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2021-02-03 16:02:50|
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本发明涉及燃料电池汽车领域，具体而言，涉及一种燃料电池汽车低温启动控制方法。
背景技术：
燃料电池在低温环境下运行，如果预热不充分，内部水结冰会堵塞反应气体扩散，阻碍反应进行，此外还存在体积膨胀对多孔介质产生结构破坏。因此燃料电池低温启动过程中，需要一定的时间进行暖机操作，提高燃料电池内部温度，以降低温度对燃料电池性能和寿命的衰减。目前国际先进量产车型，一般采用自加热方式对燃料电池内部进行暖机操作，实现燃料电池温度迅速上升至合适温度，结束暖机操作，燃料电池进入正常工作模式，开始对外输出功率。自加热方式即通过降低空气的化学计量比，产生浓度电压差的方式，使燃料电池工作在低效率区，更多的能量以热量形式散出，达到暖机效果。
但目前存在技术难题，如果燃料电池进行暖机操作时间过短，则燃料电池内部预热不充分，导致燃料电池性能和寿命衰减。如果燃料电池暖机时间过长，则燃料电池给驱动电机供电等待时间较长，影响客户驾驶体验。
有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种燃料电池汽车低温启动控制方法，该方法通过预测燃料电池在启动阶段、驾驶初始阶段的功率需求，对燃料电池汽车的启动过程和上次停机过程进行优化，实现在低温场景下，既保证用户驾驶体验，也同时保证燃料电池和电池包的寿命要求。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种燃料电池汽车低温启动控制方法，包括以下步骤：
s1、预测低温启动阶段的需求功率；
s2、根据所述需求功率，设定上次停车时电池包的soc目标值；
s3、根据所述soc目标值，进行燃料电池停机吹扫操作；
s4、设定所述soc目标值为启动初始状态，控制器进行燃料电池汽车低温启动控制。
作为进一步优选的技术方案，步骤s1中，所述需求功率包括行驶需求功率、空调需求功率和附件需求功率。
作为进一步优选的技术方案，所述行驶需求功率采用马尔科夫链预测方法进行预测；
优选地，行驶需求功率的预测公式为：preg-drive＝δvma；
其中v为车速，m为车辆质量，a为加速度，δ为质量换算系数，δ取1.03；
v和a采用状态转移矩阵[tl(k)]ij中的最大值所对应的v和a；
优选地，在历史时长k内，车辆从xi状态转移到xj状态的概率为
其中，矩阵
作为进一步优选的技术方案，所述空调需求功率为3kw；
优选地，所述附件需求功率为2kw。
作为进一步优选的技术方案，步骤s2中电池包soc目标值为：
wreq＝∫preqdt；
其中，socmin为电池包允许工作最低soc，wreg为燃料电池汽车启动阶段的能耗，preq为所述需求功率，preq-purge为燃料电池停机吹扫过程附件能耗，q为电池包额定电量；
优选地，socmin为30％。
作为进一步优选的技术方案，步骤s3中燃料电池停机吹扫操作包括以下步骤：首先判断soc目标值是否高于soc阈值，判断为是，则进行吹扫方式一；判断为否，则进行吹扫方式二；直至满足吹扫停止条件后，结束吹扫；
优选地，吹扫方式一包括：燃料电池停止对外输出功率，进入怠速模式，由电池包提供吹扫过程中的全部功率消耗；
优选地，吹扫方式二包括：燃料电池向电池包充电，直至电池包soc高于soc阈值；然后燃料电池停止对外输出功率，进入怠速模式，由电池包提供吹扫过程中的全部功率消耗；
优选地，soc阈值为50％。
作为进一步优选的技术方案，步骤s4中，控制器进行燃料电池汽车低温启动控制包括以下步骤：首先驾驶员提出启动请求，然后燃料电池执行启动前吹扫操作，启动前吹扫操作完成后，燃料电池进入暖机模式，暖机结束后，燃料电池进入正常发电模式。
作为进一步优选的技术方案，启动前吹扫操作完成的条件为：燃料电池单体电压高于0.6v。
作为进一步优选的技术方案，暖机模式包括：降低空气化学计量比，产生浓度差和电压差，使燃料电池工作在低效率区，实现暖机。
作为进一步优选的技术方案，暖机结束条件为：燃料电池冷却液温度高于55℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)提出一种燃料电池汽车低温启动控制方法，同步考虑燃料电池寿命、电池包寿命、用户使用体验，将整个启动流程分为三个阶段，一阶段电池包作为单独能量源；二阶段电池包作为主要能量源，燃料电池作为辅助能量源；三阶段燃料电池作为主要能量源，电池包作为辅助能量源。其中对燃料电池寿命的主要优化措施为尽可能延迟燃料电池对外大功率输出时间，通过暖机模式使燃料电池内部温度尽快达到适宜温度。对电池包寿命的主要优化措施为设定上次停机前的soc目标值，使电池包满足后续功率输出需求的同时，始终保持在最低限制以上。对用户使用体验的主要优化措施为电池包在初始阶段可以为车辆行驶、空调、附件提供足够的能量，不影响用户使用。
(2)提出一种基于马尔科夫链预测方法，对低温环境下燃料电池汽车启动阶段的行驶功率需求进行预测，将加速度-车速设定为状态变量，通过历史数据，预测本次低温启动过程能耗情况。此外，该方法具备随着用户对车辆使用，根据用户使用习惯、地理位置、交通状况等因素，对状态概率转移矩阵进行更新学习，以个性化提高马尔科夫链模式预测精度的优势。
(3)提出一种电池包soc管理方法，可以通过预测的能耗情况和电池包最低soc要求，设计燃料电池汽车停机前的soc目标值，并通过采用不同的停机吹扫方式，使电池包soc满足要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的燃料电池汽车低温启动控制方法流程图；
图2是电池包目标soc判定及实现流程图；
图3是燃料电池汽车低温启动控制流程图；
图4是燃料电池汽车结构示意图；
图5是燃料电池汽车低温启动前后关键信号变化图。
图标：1-燃料电池电堆；2-第一dcdc；3-电机控制器；4-驱动电机；5-动力电池包；6-第二dcdc；7-附件；8-主减速器；9-差速器及半轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
需要说明的是：本发明所提及的“电池包”均指动力电池包。
实施例1
为了保证燃料电池寿命，在低温启动过程中，燃料电池进入正常发电模式的时间点应尽可能后移，以使燃料电池内部充分预热。为了保证用户驾驶体验，车辆进入可行驶状态的时间点应尽可能前移。因此，在燃料电池启动阶段，需要由电池包成为主要能量源，满足驱动车辆行驶和空调加热的功率需求。
在燃料电池启动阶段中，电池包以较大功率持续对外供电，而soc的工作范围过低会导致电池包寿命衰减。因此电池包的soc需要提前预测并设置目标值，以满足启动阶段对外输出需求和电池包自身寿命要求。
考虑到以上设计思路，如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池汽车低温启动控制方法，包括以下步骤：
s1、预测低温启动阶段的需求功率；
s2、根据所述需求功率，设定上次停车时电池包的soc目标值；
s3、根据所述soc目标值，进行燃料电池停机吹扫操作；
s4、设定所述soc目标值为启动初始状态，控制器进行燃料电池汽车低温启动控制。
本发明具有以下优点：
(1)提出一种燃料电池汽车低温启动控制方法，同步考虑燃料电池寿命、电池包寿命、用户使用体验，将整个启动流程分为三个阶段，一阶段电池包作为单独能量源；二阶段电池包作为主要能量源，燃料电池作为辅助能量源；三阶段燃料电池作为主要能量源，电池包作为辅助能量源。其中对燃料电池寿命的主要优化措施为尽可能延迟燃料电池对外大功率输出时间，通过暖机模式使燃料电池内部温度尽快达到适宜温度。对电池包寿命的主要优化措施为设定上次停机前的soc目标值，使电池包满足后续功率输出需求的同时，始终保持在最低限制以上。对用户使用体验的主要优化措施为电池包在初始阶段可以为车辆行驶、空调、附件提供足够的能量，不影响用户使用。
(2)提出一种基于马尔科夫链预测方法，对低温环境下燃料电池汽车启动阶段的行驶功率需求进行预测，将加速度-车速设定为状态变量，通过历史数据，预测本次低温启动过程能耗情况。此外，该方法具备随着用户对车辆使用，根据用户使用习惯、地理位置、交通状况等因素，对状态概率转移矩阵进行更新学习，以个性化提高马尔科夫链模式预测精度的优势。
(3)提出一种电池包soc管理方法，可以通过预测的能耗情况和电池包最低soc要求，设计燃料电池汽车停机前的soc目标值，并通过采用不同的停机吹扫方式，使电池包soc满足要求。
在一种优选的实施方式中，步骤s1中，所述需求功率包括行驶需求功率、空调需求功率和附件需求功率。低温启动阶段，总需求功率由行驶需求功率、空调需求功率和附件需求功率组成。其中附件需求功率主要包括燃料电池启动过程中，空气压缩机、氢气泵、冷却水泵等相关附件工作，该需求功率值较小，且波动不大。其中空调需求功率主要与环境温度相关，该部分需求功率值可由标定试验获得，根据试验结果存储到控制器中。上述两部分需求功率组成，功率值较小，波动范围不大，因此通过经验即可预估。而车辆行驶功率部分，能耗占比最大，且受用户使用习惯、地理环境、交通拥堵情况等诸多因素影响，成为燃料电池汽车启动阶段控制方法中最为关键且预测难度最大的部分。
在一种优选的实施方式中，所述行驶需求功率采用马尔科夫链预测方法进行预测。
优选地，行驶需求功率的预测公式为：preg-drive＝δvma；
其中v为车速，m为车辆质量，a为加速度，δ为质量换算系数，δ取1.03；
v和a采用状态转移矩阵[tl(k)]ij中的最大值所对应的v和a。
优选地，在历史时长k内，车辆从xi状态转移到xj状态的概率为
其中，矩阵
本发明采用机器学习算法，对燃料电池启动阶段的车辆行驶需求功率变化情况进行预测。考虑到车辆行驶过程中，纵向动力学变量，例如车速、加速度、转矩、功率等均可视为时间序列，因此可以采用马尔科夫链预测方法，对时间序列样本建立预测模型，找出系统特性并根据时间序列的历史值对当前值和未来趋势进行预测。马尔科夫链是指数学中具有马尔科夫性质的离散时间随机过程。在其每一步中，系统根据概率分布可以从一个状态转移到另一个状态，利用其当前状态和状态转移的概率分布，就可以预测系统下一时刻最有可能发生的状态。
为了预测功率，本发明采用车速-加速度二维向量，描述每一时刻状态，即作为状态概率转移矩阵的元素特征描述。将x定义为马尔科夫链状态空间，x＝{x1，x2，...xs}；
由于采用车速-加速度来描述状态，因此当t＝k，马尔科夫链状态可表示为：xk＝(v(k)，a(k))；
则t＝k+l的概率分布由l步状态转移概率矩阵决定，本发明推荐l取3，则时刻k对应的状态xi转移到k+l时刻对应的状态xj的条件概率[tl]ij可以由下式表示：
i，j∈{1，2，...，s}；
其中，tl∈rs×s，l＝1，2，...，nt为马尔科夫链的时间尺度。
根据用户使用习惯、地理环境、交通拥堵情况等因素进行个性化预测，需要根据当前车辆的历史数据，对状态转移概率矩阵进行更新，方法如下：在历史时长k内，从xi转移到xj的概率可以由下述公式表示：
其中，
上述公式，可以进一步写成：
考虑到更好的进行个性化预测，历史观测值对未来系统输出的影响是随着时间的推移而减弱的，所以根据影响程度的大小，按时间先后赋予历史观测值不同的权重，因此用遗忘因子
其中矩阵
根据上述推导过程，从[tl(k)]ij中选取最大值对应的状态作为预测结果。得到加速度与车速的预测值之后，可以通过如下公式预测需求功率：preg-drive＝δvma；
其中v为车速，m为车辆质量，a为加速度，δ为质量换算系数，建议取1.03。
车辆使用初期，由于缺乏训练数据，无法提供足够的历史数据以较为准确的预测车速及加速度。离线对标准循环工况进行训练，例如nedc工况、cltc工况、wltc工况、udds工况等，得到标准循环工况的状态概率转移矩阵，作为控制部中初始转移矩阵，尽可能解决车辆使用初期缺乏历史数据问题。随着用户对车辆使用，根据用户使用习惯、地理位置、交通状况等因素，对状态概率转移矩阵进行更新学习，以个性化提高马尔科夫链模型预测精度。
使用马尔科夫链模型预测方法，燃料电池汽车控制器进行在线自学习，通过历史数据，计算行驶初始阶段preq值，从而对行驶初始阶段的能耗wreg计算，最终反推得到本次停机前电池包soc的目标值。
优选地，所述空调需求功率为3kw。
优选地，所述附件需求功率为2kw。
在一种优选的实施方式中，步骤s2中电池包soc目标值为：
wreq＝∫preqdt；
其中，socmin为电池包允许工作最低soc，wreg为燃料电池汽车启动阶段的能耗，preq为所述需求功率，preq-purge为燃料电池停机吹扫过程附件能耗，q为电池包额定电量。
优选地，socmin为30％。
步骤s1通过马尔科夫链模型预测的方法，预测了燃料电池汽车启动阶段的需求功率preq，则该阶段的能耗值wreq可以表示为：wreq＝∫preqdt；
由于在燃料电池启动阶段，电池包成为主要能量源，需要满足驱动车辆行驶和空调加热的功率需求。电池包以较大功率持续对外供电，而soc的工作范围过低会导致电池包寿命衰减，因此需要对车辆关闭前的soc目标值进行预设，soc目标值由socint表示，应满足以下条件：socint≥δsoc+socmin；
其中socmin表示电池包允许工作最低soc，作为对电池包寿命保护策略的阈值，通过试验提前标定得到，本发明中，参考值为30％。δsoc表示启动过程中，电池包soc的变化量，该值可由启动阶段的能耗近似表示：wreg≈δsoc*q；其中q表示电池包额定电量。
由以上两式可以得出soc目标值：
其中，preq-purge为燃料电池停机吹扫过程附件能耗，可以通过不同环境温度、不同燃料电池内部水含量的标定试验提前得到，并存储在控制器中。
在一种优选的实施方式中，步骤s3中燃料电池停机吹扫操作包括以下步骤：首先判断soc目标值是否高于soc阈值，判断为是，则进行吹扫方式一；判断为否，则进行吹扫方式二；直至满足吹扫停止条件后，结束吹扫。
优选地，吹扫方式一包括：燃料电池停止对外输出功率，进入怠速模式，由电池包提供吹扫过程中的全部功率消耗。
优选地，吹扫方式二包括：燃料电池向电池包充电，直至电池包soc高于soc阈值；然后燃料电池停止对外输出功率，进入怠速模式，由电池包提供吹扫过程中的全部功率消耗。
优选地，soc阈值为50％。
电池包目标soc的判定及实现流程如下图2所示。驾驶员提出车辆停车请求后，控制器查询环境温度、燃料电池状态，计算停机吹扫过程附件需要的功率。基于马尔科夫链预测模型，可以获取燃料电池启动阶段的行驶需求功率，根据月份信息可以获取空调需求功率，并通过上一步的方法，计算soc目标值。为了达到soc设置目标值，需要在上一次燃料电池关闭前，通过燃料电池发电对电池包进行充电。考虑到在低温环境下，燃料电池关闭前进行停机吹扫操作，将内部液态水排出以防止内部结冰。根据停机吹扫前不同电池包soc状态，分为两种吹扫工作模式。
当soc高于给定阈值，参考值50％，认为电池包可以提供充足的电力，满足停机吹扫附件能耗、下一次燃料电池汽车启动阶段的行驶能耗、空调能耗、附件能耗，且soc不会低于最低阈值socmin，而严重影响电池包寿命。在该情况下，考虑到降低燃料电池氢气消耗量，进入吹扫模式一。该模式下，燃料电池停止对外输出功率，进入怠速模式，由电池包提供吹扫过程中的全部功率消耗。当满足吹扫停机条件，例如燃料电池内部水含量低于某阈值，结束吹扫。
当soc低于给定阈值，参考值50％，认为电池包不能提供充足的电力，无法满足停机吹扫附件能耗、下一次燃料电池汽车启动阶段的行驶能耗、空调能耗、附件能耗，且soc不会低于最低阈值socmin的情况，此时会严重影响电池包寿命。在该情况下，考虑电池包soc工作范围，进入吹扫模式二。该模式下，吹扫前电堆对电池包充电直至soc高于给定阈值，参考值50％，然后电堆停止对外输出功率，进入怠速模式，由电池包提供吹扫过程中的全部功率消耗。当满足吹扫停机条件，例如燃料电池内部水含量低于某阈值，结束吹扫。
在一种优选的实施方式中，步骤s4中，控制器进行燃料电池汽车低温启动控制包括以下步骤：首先驾驶员提出启动请求，然后燃料电池执行启动前吹扫操作，启动前吹扫操作完成后，燃料电池进入暖机模式，暖机结束后，燃料电池进入正常发电模式。
优选地，启动前吹扫操作完成的条件为：燃料电池单体电压高于0.6v。
低温启动控制流程如下图3所示。驾驶员提出启动请求，燃料电池系统附件例如空气压缩机、氢气泵进行预热运转，并执行吹扫操作，将燃料电池内部的氢氧混合气排出，以防止引起碳载体氧化降低燃料电池寿命。在该阶段，燃料电池不对外输出功率，电池包作为单独能量源。当燃料电池满足吹扫结束条件，燃料电池进入暖机模式。吹扫结束条件的设定，需要满足氢氧混合界面全部排出，本发明中，通过监测燃料电池单体电压进行判定，当单体电压高于某阈值，参考值为0.6v，认为达到吹扫结束条件。
优选地，暖机模式包括：降低空气化学计量比，产生浓度差和电压差，使燃料电池工作在低效率区，实现暖机。燃料电池进入暖机模式，通过降低空气的化学计量比，产生浓度电压差的方式，使燃料电池工作在低效率区，更多的能量以热量形式散出，达到暖机效果。该阶段燃料电池处于低效率工作区，只能输出小功率，电池包作为主要能量源。由于上一步中对电池包soc进行了预留，因此具备足够的输出能力，从而不影响用户驾驶体验。
上述“空气化学计量比”是指空气中耗氧量与基准耗氧量的比值，其中基准耗氧量通过电流计算得到，为完全反应的理论耗氧量，可通过空气中氧含量换算为实际耗空气量与基准耗空气量的比值。
上述“浓度差”是指燃料电池阴极产生的氧浓度差。
上述“电压差”是指相同电流密度下，电堆极化特性曲线对应电压与电堆当前工作电压的差值。
上述“低效率区”是指偏离极化特性曲线的区域。
优选地，暖机结束条件为：燃料电池冷却液温度高于55℃。暖机结束条件的设定，需要满足燃料电池内部温度达到适宜温度，如55℃，达到暖机结束条件时，燃料电池进入正常发电模式。
燃料电池进入正常发电模式，工作在高效率区，成为主要能量源，电池包作为辅助能量源，起到对输出功率“削峰填谷”的作用，减少燃料电池功率变化速率，延长燃料电池寿命。
本发明特别适用于如图4所示的燃料电池汽车构型，该燃料电池汽车具备燃料电池电堆1、第一dcdc2、电机控制器3(dcac)、驱动电机4、动力电池包5、第二dcdc6、附件7、主减速器8和差速器及半轴9等，其中，第一dcdc指燃料电池后端增压器，第二dcdc指电池包后端双向dcdc。燃料电池堆阴极通入空气，阳极通入氢气，在膜电极上发生反应进行发电。燃料电池增压器可以对燃料电池输出电压进行升压，满足电驱动系统需求，从而减少燃料电池单体数量。电池包后端连接双向dcdc，在驱动过程中，可以将电池包电压升压至负载电压，与燃料电池协调对外输出功率，有效降低燃料电池的动态载荷，在能量回收过程中，可以将电机回收的能量通过降压，给电池包充电。附件包括空气压缩机、氢气泵、冷却水泵、空调等高压附件，还包括各类阀体、传感器、执行器等低压附件。
采用以上控制方法优化前后的关键信号的变化如图5所示，图中从上到下依次是电池包soc、总需求功率preq以及燃料电池输出功率pfc随时间变化情况。其中soc曲线示意性的以直线表示其变化规律，实际变化情况为非线性，实线表示优化前，虚线表示优化后。
其中t1为燃料电池完成停机吹扫时刻，t1-t2为车辆处于停车关机状态，该阶段燃料电池温度受到环境温度影响逐渐降低，当车辆下一次启动时，燃料电池内部温度低于0℃时，燃料电池汽车低温启动控制功能被激活。
优化前燃料电池低温启动过程为图中t2-t4阶段。其中，t2-t3为燃料电池准备和吹扫阶段，空气压缩机和氢气泵进行预热运行，并将燃料电池内部的氢氧混合气通过吹扫的方式排出，该阶段燃料电池无法对外输出功率，全部能量由电池包提供，该时间根据环境温度不同而设定，本发明中，-20℃低温启动过程对应的t2-t3为30s。由于电池包可以提供能量，不会影响驾驶车辆行驶和空调开启。
t3-t4为燃料电池暖机阶段，该阶段燃料电池工作在低效率区，只输出很小的功率，在本发明中，参考值为5kw，而大部分能量由电池包提供。该时间根据燃料电池内部温度不同而设定，本发明中，-20℃低温启动过程对应的t3-t4为200s。该阶段需求功率较高，电池包soc下降较快，在达到t4时，soc应该大于socmin。其中socmin代表考虑电池包寿命，建议的soc允许达到的最低值，在本发明中，参考值为30％。
t4时间点，燃料电池由暖机模式进入正常工作模式，燃料电池成为主要动力源。
优化后燃料电池低温启动过程为图中t2-t5阶段。其中，t2-t3为燃料电池准备和吹扫阶段，与优化前无改变。
t3-t5为燃料电池暖机阶段，该阶段燃料电池工作在低效率区，只输出很小的功率，在本发明中，参考值为5kw，而大部分能量由电池包提供。该时间根据燃料电池内部温度不同而设定，本发明中，-20℃低温启动过程对应的t3-t5为300s。该阶段需求功率较高，电池包soc下降较快，在达到t5时，soc应该大于socmin。其中socmin代表考虑电池包寿命，建议的soc允许达到的最低值，在本发明中，参考值为30％。可见，优化后的控制方法，在满足soc变化范围要求的前提下，延长了燃料电池暖机的时间，使燃料电池内部温度更接近于适宜温度，有利于燃料电池的性能和寿命的优化。
t5时间点，燃料电池由暖机模式进入正常工作模式，燃料电池成为主要动力源。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。
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