一种燃料电池整车能量分配方法
阅读说明：本技术 一种燃料电池整车能量分配方法 (Fuel cell whole vehicle energy distribution method ) 是由 刘江 于 2021-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种燃料电池整车能量分配方法,该能量分配方法以动力电池、电堆和整车功率需求为输入量,主要参数为SOC、电堆变载能力p、电机或整车功率需求P1及当前电堆输出功率P2,设定电堆输出功率P为满足电堆条件的随动功率,将电堆输出功率P作为闭环系统的输入进行随动控制,从而使得荷电状态变化更为平缓,有效的提高动力电池和燃料电池寿命,提高了综合续航能力。(The invention provides a fuel cell vehicle energy distribution method, which takes power requirements of a power cell, a galvanic pile and a vehicle as input quantities, main parameters are SOC, the variable load capacity P of the galvanic pile, the power requirement P1 of a motor or the vehicle and the current output power P2 of the galvanic pile, sets the output power P of the galvanic pile as follow-up power meeting the conditions of the galvanic pile, and takes the output power P of the galvanic pile as the input of a closed loop system for follow-up control, thereby ensuring that the change of the state of charge is more gradual, effectively prolonging the service life of the power cell and the fuel cell, and improving the comprehensive endurance capacity.)
技术领域
本发明属于新能源车能量控制技术领域，尤其涉及一种整车对燃料电池能量的分配方法。
背景技术
目前，基于氢燃料电池的整车动力系统形式大致分为两种：全功率与复合式。全功率动力形式要求电堆与整车功率需求进行同步输出，复合型则允许电堆长时间以恒定功率点输出，相比前者对电堆输出能力需求较低。其中典型全功率动力系统代表车型是丰田mirai，电堆变载能力达100kW/s以上，而国内因为电堆技术差距，变载能力在几十kW/s内，达不到同步跟随整车功率能力，普遍为复合式动力系统。
显然复合型动力系统定功率输出模式有利于延长电堆的使用寿命，但较为单一的输出模式与复杂整车工况并不匹配，造成动力分配过程中的损失，比如电堆为电池充电工况，而不是直接为车辆提供动力，可以理解为能量的二次分配，实际的效率要小于全功率型动力模式。一方面是因为其他厂家的燃料电池车以开环方式设定给定的需求功率，另外一方面是给定的功率相对固定从而导致能量分配不合理。
因此，针对燃料电池汽车能量分配方式单一及效率低的问题，急需提出一种能量分配解决方案，实际结合国内电堆变载能力，提高能量分配过程中能量效率，提升整车经济性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种燃料电池整车能量分配方法，该能量分配方法能提高燃料电池输出模式与整车工况的同步匹配情况，此外还能提高能量分配过程中的实际效率，并有效提高整车经济性和续航能力。
(二)技术方案
本发明还公开了一种燃料电池整车能量分配方法，所述方法包括：
步骤S1：采集动力电池荷电状态的电压值SOC、电堆变载能力p、电机或整车功率需求P1及当前电堆输出功率P2；
步骤S2：判断SOC是否大于预设的电压上限值U2，若是，则最终设置电堆输出功率P＝0；若否，则执行下一步；
步骤S3：判断|P2-P1|是否大于等于p，若是，则最终设置电堆输出功率P＝P2，；若否，则设置电堆输出功率P＝(P1+P2)/2。
步骤S4：将得到的电堆输出功率P作为闭环随动系统的输入给定值，以合理分配系统能量。
优选的，步骤S4中的闭环随动系统运行一段固定的时间后再重新开始执行所述步骤S1。
优选的，步骤S3中还包括，在设置电堆输出功率P＝(P1+P2)/2以后，判断此时P是否大于0，若是则最终设置P＝P；若否则最终设置P＝-P。
优选的，所述燃料电池整车能量分配方法应用于燃料电池的复合型动力系统。
优选的，所述燃料电池整车能量分配方法在整车控制器VCU或者是燃料电池控制单元FCU中运行。
在另外一方面，本发明还公开了一种燃料电池整车能量分配系统，包括：
至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的燃料电池整车能量分配方法。
在另外一方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的燃料电池整车能量分配方法。
(三)有益效果
1)本发明的能量分配方法以动力电池、电堆和整车功率需求为输入量，主要参数为SOC、电堆变载能力p、电机或整车功率需求P1及当前电堆输出功率P2，设定电堆输出功率P为满足电堆条件的随动功率，将电堆输出功率P作为闭环系统的输入进行随动控制，从而使得荷电状态变化更为平缓，有效的提高了电池寿命和续航能力。
2)本发明的能量分配方法考虑了电堆变载能力以及电池能量，兼顾电堆上一时刻的电堆输出功输出P2及当前整车需求P1，合理分配系统能量并进行耦合，整体计算量不大，无需进行任何硬件改进，成本低。
3)本发明的能量分配方法特别适用于复合式的动力系统，其能够根据电堆变载能力p的大小自适应的增减计算P1和P2平均值的次数，从而有效的对不同的动力系统取计算不同数量的功率平均值P，还考虑了能量回收时的情况(即P＝-P)，最终能通过闭环的随动控制系统来更合理的分配和控制能量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1是现有技术中现有能量管理策略的开环控制方法的流程图；
图2是本发明的燃料电池整车能量分配方法的流程图；
图3是现有技术中的开环控制方法的实际运行数据波形图；图3中的横坐标单位为时间s，纵坐标对应不同的变量range、P和SOC表示不同的单位，里程RANGE的纵坐标单位为km，P的纵坐标单位为KW，SOC的纵坐标单位为百分比％。
图4是本发明的能量分配方法的实际运行数据波形图，图4中的横坐标单位为时间s，纵坐标对应不同的变量Range、P和SOC表示不同的单位，里程Range的纵坐标单位为km，P的纵坐标单位为KW，SOC的纵坐标单位为百分比％。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，现有技术中的燃料电池车多以开环方式设定给定的需求功率，以动力电池的状态SOC为输入量，主要参数为电池荷电状态SOC及电芯温度T，从而设定固定的电堆输出功率P为三个档位，以进行电堆输出功率P的开环控制，所述电堆输出功率P的三个档位分别是P1/P2/P3，功率设定值P1＜P2＜P3，P1/P2/P3依次表示为低档、中档、高档的开环给定功率，电压上下限设定值U1＜U2，U1/U2分别为电池电压下限值和上限值，电芯温度上下限设定值T1＜T2，T1/T2分别为电芯温度的下限值和上限值。
图1所示的现有技术的开环控制方法以SOC电压和电芯温度作为判断条件来确定输出功率的档位，以直接分配能量，但是发明人根据多次的实际观察和运行经验可知，对于较复杂的复合型动力系统来说，其燃料电池输出模式与整车工况不能同步匹配，且能量强行分配过程中实际效率不高，导致整车经济性低，基于固定给定值的开环控制还会影响动力电池状态的寿命。
对此，本发明新提出了一种燃料电池整车能量分配方法，该方法以电堆输出功率P作为闭环随动控制系统的输入给定值，以动力电池、电堆和整车功率需求为输入量，主要参数为SOC、电堆变载能力p(即电堆峰值功率，例如背景技术中的全功率动力丰田mirai的电堆变载能力p则为100KW/s以上，国产的一般为几十kW/s)、电机或整车功率需求P1及当前电堆输出功率P2，根据以上的变量设定电堆输出功率P为满足电堆条件的随动功率。
如图2所示，该燃料电池整车能量分配方法具体包括以下步骤：
步骤S1：采集动力电池荷电状态的电压值SOC、电堆变载能力p、电机或整车功率需求P1及当前电堆输出功率P2；
步骤S2：判断SOC是否大于预设的电压上限值U2，若是，则最终设置电堆输出功率P＝0；若否，则执行下一步；
步骤S3：判断|P2-P1|是否大于等于p，若是，则最终设置电堆输出功率P＝P2，；若否，则设置电堆输出功率P＝(P1+P2)/2。
步骤S4：将得到的电堆输出功率P作为闭环随动系统的输入给定值，以合理分配系统能量。
进一步的，步骤S4中，每相一段固定的时间运行以上步骤S1-S4，即在电堆输出功率P确定后至少需要该给定值在闭环随动系统中工作一段固定的时间，以逐渐获得对应的功率控制效果，之后再对P进行实时更新。且由于P的取值是根据时间变化的(主要是基于P1和P2取平均值的变化)，因此闭环系统需要是随动系统，在控制系统中若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的并且系统的输出量随输入量的变化而变化这种系统就称为随动系统。
进一步的，为了对制动等过程中的能量进行回收分配，步骤S3中还包括，在设置电堆输出功率P＝(P1+P2)/2以后，判断此时P是否大于0，若是则最终设置P＝P(即保持不变)；若否则最终设置P＝-P。
由此可知，上述算法考虑了电堆变载能力以及电池能量，兼顾电堆上一时刻输出P2及当前整车需求P1，合理分配系统能量进行耦合。
为了更加直观体现本发明方法的经济性，本发明中利用simulink工具构建模型进行仿真验证，模型中电堆及电池参数均为产品实际运行数据，运行工况为NEDC循环(新标欧洲循环测试)，结果如下：
算法1(对应图1的方法)：起始状态，电池SOC＝20％，mH2＝6kg，截至状态SOC＝10％，mH2＝0.9kg，运行总时间T＝6.75h，总里程272km；
算法2(对应本发明的方法)：起始状态，电池SOC＝20％，mH2＝6kg，截至状态SOC＝10％，mH2＝0.9kg，运行总时间T＝7.45h，总里程301km。
对比图3和图4的运行数据可知，本发明方法能将运行时间和里程直接提高了10％以上，最大程度的利用零部件特性和变量更合理的进行了能量分配，进一步减小能耗，且荷电状态的变化更加平缓，提高了电池的寿命和车辆续航能力。
上述本发明的燃料电池整车能量分配方法可以作为软件程序或者计算机指令在非暂态计算机可读存储介质中执行或者在带有存储器和处理器的控制系统中执行，该控制系统可以优选是整车控制器VCU或者是燃料电池控制单元FCU，且其计算程序简单且运行快速。在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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