CN100581867C - 混合动力汽车的燃料电池动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电-电混合的燃料电池汽车动力系统，驱动电机和电机控制器构成的驱动系统，锂离子蓄电池与驱动系统相连；燃料电池发动机包括燃料电池发动机控制器和燃料电池堆，燃料电池发动机经由DC/DC变换器与驱动系统相连；所述的锂离子蓄电池、燃料电池发动机控制器和DC/DC变换器通过光纤CAN控制线与整车控制器相连。本发明中采用燃料电池发动机作为主要动力源，采用锂离子蓄电池作为辅助动力源，本发明可实现燃料电池、动力蓄电池之间功率的合理分配，从而保证燃料电池汽车的动力性、经济性、安全性以及各部件的正常寿命。
Description
技术领域
本发明涉及到一种电-电混合的燃料电池汽车动力系统，尤其涉及一种带有辅助动力源的电-电混合动力系统。
背景技术
燃料电池电动汽车由燃料电池作为动力源，直接将燃料的化学能转变为电能，经电动机驱动车辆运行。从环保角度来看，燃料电池汽车属于第3代环保汽车。第1代环保汽车是电动汽车，其缺陷就是蓄电池电量有限，续驶里程短，充电时间很长。第2代环保汽车是混合动力汽车，混合动力汽车利用内燃机发电，以电力或内燃机动力混合驱动汽车行驶，此时汽油充分燃烧，有利于保护环境，但仍然没有从根本上解决污染和油耗问题。燃料电池汽车的特点是可以大量减少污染环境的氮氧化合物的产生。随着燃料电池技术的日趋成熟，这种新一代的环保型汽车正逐渐成为世界汽车厂商研究开发的热点。目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为第5代燃料电池由于具有能量转化率高，低温启动性好，无电解质泄漏等优点，被公认为最有希望成为电动汽车的理想动力源。
发明内容
本发明的目的就是提供一种混合动力汽车的燃料电池动力系统，具有燃料电池和动力蓄电池双动力系统，并可实现两个动力源之间功率的合理分配。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种混合动力汽车的燃料电池动力系统，其特征在于：驱动电机及与之通过电缆相连的电机控制器构成的驱动系统，驱动电机采用转矩闭环控制；锂离子蓄电池通过高压直流母线与驱动系统相连；燃料电池发动机包括燃料电池发动机控制器和燃料电池堆，燃料电池发动机通过高压直流母线经由DC/DC变换器与驱动系统相连；所述的锂离子蓄电池、燃料电经由DC/DC变换器与驱动系统相连；所述的锂离子蓄电池、燃料电池发动机控制器和DC/DC变换器通过光纤CAN控制线与整车控制器相连，所述的锂离子蓄电池20由84个容量为15AH的锂离子电池串连组成，其输出电压为310V，为系统的辅助电源。
本发明中采用燃料电池发动机作为主要动力源，采用锂离子蓄电池作为辅助动力源，以解决采用燃料电池堆作为主动力源所带来的如下问题：1)在燃料电池堆启动期间，为空压机供电；2)燃料电池堆启动期间为驱动电机供电；3)汽车制动时通过驱动电机和电机控制器将回收的那部分电能储蓄起来。
本发明采用以质子交换膜燃料电池发动机为主要动力源，高能锂离子蓄电池为辅助动力源，驱动电机和电机控制器为驱动装置的电-电混合动力系统。本发明的动力系统可实现燃料电池、动力蓄电池之间功率的合理分配，从而保证燃料电池汽车的动力性、经济性、安全性以及各部件的正常寿命。
在本发明的动力系统中，考虑到燃料电池堆输出电压较低、输出特性较软及响应较慢的特点，通过DC/DC直流/直流变换器的电流闭环控制，并配以高能蓄电池组，实现驱动电机的转矩闭环控制。在汽车处于启动、加速和爬坡工况时，为满足动力性的要求，通过高能动力蓄电池组和燃料电池混合提供电能；其余工况下，主要由燃料电池提供电能。
附图概述
图1是本发明结构示意图；
图2是锂离子蓄电池的控制模块的原理结构框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明中驱动电机11及与之通过电缆相连的电机控制器12构成的驱动系统10，驱动电机11采用转矩闭环控制；锂离子蓄电池20通过高压直流母线与驱动系统10相连；燃料电池发动机30包括燃料电池发动机控制器31和燃料电池堆32，燃料电池发动机30通过高压直流母线经由DC/DC变换器40与驱动系统10相连；所述的锂离子蓄电池20、燃料电池发动机控制器31和DC/DC变换器40通过光纤CAN控制线与整车控制器50相连。在本发明的动力系统中，考虑到燃料电池堆输出电压较低、输出特性较软及响应较慢的特点，通过DC/DC变换器的电流闭环控制，并配以高能蓄电池组，实现驱动电机的转矩闭环控制。在汽车处于启动、加速和爬坡工况时，为满足动力性的要求，通过高能动力蓄电池组和燃料电池混合提供电能；其余工况下，主要由燃料电池提供电能。这种运行方式充分利用了燃料电池系统的高能量密度和蓄电池组的高功率密度。
汽车上所需的所有能源本质上均来自燃料电池堆32，即燃料电池堆32通过DC/DC变换器40向辅助电池即锂离子蓄电池20和电机控制器12进行单向能量流动。汽车在平稳运行过程中，主要由燃料电池堆32通过DC/DC变换器40向电机控制器12提供能源。汽车加速行驶或匀速上坡等需要加大功率的过程中，需要增加的功率主要由辅助电池即锂离子蓄电池20提供。汽车下坡、制动或减速过程中，再生能量主要回馈到锂离子蓄电池20。当燃料电池堆32停止向外提供能量时，例如燃料耗尽或其它故障，辅助电池临时代替燃料电池堆32提供能量。
所述的燃料电池堆32通过高压直流母线连接在DC/DC变换器40的输入端，DC/DC变换器40为单向高压变换器，其采用输出电流闭环控制，DC/DC变换器40检测输出侧高压母线上的输出电流，并与整车控制器的设定电流进行实时比较，输出侧电流。
另外，控制算法保证了燃料电池堆32的输出电流跟随汽车行驶中的平均负载变化，并适当兼顾高能锂离子蓄电池20当前的充放电需要，由此得到燃料电池的期望输出功率，基于该期望功率，整车控制器50通过燃料电池控制器调节燃料电池堆的输出功率。燃料电池输出的大电流、低电压的电能经过单向高压DC/DC变换器升压后提供给电机驱动控制器。
所述的整车控制器50输出控制信号至燃料电池发动机控制器31调节燃料电池堆32的输出功率，燃料电池堆32输出的大电流、低电压的电能经过单向高压DC/DC变换器40升压后提供给电机控制器12。
所述的燃料电池堆32为质子交换膜燃料电池。
如图2所示，所述的锂离子蓄电池20中采用1个CECU(centralelectric control unit)和7个LECU(local electric control unit)组成的两级控制结构，12节电池为1个电池模块，每个电池模块与1个LECU相连，每个LECU配置1个电压均衡器EQU，构成下一级检测与均衡控制单元，CECU采集锂离子电池组电压、电流，接受各LECU数据，并对数据进行处理，通过CAN向上位的整车控制器50(vehiclemanagement system)提供信息，并同时接收其控制信号。
锂离子蓄电池20由84个容量为15AH的锂离子电池串连组成，其输出电压为310V，为系统的辅助电源。其作用是：在燃料电池发动机30启动时提供电能；FCEV加速或爬坡时提供电能；在FCEV再生制动时回收再生制动反馈能量；停车时为控制系统、照明系统、信号、仪表板、电气设备提供电能。
整车控制器50控制燃料电池堆32、锂离子蓄电池20、驱动电机11及电机控制器12，并实现上述各器件的功率平衡控制即：1)、保证燃料电池堆32的电流给定值跟随平均负载的缓慢变化和电池充电电流控制；2)、合理的调节电池电流在保证寿命的前提下起到调节峰值功率的作用，对电池充放电的控制采用根据以SOC(充电状态)状态的不同采用不同充放电流限幅值的方法；3)、保证电池在运行一个完整的循环工况后荷电状态SOC(State of Charge)与初始值SOCinial基本相同。在这样的控制方法的指导下，整车控制器50可以计算得到燃料电池堆32的期望输出功率，并协调控制单向DC/DC变换器40、锂离子蓄电池20的负载电流，实现整个动力系统的功率平衡控制。
本发明为并联式混合动力结构，两种电池即燃料电池堆32和锂离子蓄电池20都能同时提供能源来驱动整个系统。其中质子交换膜燃料电池堆32是能源型电池，为主能源；锂离子电池20是动力性电池，为辅助能源。燃料电池发动机30和锂离子蓄电池20共同组成一个310V的高压直流电源，给系统提供能源。在燃料电池堆32正常工作发出电能之前，由锂离子蓄电池20通过直流母线直接向燃料电池控制系统和其他用电设备如车灯等供电，待燃料电池堆32正常起动完成并发出电能之后，主要由燃料电池堆32经直流母线向外供电。在负载较轻时，根据锂离子电池组的SOC值，也可给电池组充电；在加速或者爬坡等重载情况下，锂离子蓄电池20与燃料电池堆32一起向母线上的负载供电；在驱动电机11制动时，回馈的能量可以设定的回馈深度经母线向锂离子蓄电池20充电，实现能量的充分利用。通过燃料电池堆32和锂离子蓄电池20的组合使用，既可以让燃料电池堆32长时间、高效、稳定向外供电，又能发挥锂离子蓄电池20响应快、能量回馈容易等特点，以弥补燃料电池由于成本和体积等方面因素导致最大功率难以提高的不足和无法实现再生能量回收的缺陷。
在控制上采用两级控制，即车辆控制和功率平衡控制。车辆控制器和能量控制器完成各自的控制任务，其中车辆控制器解释驾驶操作命令，根据驾驶员的意图及车辆动力学特性计算出车辆对功率的需求，而能量控制器则根据当前动力源，即燃料电池发动机30和锂离子蓄电池20的状况并考虑两者反应速度的不同决定如何满足车辆控制器提出的功率需求，能量流向和控制信号流向。
Claims (5)
1、一种混合动力汽车的燃料电池动力系统，其特征在于：驱动电机(11)及与之通过电缆相连的电机控制器(12)构成的驱动系统(10)，驱动电机(11)采用转矩闭环控制；锂离子蓄电池(20)通过高压直流母线与驱动系统(10)相连；燃料电池发动机(30)包括燃料电池发动机控制器(31)和燃料电池堆(32)，燃料电池发动机(30)通过高压直流母线经由DC/DC变换器(40)与驱动系统(10)相连；所述的锂离子蓄电池(20)、燃料电池发动机控制器(31)和DC/DC变换器(40)通过光纤CAN控制线与整车控制器(50)相连，所述的锂离子蓄电池(20)由84个容量为15AH的锂离子电池串连组成，其输出电压为310V，为系统的辅助电源。
2、根据权利要求1所述的混合动力汽车的燃料电池动力系统，其特征在于：所述的燃料电池堆(32)通过高压直流母线连接在DC/DC变换器(40)的输入端，DC/DC变换器(40)为单向高压变换器，其采用输出电流闭环控制，DC/DC变换器(40)检测输出侧高压母线上的输出电流，并与整车控制器的设定电流进行实时比较，输出侧电流。
3、根据权利要求1或2所述的混合动力汽车的燃料电池动力系统，其特征在于：所述的整车控制器(50)输出控制信号至燃料电池发动机控制器(31)调节燃料电池堆(32)的输出功率，燃料电池堆(32)输出的大电流、低电压的电能经过单向高压DC/DC变换器(40)升压后提供给电机控制器(12)。
4、根据权利要求1或2所述的混合动力汽车的燃料电池动力系统，其特征在于：所述的燃料电池堆(32)为质子交换膜燃料电池。
5、根据权利要求1所述的混合动力汽车的燃料电池动力系统，其特征在于：所述的锂离子蓄电池(20)中采用1个CECU和7个LECU组成的两级控制结构，12节电池为1个电池模块，每个电池模块与1个LECU相连，每个LECU配置1个电压均衡器EQU，构成下一级检测与均衡控制单元，CECU采集锂离子电池组电压、电流，接受各LECU数据，并对数据进行处理，通过CAN向上位的整车控制器(50)提供信息，并同时接收其控制信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100120 Termination date: 20211228 |