CN101219664A - 一种燃料电池混合动力能量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池混合动力能量控制方法，属于多能源动力总成控制技术领域。从CAN网络获取SOC值、电机转速ω_m、总线电压U_bus，从司机油门踏板获取油门开度ψ；根据电机转速和油门踏板计算目标转矩T_m及整车目标功率P_com，计算蓄电池目标电流I_bat ^*；计算整车目标电流I_com ^*；计算DCDC稳态目标电流；将电机目标转矩和DCDC目标电流通过CAN网络发送给电机控制器和DCDC控制器，使之输出相应的转矩和电流。本发明还针对a和τ提出了一种燃料电池混合动力能量控制方法参数优化方法。本发明从整车控制角度提出了一种提高系统耐久性兼顾系统经济性的混合动力能量控制方法。通过参数匹配优化，可以确保燃料电池变载不至于过于激烈，并且在车辆运行过程中不需要频繁起停。

Description

一种燃料电池混合动力能量控制方法

技术领域

一种燃料电池混合动力能量控制方法，特别涉及一种兼顾经济性并能提高燃料电池耐久性的燃料电池混合动力能量控制方法，适用于燃料电池混合动力车辆系统集成、匹配和优化，也适用于普通混合动力车辆系统集成和匹配；属于多能源动力总成控制技术领域。

背景技术

燃料电池混合动力车辆是未来汽车发展的重要方向之一，也是国家发展电动车“三纵三横”策略的重要组成部分。目前燃料电池车辆成本过高、寿命过短，离大规模推广尚有距离。如何提高燃料电池耐久性，是目前发展燃料电池车辆需要解决的首要问题。

燃料电池可以通过电机单独驱动车辆，也可以通过并联一个镍氢电池或超级电容以混合动力的形式驱动车辆。纯燃料电池车辆系统经济性好，但功率波动比较大，衰减比较快。燃料电池混合动力通过能量控制方法以及制动能量回收，可以获得优于纯燃料电池车辆的经济性，并可通过算法匹配来改善燃料电池输出功率，进而改善系统耐久性。

由于国内燃料电池事业起步较晚，各个零部件质量也有待提高，目前国内燃料电池车辆主要是采用燃料电池与镍氢电池的混合动力车辆；国外相关企业为显示其技术水平，以及加强对燃料电池耐久性的研究，有纯燃料电池车辆，也有燃料电池混合动力车辆。

在“十五”国家863高科技发展计划中，由清华大学和同济大学为核心各自开发了燃料电池混合动力大客车和小轿车。由清华为主开发的燃料电池混合动力大客车，其驱动动力由燃料电池、镍氢电池提供。整车控制器根据能量控制方法，控制电机输出功率和燃料电池输出功率，达到优化系统经济性和提高燃料电池耐久性的要求。

通过外部控制改善燃料电池耐久性的措施主要有以下几种：

高电位：燃料电池单片电压如果始终工作在较高区域有利于延长其寿命。

循环变载：要尽可能减小变载速率。

频繁起停：车怠速时燃料电池不停机，进行起停保护控制，避免产生损害。

发明内容

本发明的目的是提供一种兼顾经济性并能提高燃料电池耐久性的燃料电池混合动力能量控制方法。

一种燃料电池混合动力能量控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：从CAN网络获取SOC值、电机转速ω_m、总线电压U_bus，从司机油门踏板获取油门开度ψ；

步骤2：根据电机转速和油门踏板计算目标转矩T_m及整车目标功率P_com，

$P_{\mathrm{com}}={\mathrm{\ω}}_m{T}_m^{*}({\mathrm{\ω}}_m,\mathrm{\ψ})/{\mathrm{\η}}_m---\left(1\right)$

根据SOC值，计算蓄电池目标电流I_bat ^*，

$I_{\mathrm{bat}}^{*}=a(\mathrm{SOC}-{\mathrm{SOC}}_0)---\left(2\right)$

考虑当前蓄电池工作电流范围，

$\min \left(I_{\mathrm{bat}}^{*}\right)=I_{\mathrm{bat},\min }---\left(3\right)$

$\max \left(I_{\mathrm{bat}}^{*}\right)=I_{\mathrm{bat},\max }---\left(4\right)$

根据目标功率和总线电压U_bus计算整车目标电流I_com ^*，

$I_{\mathrm{com}}^{*}=P_{\mathrm{com}}/U_{\mathrm{bus}}---\left(5\right)$

步骤3：根据整车目标电流I_com ^*和蓄电池目标电流I_bat ^*计算DCDC稳态目标电流

${\tilde{I}}_{\mathrm{dc}}^{*}=I_{\mathrm{com}}^{*}-I_{\mathrm{bat}}^{*}---\left(6\right)$

考虑动态补偿，计算DCDC目标电流I_dc ^*

$\mathrm{\τ}\frac{d{I}_{\mathrm{dc}}^{*}}{\mathrm{dt}}+I_{\mathrm{dc}}^{*}={\tilde{I}}_{\mathrm{dc}}^{*}---\left(7\right);$

步骤4：将电机目标转矩和DCDC目标电流通过CAN网络发送给电机控制器和DCDC控制器，使之输出相应的转矩和电流。

其中，I_bat ^*为稳态分配策略下的蓄电池目标电流，I_com ^*为整车需求电流，P_com为整车目标功率，U_bus为系统总线电压，

为DCDC稳态目标电流，I_dc ^*为DCDC目标电流，τ为动态补偿时间常数。其中稳态分配策略如式(1-6)，动态补偿函数如式(7)。

一种燃料电池混合动力能量控制方法参数优化方法，针对a和τ，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据电机特性确定最佳稳态总线电压。根据电机效率特性和输出转矩特性确定电机最佳工作总线电压U_bus，best。

步骤2：根据总线电压和镍氢电池特性确定SOC最佳稳态值SOC₀。SOC₀的确定需要综合考虑电机效率特性、输出转矩特性和镍氢电池开路电压特性。

步骤3：根据最小二乘原理辨识混合动力系统模型。

步骤4：以燃料电池单片电压以及电压变化率的分布为研究对象，以步骤3辨识的混合动力系统模型为基础，改变能量控制方法参数a和τ的值，研究典型公交工况下电压u以及电压变化率du/dt的分布，从中选取最佳值a和τ。

减小a增加τ，以改善燃料电池耐久性；

增加a减小τ，以改善系统经济性。

最终优化目标可为：

保证单片电压变化率绝对值的最大值在5mV/s内，单片工作电压范围为0.6～0.85V；

相对未优化算法，系统经济性不至于下降太大。

本发明首先根据电机工作特性选取最佳稳态总线电压，并据此确定镍氢电池SOC(StateOf Charge)平衡点，以此保证系统经济性；其次通过优化能量管理方法中的相关参数来降低燃料电池单片电压变化率，以提高燃料电池耐久性。

镍氢电池SOC平衡点的选择保证了电机运行中具备足够的动力性和经济性；提供了相关参数优化综合考虑耐久性和经济性的矛盾，采取相应的折衷措施。

本发明从整车控制的角度，提出了一种实用的、可以在一定程度上提高系统耐久性，并兼顾系统经济性的方法。通过参数匹配优化，可以确保在大多数情况下燃料电池单片电压工作于高电位，燃料电池变载不至于过于激烈，并且在车辆运行过程中不需要频繁起停。

附图说明

图1燃料电池混合动力结构示意图。

图2是一种燃料电池混合动力能量控制方法参数优化方法流程图。

图3380V总线电压电机效率图以及常用工况的分布示意图。

图4中国城市公交标准工况示意图。

图5燃料电池单片电压分布概率随a的变化。其中，横坐标：燃料电池单片电压/V；纵坐标：电压分布概率/(1/V)。

图6燃料电池单片电压变化率分布概率随a的变化。其中，横坐标：燃料电池单片电压/(V/s)；纵坐标：电压分布概率/(s/V)。

图7燃料电池单片电压变化率分布概率随τ的变化。其中，横坐标：燃料电池单片电压/V；纵坐标：电压分布概率/(1/V)。

图8燃料电池单片电压变化率分布概率随τ的变化。其中，横坐标：燃料电池单片电压/(mV/s)；纵坐标：电压分布概率/(s/mV)。

图9不同加速踏板开度(如60％代表加速踏板开度60％)曲线图，其中，坐标：电机转速/(rpm)；纵坐标：电机目标转矩/(N.m)。

图10一种燃料电池混合动力能量控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

图1是燃料电池混合动力结构示意图。如图所示，系统中有两个动力源，燃料电池发动机和蓄电池。燃料电池发动机通过直流-直流变换器与蓄电池连接，而后通过直流-交流逆变器驱动异步电机。

图2是一种燃料电池混合动力能量控制方法参数优化方法流程图。首先根据电机特性确定最佳稳态总线电压，并根据总线电压和镍氢电池特性确定SOC最佳稳态值SOC₀。在该总线电压下，常用工况大部分分布于＞85％的区域。因此选用380V为总线电压。图3所示为380V总线电压下某型号电机效率图。以此为据，对应镍氢电池特性曲线，选择最佳稳态SOC值为0.8。再次根据最小二乘原理辨识混合动力系统模型。以燃料电池单片电压以及电压变化率的分布为研究对象，以混合动力系统模型为基础，改变能量控制方法参数a和τ的值，研究典型公交工况下电压u以及电压变化率du/dt的分布，从中选取最佳值a和τ，图4中国城市公交标准工况示意图。

图5～图8为根据最小二乘算法辨识系统模型，在此基础上改变不同a和τ参数时典型公交工况下电压u以及电压变化率du/dt的分布。参数a代表稳态分配函数(1)的斜率。a值越大，当蓄电池SOC偏离稳态点后，蓄电池充放电越大，蓄电池越快恢复SOC平衡值。因此，a越大，总线电压越稳定。此时，蓄电池充放电电流基本处于平衡状态，电机的动态输出功率由燃料电池提供，燃料电池输出功率变化较大，电压分布也比较均匀。如图5，6所示，随a增大，燃料电池单片电压分布越均匀，电压变化率的分布曲线峰值右移，平均电压变化率增加。参数τ为动态补偿时间参数。其值越大，动态延时时间越长，燃料电池输出功率变化越平缓。因此，随τ的增大，燃料电池单片电压概率分布越集中，单片电压变化率概率分布曲线左移，平均变化率减小。燃料电池输出功率变化幅度降低，必将导致蓄电池输出功率变化幅度增加。蓄电池充放电次数越多，系统经济性越差。(如图2，图2燃料电池混合动力能量控制方法参数优化方法流程图。)因此，优化参数时需要综合考虑经济性和耐久性的矛盾，根据实际情况折衷处理。对于此系统，优化后的参数值如下：

a＝200，SOC＜0.8

a＝1200，SOC≥0.8

τ＝5sec

I_bat，min＝-160A

I_bat，max＝240A。

图10为一种燃料电池混合动力能量控制方法流程图。首先从CAN网络获取SOC值、电机转速ω_m、总线电压U_bus，从司机油门踏板获取油门开度ψ；而后根据电机转速和油门踏板计算目标转矩T_m和整车目标功率P_com，如公式(8)，图9为同加速踏板开度(如60％代表加速踏板开度60％)曲线图，其中，坐标：电机转速/(rpm)；纵坐标：电机目标转矩/(N.m)，电机目标转矩T_m ^*(ω_m，ψ)可以根据图9确定；再次根据SOC值，使用公式(9)计算蓄电池目标电流I_bat ^*，并考虑当前蓄电池工作电流范围，如公式(10、11)；而后根据目标功率和总线电压U_bus计算整车目标电流I_com ^*，如公式(12)；之后根据整车目标电流I_com ^*和蓄电池目标电流I_bat ^*计算DCDC稳态目标电流

如式(13)；根据式(14)，考虑动态补偿，计算DCDC目标电流I_dc ^*；最后将电机目标转矩和DCDC目标电流通过CAN网络发送给电机控制器和DCDC控制器，使之输出相应的转矩和电流。

$P_{\mathrm{com}}={\mathrm{\ω}}_m{T}_m^{*}({\mathrm{\ω}}_m,\mathrm{\ψ})/{\mathrm{\η}}_m---\left(8\right)$

$I_{\mathrm{bat}}^{*}=\left\{\begin{array}{c}200(\mathrm{SOC}-0.8),\mathrm{SOC}<0.8\\ 1200(\mathrm{SOC}-0.8),\mathrm{SOC}\&GreaterEqual;0.8\end{array}\right.---\left(9\right)$

$\min \left(I_{\mathrm{bat}}^{*}\right)=-160A---\left(10\right)$

$\max \left(I_{\mathrm{bat}}^{*}\right)=240A---\left(11\right)$

$I_{\mathrm{com}}^{*}=P_{\mathrm{com}}/U_{\mathrm{bus}}---\left(12\right)$

${\tilde{I}}_{\mathrm{dc}}^{*}=I_{\mathrm{com}}^{*}-I_{\mathrm{bat}}^{*}---\left(13\right)$

$5\sec \&CenterDot;\frac{d{I}_{\mathrm{dc}}^{*}}{\mathrm{dt}}+I_{\mathrm{dc}}^{*}={\tilde{I}}_{\mathrm{dc}}^{*}---\left(14\right)$

Claims (2)

1.一种燃料电池混合动力能量控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：从CAN网络获取SOC值、电机转速ω_m、总线电压U_bus，从司机油门踏板获取油门开度ψ；

步骤2：根据电机转速和油门踏板计算目标转矩T_m及整车目标功率P_com，

$P_{\mathrm{com}}={\mathrm{\&omega;}}_m{T}_m^{*}({\mathrm{\&omega;}}_m,\mathrm{\&psi;})/{\mathrm{\&eta;}}_m---\left(1\right)$

根据SOC值，计算蓄电池目标电流I_bat ^*，

$I_{\mathrm{bat}}^{*}=a(\mathrm{SOC}-{\mathrm{SOC}}_0)---\left(2\right)$

考虑当前蓄电池工作电流范围，

$\min \left(I_{\mathrm{bat}}^{*}\right)=I_{\mathrm{bat},\min }---\left(3\right)$

$\max \left(I_{\mathrm{bat}}^{*}\right)=I_{\mathrm{bat},\max }---\left(4\right)$

根据目标功率和总线电压U_bus计算整车目标电流I_com ^*，

$I_{\mathrm{com}}^{*}=P_{\mathrm{com}}/U_{\mathrm{bus}}---\left(5\right)$

步骤3：根据整车目标电流I_com ^*和蓄电池目标电流I_bat ^*计算DCDC稳态目标电流

${\tilde{I}}_{\mathrm{dc}}^{*}=I_{\mathrm{com}}^{*}-I_{\mathrm{bat}}^{*}---\left(6\right)$

考虑动态补偿，计算DCDC目标电流I_dc ^*

$\mathrm{\&tau;}\frac{d{I}_{\mathrm{dc}}^{*}}{\mathrm{dt}}+I_{\mathrm{dc}}^{*}={\tilde{I}}_{\mathrm{dc}}^{*}---\left(7\right)$

其中，τ为动态补偿时间常数；

步骤4：将电机目标转矩和DCDC目标电流通过CAN网络发送给电机控制器和DCDC控制器，使之输出相应的转矩和电流。

2.一种燃料电池混合动力能量控制方法参数优化方法，针对a和τ，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据电机特性确定最佳稳态总线电压；根据电机效率特性和输出转矩特性确定电机最佳工作总线电压U_bus，best。

步骤2：根据总线电压和镍氢电池特性确定SOC最佳稳态值SOC₀；SOC₀的确定需要综合考虑电机效率特性、输出转矩特性和镍氢电池开路电压特性；

步骤3：根据最小二乘原理辨识混合动力系统模型；

步骤4：以燃料电池单片电压以及电压变化率的分布为研究对象，以上述步骤3辨识的混合动力系统模型为基础，改变能量控制方法参数a和τ的值，研究典型公交工况下电压u以及电压变化率du/dt的分布，从中选取最佳值a和τ；

减小a增加τ，以改善燃料电池耐久性；

增加a减小τ，以改善系统经济性。

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