专利名称：一种燃料电池发动机稳态运行控制方法
技术领域：
—种基于预测控制的燃料电池混合动力系统控制方法，适用于固定公交工况运行
的燃料电池发动机与蓄能设备组成的电力混合驱动动力系统，属于新能源燃料电池混合动 力技术领域。
背景技术：
能源危机和环境污染这两大问题的日益突出，严重影响人类社会的可持续发展， 因此越来越受到各国政府和民间的重视。石油资源在世界能源消费中所占的比例超过 35%，其中相当大部分又消耗在交通运输行业中。传统能源结构及其利用方式愈来愈难以 适应人类生存发展的需要。面对能源危机和环境污染的双重挑战，许多国家都在努力寻找 新的交通能源利用形式。电能被认为是二十一世纪最有前景的车用动力能量来源。
电驱动系统的关键是电池，目前主要有铅酸、镍氢、锂离子等常规蓄电形式，近几 年出现的燃料电池(Fuel cell)通过电化学方法实现氢气和空气中的氧气反应产生电能， 因而具有效率高、能量可储存(通过氢气)、能量密度高、无任何污染等优点，解决了传统车 用动力电池能量密度低、依赖充电装置、存在电池污染等问题，也因此，燃料电池被认为是 未来理想的清洁高效动力电池。 由于燃料电池系统价格昂贵，相比小型乘用车辆，城市公交客车是燃料电池动力 系统最有可能率先实现商业化的平台，也因为其价格昂贵，改善车用燃料电池的耐久性是 降低使用成本并最终实现商业化的关键。如何通过对燃料电池的有效使用与控制，保证燃 料电池工作平稳，动态特性良好，以延长燃料电池寿命，是车用燃料电池发动机控制中的核 心技术之一。
发明内容
本发明的目的在于针对目前燃料电池混合动力城市客车控制存在的问题，提出一 种基于预测控制的新型控制系统与控制策略，以满足燃料电池混合动力控制的需要，并有 效降低燃料电池发动机所承受的复杂瞬变载荷。 城市公交客车工况具有线路固定、频繁起停、长时间怠速，工况可预测等特点，针 对这一特点，可以通过动力蓄电池的辅助，将燃料电池发动机控制在工况相对稳定的状态 下工作，从而避免过于剧烈的变载、频繁的起停和长时间怠速等因素对燃料电池产生的不 利影响，以提高燃料电池发动机的耐久性能。 本发明的特征在于针对由燃料电池系统、DC-DC变换器、动力蓄电池和驱动电机 组成的城市公交客车混合动力系统结构，提出了一种基于预测控制的燃料电池混合动力系 统控制方法，这种方法将燃料电池发动机在准稳态工况方式下运行，以改善其耐久性，又称 为Soft-r皿技术，包括以下几个步骤 (1)根据导航系统提供的信息，例如GPS定位系统，建立基于随机过程描述的预测 模型，对燃料电池发动机的需求功率进行估计。该模型建立在大量先验数据的统计基础上，通过对车辆的运行工况特征的辨识，来估计在固定路线上的功率变化趋势。
(2)通过对下一路段的行车功率进行预测，结合动力蓄电池状态检测，将整车的动
态功率需求分解为由燃料电池提供稳态平均功率，由动力蓄电池提供瞬时辅助功率。 (3)通过DC-DC变换器将燃料电池被动输出能量模式调整为主动预测输出。这里，
由燃料电池发动机和DC-DC变换器构成一个智能主动辅助动力单元IAAPU，主动控制燃料
电池发动机的状态，使其功率输出相对稳定或缓慢变化(变化速率通过设定限值或变化曲
线实现)，从而实现燃料电池发动机的准稳态运行。 所述动力系统构型由燃料电池系统(又称燃料电池发动机)、DC-DC变换器、动力
蓄电池和驱动电机组成(图1)。燃料电池发动机作为动力源，输出功率由DC-DC根据内置
于控制整车控制器中的控制指令进行控制(图2)，被合理地分配到动力蓄电池(充电)和
驱动电机。当整车功率需求较小或动力蓄电池荷电状态(SoC)较低时，燃料电池对动力蓄
电池充电；当整车功率需求较大时，燃料电池和动力蓄电池同时输出，以提供所需功率。整
车管理系统对输出功率进行合理调节，保证动力蓄电池的SoC基本稳定。 所述整车控制器为车辆的主控制单元。由于动力系统各部件之间数据交换量大、
实时性、可靠性要求高，整个系统采用分布式控制，各控制器之间采用CAN总线进行通讯。
整车控制器通过CAN总线实现对整个系统进行能量管理及各部件的协调控制。 所述燃料电池控制器为燃料电池发动机控制系统的执行部件，负责根据整车控制
器的命令，综合判断当前车辆行驶情况，对燃料电池各个部件进行综合的统一控制，以使燃
料电池达到最佳的工作性能，并对燃料电池进行故障诊断，保证燃料电池发动机的安全性。 所述DC-DC变换器是燃料电池混合动力系统中对燃料电池发动机输出功率进行
调节的功率部件，包括但不限于单向、双向，恒流、恒压型等不同型号。 所述动力蓄电池为混合动力系统中的大功率蓄电装置，包括但不限于镍氢电池、 铅酸电池、磷酸铁锂电池等不同类型的动力蓄电池。当燃料电池发动机输出功率大于行车 所需实际功率时，燃料电池发动机向电池中充电；当车辆功率需求突然增大时，蓄电池和燃 料电池发动机共同输出能量，驱动电机转动。 所述的预测模型或GPS定位系统为预测整车功率需求的辅助工具，包括基于过去 行驶信息的预测模型、或基于过去和当前行驶信息的预测模型、以及基于GPS定位系统获 取当前车辆位置坐标及行驶信息，比对电子地图，提前对车辆行驶功率做出预估的各种辅 助工具。 本发明通过整合燃料电池发动机中燃料电池和DC-DC的控制，实现了燃料电池输 出能量的主动控制，并通过预测模型或GPS定位系统，提前对行车功率需求进行预估，在满 足车辆行驶功率需求的同时，做到燃料电池发动机的准稳态运行。与传统控制方法相比，其 主要优点有 (1)降低了燃料电池发动机承受的动态载荷，能有效提高燃料电池发动机的耐久 性。 (2)实现了燃料电池发动机内部各部件与发动机输出能量的协调控制，有效避免 因变载、怠速、起停等造成的电堆缺气、水淹、过载等造成的不利影响。 (3)燃料电池发动机主要担负提供稳态功率，其额定功率可以降低(例如从80kw 降到60kw)，从而可以用小型燃料电池发动机替代原有大功率燃料电池发动机，以大幅度降低系统成本。
图1是燃料电池城市客车混合动力系统结构示意图。
图2是燃料电池与DC-DC联合输出的控制过程。
图3是燃料电池发动机"Soft-run "基本控制方法。
具体实施例方式
下面结合
本发明。 如图l所示为燃料电池公交客车的混合动力系统构型。当将燃料电池发动机和 DC-DC联合到一起，作为一个统一的部件来看待，燃料电池通过与DC-DC的配合来决定自己 的输出功率，这样就实现了燃料电池对自己输出能量的管理。从统一的角度看，燃料电池 和DC-DC形成了一个独立的能量供给单元，该能量供给单元能够根据车辆行驶状况、动力 蓄电池的状况等各种情况主动控制其能量输出，因此在这里被称为智能主动辅助能量单元 (IAAPU)。 如图2所示为燃料电池发动机主动控制其自身能量输出的具体实施方式
。燃料电 池的控制通过整车控制器间接地与DC-DC的控制协调地组合到一起，燃料电池主控ECU发 出的DC-DC控制指令实际上是由整车控制器来进行实施，因此不会破坏整车的TTCAN网络 和整车控制器的控制接口。 如图3所示燃料电池发动机的准稳态控制方法示意图。首先，通过建立在统计数 据基础上的随机过程估计模型，利用车速工况历史数据、司机加速的历史数据、需求功率数 据等行车工况特征数据，对车辆的行车功率进行预测与估计。预测过程中，新测量的数据不 断修正模型中的参数，以保证模型能够根据实际的道路情况进行调整，以较好的符合实际 工况变化。燃料电池的状态估计由燃料电池的单片电压，湿度状态估计，内阻情况以及其他 相应的特征构成。根据燃料电池发动机的不同状态，对发动机的目标功率进行修正。经过 实车试验，为保证燃料电池发动机在一定时间内的稳定性，应该具有合适的离散档位值，档 位值应该根据燃料电池的性能和实际道路情况来进行自适应修正。换挡的优化目标函数是 使燃料电池发动机在一段时间内换挡的概率最低，同时满足车辆行驶的功率变化需求。对 于运行于固定公交路线上的燃料电池客车来说，利用车辆行驶的统计数据将对换挡的策略 及其档位值进行自适应修正。数据基础由燃料电池主控ECU的数据支持系统进行离线与 在线的统计计算与估计。对于当前的换挡功率的预估与道路工况的辨识，不只靠当前测量 值进行，而是通过了一段时间的数据序列，综合考虑统计结果与位置，进行识别与预测。而 GPS辅助系统提供的车辆定位信息使得控制过程中能够综合考虑行驶路线上的停靠站，红 绿灯，立交桥等影响车辆功率出现瞬态变化的重要因素。
权利要求
一种燃料电池发动机稳态运行控制方法，其特征在于，该方法步骤如下(1)根据导航系统提供的信息，建立基于随机过程描述的预测模型，对燃料电池发动机的需求功率进行估计；所述预测模型通过先验数据的统计，对车辆的运行工况特征的进行辨识，估计在固定路线上的功率变化趋势；(2)通过对下一路段的行车功率进行预测，结合动力蓄电池状态检测，将整车的动态功率需求分解为由燃料电池提供稳态平均功率，由动力蓄电池提供瞬时辅助功率；(3)通过DC-DC变换器将燃料电池被动输出能量模式调整为主动预测输出；这里，由燃料电池发动机和DC-DC变换器构成一个智能主动辅助动力单元IAAPU，主动控制燃料电池发动机的状态，使其功率输出相对稳定或缓慢变化，从而实现燃料电池发动机的稳态运行。
2. 根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机稳态运行控制方法，其特征在于，所述 主动控制燃料电池发动机的状态为变化速率，所述变化速率通过设定限值或变化曲线实 现。
全文摘要
一种燃料电池发动机稳态运行控制方法，属于新能源燃料电池混合动力技术领域。该方法根据导航系统提供的信息，建立基于随机过程描述的预测模型，对燃料电池发动机的需求功率进行估计；通过对下一路段的行车功率进行预测，结合动力蓄电池状态检测，将整车的动态功率需求分解为由燃料电池提供稳态平均功率，由动力蓄电池提供瞬时辅助功率；通过DC-DC变换器将燃料电池被动输出能量模式调整为主动预测输出；从而实现燃料电池发动机的稳态运行。变化速率通过设定限值或变化曲线实现。本发明降低了燃料电池发动机承受的动态载荷，有效提高燃料电池发动机的耐久性。实现了燃料电池发动机内部各部件与发动机输出能量的协调控制，大幅度降低系统成本。
文档编号B60W10/28GK101734249SQ201010033850
公开日2010年6月16日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者华剑锋, 卢兰光, 徐梁飞, 李建秋, 杨福源, 欧阳明高 申请人:清华大学