一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法与流程

本发明属于燃料电池混合动力汽车领域，尤其是涉及一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法。

背景技术：

由于石油危机和环境污染等环境问题频发，政府对燃油汽车排放指标越来越严苛，各国逐渐颁布了停止生产传统燃油汽车的日期，各大汽车厂商不得不发展新能源汽车。燃料电池混合动力汽车既没有长的充电时间，又不排放污染气体，是新一代新能源汽车。由于燃料电池价格昂贵，且本身特性等问题，通常将其与电池或(和)超级电容混合组成复合电源，利用各自优点，来补足它们之间的缺点。

目前对于燃料电池混合动力汽车控制策略通常是两个能量源进行混合，控制策略也相对成熟。对于三个能量源的功率分配策略较少。现有的对三个能量源的控制策略没有合理分配三个能量源之间的功率分配，导致辅助能量源工作非常被动。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法，通过汽车负载功率分配和辅助能量源需求分配，将负载功率合理分配给燃料电池、电池和超级电容，同时达到节省氢气消耗量的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法，包括汽车负载功率分配步骤和辅助能量源需求分配步骤，其特征在于：

步骤一、设定电池的充放电磁滞环，当电池放电时，电池放电荷电状态soc处于40％<soc<70％时为放电平衡模式，soc>70％为放电模式，soc<40％为充电模式；当电池进行充电时，电池充电荷电状态soc处于50％<soc<80％时为充电平衡模式，soc>80％为放电模式，soc<50％为充电模式；

步骤二、汽车负载功率分配步骤根据电池soc的大小将辅助能量源工作分为三种工作模式：放电模式、平衡模式和充电模式：

a1.当电池为放电模式，此时soc较高，有充足的电量，维持燃料电池输出功率pfc运行在高效区，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^min和pfc^eff之间，当负载功率pload<pfc^min时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^min；当pload>pfc^eff时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^eff，剩余不足功率由辅助能量源pau来提供；

a2.当电池为平衡模式，此时的电池既可充电也可放点，维持燃料电池输出功率pfc运行在pfc^eff和pfc^max之间，当负载功率pload<pfc^eff时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^eff，当pload>pfc^max时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^max，剩余不足功率由辅助能量源pau来提供；

a3.当电池为充电模式，此时的电池soc较低，电池处于充电模式，当负载功率pload<pfc^min时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^eff；当负载功率pload运行在pfc^min和pfc^max-pb-maxcharge时，燃料电池输出功率pfc运行在pload+pb-maxcharge，辅助能量源功率pau为-pb-maxcharge；当负载功率pload运行在pfc^max-pb-maxcharge和pfc^max时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^max，辅助能量源功率pau为pfc^max-pload；当负载功率大于pfc^max，燃料电池运行在pfc^max，辅助能量源功率pau为pload-pfc^max，其中，pb-maxcharge为电池最大充电功率；

步骤三、辅助能量源需求分配步骤为：

b1.以辅助能量源需求功率为采样值；

b2.以n个采样值为一个队列，以采样队列的形式保存辅助能量源需求功率，n个采样值分别为p1、p2……pn；

b3.按照先进先出的fifo原则，在队尾添加当前时刻需求功率pau，舍去采样队列首位的p1，此时的n个采样值为p2……pn、pau，求出队列数据的平均值pava作为电池的输出功率pc；

b4.辅助能量源需求功率pau与电池输出功率pc作差得到超级电容输出功率pcap，pcap＝pau-pc。

进一步的，所述汽车负载功率分配策略是将汽车负载功率分配给燃料电池和辅助能量源，所述辅助能量源需求分配策略是将辅助能量源需求功率分配给电池和超级电容。

进一步的，所述辅助能量源通过dc/dc变换器连接于电机，辅助能量源包括电池和超级电容，所述电池和所述超级电容还分别通过电池开关和电容开关连接于所述dc/dc变换器。

进一步的，在辅助能量源需求功率采样的初始阶段，进入队列的数据小于等于n时，此时使用队列中现有的数据计算平均值。

进一步的，pau>0时，辅助能量源放电，pau<0时，辅助能量源回收能量。

进一步的，当回收能量时，接通电容开关对超级电容进行充电，待超级电容剩余电量达到额定值以后，再接通电池开关对电池进行充电。

本发明的有益效果为：

1、本发明的一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法，通过汽车负载功率分配和辅助能量源需求分配，将负载功率合理分配给燃料电池、电池和超级电容三种动力源，同时达到节省氢气消耗量的目的；

2、本发明的一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法，设定电池的充放电为磁滞环，可避免电池在充放电工作点处来回切换，提高电池工作效率，延长工作寿命；

3、本发明的一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法，汽车负载功率分配步骤中，燃料电池作为主能量源为汽车提供稳态能量，电池和超级电容作为辅助能量源为汽车提供峰值功率和能量回收，控制燃料电池在最佳效率区间运行；辅助能量源需求分配步骤中，电池承担平均输出功率，超级电容承担峰值功率，电池的输出电流平稳，能够减少整车能量损失的同时，提升功率分配精度。

附图说明

图1为电池运行模式图；

图2为燃料电池功率-效率图；

图3为辅助能量源需求功率采样示意图；

图4为本发明的一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法原理图。

其中，图中各标号为：1、动力源固有特性；2、燃料电池动力性分析；3、燃料电池功率与损耗；4、燃料电池功率与燃料关系；5、燃料电池输出功率-效率关系；6、电池动力性分析；7、电池荷电状态计算；8、功率与损耗；9、超级电容动力性分析；10、超级电容荷电状态；11、超级电容功率与损耗；12、上层分配策略；13、辅助能量源需求功率；14、燃料电池输出功率-效率图；15、燃料电池和辅助能量源需求功率；16、电池soc值；17、需求功率；18、辅助能量源工作模式；19、负载功率；20、下层分配策略；21、滑动平均滤波分配策略；22、队列长度；23、队列长度n的确定；24、辅助能量源需求功率；25、超级电容需求功率；26、电池需求功率。

具体实施方式

为了本领域的技术人员能够更好地理解本发明所提供的技术方案，下面结合具体实施例进项阐述。

本案将可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得熟悉本技艺之人士可以据以完成，然本案之实施例并非可由下列而被限制其实施形态。

一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法，包括汽车负载功率分配步骤和辅助能量源需求分配步骤，汽车负载功率分配步骤主要是将汽车负载功率分配给燃料电池以及辅助能量源，燃料电池承担需求功率的稳态负载，辅助能量源承担峰值功率并进行能量回收。

图1所示为电池运行模式图，首先根据电池soc的大小以及功率的正负来设定电池的充放电磁滞环，当电池放电时，电池放电荷电状态soc处于40％<soc<70％时为放电平衡模式，soc>70％为放电模式，soc<40％为充电模式；当电池进行充电时，电池充电荷电状态soc处于50％<soc<80％时为充电平衡模式，soc>80％为放电模式，soc<50％为充电模式，设定电池的充放电为磁滞环，可避免电池在充放电工作点处来回切换，提高电池工作效率，延长工作寿命。

在电池运行模式基础上划分辅助能量源工作模式，图2所示为燃料电池功率-效率图，图中燃料电池输出功率在pfc^min和pfc^max之间时，为高效率区间，其中pfc^eff为燃料工作效率的最高值，汽车负载功率分配步骤根据电池soc的大小以及输出电流的方向，将辅助能量源工作分为三种工作模式：放电模式、平衡模式和充电模式，这三种模式均依照负载功率的大小分别制定燃料电池的输出功率，由燃料电池pfc和负载功率pload的差值来表示辅助能量源功率，即：

a1.当电池为放电模式，此时soc较高，有充足的电量，维持燃料电池输出功率pfc运行在高效区，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^min和pfc^eff之间，当负载功率pload<pfc^min时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^min；当pload>pfc^eff时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^eff，剩余不足功率由辅助能量源pau来提供；

a2.当电池为平衡模式，此时的电池既可充电也可放点，维持燃料电池输出功率pfc运行在pfc^eff和pfc^max之间，当负载功率pload<pfc^eff时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^eff，当pload>pfc^max时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^max，剩余不足功率由辅助能量源pau来提供；

a3.当电池为充电模式，此时的电池soc较低，电池处于充电模式，当负载功率pload<pfc^min时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^eff；当负载功率pload运行在pfc^min和pfc^max-pb-maxcharge时，燃料电池输出功率pfc运行在pload+pb-maxcharge，辅助能量源功率pau为-pb-maxcharge；当负载功率pload运行在pfc^max-pb-maxcharge和pfc^max时，燃料电池输出功率pfc运行在pfc^max，辅助能量源功率pau为pfc^max-pload；当负载功率大于pfc^max，燃料电池运行在pfc^max，辅助能量源功率pau为pload-pfc^max，其中，pb-maxcharge为电池最大充电功率。

图3为辅助能量源需求功率采样示意图，辅助能量源需求分配主要是将辅助能量源需求功率分配给电池和超级电容，并让电池承担平均输出功率超级电容承担峰值功率，下层分配策略是基于滑动平均滤波算法。该策略将历史需求功率存储起来利用队列将历史数据始终保持在目标窗口n，依照“先进先出”的原则不断有新数据来更新队列，滤波后的值为电池的输出功率，剩余不足功率由超级电容来提供，具体步骤为：

b1.以辅助能量源需求功率为采样值；

b2.以n个采样值为一个队列，以采样队列的形式保存辅助能量源需求功率，n个采样值分别为p1、p2……pn；

b3.按照先进先出的fifo原则，在队尾添加当前时刻需求功率pau，舍去采样队列首位的p1，此时的n个采样值为p2……pn、pau，求出队列数据的平均值pava作为电池的输出功率pc；

b4.辅助能量源需求功率pau与电池输出功率pc作差得到超级电容输出功率pcap，pcap＝pau-pc。

辅助能量源通过dc/dc变换器连接于电机，电机和dc/dc变换器之间还连有dc/ac变换器，辅助能量源包括电池和超级电容，所述电池和所述超级电容还分别通过电池开关和电容开关连接于所述dc/dc变换器，电池开关和电容开关设置为电子控制开关。

在辅助能量源需求功率采样的初始阶段，进入队列的数据小于等于n时，此时使用队列中现有的数据计算平均值，此时采样队列的首位采样值不舍弃，直至进入队列的采样值为第n+1个时，开始采用先进先出的原则，舍去采样队列首位采样值。

pau>0时，功率为正，辅助能量源放电，pau<0时，功率为负，辅助能量源回收能量，当回收能量时，接通电容开关对超级电容进行充电，待超级电容剩余电量达到额定值以后，再接通电池开关对电池进行充电。

图4为本发明的一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法原理图，首先我们对动力源特性1进行分析，包括动力源固有特性2、燃料电池动力性分析3、电池动力性分析7、超级电容动力性分析10等部件的分析，对与燃料电池来说我们分析燃料电池功率与损耗4、燃料电池功率与燃料关系5、燃料电池输出功率-效率关系6等特性；对于辅助能量源，我们分析剩余电量即：电池荷电状态计算8、超级电容荷电状态11，和功率与损耗，即：功率与损耗9、超级电容功率与损耗12。然后，我们先对燃料电池和辅助能量源进行功率分配即：上层分配策略13。根据辅助能量源需求功率14和电池soc值17来确定辅助能量源工作模式19，辅助能量源工作模式19与需求功率18和燃料电池输出功率-效率图15来计算出燃料电池输出功率，并求出辅助能量源需求功率19。最后，辅助能量源需求功率19发送到下层分配策略，通过离线确定队列长度23，使用滑动平均滤波分配策略21求出电池需求功率26和超级电容需求功率25。该分配策略能简化功率分配策略，降低控制难度，提升控制精度，减少氢气消耗量，对新能源汽车的研发提供一种新思维。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。