一种最优目标车速预测、燃料电池系统的控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种最优目标车速预测、燃料电池系统的控制方法及装置，通过车载单元、车车通信单元及路测单元提前预知前方道路信息，根据车辆前方交通信号灯状态及剩余时间、拥堵预警信息及碰撞预警信息，提前计算得到车辆本身工况变化时的最优目标车速，根据工况变化时的最优目标车速计算燃料电池的需求功率，进一步推导出空压机的目标转速及燃料电池系统比例阀的目标开度，实现对氢气、空气的预见性控制，弥补了燃料电池反应气体压力、温度、湿度波动时相关机械位置的动态响应时间延迟带来的影响，避免因燃料电池车辆工况变化引起燃料电池饥饿造成的燃料电池不可逆的损坏。

A Control Method and Device for Optimal Target Vehicle Speed Prediction and Fuel Cell System

【技术实现步骤摘要】
一种最优目标车速预测、燃料电池系统的控制方法及装置
本专利技术属于车用燃料电池控制
，特别涉及一种最优目标车速预测、燃料电池系统的控制方法及装置。
技术介绍
目前我国交通能耗约占社会总能耗的20％，且比例呈逐年上升，城市内汽车尾气更被认为是造成空气污染和产生雾霾的重要原因。燃料电池以氢气为燃料，生成物为水，所以燃料电池被视为汽车的理想动力源，是解决尾气排放问题的有效手段，燃料电池汽车引起相对于纯电动汽车具有续航里程长、加氢时间短、零污染的特性被认为是新能源汽车发展的终级方向。众多的研究者通过实际运行、试验、模型计算等分析手段，最终得到一致的共识是在现有材料的基础上，车辆的频繁变工况运行是引起燃料电池寿命降低的最主要的原因。从物理方面，车辆在动态运行过程中由于电流载荷的瞬态变化会引起反应气压力、温度、湿度等频繁波动，从而导致材料本身或部件结构的机械性的损伤。从化学方面由于动态过程中载荷的变化，引起电压的变化，会导致材料的化学衰减，尤其在启动、停车、怠速以及带有高电位的动态循环过程中，会导致材料性能加速衰减，如催化剂的溶解与聚集、聚合物的膜降解等。如公开号为“CN106951677A”，名称为“质子交换膜燃料电池瞬态过程模型建立的方法”的中国专利，该专利提供了在车辆变工况下每一时刻电池内水瞬态变化、反应气体瞬态变化和电压瞬态变化，从燃料电池电化学机理、水管理和传质分析角度建立全电池瞬态模型，然后据此求得对应时刻的燃料电池输出电压，由此预测电池瞬态性能。基于此，燃料电池汽车多采用动力电池、超级电容器等储能装置与燃料电池构建电-电混合动力，可减小燃料电池输出功率变化速率与载荷的波动，减缓动态过程和反应气供给滞后导致的燃料电池衰减，但是当频繁变载时电堆内反应气体迅速消耗(毫秒级)，而反应气供给相关机械装置的动态响应时间仍然会延迟(秒级)，引起燃料电池的燃料饥饿，导致燃料电池寿命的显著衰减。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种燃料电池系统的控制方法及装置，用于解决现有技术中燃料电池车辆工况不断变化导致燃料电池寿命缩短的问题；同时还提供了一种最优目标车速预测方法。为实现上述目的，本专利技术提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括以下控制方法方案：控制方法方案一，一种燃料电池系统的控制方法，包括如下步骤：1)采集车辆本身的位置信息、速度及加速度，判断车辆此时的工况；接收前方车辆的位置信息、速度及加速度，计算车辆本身下一时刻的预测车速；2)根据采集的前方信号灯的状态信息和前方拥堵信息，计算是否拥堵状态下的车速以及通过前方信号灯的速度，并结合计算的车辆本身下一时刻的预测车速，来计算车辆本身下一时刻的目标车速，将车辆本身下一时刻的目标车速与本路段的限速值比较，取两者中的较小值为车辆本身下一时刻的最优目标车速；3)根据计算得到的车辆本身的最优目标车速计算车辆本身的燃料电池的需求功率，并根据车辆需求功率计算燃料电池的空气流量和氢气流量，控制空压机的目标转速和氢气供给系统的流量。控制方法方案二，在控制方法方案一的基础上，所述预测车速的计算公式为：vb＝f(v+aΔt)+b(vf+afΔt)其中，vb为车辆本身的下一时刻的预测车速，v为车辆本身的速度，a为车辆本身的加速度，Δt为计算时间间隔，vf为前方车辆的速度，af为前方车辆的加速度，f和b为设定的权重系数。控制方法方案三，在控制方法方案二的基础上，通过前方信号灯的速度表示为：其中，vrgb为考虑信号灯状态的车速，drgb为当前车辆距信号灯的距离，k为信号灯的循环次数，tc为一个红绿灯信号的周期，td为汽车以当前车速行驶至信号灯的时间，vmax为本路段的限速值。控制方法方案四，在控制方法方案三的基础上，是否存在拥堵的速度表示为：其中，vjam为是否存在拥堵的车速，djam为当前车辆距拥堵车辆尾部的距离，tjam为汽车以当前车速行驶至拥堵车辆尾部的时间，vmax为本路段的限速值。控制方法方案五，在控制方法方案四的基础上，所述车辆本身下一时刻的目标车速表示为：vtar＝vb+c·vjam+d·vrgb其中，vtar为车辆本身下一时刻的目标车速，vb为车辆本身的下一时刻的预测车速，vjam为是否存在拥堵的车速，vrgb为考虑信号灯状态的车速，c，d为设定的权重系数。控制方法方案六，在控制方法方案一的基础上，计算得到燃料电池需求功率后，需查询燃料电池电堆性能曲线获取燃料电池的目标电流值，根据目标电流值计算对应的目标电流密度值，根据目标电流密度值计算燃料电池的空气流量和氢气流量。控制方法方案七，在控制方法方案六的基础上，计算得到车辆本身的空气流量和氢气流量后，采用PID算法控制实际输出的车辆本身的空气流量和氢气流量。控制方法方案八，在控制方法方案七的基础上，所述燃料电池的需求功率的计算公式为：其中，p为燃料电池预计需求功率，η1为传动效率，G为车辆自重，f为滚动阻力系数，α为坡度，CD为空气阻力系数，A为车辆迎风面积，V为车辆本身的最优目标车速。控制方法方案九，在控制方法方案八的基础上，所述燃料电池的空气流量和氢气流量的计算公式分别为：Mair＝1.66·10-5·η2·Cd·S·Ncell其中，Mair为空气流量，为氢气流量，η2为空气化学计量比，为氢气化学计量比，Cd为电流密度，S为双极板截面积,Ncell为电堆单电池个数。本专利技术还提供了一种燃料电池系统的控制装置，包括以下技术方案：装置方案一，一种燃料电池系统的控制装置，包括车载单元及控制器，所述车载单元包括定位模块、加速度传感器以及用于与车辆的CAN总线通信连接的第一接口和用于与路侧单元通信、车车通信连接的第二接口，所述车载单元与所述控制器连接，所述车载单元用于通过所述第一接口获取车辆本身的位置、速度、加速度及车辆内部动力信息，所述车载单元通过第二接口直接或间接获取前方车辆的位置、速度、加速度、碰撞预警信息、前方拥堵信息，计算是否拥堵状态下的车速以及通过前方信号灯的速度，并结合计算的车辆本身下一时刻的预测车速，来计算车辆本身下一时刻的目标车速，将车辆本身下一时刻的目标车速与本路段的限速值比较，取两者中的较小值为车辆本身下一时刻的最优目标车速；所述控制器根据计算得到的车辆本身的最优目标车速计算车辆本身的燃料电池的需求功率，并根据车辆需求功率计算燃料电池的空气流量和氢气流量，控制空压机的目标转速和氢气供给系统的流量。装置方案二，在装置方案一的基础上，所述预测车速的计算公式为：vb＝f(v+aΔt)+b(vf+afΔt)其中，vb为车辆本身的下一时刻的预测车速，v为车辆本身的速度，a为车辆本身的加速度，Δt为计算时间间隔，vf为前方车辆的速度，af为前方车辆的加速度，f和b为设定的权重系数。装置方案三，在装置方案二的基础上，通过前方信号灯的速度表示为：其中，vrgb为考虑信号灯状态的车速，drgb为当前车辆距信号灯的距离，k为信号灯的循环次数，tc为一个红绿灯信号的周期，td为汽车以当前车速行驶至信号灯的时间，vmax为本路段的限速值。装置方案四，在装置方案三的基础上，是否存在拥堵的速度表示为：其中，vjam为是否存在拥堵的车速，djam为当前车辆距拥堵车辆尾部的距离，tjam为汽车以当前车速行驶至拥堵车辆尾部的时间，vmax本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)采集车辆本身的位置信息、速度及加速度，判断车辆此时的工况；接收前方车辆的位置信息、速度及加速度，计算车辆本身下一时刻的预测车速；2)根据采集的前方信号灯的状态信息和前方拥堵信息，计算是否拥堵状态下的车速以及通过前方信号灯的速度，并结合计算的车辆本身下一时刻的预测车速，来计算车辆本身下一时刻的目标车速，将车辆本身下一时刻的目标车速与本路段的限速值比较，取两者中的较小值为车辆本身下一时刻的最优目标车速；3)根据计算得到的车辆本身的最优目标车速计算车辆本身的燃料电池的需求功率，并根据车辆需求功率计算燃料电池的空气流量和氢气流量，控制空压机的目标转速和氢气供给系统的流量。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)采集车辆本身的位置信息、速度及加速度，判断车辆此时的工况；接收前方车辆的位置信息、速度及加速度，计算车辆本身下一时刻的预测车速；2)根据采集的前方信号灯的状态信息和前方拥堵信息，计算是否拥堵状态下的车速以及通过前方信号灯的速度，并结合计算的车辆本身下一时刻的预测车速，来计算车辆本身下一时刻的目标车速，将车辆本身下一时刻的目标车速与本路段的限速值比较，取两者中的较小值为车辆本身下一时刻的最优目标车速；3)根据计算得到的车辆本身的最优目标车速计算车辆本身的燃料电池的需求功率，并根据车辆需求功率计算燃料电池的空气流量和氢气流量，控制空压机的目标转速和氢气供给系统的流量。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述预测车速的计算公式为：vb＝f(v+aΔt)+b(vf+afΔt)其中，vb为车辆本身的下一时刻的预测车速，v为车辆本身的速度，a为车辆本身的加速度，Δt为计算时间间隔，vf为前方车辆的速度，af为前方车辆的加速度，f和b为设定的权重系数。3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，通过前方信号灯的速度表示为：其中，vrgb为考虑信号灯状态的车速，drgb为当前车辆距信号灯的距离，k为信号灯的循环次数，tc为一个红绿灯信号的周期，td为汽车以当前车速行驶至信号灯的时间，vmax为本路段的限速值。4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，是否存在拥堵的速度表示为：其中，vjam为是否存在拥堵的车速，djam为当前车辆距拥堵车辆尾部的距离，tjam为汽车以当前车速行驶至拥堵车辆尾部的时间，vmax为本路段的限速值。5.根据权利要求4所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述车辆本身下一时刻的目标车速表示为：vtar＝vb+c·vjam+d·vrgb其中，vtar为车辆本身下一时刻的目标车速，vb为车辆本身的下一时刻的预测车速，vjam为是否存在拥堵的车速，vrgb为考虑信号灯状态的车速，c，d为设定的权重系数。6.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，计算得到燃料电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王传秋，李维国，曹卓涛，周鑫，李飞强，
申请(专利权)人：郑州宇通客车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41