小功率燃料电池汽车及其控制系统和控制方法与流程

本发明涉及电动汽车动力装置
技术领域：
，具体涉及一种小功率燃料电池汽车及其控制系统和控制方法
背景技术：
：随着能源危机和环境恶化的进一步加剧，节能和环保已经成为目前汽车发展的主题。其中，燃料电池汽车由于具有零排放、效率高、续驶里程长等多种优点，因此被认为是未来汽车的主要发展方向之一。车辆的运行控制是一项非常复杂的过程，其频繁的启动、加速和爬坡，对车辆中动力系统功率源的功率等级要求较高，同时对功率源的功率变化响应时间要求也较高。对于以燃料电池为主要驱动功率源的车辆，燃料电池的输出同样需要随着车载工况等进行变化，而燃料电池在此种动态工况下工作时，其耐久性及寿命欠佳，并且燃料电池的动态响应比较慢，在启动、急加速或爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行驶要求。同时，对于以燃料电池为主要功率源的汽车，其采用的燃料电池的成本也势必较高。燃料电池汽车通常具有两个动力源，因此，动力系统的能量管理和控制是燃料电池汽车的核心技术之一。能量管理和控制的主要作用是根据燃料电池和动力电池的参数特点，实时控制能量输出，优化能量分配，同时减少燃料电池系统的动态负荷，保护燃料电池构成的动力系统；并且，通过优化燃料电池的工作区域，使动力系统的运行效率最优。目前，常用的燃料电池构成的电力系统的控制策略可分为定点输出式和功率跟随式，且两者各有特点。其中，定点输出式控制，即选择燃料电池在高效区高等级功率范围内以定点稳定工作，以此避免燃料电池的功率在大范围内快速波动，有利于燃料电池寿命的提升。但定点输出式控制同样存在其缺点，该缺点是：需要搭配大功率动力电池，这就极大的增加了车辆的整车成本。功率跟随式控制，即燃料电池的输出功率跟随车辆需求功率的变化而变化，而动力电池的输出功率针对动力系统的输出功率起到削峰填谷的作用，以在车辆加速和爬坡时提供辅助功率，同时能够通过动力电池回收制动能量，其能量分配的原则是根据动力电池和燃料电池各自局部的最优功率分配，然后进行整个动力系统的最优功率调节，使动力电池和燃料电池两者相互折中，以达到能量的最优分配。然而，功率跟随式控制策略同样存在缺点，具体为：功率跟随式控制策略中，其没有考虑到动力系统参数的匹配特点和特定的行驶工况，因此，不能够充分、有效的发挥动力电池和燃料电池的作用，不利于车辆整车动力系统运行效率的提高，并且，在车辆整车需求功率变化较大工况下，功率跟随式控制策略往往会对燃料电池构成的动力系统造成损害。因此，如何设计一种能够更加有效的对燃料电池与动力电池进行高效控制，确保车辆动力系统高效工作，同时还能够有效控制车辆动力系统成本的燃料电池动力系统及其控制方法就成为了亟待解决的事情。技术实现要素：针对上述技术问题，本发明提供一种能够优化整车能量分配，使得燃料电池系统工作点稳定，功率输出波动小，延长燃料电池系统的使用寿命的小功率燃料电池汽车及其控制系统和控制方法。本发明采用的技术方案为：本发明实施例提供一种小功率燃料电池汽车的控制系统，包括：小功率燃料电池发动机、dc/dc转换器、燃料电池管理器、动力电池、动力电池管理器、模式选择开关、逆变器和整车控制器，所述燃料电池管理器控制所述小功率燃料电池发动机和dc/dc转换器，并与所述小功率燃料电池发动机和dc/dc转换器构成燃料电池系统；所述逆变器，分别与所述燃料电池管理器、所述动力电池管理器和所述电机控制器连接；所述整车控制器分别与所述逆变器和模式选择开关连接，用于整车控制；其中，汽车在驱动过程中，所述燃料电池系统在所述动力电池的荷电值小于最大门限值的过程中持续参与整车驱动，提供稳定功率输出，所述燃料电池系统的输出功率分为经济等级功率、高等级功率、额定功率和峰值功率；以及所述整车控制器根据所述模式选择开关的状态和所述动力电池的荷电值确定所述小功率燃料电池发动机以经济等级功率、高等级功率、额定功率和峰值功率中的哪一种功率进行工作，并根据所述小功率燃料电池发动机的工作模式控制所述燃料电池管理器，其中，在所述动力电池的荷电值处于预设范围内时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机输出持续稳定的功率，以及控制所述动力电池提供瞬时功率。可选地，在所述模式选择开关的状态为常规模式时，其中，当所述动力电池的荷电值大于最高门限值时，所述整车控制器控制所述小功率燃料电池汽车进入纯电动模式，所述燃料电池系统处于停机状态或者怠机状态，所述动力电池提供整车所需功率；当所述动力电池的荷电值小于最低门限值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机以额定功率点为所述动力电池充电，直至所述动力电池的荷电值大于所述最低门限值；当所述动力电池的荷电值大于预设阈值且小于最高门限值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机以经济等级功率点输出持续稳定的功率，控制所述动力电池提供整车瞬时功率；当所述动力电池的荷电值大于最低门限值且小于预设阈值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器基于驾驶员的功率需求来调整所述小功率燃料电池发动机的输出功率，其中，当驾驶员功率需求小于所述经济等级功率时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机输出经济等级效率，当驾驶员功率需求大于所述高等级功率时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机输出高等级效率，当驾驶员功率需求处于高效区功率范围内时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器以跟随模式运行。可选地，在所述模式选择开关的状态为长途模式时，其中，当所述动力电池的荷电值大于最高门限值时，所述整车控制器控制所述小功率燃料电池汽车进入纯电动模式，所述燃料电池系统处于停机状态或者怠机状态，所述动力电池提供整车所需功率；当所述动力电池的荷电值小于预设阈值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机以峰值功率点为所述动力电池充电，直至所述动力电池的荷电值大于所述预设阈值；当所述动力电池的荷电值大于预设阈值且小于最高门限值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机以额定功率点输出持续稳定的功率，控制所述动力电池提供整车瞬时功率。可选地，所述最高门限值为所述动力电池满荷电量的80％，所述最低门限值为所述动力电池满荷电量的30％，所述预设阈值为所述动力电池满荷电量的40％。本发明另一实施例提供一种小功率燃料电池汽车，包括前述的小功率燃料电池汽车的控制系统。本发明另一实施例还提供一种小功率燃料电池汽车的控制方法，包括以下步骤：获取模式选择开关的状态和动力电池的荷电值；根据获取的模式选择开关的状态和动力电池的荷电值确定小功率燃料电池发动机以经济等级功率、高等级功率、额定功率和峰值功率中的哪一种功率进行工作，并根据所述小功率燃料电池发动机的工作模式控制燃料电池管理器，其中，在所述动力电池的荷电值处于预设范围内时，控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机输出持续稳定的功率，以及控制所述动力电池提供瞬时功率。可选地，在所述模式选择开关的状态为常规模式时，其中，当所述动力电池的荷电值大于最高门限值时，所述整车控制器控制所述小功率燃料电池汽车进入纯电动模式，所述燃料电池系统处于停机状态或者怠机状态，所述动力电池提供整车所需功率；当所述动力电池的荷电值小于最低门限值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机以额定功率点为所述动力电池充电，直至所述动力电池的荷电值大于所述最低门限值；当所述动力电池的荷电值大于预设阈值且小于最高门限值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机以经济等级功率点输出持续稳定的功率，控制所述动力电池提供整车瞬时功率；当所述动力电池的荷电值大于最低门限值且小于预设阈值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器基于驾驶员的功率需求来调整所述小功率燃料电池发动机的输出功率，其中，当驾驶员功率需求小于所述经济等级功率时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机输出经济等级效率，当驾驶员功率需求大于所述经济等级功率时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机输出高等级效率，当驾驶员功率需求处于高效区功率范围内时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器以跟随模式运行。可选地，在所述模式选择开关的状态为长途模式时，其中，当所述动力电池的荷电值大于最高门限值时，所述整车控制器控制所述小功率燃料电池汽车进入纯电动模式，所述燃料电池系统处于停机状态或者怠机状态，所述动力电池提供整车所需功率；当所述动力电池的荷电值小于预设阈值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机以峰值功率点为所述动力电池充电，直至所述动力电池的荷电值大于所述预设阈值；当所述动力电池的荷电值大于预设阈值且小于最高门限值时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机以额定功率点输出持续稳定的功率，控制所述动力电池提供整车瞬时功率。可选地，所述最高门限值为所述动力电池满荷电量的80％，所述最低门限值为所述动力电池满荷电量的30％，所述预设阈值为所述动力电池满荷电量的40％。本发明提供的小功率燃料电池汽车及其控制系统和控制方法通过采用小功率燃料电池发动机动力系统，降低了对燃料电池的功率要求，并有效的降低车辆的整车制造成本。此外，燃料电池动力系统采用不停机策略，使得动力系统的工作点稳定，功率输出动态波动小，有效的延长燃料电池动力系统的使用寿命；同时，通过采用小功率燃料电池发动机动力系统，能够有效的降低动力系统的集成难度，并减小动力系统的体积，利于动力系统的集成开发和车辆的整车布置。附图说明图1为本发明实施例的小功率燃料电池汽车的控制系统的结构示意图。图2为本发明实施例的小功率燃料电池汽车的控制系统的燃料电池系统的输出功率等级示意图。图3为本发明实施例的小功率燃料电池汽车的控制方法的流程示意图。具体实施方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。图1为本发明的小功率燃料电池汽车的控制系统的结构示意图。如图1所示，本发明一方面提供一种小功率燃料电池发动机汽车的控制系统，包括：小功率燃料电池发动机1、dc/dc转换器2、燃料电池管理器3、动力电池4、动力电池管理器5、电机6、电机控制器7、模式选择开关8、逆变器9和整车控制器10。其中，燃料电池管理器3控制小功率燃料电池发动机1和dc/dc转换器2(例如高压dc/dc转换器)，并与小功率燃料电池发动机和dc/dc转换器构成燃料电池系统。动力电池管理器5控制动力电池4。逆变器9分别与燃料电池管理器3、动力电池管理器5和电机控制器7连接，用于将燃料电池发动机1和动力电池4产生的电压转换为交流电压供电机6使用。整车控制器10分别与逆变器9和模式选择开关8连接，用于整车控制。其中，汽车在驱动过程中，燃料电池系统在动力电池的荷电值小于最大门限值的过程中持续参与整车驱动，提供稳定功率输出，燃料电池系统的输出功率分为经济等级功率、高等级功率、额定功率和峰值功率(如图2所示)；整车控制器10根据模式选择开关8的状态和动力电池4的荷电值确定小功率燃料电池发动机1以经济等级功率、高等级功率、额定功率和峰值功率中的哪一种功率进行工作，并根据小功率燃料电池发动机1的工作模式控制燃料电池管理器3，其中，在动力电池4的荷电值处于预设范围内时，整车控制器10控制燃料电池管理器3启动小功率燃料电池发动机1输出持续稳定的功率，以及控制动力电池4提供瞬时功率。驾驶员可通过模式选择开关8来输入模式指令以设置预期控制模式。在本发明的一个实施例中，驾驶员输入的模式指令可以为常规模式和长途模式。驾驶员可通过手动控制模式选择开关8来切换常规模式和长途模式。具体地，在本发明的一个实施例中，在小功率燃料电池汽车的控制系统启动时，整车控制器10首先进行初始化，并采集动力电池4的荷电值、车速、小功率燃料电池发动机和电机的状态等整车参数和等待驾驶员输入模式指令，其中，当检测到驾驶员输入进入常规模式或者长途模式的指令时，则根据采集的动力电池4的荷电值进行相应的控制，其中，在所述动力电池的荷电值处于预设范围内时，控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机输出持续稳定的功率，以及控制所述动力电池提供瞬时功率。需要说明的是，在本发明中，燃料电池系统为小功率级别燃料电池系统，功率需求可为20～30kw。燃料电池系统与燃料供应设备如氢瓶连接，以提供稳定功率输出。燃料电池系统的额定功率根据整车运行高速工况需求匹配，在高速工况下，燃料电池系统以额定功率工作，燃料电池系统若能保证电池充电量和放电量相等，保证电量平衡，则燃料电池系统功率满足匹配要求。此外，在本发明中，动力电池4作为主功率源，提供动态功率输出，并回收制动能量，延长续航里程。动力电池4的最大功率根据整车加速性匹配，即动力电池4的功率满足整车加速性，为车辆提供动态功率需求。动力电池4可选择能量型电池或者能量兼功率型电池，例如，动力电池4的峰值功率可以为80～100kw。本发明的小功率燃料电池发动机汽车的控制系统可实现7种工作模式，不同工作模式下的燃料电池系统、电机和动力电池的状态可如下表1所示：序号工作模式燃料电池系统动力电池电机1停车停机停机停机2停车发电发电充电停机3燃料电池系统单独供电发电停机驱动4纯电动模式怠机放电驱动5联合供电发电放电驱动6行车发电发电充电驱动7再生制动停机/发电充电发电进一步地，在本发明的一个实施例中，在模式选择开关8的状态为常规模式、且动力电池4的荷电值大于最高门限值时，整车控制器10控制小功率燃料电池汽车进入纯电动模式，燃料电池系统处于停机状态或者怠机状态，动力电池4提供整车所需功率，在怠机状态下，燃料电池不对外输出功率，仅仅维持自身运转；在模式选择开关8的状态为常规模式、且动力电池4的荷电值小于最低门限值时，整车控制器10控制燃料电池管理器3启动小功率燃料电池发动机1以额定功率点为动力电池充电，直至动力电池4的荷电值大于最低门限值；在模式选择开关8的状态为常规模式、且动力电池4的荷电值大于预设阈值且小于最高门限值时，整车控制器10控制燃料电池管理器3启动小功率燃料电池发动机1以经济等级功率点输出持续稳定的功率，控制动力电池4提供整车瞬时功率；在模式选择开关8的状态为常规模式、且动力电池4的荷电值大于最低门限值且小于预设阈值时，整车控制器10控制燃料电池管理器3基于驾驶员的功率需求来调整小功率燃料电池发动机1的输出功率，其中，当驾驶员功率需求小于经济等级功率时，整车控制器10控制燃料电池管理器3启动小功率燃料电池发动机1输出经济等级效率，当驾驶员功率需求大于经济等级功率时，整车控制器10控制燃料电池管理器3启动小功率燃料电池发动机1输出高等级效率，当驾驶员功率需求处于高效区功率范围内时，整车控制器控制燃料电池管理器以跟随模式运行，即使得燃料电池的功率等于整车功率需求。因汽车工况复杂，驾驶员功率需求变化大，整车设置功率波动滞环阈值，例如，按照需求功率的±3％进行设置，以防止燃料电池系统输出功率频繁波动，影响燃料电池系统寿命。进一步地，在本发明的另一个实施例中，在模式选择开关8的状态为长途模式、且动力电池4的荷电值大于最高门限值时，整车控制器10控制小功率燃料电池汽车进入纯电动模式，燃料电池系统处于停机状态或者怠机状态，动力电池提供整车所需功率；在模式选择开关8的状态为长途模式、且动力电池4的荷电值小于预设阈值时，整车控制器10控制燃料电池管理器3启动小功率燃料电池发动机1以峰值功率点为动力电池充电，直至动力电池4的荷电值大于预设阈值；在模式选择开关8的状态为长途模式、且动力电池4的荷电值大于预设阈值且小于最高门限值时，整车控制器10控制燃料电池管理器3启动小功率燃料电池发动机1以额定功率点输出持续稳定的功率，控制动力电池4提供整车瞬时功率。在本发明的一个实施例中，最高门限值可为动力电池满荷电量的80％，最低门限值可为动力电池满荷电量的30％，预设阈值可为动力电池满荷电量的40％。综上所述可知，本发明提供的小功率燃料电池汽车的控制系统，燃料电池系统在整车驱动过程中，采用不停机策略，且在驱动过程中，输出功率基本上只在4个功率点工作，功率输出动态波动小，从而延长了燃料电池系统的使用寿命。并且燃料电池系统采用小功率燃料电池系统，降低了对燃料电池系统的功率要求，有效地降低了整车成本，同时降低了小功率燃料电池系统集成难度，减少了系统体积，有利于系统集成开发和整车布置。本发明的另一方面还提供一种小功率燃料电池汽车，该燃料电池汽车包括上述的小功率燃料电池汽车的控制系统。本发明实施例提供的小功率燃料电池汽车，通过小功率燃料电池汽车的控制系统优化了整车能量分配，提供了燃料电池系统和动力电池的效率，同时保护了燃料电池系统，可在ev车型上实现快速搭载开发。本发明的再一方面提供一种小功率燃料电池汽车的控制方法，该小功率燃料电池汽车的控制方法可以应用于上述的小功率燃料电池汽车的控制系统，如图3所示，该小功率燃料电池汽车的控制方法可以包括以下步骤：s100：获取模式选择开关的状态和动力电池的荷电值。驾驶员可通过模式选择开关8来输入模式指令以设置预期控制模式。在本发明的一个实施例中，驾驶员输入的模式指令可以为常规模式和长途模式。驾驶员可通过手动控制模式选择开关8来切换常规模式和长途模式。s200：根据获取的模式选择开关的状态和动力电池的荷电值确定小功率燃料电池发动机以经济等级功率、高等级功率、额定功率和峰值功率中的哪一种功率进行工作，并根据所述小功率燃料电池发动机的工作模式控制燃料电池管理器，其中，在所述动力电池的荷电值处于预设范围内时，控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机输出持续稳定的功率，以及控制所述动力电池提供瞬时功率。具体地，在本发明的一个实施例中，在小功率燃料电池汽车的控制系统启动时，整车控制器首先进行初始化，并采集动力电池的荷电值、车速、小功率燃料电池发动机和电机的状态等整车参数和等待驾驶员输入模式指令，其中，当检测到驾驶员输入进入常规模式或者长途模式的指令时，则根据采集的动力电池的荷电值进行相应的控制，其中，在所述动力电池的荷电值处于预设范围内时，控制所述燃料电池管理器启动所述小功率燃料电池发动机输出持续稳定的功率，以及控制所述动力电池提供瞬时功率。进一步地，在本发明的一个实施例中，在模式选择开关的状态为常规模式、且动力电池的荷电值大于最高门限值时，整车控制器控制小功率燃料电池汽车进入纯电动模式，燃料电池系统处于停机状态或者怠机状态，动力电池提供整车所需功率；在模式选择开关的状态为常规模式、且动力电池的荷电值小于最低门限值时，整车控制器控制燃料电池管理器启动小功率燃料电池发动机以额定功率点为动力电池充电，直至动力电池的荷电值大于最低门限值；在模式选择开关的状态为常规模式、且动力电池的荷电值大于预设阈值且小于最高门限值时，整车控制器控制燃料电池管理器启动小功率燃料电池发动机以经济等级功率点输出持续稳定的功率，控制动力电池提供整车瞬时功率；在模式选择开关的状态为常规模式、且动力电池的荷电值大于最低门限值且小于预设阈值时，整车控制器控制燃料电池管理器基于驾驶员的功率需求来调整小功率燃料电池发动机的输出功率，其中，当驾驶员功率需求小于经济等级功率时，整车控制器控制燃料电池管理器启动小功率燃料电池发动机输出经济等级效率，当驾驶员功率需求大于高等级功率时，整车控制器控制燃料电池管理器启动小功率燃料电池发动机输出高等级效率，当驾驶员功率需求处于高效区功率范围内时，整车控制器控制燃料电池管理器以跟随模式运行。因汽车工况复杂，驾驶员功率需求变化大，整车设置功率波动滞环阈值，以防止燃料电池系统输出功率频繁波动，影响燃料电池系统寿命。进一步地，在本发明的另一个实施例中，在模式选择开关的状态为长途模式、且动力电池的荷电值大于最高门限值时，整车控制器控制小功率燃料电池汽车进入纯电动模式，燃料电池系统处于停机状态或者怠机状态，动力电池提供整车所需功率；在模式选择开关的状态为长途模式、且动力电池的荷电值小于预设阈值时，整车控制器控制燃料电池管理器启动小功率燃料电池发动机以峰值功率点为动力电池充电，直至动力电池的荷电值大于预设阈值；在模式选择开关的状态为长途模式、且动力电池的荷电值大于预设阈值且小于最高门限值时，整车控制器控制燃料电池管理器启动小功率燃料电池发动机以额定功率点输出持续稳定的功率，控制动力电池提供整车瞬时功率。在本发明的一个实施例中，最高门限值可为动力电池满荷电量的80％，最低门限值可为动力电池满荷电量的30％，预设阈值可为动力电池满荷电量的40％。进一步地，在本发明的一个具体实施例中，小功率燃料电池汽车的控制方法可包括以下步骤：s301：判断驾驶员输入的模式指令。如果驾驶员输入的模式指令为常规模式，进入步骤s302；如果驾驶员输入的模式指令为长途模式，进入步骤s314。s302：判断动力电池的荷电值是否大于最高门限值。如果是，进入步骤s303，如果不是，进入步骤s304。s303：控制小功率燃料电池汽车进入纯电动模式。s304：判断动力电池的荷电值是否小于最高门限值且大于预设阈值。如果是，进入步骤s305，如果不是，进入步骤s306。s305：控制小功率燃料电池发动机启动输出经济等级功率，控制动力电池提供整车瞬时功率。s306：判断动力电池的荷电值是否小于预设阈值且大于最低门限值。如果是，进入步骤s307，如果不是，进入步骤s313。s307：判断驾驶员功率需求是否小于经济等级功率。如果是，进入步骤s308，如果不是，进入步骤s309。s308：控制小功率燃料电池发动机启动输出经济等级功率。s309：判断驾驶员功率需求是否大于高等级功率。如果是，进入步骤s310，如果不是，进入步骤s311。s310：控制小功率燃料电池发动机启动输出高等级功率。进入步骤s311。s311：控制燃料电池管理器以跟随模式工作。s312：判断动力电池的荷电值是否小于最低门限值。如果是，进入步骤s313，如果不是，进入步骤s301。s313：控制小功率燃料电池发动机启动输出额定功率，直至动力电池的荷电值大于预设阈值。s314：判断动力电池的荷电值是否大于最高门限值。如果是，进入步骤s315，如果不是，进入步骤s316。s315：控制小功率燃料电池汽车进入纯电动模式。s316：判断动力电池的荷电值是否小于最高门限值且大于预设阈值。如果是，进入步骤s317，如果不是，进入步骤s318。s317：控制小功率燃料电池发动机启动输出额定功率，控制动力电池提供整车瞬时功率。s318：判断动力电池的荷电值是否小于预设阈值。如果是，进入步骤s319，如果不是，进入步骤s301。s319：控制小功率燃料电池发动机启动输出峰值功率，直至动力电池的荷电值大于预设阈值。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12