一种全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法与流程

1.本发明属于控制技术领域，具体涉及一种全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法。


背景技术：

2.由氢燃料电池的功率效率特性可以得到，在其工作的某个电密区间内，氢燃料电池的功率与效率均较高，因此在该区间内工作能够最大程度发挥氢燃料电池的优势，在本发明专利内该区间被称为最佳工作区。若能通过控制方法使得带有氢燃料电池的车辆在工作过程中氢燃料电池尽可能落在最佳工作区内则能取得最好的能耗。当前的专利针对氢燃料电池一般均视为氢燃料电池一直参与工作，在不需要氢燃料电池功率输出时氢燃料电池处于怠速状态，并未涉及氢燃料电池的最佳工作区。cn113002370a提供了一种基于车速预测以及等效氢耗最小的实时能量管理策略，但未涉及氢燃料电池的工作区。cn 114523952 a提供了一种混合动力车辆的驱动方法，但并未涉及氢燃料电池车辆。cn 113173080 a提供了一种氢燃料电池车辆的驱动模式切换方法，将车辆工作状态分为正转矩模式、零转矩模式以及负转矩模式，但并未涉及到氢燃料电池的最佳工作区。本发明综合考虑了氢燃料电池的启停时机控制以及实现氢燃料电池在工作中尽可能地处于最佳工作区间内，实现氢燃料电池的效率及性能最大化。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，包括如下步骤：
6.步骤s101：获取车辆目前的运行参数，以及氢燃料电池运行参数，根据所获取的需求信息计算车辆的需求信息以及氢燃料电池运行信息，进而判定车辆当前运行状态与氢燃料电池当前工作状态；
7.步骤s102：在不同的车辆运行状态下，根据步骤s101计算得到的车辆需求信息以及氢燃料电池工作状态，判定是否切换氢燃料电池的工作状态；
8.步骤s103：根据判定结果，切换氢燃料电池的工作状态，使得氢燃料电池工作在最高效区域。
9.优选地，带有氢燃料电池的混合动力车辆，其动力源包括氢燃料电池与辅助动力源，辅助动力源包括动力电池、超级电容和飞轮电池。
10.优选地，车辆目前的运行参数包括：辅助动力源soc(state of charge，荷电状态)值、车速、氢燃料电池当前输出功率、实时加速踏板开度以及实时制动踏板开度；
11.车辆当前运行状态包括：制动状态、驱动状态、起动状态、停车状态和滑行状态；
12.氢燃料电池工作状态分为氢燃料电池停机模式、氢燃料电池启动阶段、氢燃料电
池高效区最小功率定点输出模式、氢燃料电池高效区最大功率定点输出模式、氢燃料电池高效区内功率跟随模式以及氢燃料电池非高效区功率输出模式；
13.在不同的车辆运行状态下进行氢燃料电池工作状态切换的判定条件包括辅助动力源soc阈值以及需求功率阈值。
14.优选地，步骤s102中，车辆当前运行状态判定方法如下：
15.当车辆车速为0且加速踏板被踩下时，为起动状态；
16.当车辆车速不为0且制动踏板被踩下时，为制动状态；
17.车辆车速不为0且加速踏板被踩下时，为驱动状态；
18.车辆车速不为0且加速踏板与制动踏板均没有被踩下时，为滑行状态；
19.车辆车速为0，且加速踏板并未踩下时，为停车状态。
20.优选地，步骤s101中，计算车辆需求信息的方法如下：
21.步骤s501：获取驱动踏板开度以及制动踏板开度；
22.步骤s502：根据踏板map图查表得到车辆的需求功率，车辆的需求功率即为车辆的需求信息。
23.优选地，在车辆起动状态下，只由辅助动力源进行驱动，氢燃料电池处于停机模式；
24.车辆驱动状态下氢燃料电池状态切换规则如下：
25.在车辆驱动状态下，设定辅助动力源soc阈值为soc
low
、soc
high
，以及需求功率阈值，其中p
low
、p
high
分别为氢燃料电池高效区的最小和最大值；
26.设定氢燃料电池启停判定条件如下：
27.(1)当辅助动力源的soc值小于设定的阈值soc
low
后，氢燃料电池由氢燃料电池停机模式切出，此时燃料电池以设定的加载速率加载，并根据需求功率不同切换至不同的工作模式；
28.(2)当辅助动力源的soc值大于设定的阈值soc
high
后，氢燃料电池以设定的卸载速率卸载直至输出功率为0，进入氢燃料电池停机模式；
29.设置燃料电池工作模式切换规则如下
30.(1)氢燃料电池高效区最低功率定点输出模式切换条件
31.若计算出的需求功率p
req
小于氢燃料电池高效区最小功率p
low
时，进入氢燃料电池高效区最低功率定点输出模式，如式(1)所示；
[0032][0033]
此时氢燃料电池功率p
fc
与辅助动力源功率p
bat
分别为
[0034][0035]
其中，辅助动力源功率p
bat
为负值，代表给电池充电；
[0036]
(2)氢燃料电池功率跟随模式
[0037]
当需求功率大于氢燃料电池高效区最低功率p
low
时，进入氢燃料电池功率跟随模
式，此时由氢燃料电池承担车辆需求功率，突变功率由辅助动力源承担，在功率跟随状态下，应用多种能量管理策略算法进行氢燃料电池与辅助动力源之间的功率分配；
[0038]
切换逻辑如式(3)所示：
[0039][0040]
此时氢燃料电池与辅助动力源的输出功率如式(4)所示：
[0041][0042]
式中，p
req'
为能量管理策略计算得到的氢燃料电池功率；
[0043]
(3)氢燃料电池高效区最高功率定点输出模式
[0044]
当需求功率大于氢燃料电池高效区最高功率点p
high
且辅助动力源soc值大于设定的辅助动力源soc阈值，进入氢燃料电池高效区最高功率定点输出模式；此时氢燃料电池以高效区最大功率点进行定点输出；
[0045]
切换规则如式(5)所示：
[0046][0047]
此时氢燃料电池功率与辅助动力源功率输出如式(6)所示：
[0048][0049]
(4)氢燃料电池非高效区模式
[0050]
当需求功率大于氢燃料电池高效区最高功率点p
high
且辅助动力源soc值小于设定的辅助动力源soc阈值时，进入氢燃料电池非高效区输出模式；此时工作条件较为恶劣，氢燃料电池并不能只在高效区工作，而采用最高功率输出；
[0051]
切换规则如式(7)所示：
[0052][0053]
燃料电池与辅助动力源的功率分配如式(8)所示：
[0054][0055]
(5)氢燃料电池停机模式
[0056]
当辅助动力源soc值大于设定的阈值soc
high
后，氢燃料电池切换至停机模式。
[0057]
优选地，在车辆处于滑行状态、制动状态或停车状态下，若氢燃料电池处于非停机模式且辅助动力源soc值小于阈值soc
high
时，氢燃料电池保持当前工作模式及输出功率不
变，此时发出的电量用于给电池充电；若氢燃料电池处于非停机模式且辅助动力源soc值大于阈值soc
high
时，氢燃料电池进入停机模式；若氢燃料电池处于停机模式，则氢燃料电池保持该模式不发生切换。
[0058]
本发明所带来的有益技术效果：
[0059]
本发明可以使得氢燃料电池在参与工作的情况下尽可能处于最佳工作区，使得氢燃料电池的性能处于较高区域，有效提升车辆整体效率；控制策略简单，不需要过于复杂的运算，实时性好，工程应用型较好。
附图说明
[0060]
图1为本发明方法的流程图；
[0061]
图2为判定是否切换氢燃料电池的工作状态的流程图；
[0062]
图3为氢燃料电池最佳工作区设定示意图；
[0063]
图4为车辆工作状态判定流程图；
[0064]
图5为计算车辆需求信息的流程图；
[0065]
图6为车辆驱动状态下氢燃料电池状态切换规则示意图。
具体实施方式
[0066]
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
[0067]
如图1所示，一种全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，包括如下步骤：
[0068]
步骤s101：获取车辆目前的运行参数，以及氢燃料电池运行参数，根据所获取的需求信息计算车辆的需求信息以及氢燃料电池运行信息，进而判定车辆当前运行状态与氢燃料电池当前工作状态；
[0069]
步骤s102：在不同的车辆运行状态下，根据步骤s101计算得到的车辆需求信息以及氢燃料电池工作状态，判定是否切换氢燃料电池的工作状态；其流程如图2所示；
[0070]
步骤s103：根据判定结果，切换氢燃料电池的工作状态，使得氢燃料电池工作在最高效区域。
[0071]
氢燃料电池高效区的设定方法根据氢燃料电池的功率和效率特性标定产生，如图3所示。
[0072]
车辆目前的运行参数包括：辅助动力源soc值、车速、氢燃料电池当前输出功率、实时加速踏板开度以及实时制动踏板开度；
[0073]
车辆当前运行状态包括：制动状态、驱动状态、起动状态、停车状态和滑行状态；
[0074]
氢燃料电池工作状态分为氢燃料电池停机模式、氢燃料电池启动阶段、氢燃料电池高效区最低功率定点输出模式、氢燃料电池高效区最高功率定点输出模式、氢燃料电池高效区内功率跟随模式以及氢燃料电池功率输出模式；
[0075]
在不同的车辆运行状态下进行氢燃料电池工作状态切换的判定条件包括辅助动力源soc阈值以及需求功率阈值。
[0076]
步骤s102中，车辆当前运行状态判定方法(其流程如图4所示)如下：
[0077]
当车辆车速为0且加速踏板被踩下时，为起动状态；
[0078]
当车辆车速不为0且制动踏板被踩下时，为制动状态；
[0079]
车辆车速不为0且加速踏板被踩下时，为驱动状态；
[0080]
车辆车速不为0且加速踏板与制动踏板均没有被踩下时，为滑行状态；
[0081]
车辆车速为0，且加速踏板并未踩下时，为停车状态。
[0082]
步骤s101中，计算车辆需求信息的方法(其流程如图5所示)如下：
[0083]
步骤s501：获取驱动踏板开度以及制动踏板开度；
[0084]
步骤s502：根据踏板map图查表得到车辆的需求功率，车辆的需求功率即为车辆的需求信息。
[0085]
在车辆起动状态下，只由辅助动力源进行驱动，氢燃料电池处于停机模式；
[0086]
车辆驱动状态下氢燃料电池状态切换规则(如图6所示)如下：
[0087]
在车辆驱动状态下，设定辅助动力源soc阈值为soc
low
、soc
high
，以及需求功率阈值，其中p
low
、p
high
分别为氢燃料电池高效区的最小和最大值；
[0088]
设定氢燃料电池启停判定条件如下：
[0089]
(1)当辅助动力源的soc值小于设定的阈值soc
low
后，氢燃料电池由氢燃料电池停机模式切出，此时燃料电池以设定的加载速率加载，并根据需求功率不同切换至不同的工作模式。
[0090]
(2)当辅助动力源的soc值大于设定的阈值soc
high
后，氢燃料电池以设定的卸载速率卸载直至输出功率为0，进入氢燃料电池停机模式；
[0091]
设置燃料电池工作模式切换规则如下
[0092]
(1)氢燃料电池高效区最低功率定点输出模式切换条件
[0093]
若计算出的需求功率p
req
小于氢燃料电池高效区最小功率p
low
时，进入氢燃料电池高效区最低功率定点输出模式，如式(1)所示；
[0094][0095]
此时氢燃料电池功率p
fc
与辅助动力源功率p
bat
分别为
[0096][0097]
其中，辅助动力源功率p
bat
为负值，代表给电池充电；
[0098]
(2)氢燃料电池功率跟随模式
[0099]
当需求功率大于氢燃料电池高效区最低功率p
low
时，进入氢燃料电池功率跟随模式，此时由氢燃料电池承担车辆需求功率，突变功率由辅助动力源承担，在功率跟随状态下，应用多种能量管理策略算法进行氢燃料电池与辅助动力源之间的功率分配；
[0100]
切换逻辑如式(3)所示：
[0101][0102]
此时氢燃料电池与辅助动力源的输出功率如式(4)所示：
[0103][0104]
式中，p
req'
为能量管理策略计算得到的氢燃料电池功率；
[0105]
(3)氢燃料电池高效区最高功率定点输出模式
[0106]
当需求功率大于氢燃料电池高效区最高功率点p
high
且辅助动力源soc值大于设定的辅助动力源soc阈值，进入氢燃料电池高效区最高功率定点输出模式；此时氢燃料电池以高效区最大功率点进行定点输出；
[0107]
切换规则如式(5)所示：
[0108][0109]
此时氢燃料电池功率与辅助动力源功率输出如式(6)所示：
[0110][0111]
(4)氢燃料电池非高效区模式
[0112]
当需求功率大于氢燃料电池高效区最高功率点p
high
且辅助动力源soc值小于设定的辅助动力源soc阈值时，进入氢燃料电池非高效区输出模式；此时工作条件较为恶劣，氢燃料电池并不能只在高效区工作，而采用最高功率输出；
[0113]
切换规则如式(7)所示：
[0114][0115]
燃料电池与辅助动力源的功率分配如式(8)所示：
[0116][0117]
(5)氢燃料电池停机模式
[0118]
当辅助动力源soc值大于设定的阈值soc
high
后，氢燃料电池切换至停机模式。
[0119]
在车辆处于滑行状态、制动状态或停车状态下，若氢燃料电池处于非停机模式且辅助动力源soc值小于阈值soc
high
时，氢燃料电池保持当前工作模式及输出功率不变，此时发出的电量用于给电池充电；若氢燃料电池处于非停机模式且辅助动力源soc值大于阈值soc
high
时，氢燃料电池进入停机模式；若氢燃料电池处于停机模式，则氢燃料电池保持该模式不发生切换。
[0120]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤s101：获取车辆目前的运行参数，以及氢燃料电池运行参数，根据所获取的需求信息计算车辆的需求信息以及氢燃料电池运行信息，进而判定车辆当前运行状态与氢燃料电池当前工作状态；步骤s102：在不同的车辆运行状态下，根据步骤s101计算得到的车辆需求信息以及氢燃料电池工作状态，判定是否切换氢燃料电池的工作状态；步骤s103：根据判定结果，切换氢燃料电池的工作状态，使得氢燃料电池工作在最高效区域。2.根据权利要求1所述的全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，其特征在于：带有氢燃料电池的混合动力车辆，其动力源包括氢燃料电池与辅助动力源，辅助动力源包括动力电池、超级电容和飞轮电池。3.根据权利要求1所述的全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，其特征在于：车辆目前的运行参数包括：辅助动力源soc值、车速、氢燃料电池当前输出功率、实时加速踏板开度以及实时制动踏板开度；车辆当前运行状态包括：制动状态、驱动状态、起动状态、停车状态和滑行状态；氢燃料电池工作状态分为氢燃料电池停机模式、氢燃料电池启动阶段、氢燃料电池高效区最小功率定点输出模式、氢燃料电池高效区最大功率定点输出模式、氢燃料电池高效区内功率跟随模式以及氢燃料电池非高效区功率输出模式；在不同的车辆运行状态下进行氢燃料电池工作状态切换的判定条件包括辅助动力源soc阈值以及需求功率阈值。4.根据权利要求1所述的全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，其特征在于：步骤s102中，车辆当前运行状态判定方法如下：当车辆车速为0且加速踏板被踩下时，为起动状态；当车辆车速不为0且制动踏板被踩下时，为制动状态；车辆车速不为0且加速踏板被踩下时，为驱动状态；车辆车速不为0且加速踏板与制动踏板均没有被踩下时，为滑行状态；车辆车速为0，且加速踏板并未踩下时，为停车状态。5.根据权利要求1所述的全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，其特征在于：步骤s101中，计算车辆需求信息的方法如下：步骤s501：获取驱动踏板开度以及制动踏板开度；步骤s502：根据踏板map图查表得到车辆的需求功率，车辆的需求功率即为车辆的需求信息。6.根据权利要求3所述的全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，其特征在于：在车辆起动状态下，只由辅助动力源进行驱动，氢燃料电池处于停机模式；车辆驱动状态下氢燃料电池状态切换规则如下：在车辆驱动状态下，设定辅助动力源soc阈值为soc
low
、soc
high
，以及需求功率阈值，其中p
low
、p
high
分别为氢燃料电池高效区的最小和最大值；设定氢燃料电池启停判定条件如下：(1)当辅助动力源的soc值小于设定的阈值soc
low
后，氢燃料电池由氢燃料电池停机模
式切出，此时燃料电池以设定的加载速率加载，并根据需求功率不同切换至不同的工作模式；(2)当辅助动力源的soc值大于设定的阈值soc
high
后，氢燃料电池以设定的卸载速率卸载直至输出功率为0，进入氢燃料电池停机模式；设置燃料电池工作模式切换规则如下(1)氢燃料电池高效区最低功率定点输出模式切换条件若计算出的需求功率p
req
小于氢燃料电池高效区最小功率p
low
时，进入氢燃料电池高效区最低功率定点输出模式，如式(1)所示；此时氢燃料电池功率p
fc
与辅助动力源功率p
bat
分别为其中，辅助动力源功率p
bat
为负值，代表给电池充电；(2)氢燃料电池功率跟随模式当需求功率大于氢燃料电池高效区最低功率p
low
时，进入氢燃料电池功率跟随模式，此时由氢燃料电池承担车辆需求功率，突变功率由辅助动力源承担，在功率跟随状态下，应用多种能量管理策略算法进行氢燃料电池与辅助动力源之间的功率分配；切换逻辑如式(3)所示：此时氢燃料电池与辅助动力源的输出功率如式(4)所示：式中，p
req'
为能量管理策略计算得到的氢燃料电池功率；(3)氢燃料电池高效区最高功率定点输出模式当需求功率大于氢燃料电池高效区最高功率点p
high
且辅助动力源soc值大于设定的辅助动力源soc阈值，进入氢燃料电池高效区最高功率定点输出模式；此时氢燃料电池以高效区最大功率点进行定点输出；切换规则如式(5)所示：此时氢燃料电池功率与辅助动力源功率输出如式(6)所示：
(4)氢燃料电池非高效区模式当需求功率大于氢燃料电池高效区最高功率点p
high
且辅助动力源soc值小于设定的辅助动力源soc阈值时，进入氢燃料电池非高效区输出模式；此时工作条件较为恶劣，氢燃料电池并不能只在高效区工作，而采用最高功率输出；切换规则如式(7)所示：燃料电池与辅助动力源的功率分配如式(8)所示：(5)氢燃料电池停机模式当辅助动力源soc值大于设定的阈值soc
high
后，氢燃料电池切换至停机模式。7.根据权利要求1所述的全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，其特征在于：在车辆处于滑行状态、制动状态或停车状态下，若氢燃料电池处于非停机模式且辅助动力源soc值小于阈值soc
high
时，氢燃料电池保持当前工作模式及输出功率不变，此时发出的电量用于给电池充电；若氢燃料电池处于非停机模式且辅助动力源soc值大于阈值soc
high
时，氢燃料电池进入停机模式；若氢燃料电池处于停机模式，则氢燃料电池保持该模式不发生切换。

技术总结
本发明公开了一种全功率燃料电池混合动力系统高效控制方法，属于控制技术领域；包括如下步骤：获取车辆目前的运行参数，以及氢燃料电池运行参数，根据所获取的需求信息计算车辆的需求信息以及氢燃料电池运行信息，进而判定车辆当前运行状态与氢燃料电池当前工作状态；在不同的车辆运行状态下，根据计算得到的车辆需求信息以及氢燃料电池工作状态，判定是否切换氢燃料电池的工作状态；根据判定结果，切换氢燃料电池的工作状态，使得氢燃料电池工作在最高效区域。本发明可以使得氢燃料电池在参与工作的情况下尽可能处于最佳工作区，使得氢燃料电池的性能处于较高区域，有效提升车辆整体效率；控制策略简单，实时性好。实时性好。实时性好。


技术研发人员：赵子亮 于继泰 朱庆林 于相金 郭斌 尹铮 付逸凡
受保护的技术使用者：青岛天河制造业转型升级研究院有限公司
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/6/28