燃料电池动力系统及动力电池荷电状态控制方法与流程

本发明属于混合动力汽车控制技术领域，具体地说，是涉及燃料电池动力系统及动力电池荷电状态控制方法。

背景技术：

现有汽车作为人类文明进步发展的一个标志物，越来越多的人开始使用汽车。汽车在为人类带来方便的同时，也造成了石油资源的短缺和环境污染等一系列问题。因此，具有“零排放”、“低噪声”、“高效率”的燃料电池汽车的出现解决了这些难题。燃料电池具有能量转化效率高、零排放、未来加氢和加油一样便利等的优势，而且，氢能源的来源较其他能源广泛，石化能源、核能以及可再生能源等均可转化为氢能。

就目前来看，以动力电池作为动力系统的电动汽车的应用较为广泛，但动力电池的续航里程远远不能满足需求，这时，以动力电池和燃料电池组合的电-电混合动力纯电动汽车成为发展趋势，这样，既能满足续航里程的要求，同时又符合低能耗且排放性能好的标准。但是，因为城市车辆在实际行驶中，需要面对复杂多变的路面情况，需要进行频繁的起步加速与制动等操作，而燃料电池输出功率动态响应速度慢，因此，现有燃料电池动力系统难以满足电机的功率需求，进而不能很好地满足车辆的性能要求。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种燃料电池动力系统，解决现有燃料电池动力系统中因燃料电池输出功率动态响应速度慢而难以满足电机功率需求的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种燃料电池动力系统，包括燃料电池模块、动力电池和电机控制器，所述动力电池与所述电机控制器连接；还包括功率控制模块，所述功率控制模块包括电压稳定单元、直流转换单元和能量控制单元，所述电压稳定单元一端与所述燃料电池模块连接，另一端与所述直流转换单元连接，用于稳定所述直流转换单元的输入电压；所述直流转换单元的另一端与所述电机控制器连接，用于将所述燃料电池模块的输出电压进行升压转换后输出；所述能量控制单元至少用于监测所述动力电池的荷电状态、获取当前状态下车辆的需求功率、根据所述动力电池的荷电状态和所述车辆的需求功率控制所述燃料电池模块的开启/关闭以及控制所述燃料电池模块的输出功率。

优选的，所述电压稳定单元由若干单体电容配组而成，且所述电压稳定单元的工作电压与所述燃料电池模块的输出电压相同。

本发明的目的之二是提供一种动力电池荷电状态控制方法，在满足电机功率需求的基础上，实现动力电池荷电状态的控制。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种动力电池荷电状态控制方法，所述动力电池设置在燃料电池动力系统中，所述燃料电池动力系统为上述的燃料电池动力系统，所述动力电池荷电状态控制方法包括：

车辆启动后，所述燃料电池动力系统中的能量控制单元根据监测的动力电池的荷电状态和获取的当前状态下车辆的需求功率控制所述燃料电池动力系统中的燃料电池模块的开启或关闭；

在控制所述燃料电池模块开启时，所述能量控制单元将所述动力电池的荷电状态和所述当前状态下车辆的需求功率分别作为输入变量、将所述燃料电池模块的输出功率作为输出变量，采用模糊逻辑算法确定并控制所述燃料电池模块的输出功率，实现对所述动力电池荷电状态的控制。

如上所述的方法，所述燃料电池动力系统中的能量控制单元根据监测的动力电池的荷电状态和获取的当前状态下车辆的需求功率控制所述燃料电池动力系统中的燃料电池模块的开启或关闭，具体包括：

在所述当前状态下车辆的需求功率大于0、且不大于所述动力电池的输出功率的情况下，若所述动力电池的荷电状态小于荷电状态阈值，控制所述燃料电池模块开启；若所述动力电池的荷电状态不小于所述荷电状态阈值，控制所述燃料电池模块关闭；

在所述当前状态下车辆的需求功率为0的情况下，若所述动力电池的荷电状态小于荷电状态目标值，控制所述燃料电池模块开启，为所述动力电池充电；否则，控制所述燃料电池模块关闭；

在所述当前状态下车辆的需求功率小于0的情况下，若所述动力电池的荷电状态小于荷电状态目标值，控制所述燃料电池模块开启，为所述动力电池充电；否则，控制所述燃料电池模块保持原状态。

如上所述的方法，所述燃料电池动力系统中的能量控制单元根据监测的动力电池的荷电状态和获取的当前状态下车辆的需求功率控制所述燃料电池动力系统中的燃料电池模块的开启或关闭，还包括：

在所述当前状态下车辆的需求功率大于0、且大于所述动力电池的输出功率的情况下，控制所述燃料电池模块开启。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

（1）本发明提供的燃料电池动力系统中，在燃料电池模块与直流转换单元之间串联电压稳定单元，用于稳定直流转换单元的输入电压，当直流转换单元需要输出电流满足电机加速时所需的功率时，先由电压稳定单元给直流转换单元输出电流，以满足电机的功率需求；待燃料电池模块的输出功率提升上来之后，由燃料电池模块给直流转换单元输出电流；从而，显著改善了燃料电池模块因输出功率动态响应速度慢的问题；

（2）在燃料电池模块与直流转换单元之间串联电压稳定单元，由于直流转换单元前端的允许输入电压变化范围较大，因此使电压稳定单元的电压工作范围更大，使得燃料电池模块的可用能量更大，能够使燃料电池系统更好地响应动力系统快速变化的功率需求；

（3）通过在燃料电池动力系统中设置能量控制单元，采用模糊逻辑算法控制燃料电池模块的输出功率，实现燃料电池的输出功率在电机负载和动力电池之间的合理分配，在满足电机功率需求的前提下，实现对动力电池荷电状态的控制。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是基于本发明燃料电池动力系统的一个实施例与整车驱动系统的结构框图；

图2是基于本发明动力电池荷电状态控制方法一个实施例的流程图；

图3是图2中控制燃料电池模块的开启或关闭一个具体实例的逻辑框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

请参见图1，该图示出了基于本发明燃料电池动力系统的一个实施例与整车驱动系统的结构框图。

具体来说，如图1所示，燃料电池动力系统包括燃料电池模块、动力电池和电机控制器，动力电池作为动力系统的主要功率输出单元，与电机控制器连接，具体来说是高压电气连接。电机控制器与电机连接，电机与减速/差速机构机械连接，减速/差速机构与车轮机械连接。

其中，燃料电池模块中的燃料电池为现有汽车中可用的燃料电池，如质子交换膜燃料电池。动力电池为现有汽车中可用的动力电池，如锂离子电池。功率控制模块包括有电压稳定单元、直流转换单元和能量控制单元。电压稳定单元一端与燃料电池模块连接，另一端与直流转换单元连接，用于稳定直流转换单元的输入电压。电压稳定单元可以采用现有技术中能够起到暂存电能、稳定电压的结构来实现。作为优选实施方式，电压稳定单元由若干单体电容配组而成，并且，电压稳定单元的工作电压与燃料电池模块的输出电压相同。直流转换单元的另一端与电机控制器连接，具体来说是采用高压电气连接，用于将燃料电池模块的输出电压进行升压转换后输出。能量控制单元作为功率控制模块的核心单元，至少用于监测动力电池的荷电状态、获取当前状态下车辆的需求功率、根据动力电池的荷电状态和车辆的需求功率控制燃料电池模块的开启/关闭以及控制燃料电池模块的输出功率。

采用该实施例的燃料电池动力系统，在燃料电池模块与直流转换单元之间串联电压稳定单元，用于稳定直流转换单元的输入电压，当直流转换单元需要输出电流满足电机加速时所需的功率时，先由电压稳定单元给直流转换单元输出电流，以满足电机的功率需求；待燃料电池模块的输出功率提升上来之后，由燃料电池模块给直流转换单元输出电流；从而，显著改善了燃料电池模块因输出功率动态响应速度慢的问题。而且，通过在燃料电池模块与直流转换单元之间串联电压稳定单元，由于直流转换单元前端的允许输入电压变化范围较大，因此使电压稳定单元的电压工作范围更大，使得燃料电池模块的可用能量更大，能够使燃料电池系统更好地响应动力系统快速变化的功率需求。此外，由于在燃料电池模块与直流转换单元之间串联电压稳定单元，在电压稳定单元由单体电容配组而成的结构中，由于燃料电池模块的可用能量大，用较小的电容配组成电压稳定单元即可满足电机的功率需求，降低了系统成本。

请参见图2，该图所示为基于本发明动力电池荷电状态控制方法一个实施例的流程图。其中，动力电池为设置在图1示出的燃料电池动力系统中的动力电池。

如图2所示，对于图1燃料电池动力系统中的动力电池，采用下述方法实现其荷电状态控制：

步骤21：车辆启动后，能量控制单元根据监测的动力电池的荷电状态和获取的当前状态下车辆的需求功率控制燃料电池模块的开启或关闭。

当前状态下车辆的需求功率的获取，采用现有技术来实现，具体的，是根据车辆当前加速踏板信号、当前制动踏板信号及当前车速信号计算获得。动力电池的荷电状态也采用现有技术来实现。车辆启动后，能量控制单元将根据动力电池的荷电状态和当前状态下车辆的需求功率确定是否需要开启燃料电池模块来为动力电池充电或者辅助动力电池满足车辆功率需求。更优选的控制过程，参考图3及后续对图3的描述。

步骤22：燃料电池模块开启时，能量控制单元将动力电池的荷电状态和当前状态下车辆的需求功率分别作为输入变量、将燃料电池模块的输出功率作为输出变量，采用模糊逻辑算法确定并控制燃料电池模块的输出功率。

在步骤21确定需要并开启燃料电池模块时，能量控制单元将确定燃料电池模块的输出功率。在该实施例中，能量控制单元采用模糊逻辑算法确定燃料电池模块的输出功率。具体的，是将动力电池的荷电状态和当前状态下车辆的需求功率分别作为输入变量、将燃料电池模块的输出功率作为输出变量，采用模糊逻辑算法确定燃料电池模块的输出功率，然后控制燃料电池模块输出该功率至电机控制器或动力电池。

模糊逻辑算法的具体实现可以采用现有技术。具体到该实施例，作为优选实施方式，首先进行数学变换，将输入变量进行归一化处理，以简化隶属度函数的论域；再根据输入变量的域值以及开始时动力电池荷电状态soc的变量范围[soc1,soc2]，通过函数y=(x-soc2)/(soc2-soc1)变换后，将其范围变为[0,1]；然后，再选则隶属度函数的类型，可用梯形隶属度函数或者三角形隶属度函数等；最后，再根据所选择的隶属度函数，建立模糊子集。在该实施例中，动力电池荷电状态soc值和整车需求功率pre两个输入变量都采用5个模糊子集组成，燃料电池输出功率pfc_out这一输出变量则由7个模糊子集构成。其中soc的5个模糊子集是“soc低（sl）”、“soc较低（snl）”、“soc中（sn）”、“soc较高（snh）”、“soc高（sh）”；pveh_re的5个模糊子集是“需求功率小（ps）”、“需求功率较小（pns）”、“需求功率中（pn）”、“需求功率较大（pnh）”、“需求功率大（ph）”；分别是“很小（vs）”、“小（s）”、“较小（ns）”、“中等（iv）”、“较大（nl）”、“大（l）”、“很大（vl）”。

采用该实施例的控制方法，能量控制单元采用模糊逻辑算法控制燃料电池模块的输出功率，实现了燃料电池的输出功率在电机负载和动力电池之间的合理分配，在满足电机功率需求的前提下，实现对动力电池荷电状态的控制。

图3示出了图2中控制燃料电池模块的开启或关闭一个具体实例的逻辑框图，具体来说，是能量控制单元根据监测的动力电池的荷电状态和获取的当前状态下车辆的需求功率控制燃料电池动力系统中的燃料电池模块的开启或关闭的逻辑框图。

如图3所述，在该具体实例中，能量控制单元根据车辆当前加速踏板信号、当前制动踏板信号及当前车速信号计算获得当前状态下车辆的需求功率pre；能量控制单元还实时监测动力电池的负荷状态soc以及动力电池的输出功率。pre、soc及pli_out的获取方式均采用现有技术来实现。然后，采用下述逻辑对燃料电池模块的开启或关闭进行判断和控制。

在当前状态下车辆的需求功率大于0、且不大于所述动力电池的输出功率的情况下，即0＜pre＜pli_out的情况下，车辆处于加速或爬坡工况，若动力电池的荷电状态小于荷电状态阈值，即soc<socmin，此时，虽然动力电池的输出功率能够满足整车的需求功率，但是由于动力电池荷电状态低，将控制燃料电池模块开启，以维持动力电池的soc处于最佳状态。在0＜pre＜pli_out的情况下，若动力电池的荷电状态不小于荷电状态阈值socmin，此时，动力电池荷电状态不低，且动力电池的输出功率能够满足整车的需求功率，将控制燃料电池模块关闭，仅由动力电池的输出功率驱动车辆运行即可。socmin为已知的荷电状态阈值。

而如果当前状态下车辆的需求功率大于动力电池的输出功率，即pre＞pli_out的情况下，将控制燃料电池模块开启，由燃料电池模块和动力电池模块共同提供车辆运行所需的功率，满足动力需求。

在当前状态下车辆的需求功率为0的情况下，即pre=0，车辆处于怠速工况。此时虽然不需要为电机控制器提供功率输出，但是要根据动力电池的当前荷电状态及荷电状态目标值，确定是否需要由燃料电池模块为动力电池充电。具体的，若动力电池的荷电状态小于荷电状态目标值，即soc<soctarget，将控制所述燃料电池模块开启，为动力电池充电，以维持动力电池的soc处于最佳状态。如果动力电池的荷电状态不小于荷电状态目标值，则控制燃料电池模块保持原状态。如果原状态为开启状态，则保持燃料电池模块的开启；若原状态为关闭状态，则保持燃料电池模块的关闭状态。soctarget为已知的荷电状态目标值。

在当前状态下车辆的需求功率小于0的情况下，即pre＜0，车辆处于制动工况。电机反转制动能量回收，为动力电池充电。此情况下，也根据动力电池的当前荷电状态及荷电状态目标值，确定是否需要由燃料电池模块为动力电池充电。具体的，若动力电池的荷电状态小于荷电状态目标值，将控制燃料电池模块开启，为动力电池充电，以维持动力电池的soc处于最佳状态。如果动力电池的荷电状态不小于荷电状态目标值，则控制燃料电池模块保持原状态。如果原状态为开启状态，则保持燃料电池模块的开启；若原状态为关闭状态，则保持燃料电池模块的关闭状态。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。