用于控制动力总成的方法与流程

本发明涉及一种用于控制动力总成的方法，该动力总成包括一个或多个燃料电池单元和电能存储系统。本发明还涉及一种动力总成、控制单元、车辆、计算机程序和计算机可读介质。尽管本发明将关于卡车进行描述，但是本发明不限于这种特定车辆，而是也可以用于诸如乘用车和越野车的其他类型的车辆。本发明还可以应用于船舶和固定应用，诸如并网辅助发电机或独立于电网的发电机。

背景技术：

1、燃料电池系统可以用作电池的替代或补充，以为电动车辆提供动力，但是也可以用于固定应用，诸如并网和独立于电网的发电机。

2、当燃料电池系统在低电流密度下操作时，燃料电池的极化电池电压升高，进而对燃料电池的耐用性产生负面影响。为了避免燃料电池劣化，设定了可操作的最大极化电池电压，这意味着在实践中燃料电池的最低操作功率是有限的。在某些情况下，诸如当由燃料电池系统提供动力的车辆下坡行驶时，燃料电池系统可能因此以比考虑到车辆的功率需求所需的更高的功率下操作。在这种情况下，由燃料电池系统产生的多余电力可以存储在电池中。然而，当电池达到其最大荷电状态soc时，由燃料电池系统产生的功率反而会被耗散并由此被浪费。

3、为了避免能量耗散，存在控制策略，当电池的soc相对较高且功率需求较低时，根据该控制策略关断燃料电池系统。us20160046204公开了用于控制车辆的燃料电池系统的这种方法，其中取决于车辆的预测的功率需求和电池的soc控制燃料电池开启或关断。然而，开启和关断燃料电池与燃料电池的劣化相关联，从而缩短其使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种至少在一些方面改进的用于控制动力总成的方法，该动力总成包括燃料电池单元和电能存储系统。具体地，目的是提供这样一种方法，该方法解决了与燃料电池单元的启动和关闭有关的燃料电池单元的劣化。

2、根据本发明的第一方面，至少该主要目的是通过根据权利要求1的方法来实现的。

3、因此，提供了一种用于控制动力总成的方法。该动力总成包括燃料电池单元和用于存储由该燃料电池单元产生的多余电能的电能存储系统。可以由动力总成的控制单元来执行的该方法包括：

4、-预测对在预测时间范围内来自该动力总成的功率输送的功率需求，

5、-获得该电能存储系统的荷电状态soc和功率容量中的至少一者，

6、-基于该预测的功率需求和该获得的soc和/或功率容量，标识该预测时间范围内的时间段，在该时间段期间，该动力总成被预期能够在该燃料电池单元关闭的情况下根据该预测的功率需求来输送功率或者至少被预期能够以关于该预测的功率需求确定的最小功率水平来输送功率，

7、-响应于该标识的时间段大于时间阈值而控制该动力总成在该标识的时间段的至少一部分期间关闭该燃料电池单元。

8、因此，根据本发明，动力总成可以在某些时间段期间在燃料电池关断的情况下操作。通过设定时间阈值并将标识的时间段与时间阈值进行比较，可以在由于例如由于燃料电池关闭和启动而引起的燃料电池劣化导致这种操作模式不理想时避免在较短的时间段期间关断燃料电池单元。相反，只有当关闭燃料电池单元的优点(诸如降低燃料消耗和提高能量效率)胜过缺点(诸如燃料电池单元更快老化)时，才可以这样做。

9、在该时间段期间，动力总成被预期能够根据功率需求或至少以最小功率水平来输送功率。最小功率水平在本文中是相对于预测的功率需求设定的。通常，动力总成可能能够在该时间段的大多数部分内(诸如超过80％的时间段或更多，诸如超过90％的时间段，或者优选地在整个时间段内)根据功率需求来输送功率。因此，可以接受具有较低功率的较短时间间隔，只要较低功率不下降到低于定义的最小功率即可。可以取决于性能要求设定最小功率水平。例如，在车辆应用中，可以设定最小功率水平使得车辆能够至少以预定车辆速度行驶。

10、通过控制动力总成在标识的时间段的至少一部分期间关闭燃料电池单元，动力总成意图在标识的时间段的至少一部分期间(诸如在整个标识的时间段期间或在标识的时间段的从用于关闭燃料电池单元的标识的适当时间点开始的一部分期间)在燃料电池关断的情况下操作。因此，在该时间段的至少一部分期间，动力总成以纯电动模式(即，仅使用来自电能存储系统的电力)来操作，或者以混合模式(仅使用来自电能存储系统的功率和来自动力总成的另一个燃料电池的功率)来操作。动力总成可以包括一个以上的燃料电池单元，在这种情况下，该燃料电池单元可以独立地或作为单个系统被控制。

11、该时间段可以被理解为期间动力总成可以在燃料电池单元关断且不违反由预测的功率需求和/或最小功率水平定义的任何功率极限并且不违反电能存储系统(下文也称为ess)的任何soc极限的情况下操作的时间段。soc是ess中在特定时间点可用的能量大小的量度，其通常被表达为充满电的电能存储系统中的能量大小的百分比。

12、如本文中所使用的术语“功率容量”是指ess的充电和放电容量。例如，如本文中所使用的术语“功率容量”通常是指ess内的电池的充电和放电容量。电池充电和放电的容量通常是指在电池的正常使用情况下(诸如在车辆中)电池的状态。例如，功率状态sop是指示ess的功率容量的操作参数的一个示例。ess的sop由最大恒定电流幅度或功率幅度定义，ess可以在以下关注的时间范围(即，预测时间范围)内在该最大恒定电流幅度或功率幅度下连续地充电或放电，而不会违反任何电池单元级操作约束。ess的sop可以根据电流幅度和功率幅度中的一者或两者来确定。

13、当燃料电池单元关断时，由于来自ess的能量被消耗，因此ess的soc将随时间推移而减少。soc值随时间推移的演变是初始soc和功率需求的函数。因此，可以根据预测的功率需求和ess的初始soc来计算在预测范围内作为时间的函数的soc值，其可以纯粹例如根据ess的测量的开路电压(ocv)来估计和/或使用库仑计数来确定。因此，获得ess的soc可以包括基于最初获得的soc和预测的功率需求来计算作为时间的函数的soc。初始soc值可以从ess的控制系统(诸如电池管理单元或类似单元)接收，或者基于从ess接收的测量数据来计算。

14、ess实际可以输送的功率或电流取决于ess的soc。功率容量随着soc的增加而增加，使得充满电的ess可以输送比具有相对较低soc的ess更高的输出功率。因此，当ess的作为soc的函数的最大输出功率已知时，获得的soc可以用于确定最大输出功率，该最大输出功率进而可以与预测的功率需求进行比较以确定功率总成是否被预期能够在燃料电池单元关闭的情况下根据预测的功率需求输送功率。

15、当标识的时间段小于时间阈值时，燃料电池单元保持开启。

16、任选地，该标识的时间段是期间该动力总成被预期能够在不违反该电能存储系统的最小soc极限的情况下根据该预测的功率需求或以该最小功率水平来输送功率的时间段。最小soc极限可以是预定极限。最小soc极限可以随着ess的年限而变化，使得在ess的寿命开始时，最小soc极限被设定为低于ess老化时的值。

17、任选地，标识该时间段包括将预测的功率需求与至少一个功率需求阈值进行比较。

18、任选地，标识该时间段还包括将获得的soc与至少一个soc阈值进行比较和/或将功率容量与至少一个功率容量阈值进行比较。因此，标识该时间段可以包括确定来自ess的最大可能输出功率或电流，并将最大可能输出功率或电流与至少一个功率阈值进行比较。

19、任选地，标识该时间段包括标识在其处满足预定第一标准的第一时间点和在其处满足预定第二标准的第二时间点，其中该第一和第二时间点是该时间段的相应端点。第一标准在本文中是燃料电池单元可能关闭的标准，而第二标准是燃料电池单元启动的标准。第二时间点在第一时间点之后。

20、任选地，当预测的功率需求低于第一功率需求阈值时以及任选地当soc高于第一soc阈值时和/或当电能存储系统的功率容量高于第一功率容量阈值时，认为满足预定第一标准。因此，当预测的功率需求低于第一功率需求阈值时以及任选地当soc/功率容量高于第一soc/功率容量阈值时，标识时间段的可能第一点。soc在本文中可以是可能第一点处的soc，即，基于初始soc和预测的功率需求使用计算的soc值。第一soc阈值可以被设定为取决于第一功率需求阈值。不是将soc与第一soc阈值进行比较，而是soc可以用于确定ess的功率容量，该功率容量进而与第一功率容量阈值进行比较。功率容量可以替代地以不使用soc的其他方式获得。

21、任选地，当该预测的功率需求高于第二功率需求阈值时以及任选地当该soc低于第二soc阈值时和/或当该功率容量低于第二功率容量阈值时，认为满足该预定第二标准。因此，当预测的功率需求高于第二功率需求阈值时以及任选地当soc/功率容量低于第二soc/功率容量阈值时，标识该时间段的第二点，在该第二点处，将有必要再次启动燃料电池单元以免违反动力总成的soc和/或功率极限。soc可以是在该时间段的第二点处计算的soc。第二soc阈值可以被设定为取决于第二功率需求阈值。不是将soc与第二soc阈值进行比较，而是soc可以用于确定ess的功率容量，该功率容量进而与第二功率容量阈值进行比较。功率容量可以替代地以不使用soc的其他方式获得。

22、当在第一时间点之后剩余的整个预测时间范围期间预测的功率需求保持低于第二功率需求阈值时以及任选地当soc保持低于第二soc阈值时和/或者当功率容量保持低于第二功率容量阈值时，也可以认为满足预定第二标准。在这种情况下，第二时间点是未知的，并且可以确定标识的时间段大于时间阈值。

23、任选地，预测该功率需求包括预测在该预测时间范围内作为时间的函数的瞬时功率需求，其中标识该时间段包括将该预测的瞬时功率需求与至少一个功率需求阈值进行比较。在这种情况下，预测的瞬时功率需求应低于功率需求阈值，以便标识时间段的可能第一点。一旦预测的瞬时功率需求高于功率需求阈值，就标识时间段的第二点。当然，也可以考虑ess的soc来确定是否到达该时间段的第一点和第二点。

24、任选地，预测该功率需求包括确定在该预测时间范围的至少一个子范围内的平均功率需求，其中标识该时间段包括将该确定的平均功率需求与至少一个功率需求阈值进行比较。可以使用平均功率需求作为瞬时功率需求的补充或作为其替代。与平均功率需求进行比较的功率需求阈值可以不同于、通常低于与瞬时功率需求进行比较的功率需求阈值。当然，也可以考虑ess的soc和/或功率容量来确定是否到达该时间段的第一点和第二点。

25、任选地，该时间阈值是预定固定值。可以在考虑由于该至少一个燃料电池单元的关闭和启动导致的燃料电池劣化、该时间段内动力总成的效率损失以及该时间段期间的预期燃料节省的情况下设定该预定固定值。此外，可以考虑由于例如将ess充电超过最大soc极限而发生的ess劣化。

26、任选地，该方法还包括基于以下至少一者来确定该时间阈值：由该燃料电池单元的关闭和启动引起的预期燃料电池劣化、该动力总成在该时间段期间的预期效率损失，以及该时间段期间的预期燃料节省。另外，该时间阈值可以基于由于例如将ess充电到高于最大soc极限、高ess温度或高电流吞吐量而发生的预期ess劣化来设定。因此，该时间阈值可以在动力总成的整个寿命期间变化。

27、任选地，该动力总成包括两个或更多个燃料电池单元，并且标识该时间段包括标识期间该动力总成被预期能够在该至少两个燃料电池单元中的至少一者关闭的情况下根据该功率需求输送功率的时间段，并且其中响应于该标识的时间段大于该时间阈值，所述至少一个燃料电池单元被安排成在该标识的时间段的至少一部分期间关闭。因此，一些或所有燃料电池单元可以在标识的时间段期间关闭。在标识的时间段之后，可能不需要再次开启燃料电池单元。此外，如果发生意外情况，则燃料电池单元可以在标识的时间段期间再次开启。

28、任选地，该时间阈值被设定为该两个或更多个燃料电池单元中的每一者所特定的值。当两个或更多个燃料电池系统具有不同类型、配置、大小和/或年限时，这可能是相关的，因为燃料电池单元在启动和关闭时以及操作期间出现的劣化取决于这些因素而不同。该阈值时间被设定为这样的值：在该值以上关闭燃料电池的成本将低于保持其开启的成本。

29、任选地，该动力总成适于输送有助于推进车辆的功率，并且其中预测该功率需求包括：

30、-接收包括以下至少一者的车辆相关信息：该车辆在该预测时间范围期间的预期行驶路线的交通信息、该预期行驶路线的地形(terrain)信息、该预测时间范围期间的预期行驶路线的地貌(topographic)信息、该预测时间范围期间的预期行驶路线的天气信息以及车辆总重量信息，以及

31、-使用所述接收到的车辆相关信息来预测该预测时间范围内的功率需求。

32、一条或多条上述车辆相关信息可以有助于正确预测功率需求。

33、根据本发明的第二方面，提供了根据权利要求13的控制单元。因此，提供了一种被配置为执行根据第一方面的方法的控制单元。该控制单元可以是电子控制单元。

34、本发明的第二方面的优点和效果在很大程度上类似于本发明的第一方面的优点和效果。

35、根据本发明的第三方面，提供了根据权利要求14的动力总成。该动力总成包括一个或多个燃料电池单元和用于存储由该一个或多个燃料电池单元产生的多余电能的电能存储系统。该动力总成还包括根据第二方面的控制单元。

36、根据本发明的第四方面，提供了根据权利要求15的车辆。该车辆包括根据第三方面的动力总成，其中该动力总成适于输送有助于推进车辆的功率。该动力总成可以被配置为根据从该车辆的控制单元接收的功率请求来输送功率。

37、根据本发明的第五方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于当该程序在计算机上运行时执行该第一方面的方法的程序代码装置。

38、根据本发明的第六方面，提供了一种承载计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括用于当该程序在计算机上运行时执行该第一方面的方法的程序代码装置。

39、本发明的进一步优点和有利特征在具体实施方式和从属权利要求中公开。