CN115556638A - 一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法和装置 - Google Patents

一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法和装置 Download PDF

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李春
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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法和装置。其中，该方法包括：根据整车仿真模型，确定动力电池的SOC各区间范围；设定SOC各区间范围对应的固定目标功率或者目标功率范围；若当前SOC所属区间对应目标功率范围，则根据整车动态功率需求、功率预测模型以及电堆变载能力执行分阶段功率跟随控制策略。本发明的技术方案，通过制定分区控制及分阶段功率跟随的能量控制策略，满足整车动态功率需求的同时兼顾燃料电池变载能力，保证了整车动力需求及燃料电池的耐久性。

Description

一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法和装置
技术领域
本发明实施例涉及燃料电池能量控制技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法和装置。
背景技术
受限于燃料电池固有特点和发展现状，目前氢燃料混合动力客车的动力***通常采用氢燃料电池与动力电池匹配的方式，以满足整车动力需求及制动能量回收。在保证整车动力性的基础上，合理分配分配燃料电池与动力电池的功率输出，兼顾动力***耐久性能及整车经济性是整车能量管理控制策略的核心。
现有主流的基于锂电池SOC的逻辑门限控制策略多为控制燃料电池以几个固定功率点输出，这样虽然可保证燃料电池在高效点工作，但受限于较为固定的功率输出模式，这种控制策略无法满足复杂工况下的整车功率需求，如果验证不充分，容易导致燃料电池开关机频次增多，锂电池充放电电量大，SOC波动范围较大等问题。全功率跟随式能量控制策略可适当降低开关机频次及锂电池充放电电量，但持续较大的功率跃变对燃料电池的变载能力及耐久性都提出了更大的挑战。
发明内容
为解决传统SOC逻辑门限控制策略下功率模式单一及全功率跟随策略下氢燃料电池过度变载的问题，本发明提供一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法和装置，通过制定分区控制及分阶段功率跟随的能量控制策略，满足整车动态的功率需求的同时兼顾电堆变载能力，保证了燃料电池输出功率相对稳态变化。
第一方面，本发明实施例提供一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法，包括：
S01：根据整车仿真模型，设定动力电池的SOC各区间范围；
S02：设定SOC各区间范围对应的固定目标功率或者目标功率范围；
S03：若当前SOC所属区间对应目标功率范围，则根据整车动态功率需求、整车需求功率预测模型以及电堆变载能力执行分阶段功率跟随的控制策略。
可选的，该方法还包括：
S04：评估车辆在实际运营工况长时间运行下SOC的稳定情况，动态的调整SOC各区间对应的目标功率范围及分区功率跟随时间。
可选的，所述S01包括：
将SOC从0％到100％分为A、B、C、D、E、F六个区间。
可选的，所述S02包括：
当SOC处于A、E、F区间时，分别设置对应的固定目标功率；
当SOC处于B、C、D区间时，分别设置对应的目标功率范围。
可选的，当SOC处于B、C、D区间时，分别设置对应的目标功率范围，包括：
通过选取各区间内燃料电池不同的净输出功率窗口，得到不同功率区间对应的SOC变化曲线，将特定工况下动力电池SOC波动范围最小的功率区间确定为各区间的目标功率范围。
可选的，所述S03包括：
通过整车控制器获取整车实时需求功率以及整车需求功率预测模型预测下一设定时间段内的整车需求功率；
判断所述设定时间段起止的整车需求功率差值，若所述需求功率差值大于或者等于第一预设差值，则目标功率在所属的目标功率范围内根据电堆变载能力呈线性增加，若目标功率增加至所属目标功率范围的最大值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最大值恒定输出，直至进入下一SOC区间；
若所述整车需求功率差值大于第二预设差值且小于第一预设差值，则目标功率执行上一设定时间段的平均功率；
若所述整车需求功率差值小于或者等于第二预设差值，则目标功率在所属的目标功率范围内根据电堆变载能力呈线性减少，若目标功率减小至所属目标功率范围的最小值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最小值恒定输出，直至跳出此SOC区间；
所述第一预设差值大于所述第二预设差值；
其中，当SOC所属区间对应目标功率范围时，各区间初始目标功率设定为各区间目标功率范围最大功率与最小功率的平均值。
可选的，所述S03还包括：
若当前SOC所属区间对应固定目标功率，则执行对应的固定目标功率。
可选的，实时的监测SOC所属的区间，若监测到SOC所属的区间发生变化时，则根据变化后的SOC所属的区间对应调整的目标功率执行策略。
第二发明，本发明实施例还提出一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制装置，包括：
SOC区间设定模块，用于根据整车仿真模型，设定动力电池的SOC各区间范围；
目标功率设定模块，用于设定SOC各区间范围对应的固定目标功率或者目标功率范围；
整车需求功率预测模块，用于预测下一设定时间段的整车需求功率；
目标功率调整模块，用于若当前SOC所属区间为对应目标功率范围的SOC区间，则根据整车动态功率需求、整车需求功率预测模型以及电堆变载能力执行分阶段功率跟随的控制策略。
本发明的有益效果：
1、本发明通过开发分区控制及分阶功率跟随的FC-B-Balance能量控制策略，结合SOC开关控制策略及功率跟随策略的优缺点，在实现对整车动力需求动态响应性的同时，可以避免燃料电池大范围的功率跳变，兼顾了整车动力性及燃料电池耐久性；
2、分阶段功率跟随降低了对燃料电池变载速率的需求，突破全功率跟随策略下电堆变载能力及变载次数限制的瓶颈，动力电池在起到削峰填谷作用的同时可以保持较为稳定的SOC，延长了动力电池和燃料电池的循环使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法的流程图；
图2为本发明提供的SOC区间以及目标功率设定示意图；
图3为本发明提供的又一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法的流程图，具体包括如下步骤：
S01：根据整车仿真模型，设定动力电池的SOC各区间范围。
本实施例中，根据氢燃料混合动力客车的实际运营工况及功率需求，考虑动力电池的容量及整车功率需求，将动力电池SOC从0％到100％分为A、B、C、D、E、F六个区间。
S02：设定SOC各区间范围对应的固定目标功率或者目标功率范围。
本实施例中，当SOC处于A、E、F区间时，分别设置对应的固定目标功率；当SOC处于B、C、D区间时，分别设置对应的目标功率范围。
进一步参见图2，具体的功率分配原则为：
1.A区间(低SOC区间)设定较大的固定目标功率PA，确保低SOC下，锂电池电量的迅速补足；
2.E区间(高SOC区间)设定较小的固定目标功率PE，防止动力电池过充；
3.F区间下燃料电池不启动或执行自动关机流程；
4.B、C、D区间执行分阶段功率跟随，各区间设定的目标功率范围应尽可能保证燃料电池的高效率输出。各SOC区间对应的功率范围分别为：B区间P Bmin-PBmax，C区间PCmin-PBmin,D区间PDmin-PCmin。通过选取各区间内燃料电池不同的净输出功率窗口，得到不同功率区间对应的SOC变化曲线，确定在特定工况下动力电池SOC波动范围最小的各区间最优功率范围，将各区间的最优功率范围设置为确定为各区间的目标功率范围。
S03：若当前SOC所属区间对应目标功率范围，则根据整车动态功率需求、整车需求功率预测模型以及电堆变载能力执行分阶段功率跟随的控制策略。
进一步参见图3，若当前SOC所属区间为B、C、D时，通过整车控制器获取整车实时需求功率以及整车需求功率预测模型预测下一设定时间段内的整车需求功率；
判断所述设定时间段起止的整车需求功率差值，若所述需求功率差值大于或者等于第一预设差值，则目标功率在所属的目标功率范围内根据电堆变载能力呈线性增加，若目标功率增加至所属目标功率范围的最大值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最大值恒定输出，直至进入下一SOC区间；
若所述整车需求功率差值大于第二预设差值且小于第一预设差值，则目标功率执行上一设定时间段的平均功率；
若所述整车需求功率差值小于或者等于第二预设差值，则目标功率在所属的目标功率范围内根据电堆变载能力呈线性减少，若目标功率减小至所属目标功率范围的最小值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最小值恒定输出，直至跳出此SOC区间；
所述第一预设差值大于所述第二预设差值；
其中，当SOC所属区间对应目标功率范围时，各区间初始目标功率设定为各区间目标功率范围最大功率与最小功率的平均值。
本实施例中，假设第一预设差值为10kw，第二预设差值为-10kw，则上述步骤具体为：
通过整车控制器采集车速、电机转速、油门踏板信息、电机效率等信息，获取实时工况下的整车需求功率，Pr＝T*n/(9549*η)+Pf，T为电机转矩，n为电机转速，η为电机效率，Pf为整车附件功率。整车控制器实时评估整车需求功率并能根据车速、交通拥堵情况、坡度等预测下一设定时间段T0-n的功率需求并进行实时反馈，若T0-n起止整车需求功率差值Pn-P0≥10kw，则目标功率在设定区间内呈线性增加，若T0-n起止整车需求功率差值-10kw＜Pn-P0＜10kw，则目标功率执行上一T0-n时间段的平均功率
Figure BDA0003901585220000051
若T0-n起止整车需求功率差值Pn-P0≤-10kw，则目标功率在设定区间内呈线性减少。其中，分阶段功率跟随的各区间初始目标功率设定为目标功率范围最大功率与最小功率的平均值，若目标功率增加至所属目标功率范围的最大值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最大值恒定输出，直至进入下一SOC区间，若目标功率减小至所属目标功率范围的最小值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最小值恒定输出，直至跳出此SOC区间。
其中，T0-n可通过前期仿真确认，例如在0-5min时间范围内设置等距离散点T0，T1……Tn，建立燃料电池、动力电池的整车动力模型，通过仿真确定在设定工况下动力电池吞吐量最小的功率跟随时间值。
进一步的，所述S03还包括，若当前SOC所属区间对应固定目标功率，则执行对应的固定目标功率。
在上述实施例的基础上，该方法还包括：实时的监测SOC所属的区间，若监测到SOC所属的区间发生变化时，则根据变化后的SOC所属的区间对应调整的目标功率执行策略。
具体的，所述步骤S02和S03中，在执行分区控制及分阶段功率跟随控制策略中，计算SOC降低滞回区间差δsdown，若SOCn＞SOCamax+δsdown,则整车进入B区间执行分阶段功率跟随，直至SOC＜SOCamax，进入低SOC区间恒功率运行模式，同样地，若SOCn＞SOCemin+δsdown,则整车进入E区间执行高SOC恒功率运行模式，直至SOC＜SOCemin，进入D区间执行分阶段功率跟随策略。
在执行分区控制及分阶段功率跟随控制策略中，计算SOC升高滞回区间差δsup，若SOCn＜SOCamax，执行低SOC区间高恒定功率策略，直至SOCn＞SOCamax+δsup时，执行分区功率跟随策略，若SOCn＞SOCemin，执行高SOC低恒定功率策略，直至SOCn＜SOCemin-δsup时，执行D区间分区功率跟随策略。
其中，SOCamax为区间A的最大SOC值，SOCemin为区间E的最小值。
S04：评估车辆在实际运营工况长时间运行下SOC的稳定情况，动态的调整SOC各区间对应的目标功率范围及分区功率跟随时间。
在完成S03后，评估车辆在实际运营工况长时间运行下SOC的稳定情况，若SOC值波动较大，可进一步调整分区目标功率范围的设定及分区功率跟随时间Tn的选取。
其中，本实施例中的整车控制器设置分区间能量控制策略及分阶段功率跟随策略，其控制***包括；实时采集模块，获取实时整车需求功率；
整车需求功率预测模块，将车速、交通拥堵情况、坡度等作为参数，预测下一T0-n时间段的整车需求功率，并计算差值；
自切换模块，根据整车SOC情况，进行分区间控制策略的切换。
进一步的，本发明还提供一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制装置，包括：
SOC区间设定模块，用于根据整车仿真模型，设定动力电池的SOC各区间范围；
目标功率设定模块，用于设定SOC各区间范围对应的固定目标功率或者目标功率范围；
目标功率调整模块，用于若当前SOC所属区间为对应目标功率范围的SOC区间，则根据整车动态功率需求及功率预测模型结合电堆变载能力执行分阶段功率跟随的控制策略。
动态调整模块，用于评估车辆在实际运营工况长时间运行下SOC的稳定情况，动态的调整SOC各区间对应的目标功率范围及分区功率跟随时间。
其中，SOC区间设定模块具体用于：将SOC从0％到100％分为A、B、C、D、E、F六个区间。
目标功率设定模块具体用于：当SOC处于A、E、F区间时，分别设置对应的固定目标功率；
当SOC处于B、C、D区间时，分别设置对应的匹配不同SOC区间的最优目标功率范围。
进一步的，当SOC处于B、C、D区间时，分别设置对应的目标功率范围，包括：
通过选取各区间内燃料电池不同的净输出功率窗口，得到不同功率区间对应的SOC变化曲线，将特定工况下动力电池SOC波动范围最小的功率区间确定为各区间的目标功率范围。
目标功率调整模块具体用于：
通过整车控制器获取整车实时需求功率以及根据整车需求功率预测模块预测下一设定时间段内的整车需求功率；
判断所述设定时间段起止的整车需求功率差值，若所述需求功率差值大于或者等于第一预设差值，则目标功率在所属的目标功率范围内根据电堆变载能力呈线性增加，若目标功率增加至所属目标功率范围的最大值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最大值恒定输出，直至进入下一SOC区间；
若所述整车需求功率差值大于第二预设差值且小于第一预设差值，则目标功率执行上一设定时间段的平均功率；
若所述整车需求功率差值小于或者等于第二预设差值，则目标功率在所属的目标功率范围内根据电堆变载能力呈线性减少，若目标功率减小至所属目标功率范围的最小值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最小值恒定输出，直至跳出此SOC区间；
所述第一预设差值大于所述第二预设差值；
其中，当SOC所属区间对应目标功率范围时，各区间初始目标功率设定为各区间目标功率范围最大功率与最小功率的平均值。
若当前SOC所属区间对应固定目标功率，则执行对应的固定目标功率。
若监测到SOC所属的区间发生变化时，则根据变化后的SOC所属的区间对应调整的目标功率执行策略。
本发明实施例所提供的一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制装置可执行本发明任意实施例所提供的氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例
本实施例中燃料电池***的额定功率65kw，动力电池初始SOC为23％。
(1)通过仿真确定动力电池的SOC区间范围，A区间为0％-25％，E区间为75％-85％，F区间为85％-100％，B、C、D区间分别设置为25％-40％，40％-60％，60％-75％；
(2)确定各区间下目标功率范围，A区间的目标功率为60kW,E区间的目标功率设置为15kW,F区间目标功率设置0kw，即燃料电池不启动或走关机流程。B、C、D区间执行分阶段能量跟随策略,设置目标功率范围分别为54kw-40kw，40kw-30kw，30kw-20kw；
(3)初始SOC为23％，执行目标功率60kW，随着燃料电池持续给动力电池输出电量，待SOC升高至25％后，进入B区间执行分阶段功率跟随策略，初始目标功率为47kw，目标功率范围为54kw-40kw；
(4)通过整车控制器采集车速、电机转速、油门踏板信息、电机效率等信息，获取实时工况下的整车需求功率，整车需求功率预测模块根据车速、交通拥堵情况、坡度等参数实时预测下一预设T0-n阶段的整车功率需求；
(5)若预测时间段内起止整车需求功率差值Pn-P0≥10kw，则目标功率在54-40kw范围内根据电堆变载能力线性增加，若预测时间段内起止整车需求功率差值-10kw＜Pn-P0＜10kw，则目标功率执行上一T0-n时间段的平均功率
Figure BDA0003901585220000071
若预测时间段内起止整车需求功率差值Pn-P0≤-10kw，则目标功率在54-40kw范围内根据电堆变载能力呈线性减少，若目标功率增加至54kw，SOC仍在此区间内时，燃料电池执行54kw恒定目标功率输出，直至进入下一区间，若目标功率减小至40kw，SOC仍在此区间内时，燃料电池执行40kw恒定目标功率输出，直至跳出此区间；
(6)持续监测动力电池SOC的变化情况，若SOC维持在25％-40％区间，则目标功率按照步骤五执行，若SOC降低至25％临界点，则进入A区间，目标功率执行60kw恒功率，若SOC升高至40％，则进入C区间执行功率跟随策略，初始目标功率为35kw，目标功率范围为40kw-30kw；
(7)同步骤(5)的目标功率设定规则，若预测时间段内起止整车需求功率差值Pn-P0≥10kw，则目标功率在40kw-30kw范围内根据电堆变载能力线性增加，若预测时间段内起
-止整车需求功率差值-10kw＜Pn-P0＜10kw，则目标功率执行上一T0-n时间段的平均功率P，若预测时间段内起止整车需求功率差值Pn-P0≤-10kw，则目标功率在40kw-30kw范围内根据电堆变载能力呈线性减少，若目标功率增加至40kw，SOC仍在此区间内时，燃料电池执行40kw恒定目标功率输出，直至进入下一区间，若目标功率减小至30kw，SOC仍在此区间内时，燃料电池执行30kw恒定目标功率输出，直至跳出此区间；
(8)SOC升高或降低至相邻区间，目标功率的设置规则同上，T0-n可通过前期仿真确认，在0-5min时间范围内设置等距离散点T0，T1……Tn，建立燃料电池、动力电池的整车动力模型，通过仿真确定在设定工况下动力电池吞吐量最小的功率跟随时间值；
(9)以步骤4-8规则运行；
(10)若SOC升至75％，目标功率执行15kw，直至SOC大于85％燃料电池停机。
综上，本发明兼顾了SOC开关控制策略及功率跟随策略的优缺点，通过开发分区控制及分阶功率跟随的FC-B-Balance能量控制策略，动态获取整车需求功率并能根据整车需求功率预测模块实时预测下一阶段需求功率，在实现对整车动力需求动态响应性的同时，可以避免燃料电池大范围的功率跳变，兼顾了整车动力性及燃料电池耐久性；分阶段功率跟随降低了对燃料电池变载速率的需求，突破全功率跟随策略下电堆变载能力及变载次数限制的瓶颈，动力电池在起到削峰填谷作用的同时可以保持较为稳定的SOC，延长了动力电池和燃料电池的循环使用寿命。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制方法，其特征在于，包括：
S01：根据整车仿真模型，设定动力电池的SOC各区间范围；
S02：设定SOC各区间范围对应的固定目标功率或者目标功率范围；
S03：若当前SOC所属区间对应目标功率范围，则根据整车动态功率需求、整车需求功率预测模型以及电堆变载能力执行分阶段功率跟随的控制策略。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
S04：评估车辆在实际运营工况长时间运行下SOC的稳定情况，动态调整SOC各区间
对应的目标功率范围及分区功率跟随时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S01包括：
将SOC从0%到100%分为A、B、C、D、E、F六个区间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S02包括：
当SOC处于A、E、F区间时，分别设置对应的固定目标功率；
当 SOC处于B、C、D区间时，分别设置对应的目标功率范围。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当 SOC处于B、C、D区间时，分别设置对应的目标功率范围，包括：
通过选取各区间内燃料电池不同的净输出功率窗口，得到不同功率区间对应的SOC变化曲线，将特定工况下动力电池SOC波动范围最小的功率区间确定为各区间的目标功率范围。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S03包括：
通过整车控制器获取整车实时需求功率以及整车需求功率预测模型预测下一设定时间段内的整车需求功率；
判断所述设定时间段起止的整车需求功率差值，若所述需求功率差值大于或者等于第一预设差值，则目标功率在所属的目标功率范围内根据电堆变载能力呈线性增加，若目标功率增加至所属目标功率范围的最大值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最大值恒定输出，直至进入下一SOC区间；
若所述整车需求功率差值大于第二预设差值且小于第一预设差值，则目标功率执行上一设定时间段的平均功率；
若所述整车需求功率差值小于或者等于第二预设差值，则目标功率在所属的目标功率范围内根据电堆变载能力呈线性减少，若目标功率减小至所属目标功率范围的最小值，SOC仍在此区间时，则以目标功率范围的最小值恒定输出，直至跳出此SOC区间；
所述第一预设差值大于所述第二预设差值；
其中，当SOC所属区间对应目标功率范围时，各区间初始目标功率设定为各区间目标功率范围最大功率与最小功率的平均值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S03还包括： 若当前SOC所属区间对应固定目标功率，则执行对应的固定目标功率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，实时的监测SOC所属的区间，若监测到SOC所属的区间发生变化时，则根据变化后的SOC所属的区间对应调整的目标功率执行策略。
9.一种氢燃料电池混合动力客车的能量控制装置，其特征在于，包括：
SOC区间设定模块，用于根据整车仿真模型，设定动力电池的SOC各区间范围；
目标功率设定模块，用于设定SOC各区间范围对应的固定目标功率或者目标功率范围；
整车需求功率预测模块，用于预测下一设定时间段的整车需求功率；
目标功率调整模块，用于若当前SOC所属区间为对应目标功率范围的SOC区间，则根据整车动态功率需求、整车需求功率预测模块以及电堆变载能力执行分阶段功率跟随的控制策略。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116061769A (zh) * 2023-03-07 2023-05-05 北汽福田汽车股份有限公司 车辆的能量管理控制方法、装置、车辆控制器及车辆

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