个点作为燃料电池的工作点。在现有技术中，通常是标定人员根据开发经验随意选择几个工况点，使得工况点的选择受个人的主观因素所影响，无法保证燃料电池的工作特性，降低了整车经济性。
发明内容
针对于上述问题，本发明提供一种燃料电池工况点选取方法及装置，实现了提升了燃料电池工况点选取的可靠性，保证了燃料电池的工作特性和提升了整车经济性。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种燃料电池工况点选取方法，包括：
基于整车配置信息，确定整车的测试试验循环，所述整车的能量供给单元包括动力电池和燃料电池；
在所述测试试验循环下，计算所述燃料电池未工作时的所述动力电池的电池荷电量的第一变化量，以及计算所述燃料电池以最大功率工作时所述动力电池的电池荷电量的第二变化量；
基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述电池荷电量的变化量的取值范围；
计算在所述取值范围内不同工况下使得所述燃料电池氢耗最低的燃料电池功率曲线；
根据所述燃料电池电池功率曲线，确定各个功率的工况点的占比信息；
基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点。
可选地，所述计算所述燃料电池未工作时的所述动力电池的电池荷电量的第一变化量，包括：
获取所述测试试验循环下每个时刻的功率需求、总的驱动消耗能量和总的制动回收能量；
获取动力电池的充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量；
基于总的驱动消耗能量、总的制动回收能量、充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量，计算得到所述动力电池的电池荷电量的第一变化量。
可选地，所述方法还包括：
计算所述测试试验循环下的所述燃料电池的氢耗和所述燃料电池发出的电能；
获取所述动力电池的额定电压和电量；
基于所述燃料电池的氢耗、所述燃料电池发出的电能、所述动力电池的额定电压和电量，计算得到电池荷电量对应的氢耗。
可选地，所述基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点，包括：
基于初始的电池荷电量以及需要选定的工况点个数，确定目标测试工况；
计算所述目标测试工况下燃料电池各功率的占比，在每个测试工况下选取占比最高的工况点为目标工况点。
可选地，所述方法还包括：
若在下一个测试工况选取的工况点与上一个测试工况选取的工况点重复，将占比第二高的工况点作为目标工况点，直至每个选取的工况均对应有目标工况点后停止。
一种燃料电池工况点选取装置，包括：
第一确定单元，用于基于整车配置信息，确定整车的测试试验循环，所述整车的能量供给单元包括动力电池和燃料电池；
第一计算单元，用于在所述测试试验循环下，计算所述燃料电池未工作时的所述动力电池的电池荷电量的第一变化量，以及计算所述燃料电池以最大功率工作时所述动力电池的电池荷电量的第二变化量；
第二确定单元，用于基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述电池荷电量的变化量的取值范围；
第二计算单元，用于计算在所述取值范围内不同工况下使得所述燃料电池氢耗最低的燃料电池功率曲线；
第三确定单元，用于根据所述燃料电池电池功率曲线，确定各个功率的工况点的占比信息；
第四确定单元，用于基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点。
可选地，所述第一计算单元包括：
第一获取子单元，用于获取所述测试试验循环下每个时刻的功率需求、总的驱动消耗能量和总的制动回收能量；
第二获取子单元，用于获取动力电池的充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量；
第一计算子单元，用于基于总的驱动消耗能量、总的制动回收能量、充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量，计算得到所述动力电池的电池荷电量的第一变化量。
可选地，所述装置还包括：
第三计算单元，用于计算所述测试试验循环下的所述燃料电池的氢耗和所述燃料电池发出的电能；
第一获取单元，用于获取所述动力电池的额定电压和电量；
第四计算单元，用于基于所述燃料电池的氢耗、所述燃料电池发出的电能、所述动力电池的额定电压和电量，计算得到电池荷电量对应的氢耗。
可选地，所述第三确定单元包括：
第一确定子单元，用于基于初始的电池荷电量以及需要选定的工况点个数，确定目标测试工况；
第二计算子单元，用于计算所述目标测试工况下燃料电池各功率的占比，在每个测试工况下选取占比最高的工况点为目标工况点。
可选地，所述装置还包括：
选择单元，用于若在下一个测试工况选取的工况点与上一个测试工况选取的工况点重复，将占比第二高的工况点作为目标工况点，直至每个选取的工况均对应有目标工况点后停止。
相较于现有技术，本发明提供了一种燃料电池工况点选取方法及装置，基于整车配置信息，确定整车的测试试验循环；在测试试验循环下，计算燃料电池未工作时的动力电池的电池荷电量的第一变化量，以及计算燃料电池以最大功率工作时动力电池的电池荷电量的第二变化量，并获得二者对应的取值范围；计算获得在取值范围内不同工况下使得所述燃料电池氢耗最低的燃料电池功率曲线；根据所述燃料电池电池功率曲线，确定各个功率的工况点的占比信息；基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点。本发明为燃料电池工况点的选取提供计算方法和理论依据，既可以保证燃料电池的工作特性，又可以最大程度的提高整车的经济性。
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工况点选取方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种针对不同测试工况的处理流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种燃料电池工况点选取装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
在本发明实施例中提供了一种燃料电池工况点选取方法，参见图1，包括：
S101、基于整车配置信息，确定整车的测试试验循环。
本发明实施例的方法适用于在纯电动整车的基础上增加一套燃料电池***的整车，如搭载燃料电池的纯电动公交车和搭载燃料电池的纯电动物流车。这也是本发明选定的***。即所述整车的能量供给单元包括动力电池和燃料电池。
根据选定的***的整车配置，确定其测试试验循环，如公交车选取CCBC试验循环，物流车选取C-WTVC试验循环等。其中，整车配置包含整车车重、政策型式(如客车、货车等)等。
S102、在所述测试试验循环下，计算所述燃料电池未工作时的所述动力电池的电池荷电量的第一变化量，以及计算所述燃料电池以最大功率工作时所述动力电池的电池荷电量的第二变化量。
S103、基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述电池荷电量的变化量的取值范围。
S104、计算在所述取值范围内不同工况下使得所述燃料电池氢耗最低的燃料电池功率曲线。
S105、根据所述燃料电池电池功率曲线，确定各个功率的工况点的占比信息。
S106、基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点。
首先设定需选取的燃料电池工况点个数为N。该个数的设定可以根据燃料电池的工作特性，也可以根据整车厂的使用要求。
由于选定***中有两个能量源，一个动力源，动力电池作为主要的能量源，其设计功率一般高于电机额定功率，燃料电池作为补充能量源，受其成本和性能的影响，其设计功率一般低于电机额定功率，所以燃料电池最大功率必须作为其中一个工况点PFCUMax，以尽可能保证可能出现的动力电池SOC(电池的荷电量)较低而需要燃料电池单独输出能量的情况。
在本发明实施例中还提供了一种确定电池荷电量的变化量方法，该计算方法对应于在测试试验循环下，燃料电池未工作时动力电池的电池荷电量变化的计算。具体的，所述计算所述动力电池的电池荷电量的第一变化量，包括：
获取所述测试试验循环下每个时刻的功率需求、总的驱动消耗能量和总的制动回收能量；
获取动力电池的充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量；
基于总的驱动消耗能量、总的制动回收能量、充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量，计算得到所述动力电池的电池荷电量的第一变化量。
对应的，计算燃料电池以最大功率工作时动力电池的电池荷电量的第二变化量，是指动力电池荷电量在工况结束时较工况开始的变化量。
基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述电池荷电量的变化量的取值范围。
计算当前整车配置下，整个试验循环下每个时刻的功率需求(驱动和制动)和整个试验循环下的总的驱动消耗能量EDrv和总的制动回收能量EReg(负值)。以一个动力电池的充放电平均效率ηDisChr和ηChr计算该行驶循环消耗的能量对应的动力电池的SOC变化SOCDisChrCharge(即上述中的第一变化量)。
Figure BDA0003239337110000071
需要说明的是，对于驱动平均功率大于等于燃料电池最大功率的情况，推荐燃料电池一直以最大功率工作，不涉及燃料电池工况点的选择，不是本发明实施例的适用范围
计算在整个试验循环下燃料电池以最大功率工作时，动力电池SOC的变化量SOCChrChang(即上述中的第二变化量)。
因此该***SOC的最终值相较于初值的范围为[-SOCDisChrChange，SOCChrChange]。
由于燃料电池***一个较为期望的状态为起始SOC平衡，故将SOC的变化范围分为两个区间[-SOCDisChrChange，0)和(0，SOCChrChange]。
设定工况点选取测试工况：
基于选定的试验循环，采用动态规划优化算法，控制状态为动力电池SOC，控制变量为燃料电池发电功率，其范围为[0,PFCUMax]，目标函数为该试验循环下的氢耗最低。(如果设定的起始SOC和终点SOC不同，则还需将对应的SOC变化转化成氢耗。将动力电池SOC转化成氢耗的方法为：将SOC的变化ΔSOC转化为电能的变化，计算整个循环下的燃料电池的氢耗
Figure BDA0003239337110000072
以及整个循环上燃料电池发出的电能
Figure BDA0003239337110000084
这样即可得到相应SOC的变化对应的氢气消耗VΔSOC。即：
Figure BDA0003239337110000081
测试工况1：设定试验循环初始SOC和结束SOC相等，即整个试验循环消耗的能量由燃料电池提供。采用动态规划优化算法计算出满足该试验循环下氢耗最低的燃料电池功率曲线，并计算各功率的占比情况，其中占比最高的功率点选定为燃料电池其中一个工况点PFCUOpe1。其他情况的测试工况设计如图2所示，简要说明为：设定一个初始SOC，然后根据需选定的工况点的个数设计不同的测试工况，基本原则为除去PFCUOpe1和PFCUMax(PFCUMax表示燃料电池的最大功率点)，如果还需选择的工况点个数为偶数，则在[-SOCDisChrChange，0)和(0，SOCChrChange]两个区间上各选取剩余个数的一半的测试工况，SOC变化为在各自区间上平均分配；如果还需选择的工况点个数为奇数，则判断PFCUOpe1和
Figure BDA0003239337110000082
的大小关系，如果
Figure BDA0003239337110000083
则在区间[-SOCDisChrChange，0)上比区间(0，SOCChrChange]上多一个测试工况，否则就少一个测试工况。
本发明实施例提供的工况点选择算法选定不同车型的适用试验循环，有其针对性，其次该算法针对不同配置的动力总成具有普遍适用性，为燃料电池工况点的选取提供计算方法和理论依据，既可以保证燃料电池的工作特性，又可以最大程度的提高燃料电池的经济性。
参见图3，在本发明实施例中还提供了一种燃料电池工况点选取装置，包括：
第一确定单元10，用于基于整车配置信息，确定整车的测试试验循环，所述整车的能量供给单元包括动力电池和燃料电池；
第一计算单元20，用于在所述测试试验循环下，计算所述燃料电池未工作时的所述动力电池的电池荷电量的第一变化量，以及计算所述燃料电池以最大功率工作时所述动力电池的电池荷电量的第二变化量；
第二确定单元30，用于基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述电池荷电量的变化量的取值范围；
第二计算单元40，用于计算在所述取值范围内不同工况下使得所述燃料电池氢耗最低的燃料电池功率曲线；
第三确定单元50，用于根据所述燃料电池电池功率曲线，确定各个功率的工况点的占比信息；
第四确定单元60，用于基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点。
在上述实施例的基础上，所述第一计算单元包括：
第一获取子单元，用于获取所述测试试验循环下每个时刻的功率需求、总的驱动消耗能量和总的制动回收能量；
第二获取子单元，用于获取动力电池的充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量；
第一计算子单元，用于基于总的驱动消耗能量、总的制动回收能量、充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量，计算得到所述动力电池的电池荷电量的第一变化量。
在上述实施例的基础上，所述装置还包括：
第三计算单元，用于计算所述测试试验循环下的所述燃料电池的氢耗和所述燃料电池发出的电能；
第一获取单元，用于获取所述动力电池的额定电压和电量；
第四计算单元，用于基于所述燃料电池的氢耗、所述燃料电池发出的电能、所述动力电池的额定电压和电量，计算得到电池荷电量对应的氢耗。
在上述实施例的基础上，所述第三确定单元包括：
第一确定子单元，用于基于初始的电池荷电量以及需要选定的工况点个数，确定目标测试工况；
第二计算子单元，用于计算所述目标测试工况下燃料电池各功率的占比，在每个测试工况下选取占比最高的工况点为目标工况点。
在上述实施例的基础上，所述装置还包括：
选择单元，用于若在下一个测试工况选取的工况点与上一个测试工况选取的工况点重复，将占比第二高的工况点作为目标工况点，直至每个选取的工况均对应有目标工况点后停止。
本发明提供了一种燃料电池工况点选取装置，基于整车配置信息，确定整车的测试试验循环；在测试试验循环下，计算燃料电池未工作时的动力电池的电池荷电量的第一变化量，以及计算燃料电池以最大功率工作时动力电池的电池荷电量的第二变化量，并获得二者对应的取值范围；计算获得在取值范围内不同工况下使得所述燃料电池氢耗最低的燃料电池功率曲线；根据所述燃料电池电池功率曲线，确定各个功率的工况点的占比信息；基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点。本发明为燃料电池工况点的选取提供计算方法和理论依据，既可以保证燃料电池的工作特性，又可以最大程度的提高整车的经济性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，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。
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 (10)

1.一种燃料电池工况点选取方法，其特征在于，包括：
基于整车配置信息，确定整车的测试试验循环，所述整车的能量供给单元包括动力电池和燃料电池；
在所述测试试验循环下，计算所述燃料电池未工作时的所述动力电池的电池荷电量的第一变化量，以及计算所述燃料电池以最大功率工作时所述动力电池的电池荷电量的第二变化量；
基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述电池荷电量的变化量的取值范围；
计算在所述取值范围内不同工况下使得所述燃料电池氢耗最低的燃料电池功率曲线；
根据所述燃料电池电池功率曲线，确定各个功率的工况点的占比信息；
基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述燃料电池未工作时的所述动力电池的电池荷电量的第一变化量，包括：
获取所述测试试验循环下每个时刻的功率需求、总的驱动消耗能量和总的制动回收能量；
获取动力电池的充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量；
基于总的驱动消耗能量、总的制动回收能量、充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量，计算得到所述动力电池的电池荷电量的第一变化量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
计算所述测试试验循环下的所述燃料电池的氢耗和所述燃料电池发出的电能；
获取所述动力电池的额定电压和电量；
基于所述燃料电池的氢耗、所述燃料电池发出的电能、所述动力电池的额定电压和电量，计算得到电池荷电量对应的氢耗。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点，包括：
基于初始的电池荷电量以及需要选定的工况点个数，确定目标测试工况；
计算所述目标测试工况下燃料电池各功率的占比，在每个测试工况下选取占比最高的工况点为目标工况点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若在下一个测试工况选取的工况点与上一个测试工况选取的工况点重复，将占比第二高的工况点作为目标工况点，直至每个选取的工况均对应有目标工况点后停止。
6.一种燃料电池工况点选取装置，其特征在于，包括：
第一确定单元，用于基于整车配置信息，确定整车的测试试验循环，所述整车的能量供给单元包括动力电池和燃料电池；
第一计算单元，用于在所述测试试验循环下，计算所述燃料电池未工作时的所述动力电池的电池荷电量的第一变化量，以及计算所述燃料电池以最大功率工作时所述动力电池的电池荷电量的第二变化量；
第二确定单元，用于基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述电池荷电量的变化量的取值范围；
第二计算单元，用于计算在所述取值范围内不同工况下使得所述燃料电池氢耗最低的燃料电池功率曲线；
第三确定单元，用于根据所述燃料电池电池功率曲线，确定各个功率的工况点的占比信息；
第四确定单元，用于基于所述占比信息，确定所述燃料电池的目标工况点。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算单元包括：
第一获取子单元，用于获取所述测试试验循环下每个时刻的功率需求、总的驱动消耗能量和总的制动回收能量；
第二获取子单元，用于获取动力电池的充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量；
第一计算子单元，用于基于总的驱动消耗能量、总的制动回收能量、充电平均效率、放电平均效率、动力电池额定电压和动力电池电量，计算得到所述动力电池的电池荷电量的第一变化量。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第三计算单元，用于计算所述测试试验循环下的所述燃料电池的氢耗和所述燃料电池发出的电能；
第一获取单元，用于获取所述动力电池的额定电压和电量；
第四计算单元，用于基于所述燃料电池的氢耗、所述燃料电池发出的电能、所述动力电池的额定电压和电量，计算得到电池荷电量对应的氢耗。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第三确定单元包括：
第一确定子单元，用于基于初始的电池荷电量以及需要选定的工况点个数，确定目标测试工况；
第二计算子单元，用于计算所述目标测试工况下燃料电池各功率的占比，在每个测试工况下选取占比最高的工况点为目标工况点。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
选择单元，用于若在下一个测试工况选取的工况点与上一个测试工况选取的工况点重复，将占比第二高的工况点作为目标工况点，直至每个选取的工况均对应有目标工况点后停止。
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