一种燃料电池汽车整车能量管理方法与流程

1.本发明涉及混合动力汽车技术领域，具体涉及一种燃料电池汽车整车能量管理方法。


背景技术：

2.氢气的来源广泛，绿色低碳，是一种可再生的“人类终极清洁”能源。氢能也正逐步成为全球能源转型发展的重要载体。燃料电池是一种可以将氢能转化为电能的发动机，具有能量转换效率高，零排放，噪声低，运行温度接近室温等优点，目前燃料电池技术逐步趋向于成熟，已然进入了商业化推广的进程。搭载燃料电池的新能源汽车是氢能发展的重要方向之一，近年来燃料电池汽车的示范区域与规模不断扩大。燃料电池汽车与电动汽车相比，具有其独特的优势。氢燃料汽车加氢速度快，使用习惯与燃油车类似，驾驶者无需面对充电速度慢，续航里程低等问题。
3.燃料电池汽车从本质上来讲是一种混合动力车辆。为了弥补燃料电池瞬态响应慢的问题，燃料电池汽车一般配置“蓄水池”动力电池作为辅助能源。在整车需求功率大于燃料电池发电功率时，动力电池向外放电；在整车需求功率小于燃料电池发电功率时，动力电池进行充电以将多余的电量存储起来。在燃料电池汽车运行过程中，一个良好的燃料电池汽车整车能量管理策略需要考虑在不影响燃料电池使用寿命的前提下尽量提高燃料电池的响应速度，同时保证燃料电池的发电效率降低氢耗；减少动力电池的充放电次数，减少动力电池充放电时的能量损耗，同时延长动力电池的使用寿命；尽量避免燃料电池的启停，减少启停过程中电能及氢气的损耗，延长电堆寿命等。
4.当前已有的燃料电池汽车整车能量管理策略存在以下问题：1.控制策略中燃料电池采用单一运行模式，未针对特定工况下设置特定的运行模式；2.燃料电池输出功率跟随电机瞬时功率，导致燃料电池运行工况变动频繁，燃料电池在变工况时稳定性变差且发电效率低，降低了燃料电池的使用寿命，同时也增加了氢耗；3.燃料电池跟随动力电池soc以固定工况运行，燃料电池输出功率无法跟随整车需求功率，导致动力电池soc波动大，增加了动力电池的充放电次数；4.利用电机当前或电机历史消耗的功率计算整车需求功率，忽略了整车中辅机消耗的电量，导致计算结果偏差大；5.整车运行过程中燃料电池频繁启停，浪费了电能及氢气，减少了电堆寿命；6.需要载重、坡道传感器等，算法较为复杂，实施成本高，不利于工业推广。


技术实现要素：

5.针对控制策略中燃料电池采用单一运行模式，未针对特定工况下设置特定的运行模式，本发明提供一种燃料电池汽车整车能量管理方法，实现整车运行工况的区分与识别，针对不同工况运行特定模式。在全工况下，提高整车发电效率，提升整车运行经济性，实现燃料电池高效、稳定运行，降低动力电池的充放电次数，延长燃料电池及动力电池的寿命。
6.本发明的技术方案是：
本发明技术方案提供一种燃料电池汽车整车能量管理方法，包括如下步骤：整车上电后实时计算并判断最近s公里的平均车速及最高车速；判断是否平均车速小于v1且最高车速小于v2；若是，整车进入低速工况模式运行，根据动力电池的电量设置燃料电池的输出功率；此模式下，整车根据动力电池的soc查表设定燃料电池的输出功率。动力电池soc较低时，设定燃料电池的输出功率较高；动力电池soc较高时，设定燃料电池的输出功率较低。
7.若否，整车进入普通工况模式运行，根据动力电池的不同soc划分运行模式，计算并设置各运行模式下燃料电池的输出功率；普通工况模式，依据动力电池soc由高到低，具体的又分为纯电运行模式，怠速运行模式，最高效率功率运行模式，功率自适应模式运行以及动力电池低soc补偿的功率自适应模式。
8.当整车车速小于设定车速阈值且持续时间大于设定时间阈值时，若当前动力电池soc小于充电阈值，则整车进入停车充电模式，设置燃料电池以最高效率功率运行；当整车以普通工况模式运行时，若检测到停车时间≥2min且动力电池电量没有过高，则整车进入停车充电模式，此时燃料电池以最高效率功率运行。其中，停车时间为车速＜2km/h的连续时间。
9.当整车运行时检测到燃料电池或动力电池报二级故障，设置燃料电池最高效率功率运行。尽量延长燃料电池及动力电池的运行时间，尽量避免整车半路抛锚。
10.将燃料电池汽车整车运行模式分为低速工况运行模式，普通工况运行模式，停车充电运行模式，燃料电池及动力电池二级故障运行模式，可对工况进行识别，在不同的工况下运行特定模式。
11.整车上电后，根据混动开关的开合状态整车进入纯电模式或者混动模式。
12.当整车以纯电模式运行时，燃料电池保持停机状态，动力电池提供整车运行的所有能量。
13.当动力电池soc下降到一定程度，动力电池报限功率故障时，若氢燃料系统未报氢压过低故障，则开启燃料电池并以最高效率功率运行，以防止动力电池亏电并维持整车运行。当动力电池soc恢复到一定程度时，关闭燃料电池。
14.作为本发明技术方案的进一步限定，整车上电后实时计算并判断最近s公里的平均车速及最高车速的步骤包括：从存储器中读取上次整车下电时存储的最近s公里的平均车速和最高车速；计算平均车速时，剔除车速≤2km/h以下的数据。
15.获取当前车速，结合整车当前车速实时更新所述平均车速和最高车速。
16.作为本发明技术方案的进一步限定，整车进入普通工况模式运行，根据动力电池的不同soc划分运行模式，计算并设置各运行模式下燃料电池的输出功率的步骤包括：整车进入普通工况模式运行时，当动力电池的soc大于b1时，进入纯电运行模式，设置燃料电池停机；当动力电池的soc大于b2同时不大于b1时，为防止动力电池电量过高并保持一定的电机动能回收能力，进入怠速运行模式，设置燃料电池怠速运行；当动力电池的soc大于b3同时不大于b2时，进入最高效率功率运行模式，设置燃料电池以最高效率功率运行；
当动力电池的soc大于b4同时不大于b3时，进入功率自适应模式，设置燃料电池输出功率为燃料电池输出功率基准、燃料电池输出功率soc变化补偿值、燃料电池输出功率pid补偿值及燃料电池输出功率驱动电机补偿值之和；当动力电池的soc处于适中水平时，此时动力电池电量适中，燃料电池以功率自适应模式运行。此模式下，燃料电池的输出功率自适应跟随整车的需求功率，动力电池的soc在目标soc附近轻微波动。
17.当动力电池的soc小于或等于b4时，进入动力电池低soc补偿的功率自适应模式，设置燃料电池输出功率为燃料电池输出功率基准、燃料电池输出功率soc变化补偿值、燃料电池输出功率pid补偿值、燃料电池输出功率驱动电机补偿值及燃料电池输出功率低soc补偿值之和。当动力电池的soc较低时，燃料电池以低soc补偿的功率自适应模式运行。此模式下，在燃料电池的输出功率自适应跟随整车的需求功率的基础上，增加适当的补偿功率，在保证燃料电池发电效率的同时加快动力电池的充电速度，以便将动力电池的soc提高到目标值。
18.作为本发明技术方案的进一步限定，在纯电运行模式下，当动力电池电量低于电量阈值且氢系统氢气压力高于设定压力值时，设置燃料电池自动开启。
19.作为本发明技术方案的进一步限定所述燃料电池输出功率基准即通过一定算法对历史多个周期的整车能耗平均功率进行处理，得到当前时刻整车需求功率的预测值，将该预测值设定为燃料电池输出功率基准。燃料电池输出功率基准的计算方法包括：计算并存储历史上多个周期的整车能耗平均功率；当历史整车能耗平均功率数组的方差小于或等于第一限值时，燃料电池输出功率基准的算法采用加权平均值算法；当历史能耗平均功率数组的方差大于第一限值时，将近期i个周期的整车能耗平均功率平均值和与之相邻的远期多个周期的整车能耗平均功率平均值求差；若差值大于第一阈值，则用近期的整车能耗平均功率加权平均值作为燃料电池输出功率基准；否则计算近期i+p个周期的整车能耗平均功率平均值和与之相邻的远期多个周期的整车能耗平均功率差值的整车能耗平均功率平均值，若差值大于第二阈值，则用近期整车能耗平均功率加权平均值作为燃料电池输出功率基准；依此计算多次，若最终近期整车能耗平均功率平均值和与之相邻的远期多个周期的整车能耗平均功率平均值差值小于第m阈值，则用全部周期的整车能耗平均功率的加权平均值作为燃料电池输出功率基准；其中，设定整车能耗平均功率数组长度为f，近期定义为第一个周期到第m个周期，远期定义为为第m+1个周期到第f个周期，且，均为自然数。
20.作为本发明技术方案的进一步限定，该方法还包括：整车上电时，对存储的历史能耗数组进行读取，并计算出当前燃料电池输出功率基准；上电结束后整车开始运行，若整车的行驶车速大于或等于速度阈值且持续时间超过时间阈值，开始对单个周期内的整车能耗平均功率进行计算，每一个计算周期结束后，同步更新历史能耗数组与燃料电池输出功率基准并进入一个新的计算周期，直至整车下电；整车下电后，将历史能耗数组写入存储器中。
21.作为本发明技术方案的进一步限定，对单个周期内的整车能耗平均功率进行计算的方法包括：
在计算周期内，整车的电机、空调、水泵、油泵、气泵、dcdc用电设备的平均功率求和得到单个周期内的整车能耗平均功率；整车能耗平均功率计算方法为：燃料电池在单个计算周期内平均功率-（动力电池在单个计算周期内剩余电量变化值/周期时间）。
22.所述单个整车能耗平均功率计算周期内，若整车停车时间≥2min，则暂停当前计算周期，整车以停车充电模式运行。整车再次行驶时，继续当前周期的计算。
23.停车时间的计算方式为：车速＜2km/h的持续时间；车辆行驶的判断条件为：车速≥2km/h且持续时间≥2s。
24.作为本发明技术方案的进一步限定，燃料电池输出功率soc变化补偿值为，当动力电池soc变化较快时，说明燃料电池的输出功率与当前整车的需求功率差距较大，需要对燃料电池的输出功率进行修正，降低动力电池soc的变化速度，达到燃料电池的输出功率跟随整车需求功率。燃料电池输出功率soc变化补偿值计算方法包括：计算功率自适应模式及低soc补偿的功率自适应模式下最近设定时间段内的动力电池soc变化值
△
soc；当
△
soc≥0时，获取soc上升时
△
soc对应的燃料电池输出功率soc变化补偿值；根据动力电池soc对燃料电池输出功率soc变化补偿值进行修正；根据燃料电池高效功率区间对燃料电池输出功率soc变化补偿值进行修正；输出燃料电池输出功率soc变化补偿值；当
△
soc《0时, 获取soc下降时
△
soc对应的燃料电池输出功率soc变化补偿值；执行步骤根据动力电池soc对燃料电池输出功率soc变化补偿值进行修正。
25.作为本发明技术方案的进一步限定，燃料电池输出功率驱动电机补偿值，其目的为根据驱动电机的实时输入功率，对燃料电池的输出功率进行实时修正，以提高燃料电池输出功率与整车需求功率的同步性。燃料电池输出功率驱动电机补偿值为，根据驱动电机的实时输入功率，对燃料电池的输出功率进行实时修正，进一步提高燃料电池输出功率与整车需求功率的跟随性。燃料电池输出功率驱动电机补偿值的计算方法包括：通过燃料电池的输出功率基准减去辅件功率获得驱动电机的输入功率基准；驱动电机的实时输入功率减去驱动电机的输入功率基准，得到燃料电池的输出功率基于驱动电机输入功率的实时差值；修正后的实时差值即为燃料电池输出功率驱动电机补偿值。
26.作为本发明技术方案的进一步限定，燃料电池输出功率pid补偿值即设定动力电池的soc一个目标soc，将动力电池当前soc与目标soc的差值，经过pid算法计算后，对燃料电池的输出功率附加一个基于动力电池目标soc的pid补偿值。燃料电池输出功率pid补偿值的计算方法包括：获取动力电池当前soc或动力电池目标soc；基于pid算法计算燃料电池输出功率基于目标soc的pid补偿值；根据动力电池soc对燃料电池输出功率基于目标soc的pid补偿值进行修正；根据燃料电池高效功率区间对燃料电池输出功率基于目标soc的pid补偿值进行修正；输出燃料电池输出功率基于目标soc的pid补偿值。
27.当功率自适应模式及低soc补偿的功率自适应模式与其余模式进行切换时，pid模块的输出值重置为0。
28.燃料电池输出功率低soc补偿值，即在动力电池soc较低时，给燃料电池的设定功率加一个正的补偿值，soc越低，补偿值越大。
29.在功率自适应模式及低soc补偿的功率自适应模式下，对最终输出的燃料电池运行功率，通过燃料电池高效功率区间进行修正。
30.燃料电池高效功率区间，其计算方法为：基于当前运行环境及燃料电池与动力电池的运行状态，获取燃料电池发电效率map与动力电池不同soc下的充放电效率map，将燃料电池发电效率map与动力电池不同soc下的充放电效率map相乘即可得到整车的发电效率map。结合燃料电池输出功率基准，得到燃料电池的高效功率区间。在此高效功率区间，可保证燃料电池能够快速响应整车功率需求，又能保证整车的发电效率。
31.在功率自适应模式及低soc补偿的功率自适应模式下，对各补偿值及最终输出的燃料电池运行功率，通过动力电池当前soc及燃料电池高效功率区间进行修正；在整车所有运行模式下，若动力电池的soc较低，则对燃料电池的输出功率进行限制，降低动力电池的充电速度，延长动力电池寿命，同时，还需限制燃料电池功率变化速度，进一步提高燃料电池运行工况的稳定。
32.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：本方法将整车运行模式分为港口等低速工况模式，普通工况模式，停车充电模式，燃料电池及动力电池二级故障模式，实现了工况识别，在不同的工况下运行特定模式。
33.在港口等低速工况模式，整车能耗较低，采用动力电池soc为单一条件，在不同soc时燃料电池以固定功率运行，可保证燃料电池低功率高发电效率稳定运行。停车充电模式下，可提高发电效率，同时降低燃料电池的运行噪声，提高乘客的乘坐感受。燃料电池及动力电池二级故障模式下，可尽量维持车辆的运行时间，最大可能的避免车辆半路抛锚。在普通工况模式下的功率自适应模式及动力电池低soc补偿的功率自适应模式，计算多个周期的整车历史能耗平均功率，通过本方法中燃料电池输出功率基准算法，可以对整车当前需求功率进行预测；辅以燃料电池输出功率驱动电机补偿值、燃料电池输出功率soc变化补偿及燃料电池输出功率pid补偿，实现了燃料电池功率自适应跟随整车需求功率。基于整车发电效率，得到燃料电池高效功率区间。通过燃料电池高效功率区间，对上述补偿值及最终燃料电池输出进行修正，在保证燃料电池的响应速度及燃料电池运行稳定性的同时提升了整车能量利用效率。
34.在整车运行期间，基本实现了燃料电池的不停机运行，大大降低了燃料电池频繁启停的能量浪费。在不同运行模式下，燃料电池均运行在高效功率区间，提高整车能量利用效率；燃料电池输出功率及动力电池soc波动小，降低了动力电池的充放电次数，延长了燃料电池及动力电池的使用寿命。
35.本方法无需整车安装载重传感器、坡度传感器、云端gps等设备，实施成本低，算法简单可靠行之有效，可实时离线计算，便于推广，具有很高的商用价值。
36.此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
37.由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
38.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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1 燃料电池汽车整车能量流示意图。
40.图2 整车混动运行模式示意图。
41.图3整车混动运行模式划分流程示意图。
42.图4燃料电池输出功率基准计算流程示意图。
43.图5燃料电池输出功率基准计算算法示意图。
44.图6燃料电池输出功率soc变化补偿值计算流程示意图。
45.图7燃料电池输出功率pid补偿值计算流程示意图。
46.图8燃料电池输出功率驱动电机补偿值计算流程示意图。
47.图9燃料电池高效功率区间计算流程示意图。
48.图10燃料电池输出功率低soc补偿值计算流程示意图。
49.图11实车运行数据示图。
具体实施方式
50.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
51.图1为燃料电池汽车整车能量流示意图。燃料电池汽车中，燃料电池所发的电可以直接提供给电机及辅机使用，燃料电池多发出来的电也可以直接给动力电池充电。在纯电模式或燃料电池所发电量低于整车耗电量时，动力电池为电机及辅机提供电能。在整车刹车及滑行过程中，通过电机回收的能量会反充到动力电池当中。其中，电机回收功率≤（动力电池最大可充电功率-燃料电池发电功率）。
52.整车上电后，根据混动开关的开合状态整车进入纯电模式或者混动模式。在纯电模式下，燃料电池停机，动力电池提供整车运行的所有能量。当动力电池电量低于25%，氢系统氢气压力高于3mpa时，为防止动力电池亏电，影响整车运行及动力电池寿命，燃料电池自动开启，以最高效率功率运行。
53.图2和图3为本实施例中整车混动运行模式示意图。整车上电后实时计算并判断最近s公里的平均车速及最高车速，当平均车速及最高车速低于一定限度时，整车便会以港口等低速工况模式运行。在此工况下，燃料电池的运行功率由动力电池电量决定，当动力电池电量较高时，燃料电池以较低功率运行，当动力电池电量较低时，燃料电池以较高功率运行。示例性的，表1是动力电池soc—燃料电池输出功率map：表1动力电池soc/%015204060808590100燃料电池输出功率/kw/h2020454030252000
当整车的平均车速及最高车速高于一定限度时，整车会进入普通工况模式运行。普通工况模式下又根据动力电池的不同soc分为纯电运行模式，怠速运行模式，最高效率功率运行模式，功率自适应模式以及动力电池低soc补偿的功率自适应模式。
54.示例性的，动力电池soc与模式对应关系及燃料电池输出功率如表2所示：表2当整车运行时，整车车速＜2km/h且持续2min以上，若当前动力电池soc＜77.5，则整车进入停车充电模式。此模式下燃料电池以最高效率功率运行。
55.当整车运行时检测到燃料电池或动力电池报二级故障，燃料电池同样以最高效率功率运行。
56.图4为本实施例中燃料电池输出功率基准的计算流程。对单个计算周期内燃料电池实时输出功率平均值，在计算周期结束时与（此计算周期内动力电池剩余电量变化/周期时间）求差，便得到单个周期内的整车能耗平均功率。在本实施例中，通过最近10个计算周期的整车能耗平均功率来计算燃料电池输出功率基准。
57.整车上电时，先对存储于存储器中的历史能耗数组vecavgpw（长度f为10）进行读取，并计算出当前燃料电池输出功率基准。上电结束后整车开始运行，若整车的行驶车速≥2km/h且持续时间超过2s以上，便开始对单个周期内的整车能耗平均功率进行计算，每一个计算周期结束后，同步更新历史能耗数组与燃料电池输出功率基准并进入一个新的计算周期，直至整车下电。整车下电后，将历史能耗数组写入存储器中。
58.在单个整车能耗平均功率计算周期内，若整车车速＜2km/h，且持续时间≥2min，则暂停当前计算周期，暂停历史能耗数组与燃料电池输出功率基准的更新。同时，整车进入停车充电模式，燃料电池以最高效率功率运行。直至整车车速≥2km/h且持续2s以上，继续进行此周期的计算。
59.图5为本实施例中燃料电池输出功率基准计算算法。整车上电时，首先对存储器中的历史多个周期的整车能耗平均功率数据，即整车能耗平均功率数组vecavgpw进行读取。根据整车能耗平均功率数组计算燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic。与此同时，计算新一个周期的整车能耗平均功率，当计算完成后，对整车能耗平均功率数组vecavgpw进行更新并同步更新燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic。当历史能耗平均功率数组vecavgpw的方差≤50时，燃料电池输出功率基准的算法为加权平均值算法。此算法适用于整车运行工况变化不大的场景。
60.fc_outpw_basic =vecavgpw(1)*w1+ vecavgpw(2)*w2+
…
+ vecavgpw(n)*wn，其中w1~wn为权重系数，且1》w1》w2》
…
》wn》0，w1+w2+
…
+w
n-1
+wn=1。
61.其中vecavgpw(1)为最近一个周期的整车能耗平均功率，vecavgpw(n)为最远一个周期的整车能耗平均功率。
62.示例性的，燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic =vecavgpw(1)*0.24+vecavgpw(2)*0.18+vecavgpw(3)*0.15+vecavgpw(4)*0.12+ vecavgpw(5)*0.1+vecavgpw(6)*0.08+vecavgpw(7)*0.06+vecavgpw(8)*0.04+ vecavgpw(9)*0.02+vecavgpw(10)*0.01。
63.其中vecavgpw(1)为最近一个周期的整车能耗平均功率，vecavgpw(10)为最远一个周期的整车能耗平均功率。
64.当历史能耗平均功率数组vecavgpw的方差＞50时燃料电池输出功率基准计算方法为，将近期的一个或多个周期的整车能耗平均功率平均值与与之相邻的多个周期的较远整车能耗平均功率平均值求差，若差值较大，则用近期整车能耗平均功率加权平均值作为燃料电池输出功率基准；否则则计算近期更多周期的整车能耗平均功率平均值与与之相邻的多个周期的较远整车能耗平均功率差值，若差值较大，则用近期整车能耗平均功率加权平均值作为燃料电池输出功率基准；依此方法计算多次。若最终近期整车能耗平均功率平均值与与之相邻的多个周期的较远整车能耗平均功率平均值差值较小，则用全部周期的整车能耗平均功率的加权平均值作为燃料电池输出功率基准。
65.若设定整车能耗平均功率数组长度为f，最近一个周期的整车能耗平均功率为vecavgpw(1)，最远一个周期的整车能耗平均功率为vecavgpw(f)，则燃料电池输出功率基准的计算用公式表示为：近期能耗平均功率avgpwnear=vecavgpw(1)；远期能耗平均功率avgpwpast=vecavgpw(2: 4)/3；若|avgpwnear-avgpwpast|≥c1，则燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic=avgpwnear；否则：近期能耗平均功率avgpwnear= vecavgpw(1: 2)/2；远期能耗平均功率avgpwpast= vecavgpw(3: 6)/4；若|avgpwnear-avgpwpast|≥c2，则燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic=avgpwnear；否则：近期能耗平均功率avgpwnear= vecavgpw(1: 3)/3；远期能耗平均功率avgpwpast= vecavgpw(4: 7)/4；若|avgpwnear-avgpwpast|≥c3，则燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic=avgpwnear；否则：
…
近期能耗平均功率avgpwnear=[vecavgpw(1)+...+vecavgpw(e)]/e；远期能耗平均功率avgpwpast=[vecavgpw(e+1)+...+vecavgpw(f)]/(f-e)；若|avgpwnear-avgpwpast|≥ce，则燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic=avgpwnear；否则：燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic=[vecavgpw(1)+...+vecavgpw(f)]/f；
其中：0＜c1＜c2《
…
＜ce＜c
e+1
＜
…
＜cf且。
[0066]
示例性的，表3为近期整车能耗平均功率平均值与远期整车能耗平均功率平均值对应关系表，如表3所示，首先根据条件1中公式计算近期整车能耗平均功率平均值与远期整车能耗平均功率平均值，并将两者做差。若差值的绝对值≥比较值，则燃料电池输出功率基准=条件1计算的近期整车能耗平均功率平均值。若差值的绝对值小于比较值，则根据条件2再次计算并比较，直至比较完条件7。最终若条件7中近期整车能耗平均功率平均值与远期整车能耗平均功率平均值差值的绝对值小于条件7中比较值，则燃料电池输出功率基准= vecavgpw(1:10)/10。
[0067]
表3
条件近期整车能耗平均功率平均值远期整车能耗平均功率平均值比较值1vecavgpw(1)/1vecavgpw(2:4)/3燃料电池高效功率区间最高功率/1.852vecavgpw(1:2)/2vecavgpw(3:6)/4燃料电池高效功率区间最高功率/43vecavgpw(1:3)/3vecavgpw(4:7)/4燃料电池高效功率区间最高功率/6.54vecavgpw(1:4)/4vecavgpw(5:8)/4燃料电池高效功率区间最高功率/9.65vecavgpw(1:5)/5vecavgpw(6:10)/5燃料电池高效功率区间最高功率/13.36vecavgpw(1:6)/6vecavgpw(7:10)/4燃料电池高效功率区间最高功率/187vecavgpw(1:7)/7vecavgpw(8:10)/3燃料电池高效功率区间最高功率/24
当动力电池soc变化过快时，说明整车工况有较大变化，需要对燃料电池的输出功率进行修正，以使燃料电池输出功率能够跟随整车需求功率。图6为燃料电池输出功率soc变化补偿值计算流程示意图。计算功率自适应模式及低soc补偿的功率自适应模式下最近一段时间内的动力电池soc变化值
△
soc，当
△
soc≥0时，查表soc上升时
△
soc对应的燃料电池输出功率soc变化补偿值。此时补偿值为负，且当动力电池soc小于目标soc时，动力电池soc越低，补偿值越大，当动力电池soc大于目标soc时，电池soc越高，补偿值越小；当
△
soc ＜0时，查表soc下降时
△
soc对应的燃料电池输出功率soc变化补偿值。此时补偿值为正，且当动力电池soc小于目标soc时，动力电池soc越低，补偿值越大，当动力电池soc大于目标soc时，动力电池soc越高，补偿值越小。
[0068]
图7为燃料电池输出功率pid补偿值计算流程。本实施例中将动力电池的目标soc设置为75%，将动力电池的当前soc输入pid计算器后便可得到pid计算值。当功率自适应模式及低soc补偿的功率自适应模式与其余模式进行切换时，pid模块的输出值重置为0；动力电池的soc与目标soc差距较大时，适当增大pid计算值的输出上下限范围；同理，动力电池的soc与目标soc差距较小时，适当减小pid计算值的输出上下限范围。同时，燃料电池的高效功率区间最大功率较大时，适当增大pid计算值的输出上下限范围；同理，燃料电池的高效功率区间最大功率较小时，适当减小pid计算值的输出上下限范围。修正后的pid的计算值即为燃料电池输出功率pid补偿值。通过修正，在最大限度保留燃料电池响应速度的基础上，保证了燃料电池运行工况的稳定。
[0069]
在整车运行时，驱动电机是整车中最为主要的耗能部件，实现燃料电池的输出功率跟随整车能耗，必须要考虑驱动电机的功率变化。本实施例中，通过发动机的输出功率基准fc_outpw_basic（当前时刻整车需求功率的预测值）减去辅件功率acc_outpw_current来近似获得驱动电机的输入功率基准。驱动电机的实时输入功率减去驱动电机的输入功率基准，得到基于驱动电机输入功率的燃料电池输出功率实时差值。通过对实时差值进行查表
修正即可得到燃料电池输出功率驱动电机补偿值fc_pw_motor_cmpst。图8为燃料电池输出功率驱动电机补偿值的计算流程示意图。
[0070]
燃料电池的发电效率是影响整车能耗的关键参数。整车的发电效率取决于燃料电池的发电效率及动力电池的充放电效率。通过计算整车发电效率便可得到燃料电池的高效功率区间，总的计算流程如图9所示。基于当前运行环境及燃料电池与动力电池的运行状态，获取燃料电池发电效率map与动力电池不同soc下的充放电效率map，将燃料电池发电效率map与动力电池不同soc下的充放电效率map相乘即可得到整车的发电效率map。将燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic与整车发电效率map相结合，即可得到燃料电池的高效功率区间。在此高效功率区间，可保证燃料电池能够快速响应整车功率需求，又能保证整车的发电效率。
[0071]
当动力电池电量较低时，需要给燃料电池输出功率附加一个正的补偿值以加快动力电池的充电速度。燃料电池输出功率低soc补偿值计算流程示意图如图10所示。示例性的，燃料电池输出功率低soc补偿值如表4所示：表4
动力电池soc/%02025304050606580100低soc补偿值（%高效功率区间最大值）00.040.160.160.120.080.040.0200
在功率自适应模式及低soc补偿的功率自适应模式下，对最终输出的燃料电池运行功率，通过燃料电池高效功率区间进行修正。
[0072]
在所有运行模式下，当动力电池的soc处于较低水平时，则对燃料电池的输出功率进行限制，降低动力电池的充电速度，延长动力电池寿命。
[0073]
在以上各模式下，同时对燃料电池变功率速度进行限制，进一步提高燃料电池运行工况的稳定。
[0074]
搭载此燃料电池汽车整车能量管理策略的某总重35吨的燃料电池牵引车行驶数据如图11所示。从上到下各曲线分别为：车速vehiclespeed，动力电池soc bat_soc，最新一个计算周期的整车能耗平均功率vecavgpwresult01，燃料电池实时输出功率fc_actualpw，燃料电池输出功率基准fc_outpw_basic，燃料电池输出功率pid补偿值fc_pw_soc_pid_cmpst，燃料电池输出功率的soc变化补偿值fc_pw_soc_chgcmpst，燃料电池输出功率驱动电机补偿值fc_pw_motorpw_cmpst，燃料电池输出功率低soc补偿值fc_pw_lowsoc_cmpst，整车运行模式vcu_fcu_pw_mode。
[0075]
行程开始时，动力电池初始soc为56.5%，此时燃料电池运行模式vcu_fcu_pw_mode值为7，整车运行模式为低soc补偿的功率自适应模式。41min左右，动力电池的soc升高至70%，整车运行模式切换为功率自适应模式，燃料电池运行模式vcu_fcu_pw_mode值为6。63min时，动力电池的soc达到了目标值75%。在63min至113min，动力电池soc始终在75%上下轻微浮动，说明燃料电池的输出功率能够实时跟随整车需求功率，动力电池的充放电次数保持在较低水平。113min，司机停车休息，115min时，整车停车时长超过2min，燃料电池运行模式vcu_fcu_pw_mode值变为3，整车切换到停车充电模式，燃料电池输出功率fc_actualpw设定为最高效率功率。117min时，司机休息完毕，车辆继续行驶。此时动力电池的soc为77%，燃料电池运行模式vcu_fcu_pw_mode值再次变为6，整车运行模式为功率自适应模式。121min，驾驶员开启纯电开关，燃料电池运行模式vcu_fcu_pw_mode值变为1，整车以纯电模式运行，直至行程结束。
[0076]
由燃料电池实时输出功率曲线可以看出，在运行期间内，燃料电池的输出功率曲线光滑，燃料电池运行工况稳定，且都运行在燃料电池高效功率区间。由此可见，此燃料电池整车能量管理策略效果显著，在降低整车氢耗，提升整车运营经济性的同时也延长了燃料电池和动力电池的使用寿命。
[0077]
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，包括如下步骤：整车上电后实时计算并判断最近s公里的平均车速及最高车速；判断是否平均车速小于v1且最高车速小于v2；若是，整车进入低速工况模式运行，根据动力电池的电量设置燃料电池的输出功率；若否，整车进入普通工况模式运行，根据动力电池的不同soc划分运行模式，计算并设置各运行模式下燃料电池的输出功率；当整车车速小于设定车速阈值且持续时间大于设定时间阈值时，若当前动力电池soc小于充电阈值，则整车进入停车充电模式，设置燃料电池以最高效率功率运行；当整车运行时检测到燃料电池或动力电池报二级故障，设置燃料电池最高效率功率运行。2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，整车上电后实时计算并判断最近s公里的平均车速及最高车速的步骤包括：从存储器中读取上次整车下电时存储的最近s公里的平均车速和最高车速；获取当前车速，结合整车当前车速实时更新所述平均车速和最高车速。3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，整车进入普通工况模式运行，根据动力电池的不同soc划分运行模式，计算并设置各运行模式下燃料电池的输出功率的步骤包括：整车进入普通工况模式运行时，当动力电池的soc大于b1时，进入纯电运行模式，设置燃料电池停机；当动力电池的soc大于b2同时不大于b1时，进入怠速运行模式，设置燃料电池怠速运行；当动力电池的soc大于b3同时不大于b2时，进入最高效率功率运行模式，设置燃料电池以最高效率功率运行；当动力电池的soc大于b4同时不大于b3时，进入功率自适应模式，设置燃料电池输出功率为燃料电池输出功率基准、燃料电池输出功率soc变化补偿值、燃料电池输出功率pid补偿值及燃料电池输出功率驱动电机补偿值之和；当动力电池的soc小于或等于b4时，进入动力电池低soc补偿的功率自适应模式，设置燃料电池输出功率为燃料电池输出功率基准、燃料电池输出功率soc变化补偿值、燃料电池输出功率pid补偿值、燃料电池输出功率驱动电机补偿值及燃料电池输出功率低soc补偿值之和。4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，在纯电运行模式下，当动力电池电量低于电量阈值且氢系统氢气压力高于设定压力值时，设置燃料电池自动开启。5.根据权利要求3所述的燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，燃料电池输出功率基准的计算方法包括：计算并存储历史上多个周期的整车能耗平均功率，即整车能耗平均功率数组；当历史整车能耗平均功率数组的方差小于或等于第一限值时，燃料电池输出功率基准的算法采用加权平均值算法；当历史能耗平均功率数组的方差大于第一限值时，将近期i个周期的整车能耗平均功
率平均值和与之相邻的远期多个周期的整车能耗平均功率平均值求差；若差值大于第一阈值，则用近期的整车能耗平均功率加权平均值作为燃料电池输出功率基准；否则计算近期i+p个周期的整车能耗平均功率平均值和与之相邻的远期多个周期的整车能耗平均功率差值的整车能耗平均功率平均值，若差值大于第二阈值，则用近期整车能耗平均功率加权平均值作为燃料电池输出功率基准；依此计算多次，若最终近期整车能耗平均功率平均值和与之相邻的远期多个周期的整车能耗平均功率平均值差值小于第m阈值，则用全部周期的整车能耗平均功率的加权平均值作为燃料电池输出功率基准；其中，设定整车能耗平均功率数组长度为f，近期定义为第一个周期到第m个周期，远期定义为第m+1个周期到第f个周期，且，均为自然数。6.根据权利要求5所述的燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，该方法还包括：整车上电时，对存储的历史能耗数组进行读取，并计算出当前燃料电池输出功率基准；上电结束后整车开始运行，若整车的行驶车速大于或等于速度阈值且持续时间超过时间阈值，开始对单个周期内的整车能耗平均功率进行计算，每一个计算周期结束后，同步更新历史能耗数组与燃料电池输出功率基准并进入一个新的计算周期，直至整车下电；整车下电后，将历史能耗数组写入存储器中。7.根据权利要求6所述的燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，对单个周期内的整车能耗平均功率进行计算的方法包括：在计算周期内，整车的电机、空调、水泵、油泵、气泵、dcdc用电设备的平均功率求和得到单个周期内的整车能耗平均功率；整车能耗平均功率计算方法为：燃料电池在单个计算周期内平均功率-（动力电池在单个计算周期内剩余电量变化值/周期时间）。8.根据权利要求7所述的燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，燃料电池输出功率soc变化补偿值计算方法包括：计算功率自适应模式及低soc补偿的功率自适应模式下最近设定时间段内的动力电池soc变化值
△
soc；当
△
soc≥0时，获取soc上升时
△
soc对应的燃料电池输出功率soc变化补偿值；根据动力电池soc对燃料电池输出功率soc变化补偿值进行修正；根据燃料电池高效功率区间对燃料电池输出功率soc变化补偿值进行修正；输出燃料电池输出功率soc变化补偿值；当
△
soc<0时, 获取soc下降时
△
soc对应的燃料电池输出功率soc变化补偿值；执行步骤根据动力电池soc对燃料电池输出功率soc变化补偿值进行修正。9.根据权利要求8所述的燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，燃料电池输出功率驱动电机补偿值的计算方法包括：通过燃料电池的输出功率基准减去辅件功率获得驱动电机的输入功率基准；驱动电机的实时输入功率减去驱动电机的输入功率基准，得到燃料电池的输出功率基于驱动电机输入功率的实时差值；修正后的实时差值即为燃料电池输出功率驱动电机补偿值。10.根据权利要求9所述的燃料电池汽车整车能量管理方法，其特征在于，燃料电池输
出功率pid补偿值的计算方法包括：获取动力电池当前soc或动力电池目标soc；基于pid算法计算燃料电池输出功率基于目标soc的pid补偿值；根据动力电池soc对燃料电池输出功率基于目标soc的pid补偿值进行修正；根据燃料电池高效功率区间对燃料电池输出功率基于目标soc的pid补偿值进行修正；输出燃料电池输出功率基于目标soc的pid补偿值；其中，燃料电池高效功率区间的计算方法包括：基于当前运行环境及燃料电池与动力电池的运行状态，获取燃料电池发电效率map与动力电池不同soc下的充放电效率map，将燃料电池发电效率map与动力电池不同soc下的充放电效率map相乘即可得到整车的发电效率map；结合燃料电池输出功率基准，得到燃料电池的高效功率区间。

技术总结
本发明属于混合动力汽车技术领域，具体提供一种燃料电池汽车整车能量管理方法,包括如下步骤：整车上电后实时计算并判断最近S公里的平均车速及最高车速；判断是否平均车速小于V1且最高车速小于V2；若是，整车进入低速工况模式运行，根据动力电池的电量设置燃料电池的输出功率；若否，整车进入普通工况模式运行，根据动力电池的不同SOC划分运行模式，计算并设置各运行模式下燃料电池的输出功率；当整车车速小于设定车速阈值且持续时间大于设定时间阈值时，若当前动力电池SOC小于充电阈值，则整车进入停车充电模式，设置燃料电池以最高效率功率运行；基本实现了燃料电池不停机运行，大大降低了燃料电池频繁启停的能量浪费。大降低了燃料电池频繁启停的能量浪费。大降低了燃料电池频繁启停的能量浪费。


技术研发人员：赵同军 胡潇宇 毕研坤 陈秋霖
受保护的技术使用者：中国重汽集团济南动力有限公司
技术研发日：2023.08.11
技术公布日：2023/9/14