用于控制燃料电池车辆电力的系统及其方法与流程

1.本发明涉及一种用于控制具有燃料电池车辆电力的系统和方法，并且更具体地涉及一种根据车辆行驶的道路的坡度对高压蓄电池进行充电和放电的策略。


背景技术：

2.燃料电池是一种将通过燃料氧化而产生的化学能直接转换为电能的发电装置。就使用氧化还原反应而言，燃料电池与化学电池大致相同，但是燃料电池的区别在于，从外部持续地供应反应物，并且从系统中持续地去除反应产物，这与在封闭系统中进行电池反应的化学电池不同。近年来，燃料电池发电系统已经投入实际使用，并且由于燃料电池的反应产物是纯水，因此已对其进行积极研究以用作环保车辆的能源。
3.燃料电池系统包括燃料电池堆、空气供应装置以及氢供应装置，所述燃料电池堆通过化学反应产生电能，所述空气供应装置将空气供应到燃料电池堆的阴极，所述氢供应装置将氢供应到燃料电池堆的阳极。换言之，含氧空气被供应到燃料电池堆的阴极，而氢被供应到燃料电池堆的阳极。
4.此外，燃料电池系统还包括存储由燃料电池堆产生的电能的高压蓄电池。高压蓄电池通过由燃料电池堆产生的电能和驱动电机回收的电能进行充电，并且在放电时提供电能以辅助燃料电池堆。
5.当不需要发电时，燃料电池堆进入停止发电的燃料电池(fc)停止模式，并且在fc停止模式下，供应到燃料电池堆的空气被阻隔。特别地，不需要燃料电池堆发电的情况包括：停车；利用高压蓄电池的放电能量进行行驶；以及在下坡行驶或减速期间回收再生制动能量。
6.换言之，为了充分辅助燃料电池堆的电能并最大程度地维持停止发电的fc停止模式以确保燃料电池堆的耐久性，燃料电池车辆的高压蓄电池的最大可再充电量应当增加，但是相应地重量和成本也增加。
7.上述背景技术仅用于增强对本发明背景的理解，并且不应被本领域技术人员认为是对应于常规技术。


技术实现要素：

8.本发明提供了通过感测车辆的行驶状态并根据车辆的行驶状态调节蓄电池的电量状态来有效地使用蓄电池的技术。
9.本发明的一个方面提供了一种用于控制具有燃料电池车辆电力的系统，所述系统可以包括燃料电池、蓄电池、传感器和控制器，所述燃料电池配置为通过接收燃料和氧化气体来产生电能；所述蓄电池配置为接收燃料电池的电能以使蓄电池充电，或使蓄电池放电用于提供电能；所述传感器配置为感测车辆的行驶状态；所述控制器配置为基于由传感器感测到的行驶状态来调节蓄电池的充电或放电。
10.所述传感器可以配置为感测车辆行驶的道路的坡度或车辆的倾斜度。所述传感器
可以配置为当道路的坡度或车辆的倾斜度等于或大于预定的第一参考值时感测到车辆进行上坡行驶。另外，所述传感器可以配置为当道路的坡度或车辆的倾斜度等于或小于预定的第二参考值时感测到车辆进行下坡行驶。
11.所述传感器可以配置为当道路的坡度或车辆的倾斜度在预定的参考时间或更长时间内保持等于或大于预定的第一参考值时，感测到车辆进行上坡行驶。所述传感器可以配置为当道路的坡度或车辆的倾斜度在预定的参考时间或更长时间内保持等于或小于预定的第二参考值时，感测到车辆进行下坡行驶。另外，所述传感器可以配置为基于由车辆感测到的大气压力来感测车辆行驶的道路的坡度，或者基于由车辆感测到的车辆加速度来感测车辆的倾斜度。
12.所述控制器可以配置为基于感测的行驶状态来设置所述蓄电池的目标电量状态，并且调节所述蓄电池的充电或放电以对应于设置的目标电量状态。所述控制器可以配置为当所述传感器确定出车辆进行上坡行驶时增加目标电量状态。所述控制器可以配置为当所述传感器确定出车辆进行下坡行驶时减小目标电量状态。
13.另外，所述控制器可以配置为在传感器感测到车辆进行上坡行驶或下坡行驶的情况下，如果所述传感器感测到车辆持续进行上坡行驶或下坡行驶，则持续增加或减小目标电量状态。所述控制器可以配置为当所述传感器确定出车辆进行平地行驶时将目标电量状态设置为预定电量状态。所述控制器可以配置为当蓄电池的当前电量状态小于目标电量状态时对蓄电池充电，并且当蓄电池的当前电量状态超过目标电量状态时使蓄电池放电。所述控制器可以配置为基于所述蓄电池的电量状态来控制所述燃料电池的发电，以使其停止或继续。
14.本发明的另一方面提供了一种用于控制具有燃料电池车辆电力的方法，所述方法可以包括：感测车辆的行驶状态；基于感测出的行驶状态来设置蓄电池的目标电量状态；和基于设置的目标电量状态使蓄电池充电或放电。
15.感测车辆的行驶状态可以包括：感测车辆行驶的道路的坡度或车辆的倾斜度。蓄电池目标电量状态的设置可以包括：响应于确定出车辆的行驶状态为上坡行驶，增加目标电量状态。蓄电池目标电量状态的设置可以包括：响应于确定出车辆的行驶状态为下坡行驶，减小目标电量状态。
16.另外，设置蓄电池的目标电量状态可以包括：当感测到车辆持续进行上坡行驶或下坡行驶时，持续地增大或减小目标电量状态。根据本发明的用于控制燃料电池车辆电力的系统及其方法，可以基于燃料电池车辆的行驶状态通过蓄电池的充电或放电来增加或减小蓄电池的电量状态，并且可以有效地使用蓄电池。换言之，根据需要通过在蓄电池的有限最大电量状态内增加或减小蓄电池的电量状态，可以有效地使用蓄电池。另外，通过减小进入或解除燃料电池停止发电的频率，可以提高燃料效率，同时提高燃料电池的耐久性。
附图说明
17.通过以下结合附图的详细描述，本发明的目的、特征和优点将变得更加明显，其中：
18.图1是示出根据本发明的示例性实施方式的具有燃料电池车辆的电力控制系统的框图。
19.图2是示出根据本发明的示例性实施方案的根据上坡行驶或下坡行驶的持续时间的目标电量状态的图。
20.图3是示出根据本发明的示例性实施方案的车辆行驶期间的目标电量状态的图。
21.图4是示出根据本发明的示例性实施方案的用于控制燃料电池车辆电力的方法的流程图。
具体实施方式
22.应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(suv)、大客车、大货车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、内燃机车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如，源于非石油能源的燃料)。
23.尽管示例性实施方案被描述成使用多个单元进行示例性过程，应理解示例性过程也可以通过一个或多个模块进行。此外，应当理解的是术语控制器/控制单元表示包括存储器和处理器的硬件装置，并且被特别编程以执行本文描述的过程。存储器配置为储存模块，处理器特别配置为执行所述模块从而进行一个或多个下文进一步描述的过程。
24.除非特别声明或者从上下文显而易见的，本文所使用的术语“约”被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均2个标准偏差内。“约”可被理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文清楚的，否则本文提供的所有数值通过术语“约”进行修饰。
25.此外，本发明的控制逻辑可以实施为计算机可读介质上的非易失性计算机可读介质，其包括由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括但不限于rom、ram、光碟(cd)-rom、磁带、软盘、闪盘驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可以分布在网络联接的计算机系统中，从而以分布方式储存和执行计算机可读介质，例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网络(can)。
26.本说明书或申请中公开的本发明的示例性实施方案的具体结构或功能描述仅用于描述本发明的示例性实施方案，并且本发明的示例性实施方案可以以各种形式实施，并且不应被解释为限于本说明书或申请中描述的示例性实施方案。
27.由于本发明的示例性实施方案可以进行各种修改并且具有各种形式，因此具体的示例性实施方案将在附图中显示并且在本说明书或申请中详细描述。然而，应当理解，根据本发明的概念的示例性实施方案不限于特定公开的形式，而是包括落入本发明精神和技术范围内的所有改变形式、等同形式或替换形式。
28.将理解的是，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等描述各个元件，这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件，例如，在不脱离本发明概念的权利范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。
29.当提到一个元件“联接”或“连接”至另一个元件时，应该理解的是，该元件可以直接联接或连接至另一个元件，或者它们之间可以存在另一个元件。另一方面，当提到元件“直接联接”或“直接连接”至另一个元件时，应该理解的是，它们之间不存在另一个元件。描述元件之间关系的其它表述，即“在
……
之间”和“直接在
……
之间”或“邻近”以及“直接邻
近”也应该以同样地方式进行解释。
30.本说明书中使用的术语仅用于描述具体的示例性实施方案，而无意于限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚说明。在本说明书中，应当理解，术语“包括”、“包含”用于表示存在所描述的特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合，但是并不提前排除存在或添加一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合。
31.除非另外定义，否则本文使用的所有术语，包括技术术语或科学术语，具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。常用词典中定义的术语应被解释为含义与相关技术范围内的含义一致，而不应被解释为理想的含义或过于正式的含义，除非本说明书中有清楚定义。
32.在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方案。在每个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
33.图1是示出根据本发明的示例性实施方案的具有燃料电池10车辆的电力控制系统的框图。参考图1，根据本发明的示例性实施方案的具有燃料电池10的车辆的用于控制电力的系统可以包括：燃料电池10、蓄电池20、传感器50和控制器60，所述燃料电池10接收燃料和氧化气体并且产生电能，所述蓄电池20接收燃料电池10的电能来充电，或放电用于提供电能，所述传感器50配置为感测车辆的行驶状态，所述控制器60配置为基于由传感器50感测到的行驶状态来调节蓄电池20的充电或放电。
34.根据本发明的示例性实施方案的传感器50和控制器60可以通过非易失性存储器(未示出)和处理器(未示出)来实施，所述非易失性存储器配置为存储关于如下的数据：配置为控制车辆各种组件操作的算法或者用于再现该算法的软件指令，所述处理器配置为利用存储器中存储的数据进行以下描述的操作。特别地，存储器和处理器可以以单独芯片的形式实施。可替代地，存储器和处理器可以以彼此集成的单个芯片的形式实施。处理器可以采用一种或多种类型的处理器。
35.燃料电池10可以是燃料电池堆10，其分别通过阳极和阴极接收作为燃料的氢和含氧空气，并通过化学反应产生电力。特别地，燃料电池10可以具有堆叠在其中的多个单元电池，其中，燃料和空气被引入每个单元电池中以产生电力，并且燃料电池10可以通过串联连接的单元电池输出高压电力。
36.蓄电池20可以电连接至燃料电池10、驱动装置30和辅助机械40。作为示例性实施方案，燃料电池10可以通过主总线端子串联连接至驱动装置30和辅助机械40，并且蓄电池20可以与主总线端子并联连接。蓄电池20可以通过介于其间的转换器21连接至燃料电池10，并且转换器21可以是双向高压直流/直流(dc/dc)转换器(bhdc)，其配置为在蓄电池20充电的方向或蓄电池20放电的方向上转换电力。
37.控制器60可以配置为操作高压转换器21以控制蓄电池20的充电或放电。特别地，控制器60可以是配置为调节蓄电池20的充电或放电的蓄电池管理系统(bms)。传感器50可以配置为感测燃料电池10车辆的行驶状态。特别地，传感器50可以配置为感测具有燃料电池10的车辆的平地行驶、上坡行驶或下坡行驶，如下所述。
38.在另一个示例性实施方案中，传感器50可以配置为感测具有燃料电池10的车辆的停止、低速行驶、高速行驶或转弯行驶。控制器60可以配置为基于由传感器50感测到的行驶
状态来调节蓄电池20的充电或放电。换言之，控制器60可以配置为基于燃料电池10车辆的行驶状态通过调节蓄电池20的充电或放电以增加蓄电池20的电量状态(soc)或减小蓄电池20的soc并有效地使用蓄电池20。
39.因此，根据本技术，可以根据需要通过在蓄电池20的有限的最大soc内增加或减小蓄电池20的soc来有效地使用蓄电池20。特别地，传感器50可以配置为感测车辆行驶的道路的坡度或车辆的倾斜度。换言之，传感器50可以配置为确定道路的坡度以确定接地行驶的车辆的行驶状态，并且传感器50可以配置为直接感测车辆的倾斜度以确定车辆的行驶状态。
40.作为示例性实施方案，传感器50可以配置为基于由车辆感测到的大气压力来感测车辆行驶的道路的坡度。可以将配置为测量车辆外部的大气压力的大气压力传感器51安装在车辆中，并且传感器50可以配置为基于由大气压力传感器51感测到的大气压力来感测车辆行驶的道路的高度，并且可以通过感测高度的变化来确定车辆的上坡行驶、下坡行驶或平地行驶。
41.在另一个示例性实施方案中，传感器50可以配置为直接感测由大气压力传感器51感测到的大气压力的变化，从而确定车辆的上坡行驶、下坡行驶或平地行驶。作为另一个示例性实施方案，传感器50可以配置为基于由车辆感测的车辆加速度来感测车辆的倾斜度。车辆可以包括配置为感测重力加速度的g传感器52或用于感测偏航、侧倾和俯仰的陀螺仪传感器。传感器50可以配置为使用由g传感器52或陀螺仪传感器感测到的车辆加速度来确定车辆的倾斜度。
42.在另一个示例性实施方案中，可以使用全球定位系统(gps)信息和导航信息来感测车辆行驶的道路的坡度。特别地，可以使用导航信息提前感测车辆即将行驶的道路的坡度。传感器50可以配置为在道路的坡度或车辆的倾斜度等于或大于预定的第一参考值时感测车辆进行上坡行驶，并且可以配置为在道路的坡度或车辆的倾斜度等于或小于预定的第二参考值时感测车辆进行下坡行驶。
43.上坡行驶可以是指车辆在上坡道路上的行驶状态，下坡行驶可以是指车辆在下坡道路上的行驶状态。特别地，第一参考值可以被预设为大于0的坡度，在该坡度下车辆行驶所需的驱动力增加了预定水平，并且第二参考值可以被预设为小于0的坡度，在该坡度下车辆行驶所需的驱动力减小了预定水平。另外，传感器50可以配置为在道路的坡度或车辆的倾斜度等于或大于预定的第一参考值或等于或小于预定的第二参考值并且在预定的参考时间t1或更长时间内保持时，感测到车辆进行上坡行驶或下坡行驶。
44.特别地，传感器50可以配置为当道路的坡度或车辆的倾斜度等于或大于预定的第一参考值并且在预定的参考时间t1或更长时间内保持在上坡道路上时，感测到车辆进行上坡行驶。另外，传感器50可以配置为当道路的坡度或车辆的倾斜度等于或小于预定的第二参考值并且在预定的参考时间t1或更长时间内保持在下坡道路上时，感测到车辆进行下坡行驶。另外，当道路的坡度或车辆的倾斜度小于预定的第一参考值且大于预定的第二参考值时，传感器50可以配置为感测到车辆进行平地行驶。
45.图2是示出根据本发明的示例性实施方案的根据上坡行驶或下坡行驶的持续时间的目标电量状态的图，以及图3是示出根据本发明的示例性实施方式的车辆行驶期间的目标电量状态的图。参考图2和图3，控制器60可以配置为基于感测到的行驶状态设置蓄电池
20的目标电量状态，并且调节蓄电池20的充电或放电以对应于设置的目标电量状态。
46.根据现有技术，可以基于蓄电池20的性能将蓄电池20的目标电量状态设置为预定电量状态。根据本技术，控制器60可以配置为基于由传感器50感测到的行驶状态设置蓄电池20的目标电量状态。另外，控制器60可以配置为调节蓄电池20的充电或放电以对应于目标电量状态。特别地，控制器60可以配置为当蓄电池20的当前电量状态小于目标电量状态时操作蓄电池20使其充电，并且当蓄电池20的当前电量状态大于目标电量状态时操作蓄电池20使其放电。
47.特别地，控制器60可以配置为利用由燃料电池10产生的电能对蓄电池20充电，或者利用从驱动装置30或辅助机械40中通过再生制动回收的电能对蓄电池20充电。另一方面，控制器60可以配置为通过驱动所述驱动装置30或辅助机械40来操作蓄电池20使其放电，从而减小由燃料电池10产生的电力。控制器60可以配置为在传感器50确定出车辆进行上坡行驶时增加目标电量状态。
48.特别地，控制器60可以配置为响应于确定出车辆进行上坡行驶而将目标电量状态增加至大于之前的状态。作为示例性实施方案，可以响应于确定出车辆进行上坡行驶而将大于预定电量状态的增加的电量状态设置为目标电量状态。控制器60可以配置为当传感器50确定出车辆进行下坡行驶时减小目标电量状态。作为示例性实施方案，可以响应于确定出车辆进行下坡行驶而将小于预定电量状态的减小的电量状态设置为目标电量状态。控制器60可以配置为在传感器50感测到车辆进行上坡行驶或下坡行驶的情况下，如果传感器50感测到车辆持续进行上坡行驶或下坡行驶，则持续地增加或减小目标电量状态。
49.如图2所示，传感器50可以配置为当道路的坡度或车辆的倾斜度在预定的参考时间t1或更长时间内保持在这样的道路上时，感测上坡行驶或下坡行驶，并且控制器60可以配置为增加或减小目标电量状态。另外，在传感器50感测到车辆进行上坡行驶或下坡行驶的状态下，当传感器50感测到在预定的参考时间t1或更长时间内保持道路的坡度或车辆的倾斜度时，控制器60可以配置为持续地增加或减小目标电量状态。
50.特别地，控制器60可以配置为持续地增加或减小目标电量状态，或者在每个预定步骤中增加或减小目标电量状态。然而，控制器60可以配置为将目标电量状态设置为小于或等于预定的最大电量状态(h/w最大充电状态)并且大于或等于预定的最小电量状态(h/w最大放电状态)。
51.在示例性实施方案中，控制器60可以配置为当传感器50确定出车辆进行平地行驶时将目标电量状态设置为预定电量状态。换言之，控制器60可以配置为在传感器50确定出车辆进行平地行驶时将目标电量状态恢复到预定电量状态。特别地，参考图3，控制器60可以配置为首先将目标电量状态设置为预定电量状态。
52.控制器60可以配置为：当满足上坡行驶条件(例如，道路的坡度或车辆的倾斜度等于或大于预定的第一参考值并且在预定的参考时间t1或更长时间内保持)时，增加( α)目标电量状态(
①
)。控制器60可以配置为：在传感器50感测到车辆进行上坡行驶的状态下，当再次满足上坡行驶条件(例如，道路的坡度或车辆的倾斜度等于或大于预定的第一参考值并且在预定的参考时间t1或更长时间内保持)时，进一步增大( β)目标电量状态(
②
)。
53.控制器60可以配置为：即使车辆以预定的第一参考值或更大值持续进行上坡行驶，当车辆在预定的参考时间t1或更长时间内没有持续进行上坡行驶时，保持目标电量状
态而不进一步增加(
③
)。控制器60可以配置为：当满足下坡行驶条件(例如，道路的坡度或车辆的倾斜度等于或小于预定的第二参考值并且在预定的参考时间t1或更长时间内保持)时，降低(-β)目标电量状态(
④
)。
54.控制器60可以配置为：在传感器50感测到车辆进行下坡行驶的状态下，即使车辆以预定的第二参考值或更小值持续进行下坡行驶，当车辆在预定的参考时间t1或更长时间内没有持续进行下坡行驶时，保持目标电量状态而不进一步减小(
⑤
)。控制器60可以配置为：在下坡行驶状态下，即使车辆以预定的第一参考值或更大值进行上坡行驶，当车辆在预定的参考时间t1或更长时间内没有持续进行上坡行驶时，保持目标电量状态而不进一步增加(
⑥
)。
55.另外，控制器60可以配置为：在下坡行驶状态下，即使车辆以预定的第二参考值或更小值持续进行下坡行驶，当车辆在预定的参考时间t1或更长时间内没有持续进行下坡行驶时，维持目标电量状态而不进一步减小(
⑦
)。当传感器50感测到车辆进行平地行驶时，控制器60可以配置为将目标电量状态恢复到预定电量状态(
⑧
)。
56.此外，控制器60可以配置为基于蓄电池20的电量状态来控制燃料电池10的发电，以使其停止或继续。特别地，控制器60可以配置为根据蓄电池20的电量状态是等于或大于目标电量状态或小于目标电量状态来控制燃料电池10的发电。另外，控制器60可以配置为基于驱动装置30和辅助机械40所需的电力来控制燃料电池10的发电。
57.在示例性实施方案中，控制器60可以配置为当蓄电池20的电量状态等于或大于目标电量状态，并且驱动装置30和辅助机械40所需的电力等于或小于预定电力时，停止燃料电池10的发电(例如，fc停止模式)。另一方面，控制器60可以配置为当蓄电池20的电量状态小于目标电量状态或驱动装置30和辅助机械40所需的电力等于或大于预定电力时，恢复燃料电池10的发电。
58.因此，控制器60可以配置为增加目标电量状态以减小燃料电池10的fc停止模式，从而持续地保持发电。特别地，当车辆进行上坡行驶时，驱动装置30可能需要比燃料电池10产生的电力更多的电力，相应地，燃料电池10的发电可以继续进行而不会不必要地停止燃料电池10的发电。
59.另外，控制器60可以配置为通过减小目标电量状态来增多燃料电池10发电的停止。特别地，当车辆进行下坡行驶时，驱动装置30所需的电力可以减小并且通过再生制动回收的电能可以增加，因此提高了燃料电池10的耐久性并提高了燃料效率，同时通过快速停止燃料电池10的发电来维持fc停止模式。换言之，根据本发明，进入或解除燃料电池10发电停止的频率可以减小，从而提高了燃料电池10的耐久性并提高了燃料效率。
60.图4是示出根据本发明的示例性实施方案的用于控制燃料电池10车辆电力的方法的流程图。下文描述的方法可以由控制器执行。参考图4，根据本发明的示例性实施方案的用于控制燃料电池10车辆电力的方法可以包括：感测车辆的行驶状态(步骤s100)；基于感测到的行驶状态设置蓄电池20的目标电量状态(步骤s200)；并且基于设置的目标电量状态控制蓄电池20的充电或放电(步骤s300)。
61.在感测车辆的行驶状态的步骤s100中，可以感测车辆的倾斜度或车辆行驶的道路的坡度。在设置蓄电池20的目标电量状态的步骤s200中，响应于确定出车辆的行驶状态是上坡行驶s110，可以增加目标电量状态(步骤s210)。在设置蓄电池20的目标电量状态的步
骤s200中，响应于确定出车辆的行驶状态是下坡行驶s120，可以减小目标电量状态(步骤s220)。
62.在设置蓄电池20的目标电量状态的步骤s200中，响应于确定出车辆的行驶状态是平地行驶s130，可以将目标电量状态设置为预定电量状态(步骤s230)。在设置蓄电池20的目标电量状态的步骤s200中，在感测到车辆进行上坡行驶s110或者下坡行驶s120的情况下，如果感测到车辆持续进行上坡行驶s110或下坡行驶s120，则可以持续增加或减小目标电量状态(步骤s210和s220)。
63.尽管已经参考附图描述了一个或多个示例性实施方案，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离由权利要求限定的精神和范围的情况下进行各种形式和细节上的修改。