[发明专利]一种燃料电池发动机的能量控制方法

摘要

本发明属于燃料电池发动机技术领域，公开了一种燃料电池发动机的能量控制方法，针对现有技术所存在缺陷，提供一种随商用车功率需求变化的燃料电池发动机能量控制方法。根据燃料电池发动机工作原理，动力电池电池荷电状态SOC值、车辆功率需求和车辆载荷，自动调节燃料电池发动机发电功率，满足车辆动力性需要和保持动力电池荷电状态SOC值在合理范围内，使燃料电池发动机在较高效率区运行，避免燃料电池发动机频繁变换工况，提高燃料电池发动机的寿命。

主权项

1.一种燃料电池发动机的能量控制方法，具体如下：由动力电池和燃料电池发动机共同为车辆供电，车辆在行驶过程中能量平衡方程如下：P_vehicle＝P_attachment+P_motor＝P_cell+P_fc其中，P_vehicle为车辆需求功率，P_attachment为附属电器消耗的功率，P_motor为给车辆驱动行驶时，电机消耗的功率，P_cell为动力电池发出的功率；P_fc为燃料电池发动机的功率；根据燃料电池发动机工作性能曲线，将燃料电池发动机功率区间分为F、A、B、C、D和E六个区间，燃料电池发动机最高效率点时功率为Peffmax，设功率Peff为0.9×Peffmax，功率区间F为燃料电池发动机功率为0到功率为Peff之间的区域，将燃料电池发动机额定功率点功率为Pmax，A区间为燃料电池发动机功率为Peff到Peff+0.2×(Pmax‑Peff)之间的区域，B区间为燃料电池发动机功率为Peff+0.2×(Pmax‑Peff)到Peff+0.4×(Pmax‑Peff)之间的区域，C区间为燃料电池发动机功率为Peff+0.4×(Pmax‑Peff)到Peff+0.6×(Pmax‑Peff)之间的区域，D区间为燃料电池发动机功率为Peff+0.6×(Pmax‑Peff)到Peff+0.8×(Pmax‑Peff)之间的区域，E区间为燃料电池发动机功率为Peff+0.8×(Pmax‑Peff)到Pmax之间的区域。在F区间内效率随功率变化较大，不利于控制，燃料电池发动机不使用F区间功率，车辆行驶过程中燃料电池发动机不工作或者工作在A、B、C、D和E五个区间内，在A、B、C、D和E五个区间内每个区间设置分别三个工况点，a1工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.15×(Pmax‑Peff)/4的工况点，a2工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.15×(Pmax‑Peff)/2的工况点，a3工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.15×(Pmax‑Peff)×3/4的工况点，b1工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.15×(Pmax‑Peff)+0.2×(Pmax‑Peff)/4的工况点，b2工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.15×(Pmax‑Peff)+0.2×(Pmax‑Peff)/2的工况点，b3工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.15×(Pmax‑Peff)+0.2×(Pmax‑Peff)×3/4的工况点，c1工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.35×(Pmax‑Peff)+0.2×(Pmax‑Peff)/4的工况点，c2工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.35×(Pmax‑Peff)+0.2×(Pmax‑Peff)/2的工况点，c3工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.35×(Pmax‑Peff)+0.2×(Pmax‑Peff)×3/4的工况点，d1工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.55×(Pmax‑Peff)+0.2×(Pmax‑Peff)/4的工况点，d2工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.55×(Pmax‑Peff)+0.2×(Pmax‑Peff)/2的工况点，d3工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.55×(Pmax‑Peff)+0.2×(Pmax‑Peff)×3/4的工况点，e1工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.75×(Pmax‑Peff)+0.25×(Pmax‑Peff)/4的工况点，e2工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.75×(Pmax‑Peff)+0.25×(Pmax‑Peff)/2的工况点，e3工况点对应燃料电池发动机功率为Peff+0.75×(Pmax‑Peff)+0.25×(Pmax‑Peff)×3/4的工况点。商用车在相同车速下运行，载货越多，载荷越大的功率消耗速度越大，为避免动力电池SOC下降过快，保证电池SOC值在正常范围内，按照轻载、中载、重载分别设置不同的控制策略，燃料电池发动机功率在A到E区间工作时随功率增加效率降低，在A区间效率最高，在E区间效率最低，控制策略中考虑优先选择靠近A区间的工况点。通过载荷检测装置对商用车的载荷进行判断，分为轻载、中载和重载，载荷检测装置检测到载荷为车辆最大载荷的0‑20％之间时，判断为轻载；载荷检测装置检测到载荷为车辆最大载荷的20％‑60％之间时，判断为中载；载荷检测装置检测到载荷为车辆最大载荷的60％‑100％之间时，判断为重载；燃料电池发动机输出的额定功率为Pmax，将功率0到Pmax之间的区域分为9个区间，设定功率点P1的值为0.11×Pmax；设定功率点P2的值为0.22×Pmax；设定功率点P3的值为0.33×Pmax；设定功率点P4的值为0.44×Pmax；设定功率点P5的值为0.55×Pmax；设定功率点P6的值为0.66×Pmax；设定功率点P7的值为0.77×Pmax；设定功率点P8的值为0.88×Pmax；在0到Pmax之间从低到高依次设定P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8八个功率点，功率在0到P1点之间为区域P_region1、功率在P2到P3点之间为区域P_region2、功率在P3到P4点之间为区域P_region3、功率在P4到P5点之间为区域P_region4、功率在P4到P5点之间为区域P_region5、功率在P5到P6点之间为区域P_region6、功率在P6到P7点之间为区域P_region7、功率在P7到P8点之间为区域P_region8、功率在P8到Pmax点之间为区域P_region9。将动力电池荷电状态SOC值按照0到100％分为七个阶段：动力电池荷电状态SOC值在100％到80％之间时，设为Soc_s0阶段；动力电池荷电状态SOC值在80％到70％之间时，设为Soc_s1阶段；动力电池荷电状态SOC值在70％到60％之间时，设为Soc_s2阶段；动力电池荷电状态SOC值在60％到50％之间时，设为Soc_s3阶段；动力电池荷电状态SOC值在50％到40％之间时，设为Soc_s4阶段；动力电池荷电状态SOC值在40％到30％之间时，设为Soc_s5阶段；动力电池荷电状态SOC值在30％到0％之间时，设为Soc_min阶段。车辆对燃料电池发动机功率需求根据车辆在一段时间内的平均消耗功率统计计算获得，车辆的消耗功率由功率检测装置获取，车辆对燃料电池发动机需求功率Pave计算公式如下：Pave＝[Pave1×(t0‑t1)+Pave2×(t1‑t2)+Pave3×(t2‑t3)]/(t0‑t3)其中，车辆行驶中，t0为当前时间点，t1为t0之前时间点，t2为t1之前时间点，t3为t2之前时间点，Pave1为t0至t1之间的平均功率，Pave2为t1至t2之间的平均功率，Pave3为t2至t3之间的平均功率。在车辆行驶过程中t0‑t1、t1‑t2、t2‑t3差值设定为固定值，t0‑t1设定为1min，t1‑t2设定为5min，t2‑t3为10min。车辆行驶过程中，燃料电池发动机可处于不工作状态，或者A、B、C、D、E五个功率区间中的15个工作状态点中的一个。当载荷检测装置检测到车辆处于轻载时，通过检测动力电池的荷电状态SOC值和车辆对燃料电池发动机需求功率Pave值，查找表1和表2，判断燃料电池发动机工作状态(不工作状态或者工作状态)和工作状态点。燃料电池发动机当前状态处于不工作状态时，根据表1，由SOC值和Pave值判断燃料电池发动机下一个状态或者功率区间，若燃料电池发动机仍需处于不工作状态时，燃料电池发动机继续停机，若燃料电池发动机下一个状态于A、B、C、D、E五个功率区间时，根据表1选择燃料电池发动机需要处于的功率区间，根据表5选择对应功率区间中的工作状态点。若燃料电池发动机当前状态处于A、B、C、D、E功率区间中某一工况点时，根据表1，由SOC值和Pave值判断燃料电池发动机下一个功率区间，若燃料电池发动机功率区间不变，燃料电池发动机工作工作状态点不变，若燃料电池发动机功率区间需要发生改变，根据表2选择对应功率区间中的工作状态点。表1表2表1和表2中‑表示燃料电池发动机不工作。当载荷检测装置检测到车辆处于中载时，通过检测动力电池的荷电状态SOC值和车辆对燃料电池发动机需求功率Pave值，查找表3和表4确定燃料电池发动机工作状态(不工作或者工作)和工作工作状态点。燃料电池发动机当前状态处于不工作状态时，根据表3，由SOC值和Pave值判断燃料电池发动机下一个状态或者功率区间，若燃料电池发动机仍需处于不工作状态时，燃料电池发动机继续停机，若燃料电池发动机下一个状态于A、B、C、D、E五个功率区间时，根据表3选择燃料电池发动机需要处于的功率区间，根据表4选择对应功率区间中的工作状态点。若燃料电池发动机当前状态处于A、B、C、D、E功率区间中某一工作状态点时，根据表3，由SOC值和Pave值判断燃料电池发动机下一个功率区间，若燃料电池发动机功率区间不变，燃料电池发动机工作状态点不变，若燃料电池发动机功率区间需要发生改变，根据表4选择对应功率区间中的工作状态点。表3表4表3和表4中‑表示燃料电池发动机不工作。当载荷检测装置检测到车辆处于重载时，通过检测动力电池的荷电状态SOC值和车辆对燃料电池发动机需求功率Pave值，查找表5和表6确定燃料电池发动机工作状态(不工作或者工作)和工作状态点；燃料电池发动机当前状态处于不工作状态时，根据表5，由SOC值和Pave值判断燃料电池发动机下一个状态或者功率区间，若燃料电池发动机仍需处于不工作状态时，燃料电池发动机继续停机，若燃料电池发动机下一个状态于A、B、C、D、E五个功率区间时，根据表5选择燃料电池发动机需要处于的功率区间，根据表6选择对应功率区间中的工作状态点。燃料电池发动机当前状态处于A、B、C、D、E功率区间中某一工工作状态时，根据表5，由SOC值和Pave值判断燃料电池发动机下一个功率区间，若燃料电池发动机功率区间不变，燃料电池发动机工作工作状态点不变，若燃料电池发动机功率区间需要发生改变，根据表6选择对应功率区间中的工作状态点。表5表6表5和表6中‑表示燃料电池发动机不工作。