氢燃料电池汽车开关式能量管理策略

本发明涉及新能源汽车能量管理，特别是涉及氢燃料电池汽车开关式能量管理策略。

背景技术：

1、随着全球能源危机和环境问题的加剧，氢燃料电池汽车因其高效、清洁的特性成为新能源汽车发展的重要方向之一；然而，现有的氢燃料电池汽车在能量管理方面存在一些问题；传统的能量管理策略往往无法根据车辆的实际负载需求进行灵活的调整，导致能量分配不合理，燃料电池的使用效率降低，氢气消耗过高，续航能力不足；此外，现有的能量管理系统在应对车辆瞬时功率需求时响应不及时，导致动力输出不足或过度依赖燃料电池系统，进而缩短燃料电池的使用寿命。

2、基于此，需氢燃料电池汽车开关式能量管理策略。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，包括：

2、通过安装在车辆上的传感器系统，实时采集车辆运行参数，包括车辆速度v、加速度a、瞬时负载功率pload、氢气储量qh2和电池电量ebat，数据传输至能量管理系统ems；

3、能量管理系统ems根据监测到的车辆运行状态，动态调节氢燃料电池系统、超级电容和电池模块的能量输出，采用如下策略功率分配：

4、(1)当车辆处于低负载工况，即车辆瞬时负载功率pload<pth时，优先使用电池模块pbat提供动力，而燃料电池输出功率pfc≈0，超级电容psu＝0，减少燃料电池的使用频率来节省氢气消耗；

5、(2)当车辆处于中等负载工况，即pth≤pload≤phi时，燃料电池与电池模块协同提供动力，燃料电池根据负载需求自动调节功率输出，其输出功率由公式：pfc＝pload-pbat决定；

6、(3)当车辆处于高负载工况，即车辆瞬时负载功率pload≥phi时，燃料电池系统满功率运行pfc＝pfcmax，同时超级电容psu提供瞬时高功率输出，补充燃料电池响应不足的瞬时需求；

7、氢燃料电池系统，负责在中高负载时提供主要动力输出，燃料电池的输出功率pfc由能量管理系统根据车辆的实时负载需求动态调节，其输出遵循：其中，ηfc为燃料电池的效率，为燃料电池的氢气消耗速率；

8、超级电容模块，用于提供快速功率响应的超级电容模块，主要用于车辆加速或高功率需求的情况下，超级电容在瞬时功率需求ppe出现时提供快速响应功率，公式为：

9、

10、其中，csu为超级电容的电容量，dvsu为超级电容的电压变化率；

11、锂电池模块用于低负载工况下的辅助能量提供，在低功率需求工况下，电池模块提供主要动力，并与燃料电池协同工作，当系统处于能量回收模式时，电池能储存来自制动能量回收或燃料电池的过剩能量。

12、进一步优选的，所述能量管理系统包括：用于实时采集车辆运行状态数据的中央控制单元，所述中央控制单元具备与传感器系统的通信功能，通过无线或有线传输方式接收数据，并基于工况数据运行的优化算法模块，其通过比较车辆实时负载pload与预设阈值pth来确定能量分配模式，并结合车辆运行历史数据进行自学习调整。

13、进一步优选的，所述燃料电池系统的功率输出调节通过闭环控制系统实现，所述闭环控制系统包括：负反馈信号调节器，用于根据实时车辆负载pload与目标功率输出pse的差值，动态调整氢燃料电池的输出功率pfc，所述闭环控制的调节公式为：pfc＝pse+k(pload-pse)；

14、其中，k为控制系统的增益系数，用于平衡实际负载与目标负载之间的功率输出。

15、进一步优选的，所述超级电容模块包括用于瞬时高功率输出的电压监测单元，所述电压监测单元通过实时监测超级电容的电压变化vsu确定超级电容的充放电状态；

16、所述超级电容在车辆加速时快速放电，提供额外功率以满足车辆的加速需求，其充放电时间常数τ＝rsu×csu被优化，确保能量在短时间内高效释放。

17、进一步优选的，所述锂电池模块的充放电控制策略包括：电池的放电由能量管理系统根据车辆的低负载需求控制，当车辆功率需求pload小于预设阈值pth时，优先由电池提供动力输出；

18、电池的充电由制动能量回收系统控制，当车辆处于减速或制动状态时，电池通过再生制动系统回收动能并储存为电能；

19、所述电池的状态监测包括电池电量ebatt、电压vbatt和充放电速率ibatt，通过能量管理系统监控电池始终在安全电压范围内工作。

20、进一步优选的，所述系统根据工况变化进行不同模式的切换，包括：

21、节能模式：在低负载工况下，能量管理系统将车辆的功率需求优先切换至锂电池供能，氢燃料电池系统进入低功率或待机状态；

22、标准模式：在中等负载工况下，燃料电池与锂电池协同工作，根据负载需求共同提供能量输出；

23、高性能模式：在高负载或急加速工况下，燃料电池全功率输出，超级电容提供瞬时高功率，锂电池辅助燃料电池满足瞬时高峰功率需求。

24、进一步优选的，所述超级电容的充放电管理系统包括基于车辆加速度a的检测模块，所述检测模块实时检测车辆的加速度变化，当加速度a超过预设阈值时，能量管理系统触发超级电容进行快速放电，提供瞬时功率支持；在车辆减速或制动时，超级电容通过能量回收模块对制动能量进行储存，并在下次加速时释放。

25、进一步优选的，所述能量管理系统具备基于环境因素的动态调节功能，所述环境因素包括外部温度tam、湿度ham和大气压强pam，当检测到外部环境参数变化时，能量管理系统通过调整燃料电池系统的工作温度、空气流量及冷却系统的运行状态，确保氢燃料电池在不同环境条件下能够稳定高效地运行。

26、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

27、一、本发明根据车辆的瞬时负载需求，低负载、中等负载和高负载工况灵活的能量分配，通过在燃料电池、锂电池和超级电容之间动态切换能源供应，确保车辆在不同工况下能够实现最优的能量利用，避免燃料电池在不必要时的工作，从而减少氢气的消耗，提升燃料使用效率；

28、二、本发明快速响应车辆的瞬时高功率需求，通过超级电容的瞬时高功率输出，减轻燃料电池的瞬时负载压力，提升动力响应速度，不仅增强了车辆在复杂工况下的驾驶性能，还延长了燃料电池的使用寿命，提高了车辆的续航能力。

技术特征：

1.氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，其特征在于，所述能量管理系统包括：

3.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，其特征在于，所述燃料电池系统的功率输出调节通过闭环控制系统实现，所述闭环控制系统包括：

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，其特征在于，所述超级电容模块包括用于瞬时高功率输出的电压监测单元，所述电压监测单元通过实时监测超级电容的电压变化vsu确定超级电容的充放电状态；

5.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，其特征在于，所述锂电池模块的充放电控制策略包括：

6.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，其特征在于，所述系统根据工况变化进行不同模式的切换，包括：

7.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，其特征在于，所述超级电容的充放电管理系统包括基于车辆加速度a的检测模块，所述检测模块实时检测车辆的加速度变化，当加速度a超过预设阈值时，能量管理系统触发超级电容进行快速放电，提供瞬时功率支持；在车辆减速或制动时，超级电容通过能量回收模块对制动能量进行储存，并在下次加速时释放。

8.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，其特征在于，所述能量管理系统具备基于环境因素的动态调节功能，所述环境因素包括外部温度tam、湿度ham和大气压强pam，当检测到外部环境参数变化时，能量管理系统通过调整燃料电池系统的工作温度、空气流量及冷却系统的运行状态，确保氢燃料电池在不同环境条件下能够稳定高效地运行。

技术总结
本发明公开氢燃料电池汽车开关式能量管理策略，包括通过传感器系统实时采集车辆的运行参数，如速度、加速度、瞬时负载功率、氢气储量和电池电量等，并将数据传输至能量管理系统，根据车辆的瞬时负载需求，动态调节氢燃料电池、超级电容和锂电池的能量输出；在低负载工况下，优先使用锂电池提供动力，减少燃料电池的使用频率；在中等负载时，燃料电池与锂电池协同工作；在高负载或加速工况下，燃料电池系统满功率输出，同时超级电容提供瞬时高功率输出，满足高功率需求；通过灵活切换能源模块，提高了燃料电池的使用效率，减少了氢气消耗，延长了燃料电池的寿命，并提升了车辆的动力响应能力和续航能力。

技术研发人员：张博,陈慧鹏,朱绍鹏,梅静,王一枫,王泽
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/21