一種燃料電池發動機穩態運行控制方法
2023-04-26 11:07:21 1
專利名稱：一種燃料電池發動機穩態運行控制方法
技術領域：
—種基於預測控制的燃料電池混合動力系統控制方法，適用於固定公交工況運行
的燃料電池發動機與蓄能設備組成的電力混合驅動動力系統，屬於新能源燃料電池混合動 力技術領域。
背景技術：
能源危機和環境汙染這兩大問題的日益突出，嚴重影響人類社會的可持續發展， 因此越來越受到各國政府和民間的重視。石油資源在世界能源消費中所佔的比例超過 35%，其中相當大部分又消耗在交通運輸行業中。傳統能源結構及其利用方式愈來愈難以 適應人類生存發展的需要。面對能源危機和環境汙染的雙重挑戰，許多國家都在努力尋找 新的交通能源利用形式。電能被認為是二十一世紀最有前景的車用動力能量來源。
電驅動系統的關鍵是電池，目前主要有鉛酸、鎳氫、鋰離子等常規蓄電形式，近幾 年出現的燃料電池(Fuel cell)通過電化學方法實現氫氣和空氣中的氧氣反應產生電能， 因而具有效率高、能量可儲存(通過氫氣)、能量密度高、無任何汙染等優點，解決了傳統車 用動力電池能量密度低、依賴充電裝置、存在電池汙染等問題，也因此，燃料電池被認為是 未來理想的清潔高效動力電池。 由於燃料電池系統價格昂貴，相比小型乘用車輛，城市公交客車是燃料電池動力 系統最有可能率先實現商業化的平臺，也因為其價格昂貴，改善車用燃料電池的耐久性是 降低使用成本並最終實現商業化的關鍵。如何通過對燃料電池的有效使用與控制，保證燃 料電池工作平穩，動態特性良好，以延長燃料電池壽命，是車用燃料電池發動機控制中的核 心技術之一。
發明內容
本發明的目的在於針對目前燃料電池混合動力城市客車控制存在的問題，提出一 種基於預測控制的新型控制系統與控制策略，以滿足燃料電池混合動力控制的需要，並有 效降低燃料電池發動機所承受的複雜瞬變載荷。 城市公交客車工況具有線路固定、頻繁起停、長時間怠速，工況可預測等特點，針 對這一特點，可以通過動力蓄電池的輔助，將燃料電池發動機控制在工況相對穩定的狀態 下工作，從而避免過於劇烈的變載、頻繁的起停和長時間怠速等因素對燃料電池產生的不 利影響，以提高燃料電池發動機的耐久性能。 本發明的特徵在於針對由燃料電池系統、DC-DC變換器、動力蓄電池和驅動電機 組成的城市公交客車混合動力系統結構，提出了一種基於預測控制的燃料電池混合動力系 統控制方法，這種方法將燃料電池發動機在準穩態工況方式下運行，以改善其耐久性，又稱 為Soft-r皿技術，包括以下幾個步驟 (1)根據導航系統提供的信息，例如GPS定位系統，建立基於隨機過程描述的預測 模型，對燃料電池發動機的需求功率進行估計。該模型建立在大量先驗數據的統計基礎上，通過對車輛的運行工況特徵的辨識，來估計在固定路線上的功率變化趨勢。
(2)通過對下一路段的行車功率進行預測，結合動力蓄電池狀態檢測，將整車的動
態功率需求分解為由燃料電池提供穩態平均功率，由動力蓄電池提供瞬時輔助功率。 (3)通過DC-DC變換器將燃料電池被動輸出能量模式調整為主動預測輸出。這裡，
由燃料電池發動機和DC-DC變換器構成一個智能主動輔助動力單元IAAPU，主動控制燃料
電池發動機的狀態，使其功率輸出相對穩定或緩慢變化(變化速率通過設定限值或變化曲
線實現)，從而實現燃料電池發動機的準穩態運行。 所述動力系統構型由燃料電池系統(又稱燃料電池發動機)、DC-DC變換器、動力
蓄電池和驅動電機組成(圖1)。燃料電池發動機作為動力源，輸出功率由DC-DC根據內置
於控制整車控制器中的控制指令進行控制(圖2)，被合理地分配到動力蓄電池(充電)和
驅動電機。當整車功率需求較小或動力蓄電池荷電狀態(SoC)較低時，燃料電池對動力蓄
電池充電；當整車功率需求較大時，燃料電池和動力蓄電池同時輸出，以提供所需功率。整
車管理系統對輸出功率進行合理調節，保證動力蓄電池的SoC基本穩定。 所述整車控制器為車輛的主控制單元。由於動力系統各部件之間數據交換量大、
實時性、可靠性要求高，整個系統採用分布式控制，各控制器之間採用CAN總線進行通訊。
整車控制器通過CAN總線實現對整個系統進行能量管理及各部件的協調控制。 所述燃料電池控制器為燃料電池發動機控制系統的執行部件，負責根據整車控制
器的命令，綜合判斷當前車輛行駛情況，對燃料電池各個部件進行綜合的統一控制，以使燃
料電池達到最佳的工作性能，並對燃料電池進行故障診斷，保證燃料電池發動機的安全性。 所述DC-DC變換器是燃料電池混合動力系統中對燃料電池發動機輸出功率進行
調節的功率部件，包括但不限於單向、雙向，恆流、恆壓型等不同型號。 所述動力蓄電池為混合動力系統中的大功率蓄電裝置，包括但不限於鎳氫電池、 鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池等不同類型的動力蓄電池。當燃料電池發動機輸出功率大於行車 所需實際功率時，燃料電池發動機向電池中充電；當車輛功率需求突然增大時，蓄電池和燃 料電池發動機共同輸出能量，驅動電機轉動。 所述的預測模型或GPS定位系統為預測整車功率需求的輔助工具，包括基於過去 行駛信息的預測模型、或基於過去和當前行駛信息的預測模型、以及基於GPS定位系統獲 取當前車輛位置坐標及行駛信息，比對電子地圖，提前對車輛行駛功率做出預估的各種輔 助工具。 本發明通過整合燃料電池發動機中燃料電池和DC-DC的控制，實現了燃料電池輸 出能量的主動控制，並通過預測模型或GPS定位系統，提前對行車功率需求進行預估，在滿 足車輛行駛功率需求的同時，做到燃料電池發動機的準穩態運行。與傳統控制方法相比，其 主要優點有 (1)降低了燃料電池發動機承受的動態載荷，能有效提高燃料電池發動機的耐久 性。 (2)實現了燃料電池發動機內部各部件與發動機輸出能量的協調控制，有效避免 因變載、怠速、起停等造成的電堆缺氣、水淹、過載等造成的不利影響。 (3)燃料電池發動機主要擔負提供穩態功率，其額定功率可以降低(例如從80kw 降到60kw)，從而可以用小型燃料電池發動機替代原有大功率燃料電池發動機，以大幅度降低系統成本。
圖1是燃料電池城市客車混合動力系統結構示意圖。
圖2是燃料電池與DC-DC聯合輸出的控制過程。
圖3是燃料電池發動機"Soft-run "基本控制方法。
具體實施例方式
下面結合
本發明。 如圖l所示為燃料電池公交客車的混合動力系統構型。當將燃料電池發動機和 DC-DC聯合到一起，作為一個統一的部件來看待，燃料電池通過與DC-DC的配合來決定自己 的輸出功率，這樣就實現了燃料電池對自己輸出能量的管理。從統一的角度看，燃料電池 和DC-DC形成了一個獨立的能量供給單元，該能量供給單元能夠根據車輛行駛狀況、動力 蓄電池的狀況等各種情況主動控制其能量輸出，因此在這裡被稱為智能主動輔助能量單元 (IAAPU)。 如圖2所示為燃料電池發動機主動控制其自身能量輸出的具體實施方式
。燃料電 池的控制通過整車控制器間接地與DC-DC的控制協調地組合到一起，燃料電池主控ECU發 出的DC-DC控制指令實際上是由整車控制器來進行實施，因此不會破壞整車的TTCAN網絡 和整車控制器的控制接口。 如圖3所示燃料電池發動機的準穩態控制方法示意圖。首先，通過建立在統計數 據基礎上的隨機過程估計模型，利用車速工況歷史數據、司機加速的歷史數據、需求功率數 據等行車工況特徵數據，對車輛的行車功率進行預測與估計。預測過程中，新測量的數據不 斷修正模型中的參數，以保證模型能夠根據實際的道路情況進行調整，以較好的符合實際 工況變化。燃料電池的狀態估計由燃料電池的單片電壓，溼度狀態估計，內阻情況以及其他 相應的特徵構成。根據燃料電池發動機的不同狀態，對發動機的目標功率進行修正。經過 實車試驗，為保證燃料電池發動機在一定時間內的穩定性，應該具有合適的離散檔位值，檔 位值應該根據燃料電池的性能和實際道路情況來進行自適應修正。換擋的優化目標函數是 使燃料電池發動機在一段時間內換擋的概率最低，同時滿足車輛行駛的功率變化需求。對 於運行於固定公交路線上的燃料電池客車來說，利用車輛行駛的統計數據將對換擋的策略 及其檔位值進行自適應修正。數據基礎由燃料電池主控ECU的數據支持系統進行離線與 在線的統計計算與估計。對於當前的換擋功率的預估與道路工況的辨識，不只靠當前測量 值進行，而是通過了一段時間的數據序列，綜合考慮統計結果與位置，進行識別與預測。而 GPS輔助系統提供的車輛定位信息使得控制過程中能夠綜合考慮行駛路線上的停靠站，紅 綠燈，立交橋等影響車輛功率出現瞬態變化的重要因素。
權利要求
一種燃料電池發動機穩態運行控制方法，其特徵在於，該方法步驟如下(1)根據導航系統提供的信息，建立基於隨機過程描述的預測模型，對燃料電池發動機的需求功率進行估計；所述預測模型通過先驗數據的統計，對車輛的運行工況特徵的進行辨識，估計在固定路線上的功率變化趨勢；(2)通過對下一路段的行車功率進行預測，結合動力蓄電池狀態檢測，將整車的動態功率需求分解為由燃料電池提供穩態平均功率，由動力蓄電池提供瞬時輔助功率；(3)通過DC-DC變換器將燃料電池被動輸出能量模式調整為主動預測輸出；這裡，由燃料電池發動機和DC-DC變換器構成一個智能主動輔助動力單元IAAPU，主動控制燃料電池發動機的狀態，使其功率輸出相對穩定或緩慢變化，從而實現燃料電池發動機的穩態運行。
2. 根據權利要求1所述的一種燃料電池發動機穩態運行控制方法，其特徵在於，所述 主動控制燃料電池發動機的狀態為變化速率，所述變化速率通過設定限值或變化曲線實 現。
全文摘要
一種燃料電池發動機穩態運行控制方法，屬於新能源燃料電池混合動力技術領域。該方法根據導航系統提供的信息，建立基於隨機過程描述的預測模型，對燃料電池發動機的需求功率進行估計；通過對下一路段的行車功率進行預測，結合動力蓄電池狀態檢測，將整車的動態功率需求分解為由燃料電池提供穩態平均功率，由動力蓄電池提供瞬時輔助功率；通過DC-DC變換器將燃料電池被動輸出能量模式調整為主動預測輸出；從而實現燃料電池發動機的穩態運行。變化速率通過設定限值或變化曲線實現。本發明降低了燃料電池發動機承受的動態載荷，有效提高燃料電池發動機的耐久性。實現了燃料電池發動機內部各部件與發動機輸出能量的協調控制，大幅度降低系統成本。
文檔編號B60W10/28GK101734249SQ201010033850
公開日2010年6月16日 申請日期2010年1月8日 優先權日2010年1月8日
發明者華劍鋒, 盧蘭光, 徐梁飛, 李建秋, 楊福源, 歐陽明高 申請人:清華大學