CN104827922B - 燃料电池汽车及其控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车的控制系统，包括：燃料电池发动机和DC/DC变换器；控制燃料电池发动机和DC/DC变换器的燃料电池管理器；动力电池；控制动力电池的电池管理器；模式选择开关；电机和电机控制器；整车控制器分别与燃料电池管理器、电池管理器和电机控制器相连，整车控制器根据燃料电池汽车的故障状态、动力电池的荷电值和模式选择开关的状态确定燃料电池发动机的工作模式，并根据工作模式对燃料电池管理器进行控制。本发明优化了整车能量分配，提高了燃料电池系统和动力电池的效率，有效保护了燃料电池系统，并简化了整车控制算法，且控制算法可靠、有效。本发明还公开了一种燃料电池汽车和一种燃料电池汽车的控制方法。

Description

燃料电池汽车及其控制方法和控制系统

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种燃料电池汽车的控制系统、一种燃料电池汽车的控制系方法和一种燃料电池汽车。

背景技术

随着电动汽车的广泛推广，电动汽车续驶里程的短板逐渐成为人们关注的焦点，而当前电池的高成本、低寿命阻碍了电动汽车的发展，增程式电动汽车的出现缓解了人们对电动汽车续驶里程的焦虑。燃料电池汽车与其它增程式电动汽车相比优点很突出，效率高，零排放，是一种发展前景很好的新能源汽车。燃料电池混合动力系统的能量管理和控制是燃料电池汽车中燃料电池系统研究的核心技术之一，燃料电池混合动力系统的能量管理和控制主要作用是充分根据燃料电池和辅助能源的参数特点，实时控制能量输出，优化能量分配，同时减少燃料电池发动机的动态负荷，保护燃料电池系统，通过优化燃料电池发动机的工作区域并最大程度回收制动能量，使燃料电池系统效率最优。

燃料电池系统可以被看作电动汽车的增程器。传统的增程器控制通常是采用恒温器式控制策略，即增程器的启动和关闭主要依据动力电池的荷电值的大小，根据动力电池的荷电值决定燃料电池系统的开启。恒温器式控制策略中燃料电池系统始终工作在恒定功率点上，虽然可以提高燃料电池系统的效率，但并不能同时满足整车的动力性和经济性，且频繁起停会对昂贵的燃料电池系统造成损害。

相关技术中提出了以下三种方案用于增程器控制：方案一为燃料电池混合动力系统的功率分配方法，方案二为燃料电池混合动力能量管理控制系统，方案三为燃料电池混合动力整车控制方法。以上三种方案的共同特征是，燃料电池系统采取功率跟随式控制策略，即燃料电池系统跟随整车需求功率变化，动力电池起到削峰填谷的作用，在加速和爬坡时提供辅助功率，同时回收制动能量，能量分配的原则是根据动力电池和燃料电池系统各自局部的最优功率分配，然后进行整个系统的最优功率调节，使动力电池和燃料电池系统两者相互折中，以达到能量的最优分配。

以上三种方案存在的缺点是：功率跟随式控制策略没有考虑到系统参数的匹配特点和特定的行驶工况，不能有效发挥动力电池和燃料电池系统的作用，不利于整车系统效率的提高，且在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系统造成损害，同时在进行能量分配时均使用了复杂的模型，例如整车混合动力系统模型采用最小二乘原理模型，估计动力电池功率时采用模糊控制模型等，控制系统比较复杂，成本高，可靠性低。

发明内容

本发明是发明人基于以下认识和发现提出的：

相关技术中，燃料电池系统的控制策略可以根据燃料电池发动机的工作方式分为恒温器式控制策略和功率跟随式控制策略，二者各有利弊。恒温器式控制策略是滞环控制，根据动力电池的荷电值的限值决定燃料电池发动机的工作状态，燃料电池系统工作时能在最高效率点附近为动力电池充电，缺点是如果动力电池的容量较小，则需要频繁开关燃料电池系统，不利于保护燃料电池发动机。功率跟随式控制策略是随动控制，燃料电池系统一般在最佳运行线附近运行，跟随负载功率变化，缺点是需要配置较大功率的燃料电池系统，增加了燃料电池系统和整车的成本。

本发明的目的旨在至少从一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种燃料电池汽车的控制系统，该燃料电池汽车的控制系统优化了整车能量分配，提高了整车的效率，保护了燃料电池系统，简化了整车控制算法，降低了控制成本。

本发明的另一个目的在于提出一种燃料电池汽车。

本发明的再一个目的在于提出一种燃料电池汽车的控制方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种燃料电池汽车的控制系统，该燃料电池汽车的控制系统包括：燃料电池发动机和DC/DC变换器；控制所述燃料电池发动机和所述DC/DC变换器的燃料电池管理器；动力电池；控制所述动力电池的电池管理器；模式选择开关；电机和电机控制器；以及整车控制器，所述整车控制器分别与所述燃料电池管理器、所述电池管理器和所述电机控制器相连，所述整车控制器根据燃料电池汽车的故障状态、所述动力电池的荷电值和所述模式选择开关的状态确定所述燃料电池发动机的工作模式，并根据所述工作模式对所述燃料电池管理器进行控制。

本发明实施例提出的燃料电池汽车的控制系统能够优化整车能量分配，保护燃料电池系统的同时提高燃料电池系统和动力电池的效率，并可以简化整车控制算法，实现降低整车控制成本。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且所述模式选择开关未被驾驶员选择或所述模式选择开关的状态为系统控制模式时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器以功率跟随模式运行；当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于所述最高门限值且大于所述最低门限值，且所述模式选择开关的状态为功率跟随模式时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器以所述功率跟随模式运行；当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于所述最高门限值且大于所述最低门限值，且所述模式选择开关的状态为恒温器模式时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器在所述动力电池的荷电值小于预设阈值时，启动所述燃料电池发动机以最佳效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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于最低门限值时，所述整车控制器禁止所述模式选择开关工作，并控制所述燃料电池管理器以最佳效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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值大于或等于最高门限值时，所述整车控制器控制所述燃料电池汽车进入纯电动模式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器以功率跟随模式运行具体包括：获取所述燃料电池汽车的需求功率；获取所述动力电池的充放电功率；根据所述燃料电池汽车的需求功率和所述充放电功率确定所述燃料电池发动机的稳态输出功率；以及根据所述燃料电池发动机的稳态输出功率获取所述DC/DC变换器的动态目标电流，并根据所述动态目标电流控制所述DC/DC变换器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述整车控制器根据所述动力电池的充放电功率和所述燃料电池发动机的稳态输出功率确定所述燃料电池汽车的总功率，并根据所述总功率对所述电机控制器进行控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过以下公式计算所述燃料电池发动机的稳态输出功率：

P_f＝P_d*-P_b+P_aux

其中，P_d*为所述燃料电池汽车的需求功率，P_b为所述动力电池的充放电功率，P_aux为所述燃料电池汽车的附件功率，P_{f_min<}P_f<P_{f_max}，|P_f(k+1)-P_f(k)|<ΔP_f，P_{f_min}与P_{f_max}分别为所述燃料电池发动机的最小瞬时功率和最大瞬时功率，ΔP_f为所述燃料电池发动机的稳态输出功率的允许变化率。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例还提出了一种燃料电池汽车，该燃料电池汽车包括所述的燃料电池汽车的控制系统。

本发明实施例提出的燃料电池汽车，通过燃料电池汽车的控制系统优化了整车能量分配，提高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，简化了整车控制算法，降低了整车控制成本。

为达到上述目的，本发明再一方面实施例还提出了一种燃料电池汽车的控制方法，该燃料电池汽车的控制方法包括以下步骤：获取燃料电池汽车的故障状态、动力电池的荷电值和模式选择开关的状态；根据所述燃料电池汽车的故障状态、所述动力电池的荷电值和所述模式选择开关的状态确定燃料电池发动机的工作模式，并根据所述工作模式对燃料电池管理器进行控制。

本发明实施例提出的燃料电池汽车的控制方法，能够优化整车能量分配，保护燃料电池系统的同时提高燃料电池系统和动力电池的效率，并可以简化整车控制算法，实现降低整车控制成本。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且所述模式选择开关未被驾驶员选择或所述模式选择开关的状态为系统控制模式时，控制所述燃料电池管理器以功率跟随模式运行；当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于所述最高门限值且大于所述最低门限值，且所述模式选择开关的状态为功率跟随模式时，控制所述燃料电池管理器以所述功率跟随模式运行；当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于所述最高门限值且大于所述最低门限值，且所述模式选择开关的状态为恒温器模式时，控制所述燃料电池管理器在所述动力电池的荷电值小于预设阈值时，启动所述燃料电池发动机以最佳效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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于最低门限值时，禁止所述模式选择开关工作，并控制所述燃料电池管理器以最佳效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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值大于或等于最高门限值时，控制所述燃料电池汽车进入纯电动模式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制所述燃料电池管理器以功率跟随模式运行具体包括：获取所述燃料电池汽车的需求功率；获取所述动力电池的充放电功率；根据所述燃料电池汽车的需求功率和所述充放电功率确定所述燃料电池发动机的稳态输出功率；以及根据所述燃料电池发动机的稳态输出功率获取所述DC/DC变换器的动态目标电流，并根据所述动态目标电流控制所述DC/DC变换器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述动力电池的充放电功率和所述燃料电池发动机的稳态输出功率确定所述燃料电池汽车的总功率，并根据所述总功率对电机控制器进行控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过以下公式计算所述燃料电池发动机的稳态输出功率：

P_f＝P_d*-P_b+P_aux

其中，P_d*为所述燃料电池汽车的需求功率，P_b为所述动力电池的充放电功率，P_aux为所述燃料电池汽车的附件功率，P_{f_min<}P_f<P_{f_max}，|P_f(k+1)-P_f(k)|<ΔP_f，P_{f_min}与P_{f_max}分别为所述燃料电池发动机的最小瞬时功率和最大瞬时功率，ΔP_f为所述燃料电池发动机的稳态输出功率的允许变化率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的燃料电池汽车的控制系统的方框示意图；

图2为根据本发明一个实施例的燃料电池汽车的控制系统的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的燃料电池汽车的控制系统的根据动力电池的荷电值划分的燃料电池汽车稳态的工作模式列表的示意图；

图4为根据本发明实施例的燃料电池汽车的控制方法的流程图；以及

图5为根据本发明一个具体实施例的燃料电池汽车的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的燃料电池汽车的控制系统、燃料电池汽车以及燃料电池汽车的控制方法。

如图1所示，本发明实施例的燃料电池汽车的控制系统包括：燃料电池发动机10、DC/DC变换器20、燃料电池管理器30、动力电池40、电池管理器50、模式选择开关60、电机70、电机控制器80以及整车控制器90。其中，燃料电池管理器30控制燃料电池发动机10和DC/DC变换器20(例如高压DC/DC转换器)。电池管理器50控制动力电池40。整车控制器90分别与燃料电池管理器30、电池管理器50和电机控制器80相连，整车控制器90根据燃料电池汽车的故障状态、动力电池40的荷电值和模式选择开关60的状态确定燃料电池发动机10的工作模式，并根据工作模式对燃料电池管理器30进行控制。

其中，燃料电池系统可以包括燃料电池管理器30、燃料电池发动机10、和DC/DC变换器20等。具体地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，燃料电池发动机10通过高压DC/DC转换器与动力电池40并联，电机70和电机控制器80与母线连接，电机70经减速箱与差速器与驱动桥连接，燃料电池管理器30、电池管理器50、电机控制器80和各传感器均通过CAN总线与整车控制器90相连。具体地，在本发明的一个实施例中，整车控制器90可以包括驾驶员命令解释模块、电机状态功能模块、动力电池状态功能模块、整车诊断处理模块、输入输出处理控制模块、附件控制模块、工作模式控制模块、能量管理模块等。其中，能量管理模块负责能量在燃料电池发动机10和动力电池40之间分配，是整车控制器90的核心模块。

需要说明的是，驾驶员可以通过模式选择开关60输入模式指令来设置预期控制模式。在本发明的一个实施例中，驾驶员输入的模式指令可以为：模式1、模式2和模式3，其中，驾驶员输入的模式指令为模式1时，模式选择开关60的状态为功率跟随模式，驾驶员输入的模式指令为模式2时，模式选择开关60的状态为恒温器模式，驾驶员输入的模式指令为模式3时，模式选择开关60的状态为取消输入模式指令进入系统控制模式。

具体地，在本发明的一个实施例中，在燃料电池汽车的控制系统启动时，首先进行初始化，整车控制器90采集动力电池40的荷电值、车速、燃料电池发动机10和电机70的状态等车辆参数，并等待驾驶员输入模式指令，其中，如果驾驶员没有输入模式指令，则整车控制器90可以控制燃料电池管理器30以系统控制模式运行，如果驾驶员输入模式指令，则整车控制器90可以控制燃料电池管理器30以驾驶员输入的模式运行。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池40的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且模式选择开关60未被驾驶员选择或模式选择开关60的状态为系统控制模式时，整车控制器90可以控制燃料电池管理器30以功率跟随模式运行。此时，燃料电池发动机10跟随燃料电池汽车的需求功率变化满足整车行驶需求，且在燃料电池汽车的需求功率瞬时变化较大时，动力电池40短时放电或充电，以作为燃料电池系统的辅助。进一步地，在本发明的另一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池40的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且模式选择开关60的状态为功率跟随模式时，整车控制器90可以控制燃料电池管理器30以功率跟随模式运行。此时，燃料电池发动机10跟随燃料电池汽车的需求功率变化满足整车行驶需求，且在燃料电池汽车的需求功率瞬时变化较大时，动力电池40短时放电或充电，以作为燃料电池系统的辅助。进一步地，在本发明的再一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池40的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且模式选择开关60的状态为恒温器模式时，整车控制器90可以控制燃料电池管理器30在动力电池40的荷电值小于预设阈值时，启动燃料电池发动机10以最佳效率点为动力电池40充电，直至动力电池40的荷电值大于预设阈值。

进一步地，在本发明的还一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池40的荷电值小于最低门限值时，整车控制器90可以禁止模式选择开关60工作，即整车控制器90可以不允许驾驶员通过模式选择开关60输入模式指令，并控制燃料电池管理器30启动燃料电池发动机10以最佳效率点为动力电池40充电，直至动力电池40的荷电值大于最低门限值。进一步地，在本发明的又一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池40的荷电值大于或等于最高门限值时，整车控制器90可以控制燃料电池汽车进入纯电动模式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，整车控制器90控制燃料电池管理器30以功率跟随模式运行具体可以包括：获取燃料电池汽车的需求功率和获取动力电池40的充放电功率，并根据燃料电池汽车的需求功率和充放电功率确定燃料电池发动机10的稳态输出功率，以及根据燃料电池发动机10的稳态输出功率获取DC/DC变换器20的动态目标电流，并根据动态目标电流控制DC/DC变换器20。

具体地，在本发明的一个实施例中，整车控制器90可以根据燃料电池发动机10和动力电池40当前能输出的最大功率修正燃料电池汽车的需求功率，以及在燃料电池汽车稳态的不同工作模式下，根据动力电池40的荷电值和动力电池40的最高温度、最低温度、最高单体电压、最低单体电压和动力电池总电压等进行查表以确定动力电池40的充放电功率，其中，根据动力电池40的荷电值划分的燃料电池汽车稳态的工作模式列表如图3所示。进一步地，在本发明的一个实施例中，可以通过以下公式计算燃料电池发动机10的稳态输出功率：

P_f＝P_d*-P_b+P_aux

其中，P_d*为燃料电池汽车的需求功率，P_b为动力电池40的充放电功率，当P_b正值时为放电功率，当P_b负值时为充电功率，P_aux为燃料电池汽车的附件功率(包括燃料电池发动机10自身的功率消耗)，P_{f_min<}P_f<P_{f_max}，|P_f(k+1)-P_f(k)|<ΔP_f，P_{f_min}与P_{f_max}分别为燃料电池发动机10的最小瞬时功率和最大瞬时功率，ΔP_f为燃料电池发动机10的稳态输出功率的允许变化率。

具体地，在本发明的一个实施例中，整车控制器90可以根据母线电压和燃料电池发动机10的稳态输出功率计算DC/DC变换器20的稳态输出电流，并对DC/DC变换器20的稳态输出电流进行滤波，得到DC/DC变换器20的动态目标电流，进而通过CAN总线将该动态目标电流发送给DC/DC变换器20，以控制DC/DC变换器20的实际输出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，整车控制器90可以根据动力电池40的充放电功率和燃料电池发动机10的稳态输出功率确定燃料电池汽车的总功率，并可以根据总功率对电机控制器80进行控制。具体地，在本发明的一个实施例中，整车控制器90可以将总功率折算成电机转矩命令发送给电机控制器80，以控制电机70的转矩输出，满足燃料电池汽车的行驶需求。

需要说明的是，针对固定路线城市工况的燃料电池汽车的使用特点，可以配置相对小功率的燃料电池系统和较大容量辅助动力电池40，以实现降低整车成本，提高燃料电池系统的工作效率，并获得较长的纯电动行驶能力。

综上所述，本发明实施例的燃料电池汽车的控制系统充分利用驾驶员对行驶工况的预判，通过驾驶员对工作模式的选择，可以在不同行驶工况条件下运行不同的控制模式，而且充分利用了恒温器模式和功率跟随模式者两种模式的优点，同时，整车控制算法充分利用了已有的部件数据(例如燃料电池汽车的需求功率、动力电池40的充放电功率、燃料电池汽车的附件功率等)，在燃料电池发动机10不同工作模式下分别计算不同部件(例如DC/DC变换器20、电机控制器80等)的控制参数值，不再依靠复杂的理论模型，简化了控制算法，提高了程序的可靠性(且整车算法经过验证，取得较好效果)。

本发明实施例提出的燃料电池汽车的控制系统，根据动力电池和燃料电池系统各自局部的功率优化情况，结合驾驶员输入的模式指令分别采取恒温器模式和功率跟随模式者进行整车的能量合理分配，提高了燃料电池系统和动力电池的效率，保证了车辆的动力性和经济性，提高了燃料电池汽车的能量效率，同时优化了燃料电池系统的动态负荷，减少了燃料电池系统开启的频率，有效保护了燃料电池系统，并简化了整车控制算法，降低了整车控制成本，且控制算法可靠、有效。

本发明另一方面实施例还提出了一种燃料电池汽车，该燃料电池汽车包括上述的燃料电池汽车的控制系统。

本发明实施例提出的燃料电池汽车，通过燃料电池汽车的控制系统优化了整车能量分配，提高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，简化了整车控制算法，且控制算法可靠、有效，并降低了整车控制成本。

此外，本发明再一方面实施例还提出了一种燃料电池汽车的控制方法，该燃料电池汽车的控制方法可以应用于上述的燃料电池汽车的控制系统，如图4所示，该燃料电池汽车的控制方法包括以下步骤：

S1，获取燃料电池汽车的故障状态、动力电池的荷电值和模式选择开关的状态。

需要说明的是，驾驶员可以通过模式选择开关输入模式指令来设置预期控制模式。在本发明的一个实施例中，驾驶员输入的模式指令可以为：模式1、模式2和模式3，其中，驾驶员输入的模式指令为模式1时，模式选择开关的状态为功率跟随模式，驾驶员输入的模式指令为模式2时，模式选择开关的状态为恒温器模式，驾驶员输入的模式指令为模式3时，模式选择开关的状态为取消输入模式指令进入系统控制模式。

S2，根据燃料电池汽车的故障状态、动力电池的荷电值和模式选择开关的状态确定燃料电池发动机的工作模式，并根据工作模式对燃料电池管理器进行控制。

具体地，在本发明的一个实施例中，在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、燃料电池发动机和电机的状态等车辆参数，和等待驾驶员输入模式指令，其中，如果驾驶员没有输入模式指令，则整车控制器可以控制燃料电池管理器以系统控制模式运行，如果驾驶员输入模式指令，则整车控制器可以控制燃料电池管理器以驾驶员输入的模式运行。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且模式选择开关未被驾驶员选择或模式选择开关的状态为系统控制模式时，可以控制燃料电池管理器以功率跟随模式运行。此时，燃料电池发动机跟随燃料电池汽车的需求功率变化满足整车行驶需求，且在燃料电池汽车的需求功率瞬时变化较大时，动力电池短时放电或充电，以作为燃料电池系统的辅助。进一步地，在本发明的另一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且模式选择开关的状态为功率跟随模式时，可以控制燃料电池管理器以功率跟随模式运行。此时，燃料电池发动机跟随燃料电池汽车的需求功率变化满足整车行驶需求，且在燃料电池汽车的需求功率瞬时变化较大时，动力电池短时放电或充电，以作为燃料电池系统的辅助。进一步地，在本发明的再一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且模式选择开关的状态为恒温器模式时，可以控制燃料电池管理器在动力电池的荷电值小于预设阈值时，启动燃料电池发动机以最佳效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。

进一步地，在本发明的还一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池的荷电值小于最低门限值时，可以禁止模式选择开关工作例如整车控制器可以不允许驾驶员通过模式选择开关输入模式指令，并控制燃料电池管理器启动燃料电池发动机以最佳效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。进一步地，在本发明的又一个实施例中，当燃料电池汽车无故障，且动力电池的荷电值大于或等于最高门限值时，可以控制燃料电池汽车进入纯电动模式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，控制燃料电池管理器以功率跟随模式运行具体可以包括：

S3，获取燃料电池汽车的需求功率。

具体地，在本发明的一个实施例中，整车控制器可以根据燃料电池发动机和动力电池当前能输出的最大功率修正燃料电池汽车的需求功率。

S4，获取动力电池的充放电功率。

具体地，在本发明的一个实施例中，在燃料电池汽车稳态的不同工作模式下，整车控制器可以根据动力电池的荷电值和动力电池的最高温度、最低温度、最高单体电压、最低单体电压和动力电池总电压等进行查表以确定动力电池的充放电功率。

S5，根据燃料电池汽车的需求功率和充放电功率确定燃料电池发动机的稳态输出功率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，可以通过以下公式计算燃料电池发动机的稳态输出功率：

P_f＝P_d*-P_b+P_aux

其中，P_d*为燃料电池汽车的需求功率，P_b为动力电池的充放电功率，当P_b正值时为放电功率，当P_b负值时为充电功率，P_aux为燃料电池汽车的附件功率(包括燃料电池发动机自身的功率消耗)，P_{f_min<}P_f<P_{f_max}，|P_f(k+1)-P_f(k)|<ΔP_f，P_{f_min}与P_{f_max}分别为燃料电池发动机的最小瞬时功率和最大瞬时功率，ΔP_f为燃料电池发动机的稳态输出功率的允许变化率。

S6，根据燃料电池发动机的稳态输出功率获取DC/DC变换器的动态目标电流，并根据动态目标电流控制DC/DC变换器。

具体地，在本发明的一个实施例中，整车控制器可以根据母线电压和燃料电池发动机的稳态输出功率计算DC/DC变换器的稳态输出电流，并对DC/DC变换器的稳态输出电流进行滤波，得到DC/DC变换器的动态目标电流，进而通过CAN总线将该动态目标电流发送给DCDC控制器，以控制DC/DC变换器的实际输出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，可以根据动力电池的充放电功率和燃料电池发动机的稳态输出功率确定燃料电池汽车的总功率，并可以根据总功率对电机控制器进行控制。具体地，在本发明的一个实施例中，整车控制器可以将总功率折算成电机转矩命令发送给电机控制器，以控制电机的转矩输出，满足燃料电池汽车的行驶需求。

需要说明的是，针对固定路线城市工况的燃料电池汽车的使用特点，可以配置相对小功率的燃料电池系统和较大容量辅助动力电池，以实现降低整车成本，提高燃料电池系统的工作效率，并获得较长的纯电动行驶能力。

进一步地，在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，燃料电池汽车的控制系方法包括以下步骤：

S51，判断动力电池的荷电值是否大于或等于最高门限值。

如果是，进入步骤S52，如果否，进入步骤S53。

S52，控制燃料电池汽车进入纯电动模式。

S53，判断动力电池的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值。

如果是，进入步骤S54，如果否，进入步骤S58。

S54，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模式1，进入步骤S55，如果驾驶员输入的模式指令为模式2，进入步骤S56，如果驾驶员输入的模式指令为模式3，进入步骤S57。

S55，控制燃料电池管理器以功率跟随模式运行。

S56，控制燃料电池管理器以恒温器模式运行。

S57，控制燃料电池管理器以系统控制模式运行。

在进入步骤S55、S56或S57后，进入步骤S58。

S58，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S59，如果否，返回步骤S51。

S59，禁止驾驶员通过模式选择开关输入模式指令，并控制燃料电池发动机开启。

在步骤S59后，进入步骤S57。

综上所述，本发明实施例的燃料电池汽车的控制系方法充分利用驾驶员对行驶工况的预判，通过驾驶员对工作模式的选择，可以在不同行驶工况条件下运行不同的控制模式，而且充分利用了恒温器模式和功率跟随模式者两种模式的优点，同时，整车控制算法充分利用了已有的部件数据(例如燃料电池汽车的需求功率、动力电池的充放电功率、燃料电池汽车的附件功率等)，在燃料电池发动机不同工作模式下分别计算不同部件(例如DC/DC变换器、电机控制器等)的控制参数值，不再依靠复杂的理论模型，简化了控制算法，提高了程序的可靠性(且整车算法经过验证，取得较好效果)。

本发明实施例提出的燃料电池汽车的控制方法，根据动力电池和燃料电池系统各自局部的功率优化情况，结合驾驶员输入的模式指令分别采取恒温器模式和功率跟随模式者进行整车的能量合理分配，提高了燃料电池系统和动力电池的效率，保证了车辆的动力性和经济性，提高了燃料电池汽车的能量效率，同时优化了燃料电池的动态负荷，减少了燃料电池系统开启的频率，有效保护了燃料电池系统，并简化了整车控制算法，实现降低整车控制成本，且控制算法可靠、有效。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车的控制系统，其特征在于，包括：

燃料电池发动机和DC/DC变换器；

控制所述燃料电池发动机和所述DC/DC变换器的燃料电池管理器；

动力电池；

控制所述动力电池的电池管理器；

模式选择开关；

电机和电机控制器；以及

整车控制器，所述整车控制器分别与所述燃料电池管理器、所述电池管理器和所述电机控制器相连，所述整车控制器根据燃料电池汽车的故障状态、所述动力电池的荷电值和所述模式选择开关的状态确定所述燃料电池发动机的工作模式，并根据所述工作模式对所述燃料电池管理器进行控制，其中，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于最低门限值时，所述整车控制器禁止所述模式选择开关工作，并控制所述燃料电池管理器以最佳效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，或者，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值大于或等于最高门限值时，所述整车控制器控制所述燃料电池汽车进入纯电动模式。

2.如权利要求1所述的燃料电池汽车的控制系统，其特征在于，其中，

当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且所述模式选择开关未被驾驶员选择或所述模式选择开关的状态为系统控制模式时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器以功率跟随模式运行；

当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于所述最高门限值且大于所述最低门限值，且所述模式选择开关的状态为功率跟随模式时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器以所述功率跟随模式运行；

当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于所述最高门限值且大于所述最低门限值，且所述模式选择开关的状态为恒温器模式时，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器在所述动力电池的荷电值小于预设阈值时，启动所述燃料电池发动机以最佳效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。

3.如权利要求2所述的燃料电池汽车的控制系统，其特征在于，所述整车控制器控制所述燃料电池管理器以功率跟随模式运行具体包括：

获取所述燃料电池汽车的需求功率；

获取所述动力电池的充放电功率；

根据所述燃料电池汽车的需求功率和所述充放电功率确定所述燃料电池发动机的稳态输出功率；以及

根据所述燃料电池发动机的稳态输出功率获取所述DC/DC变换器的动态目标电流，并根据所述动态目标电流控制所述DC/DC变换器。

4.如权利要求3所述的燃料电池汽车的控制系统，其特征在于，所述整车控制器根据所述动力电池的充放电功率和所述燃料电池发动机的稳态输出功率确定所述燃料电池汽车的总功率，并根据所述总功率对所述电机控制器进行控制。

5.如权利要求3所述的燃料电池汽车的控制系统，其特征在于，通过以下公式计算所述燃料电池发动机的稳态输出功率：

P_f＝P_d*-P_b+P_aux

其中，P_d*为所述燃料电池汽车的需求功率，P_b为所述动力电池的充放电功率，P_aux为所述燃料电池汽车的附件功率，P_{f_min<}P_f<P_{f_max}，|P_f(k+1)-P_f(k)|<ΔP_f，P_{f_min}与P_{f_max}分别为所述燃料电池发动机的最小瞬时功率和最大瞬时功率，ΔP_f为所述燃料电池发动机的稳态输出功率的允许变化率。

6.一种燃料电池汽车，其特征在于，包括如权利要求1-5中任一项所述的燃料电池汽车的控制系统。

7.一种燃料电池汽车的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取燃料电池汽车的故障状态、动力电池的荷电值和模式选择开关的状态；

根据所述燃料电池汽车的故障状态、所述动力电池的荷电值和所述模式选择开关的状态确定燃料电池发动机的工作模式，并根据所述工作模式对燃料电池管理器进行控制，

其中，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于最低门限值时，禁止所述模式选择开关工作，并控制所述燃料电池管理器以最佳效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，或者，当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值大于或等于最高门限值时，控制所述燃料电池汽车进入纯电动模式。

8.如权利要求7所述的燃料电池汽车的控制方法，其特征在于，其中，

当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于最高门限值且大于最低门限值，且所述模式选择开关未被驾驶员选择或所述模式选择开关的状态为系统控制模式时，控制所述燃料电池管理器以功率跟随模式运行；

当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于所述最高门限值且大于所述最低门限值，且所述模式选择开关的状态为功率跟随模式时，控制所述燃料电池管理器以所述功率跟随模式运行；

当所述燃料电池汽车无故障，且所述动力电池的荷电值小于所述最高门限值且大于所述最低门限值，且所述模式选择开关的状态为恒温器模式时，控制所述燃料电池管理器在所述动力电池的荷电值小于预设阈值时，启动所述燃料电池发动机以最佳效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。

9.如权利要求8所述的燃料电池汽车的控制方法，其特征在于，所述控制所述燃料电池管理器以功率跟随模式运行具体包括：

获取所述燃料电池汽车的需求功率；

获取所述动力电池的充放电功率；

根据所述燃料电池汽车的需求功率和所述充放电功率确定所述燃料电池发动机的稳态输出功率；以及

根据所述燃料电池发动机的稳态输出功率获取DC/DC变换器的动态目标电流，并根据所述动态目标电流控制所述DC/DC变换器。

10.如权利要求9所述的燃料电池汽车的控制方法，其特征在于，通过以下公式计算所述燃料电池发动机的稳态输出功率：

P_f＝P_d*-P_b+P_aux

其中，P_d*为所述燃料电池汽车的需求功率，P_b为所述动力电池的充放电功率，P_aux为所述燃料电池汽车的附件功率，P_{f_min<}P_f<P_{f_max}，|P_f(k+1)-P_f(k)|<ΔP_f，P_{f_min}与P_{f_max}分别为所述燃料电池发动机的最小瞬时功率和最大瞬时功率，ΔP_f为所述燃料电池发动机的稳态输出功率的允许变化率。