燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制方法及系统与流程

1.本发明涉及燃料电池汽车控制技术领域，尤其是涉及一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制方法及系统。


背景技术：

2.我国新能汽车产业的快速发展给燃料电池汽车的发展奠定了良好的基础，以氢气为燃料的燃料电池汽车同纯电动汽车相比，除了具有优越的环保性能以外，还克服纯电动汽车续航里程不足与充电时间长的问题。
3.燃料电池客车以燃料电池发动机作为动力源，为了平衡动力系统的需求功率，同时车辆还匹配了动力电池系统作为储能装置。为了更好的经济性，燃料电池系统的额定功率一般比电池功率小，燃料电池的的功率不能满足电机峰值功率的需求，燃料电池一般用作系统的能量补给，用来补充车辆动力系统的能量的平衡，功率的平衡通过动力电池来实现。
4.燃料电池工作能量流向具有单向性，在现有的技术下，工作响应速度较慢，而车辆需求功率是动态快速变化的，因此燃料电池工作功率调节来响应车辆的动态需求功率是难以实现的。
5.现有的技术或者说一般的燃料电池客车对燃料电池的功率控制是大多数是根据电池的soc，以及车辆电机的需求功率来对燃料电池系统的启停以及工作功率的控制。
6.由于现有技术对燃料电池工作功率的控制是基于电池soc状态或车辆的功率需求的大小，一般情况，电池soc低、车辆电机功率需求大，燃料电池的工作功率就设置相对较大，电池soc高、车辆电机功率需求小，燃料电池的工作功率就设置相对较小，燃料电池的工作功率设置大小难以综合考虑燃料电池的工作效率、燃料电池的使用寿命、电池的充放电能力，进而造成燃料电池系统在不同功率频繁切换及频繁启停，且氢燃料的转换效率低。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制方法及系统，解决现有燃料电池的工作功率设置难以综合考虑车辆的能耗需求与燃料电池系统的工作效率而造成的燃料电池系统在不同功率频繁切换及频繁启停且氢燃料的转换效率低的问题。
8.为达到上述技术目的，本发明提供一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制方法，其包括如下步骤：
9.基于燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值、燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运算值c
_30s
、电池的soc值、电池当前状态下可承受的充电功率p
c
四项控制参数值制定生成燃料电池系统状态切换策略；
10.实时采集车辆的各项数据，根据车辆的各项数据计算燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值、燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运
算值c
_30s
、电池的soc值、电池当前状态下可承受的充电功率p
c
，根据计算结果判断是否满足状态切换条件；
11.在计算结果满足任一状态切换条件时，控制燃料电池系统进行相应状态切换。
12.本发明还提供一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制系统，其包括如下功能模块：
13.策略制定模块，用于基于燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值、燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运算值c
_30s
、电池的soc值、电池当前状态下可承受的充电功率p
c
四项控制参数值制定生成燃料电池系统状态切换策略；
14.计算判断模块，用于实时采集车辆的各项数据，根据车辆的各项数据计算燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值、燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运算值c
_30s
、电池的soc值、电池当前状态下可承受的充电功率p
c
，根据计算结果判断是否满足状态切换条件；
15.状态切换模块，用于在计算结果满足任一状态切换条件时，控制燃料电池系统进行相应状态切换。
16.与现有技术相比，本发明通过综合考虑车辆的能耗需求与燃料电池系统的工作效率制定出燃料电池系统状态切换策略，从而能够基于车辆实际能量需求来控制燃料电池系统的工作功率，使燃料电池系统在工作时能够基于车辆当前能量需求状态处于相对高效功率区工作，避免不同功率切换及频繁启停，提高氢燃料的转换效率，且延长了燃料电池系统的工作寿命。
附图说明
17.图1是本发明实施例所述的一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制方法的流程框图；
18.图2是图1中步骤s1的子流程框图；
19.图3是本发明实施例所述的一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制系统的模块框图。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.如图1所示，本发明的实施例提供了一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制方法，其包括如下步骤：
22.s1、基于燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值、燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运算值c
_30s
、电池的soc值、电池当前状态下可承受的充电功率p
c
四项控制参数值制定生成燃料电池系统状态切换策略。
23.其中，所述燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值用来衡量燃料电池进入某一状态的功率工作条件下，车辆动力电池总电量相对电池额定电量是增加还是
减少(负值表示增加，正值表示减少，c
r
为电池的额定容量)，增加与减少的额度。所述燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运算值c
_30s
用来衡量燃料电池进入某一状态的功率工作条件下，车辆动力电池最近30s总电量是增加还是减少(负值表示电池电量增加，正值表示电池电量减少),衡量近30s电池电量变化趋势。所述电池的soc值用于设置燃料电池进入不同功率的判断的阀值。所述电池当前状态下可承受的充电功率p
c
用于检验燃料电池欲进入下一个功率工作，动力电池是否可承受在下一个持续充电功率的工作。
24.在matlab系统中制作生成燃料电池系统状态切换策略，并将所述燃料电池系统状态切换策略导入整车控制器中。如图2所示，所述燃料电池系统状态切换策略的制定方法包括如下步骤：
25.s11、设定燃料电池系统的多种工作状态；
26.所述燃料电池系统的工作状态可以根据工作环境和车辆工作需要进行设定，本发明例举5个燃料电池的不同的工作功率，每个工作功率燃料电池控制器fcu进行系统参数最优化标定，整车控制器根据车辆需求选择燃料电池不同的工作功率工作。一般来说，燃料电池在不同的工作功率下对应的工作效率不同，燃料电池的电堆的效率在不同的负荷率下不同，燃料电池系统附件(如空压机)也会消耗很大一部分能量，附件耗能跟电堆的工作功率也并非线性关系，因此燃料电池工作效率在不同的功率下差异很大，一般燃料电池在较小功率与最大功率附件工作的效率相对较低，在燃料电池工作功率中间区间内效率相对较高。本方案基于燃料电池系统列举的5个不同工作功率下的工作状态，其中状态1～状态5分别对应不同的工作功率p1、p2、p3、p4、p5，且p5>p4>p3>p2>p1；对应的工作效率为η1、η2、η3、η4、η5(η3>η2>η1、η3>η4>η5)，燃料电池系统的工作效率在中间区间相对较高，大功率与小功率的工作效率相对低。
27.s12、基于燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值、燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运算值c
_30s
、电池的soc值、电池当前状态下可承受的充电功率p
c
设置多个状态切换条件。
28.根据上述设定的燃料电池系统的5种工作状态，相应的设置所述状态切换条件如下：
29.状态切换条件1表达式：
30.(c
_all
<
‑
0.05c
r
)且(c
_30s
<0)且(soc>85％)且(p1≤p
c
)；
31.状态切换条件2表达式：
32.(c
_all
>0.05c
r
)且(c
_30s
>0)且(soc<80％)且(p2≤p
c
)；
33.状态切换条件3表达式：
34.(c
_all
<
‑
0.4c
r
)且(c
_30s
<0)且(soc>80％)且(p2≤p
c
)
35.状态切换条件4表达式：
36.(c
_all
>0.05c
r
)且(c
_30s
>0)且(soc<75％)且(p3≤p
c
)；
37.状态切换条件5表达式：
38.(c
_all
<
‑
0.05c
r
)且(c
_30s
<0)且(soc>40％)且(p3≤p
c
)
39.状态切换条件6表达式：
40.(c
_all
>0.4c
r
)且(c
_30s
>0)且(soc<35％)且(p4≤p
c
)；
41.状态切换条件7表达式：
42.(c
_all
<
‑
0.05c
r
)且(c
_30s
<0)且(soc>35％)且(p4≤p
c
)
43.状态切换条件8表达式：
44.(c
_all
>0.05c
r
)且(c
_30s
>0)且(soc<30％)且(p5≤p
c
)。
45.s13、设置每一个状态切换条件对应一个燃料电池系统的工作状态切换动作。
46.具体的，所述燃料电池系统开机条件为soc<50％，关机条件：soc>90％。
47.当燃料电池系统开机时，默认进入p3功率工作状态；
48.当所述四项控制参数值满足状态切换条件3时，所述燃料电池系统自p3功率工作状态切换至p2功率工作状态；
49.当所述四项控制参数值满足状态切换条件1时，所述燃料电池系统自p2功率工作状态切换至p1功率工作状态；
50.当所述四项控制参数值满足状态切换条件2时，所述燃料电池系统自p1功率工作状态切换至p2功率工作状态；
51.当所述四项控制参数值满足状态切换条件4时，所述燃料电池系统自p2功率工作状态切换至p3功率工作状态；
52.当所述四项控制参数值满足状态切换条件6时，所述燃料电池系统自p3功率工作状态切换至p4功率工作状态；
53.当所述四项控制参数值满足状态切换条件8时，所述燃料电池系统自p4功率工作状态切换至p5功率工作状态；
54.当所述四项控制参数值满足状态切换条件7时，所述燃料电池系统自p5功率工作状态切换至p4功率工作状态；
55.当所述四项控制参数值满足状态切换条件5时，所述燃料电池系统自p4功率工作状态切换至p3功率工作状态。
56.s2、实时采集车辆的各项数据，根据车辆的各项数据计算燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值、燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运算值c
_30s
、电池的soc值、电池当前状态下可承受的充电功率p
c
，根据计算结果判断是否满足状态切换条件；
57.s3、在计算结果满足任一状态切换条件时，控制燃料电池系统进行相应状态切换。
58.本发明所述一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制方法，其通过综合考虑车辆的能耗需求与燃料电池系统的工作效率制定出燃料电池系统状态切换策略，从而能够基于车辆实际能量需求来控制燃料电池系统的工作功率，使燃料电池系统在工作时能够基于车辆当前能量需求状态处于相对高效功率区工作，避免不同功率切换及频繁启停，提高氢燃料的转换效率，且延长了燃料电池系统的工作寿命。
59.基于上述一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制方法，本发明还提供一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制系统，如图3所示，其包括如下功能模块：
60.策略制定模块10，用于基于燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值、燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运算值c
_30s
、电池的soc值、电池当前状态下可承受的充电功率p
c
四项控制参数值制定生成燃料电池系统状态切换策
略；
61.计算判断模块20，用于实时采集车辆的各项数据，根据车辆的各项数据计算燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流积分运算值、燃料电池系统进入每个状态后对电池总电流最新30秒积分运算值c
_30s
、电池的soc值、电池当前状态下可承受的充电功率p
c
，根据计算结果判断是否满足状态切换条件；
62.状态切换模块30，用于在计算结果满足任一状态切换条件时，控制燃料电池系统进行相应状态切换。
63.本实施例一种燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制系统的执行方式与上述燃料电池客车的燃料电池系统工作功率的控制方法基本相同，故不作详细赘述。
64.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
65.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
66.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实施例的模块、单元和/或方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
67.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。