CN102358201A - 基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统及控制方法 - Google Patents

基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统及控制方法，其配备氢气罐的燃料电池系统输出端通过可控继电器S1与DC/DC变换器输入相连；DC/DC变换器输出与磷酸铁锂动力电池包相连；磷酸铁锂动力电池包与电机控制器的高压输入端相连，电机控制器三相输出端连接驱动电机；整车控制器VMS通过I/O口直接控制管理氢气输出的电磁阀和继电器S1，并通过CAN总线与燃料电池系统、DC/DC变换器、电池管理系统、电机控制器进行通讯，从而控制电机驱动整车行驶并管理整个动力系统。带氢气罐的燃料电池系统作为磷酸铁锂动力电池包的车载充电器，可提供一种电动汽车车载增程器方案。燃料电池系统作车载增程器效率高于内燃机，且低噪声，零排放零污染。

Description

基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统及控制方法
技术领域
本发明属于新能源电动汽车领域，是一种增程式电动汽车动力系统，进一步说是基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统及控制方法。
背景技术
新能源电动汽车有着节能、环保等优点，正成为新一代汽车研发的热点。近年来，电动汽车技术已取得了重大进展，然而在研发及产业化推进过程中仍然存在着技术性挑战，如动力电池寿命短，充电时间长，能量密度不高导致一次充电后整车续驶里程短等问题。
由于纯电动汽车一次充电后的续驶里程短，故作为提高整车续驶里程的增程式电动汽车应运而生。增程式电动汽车是在纯电动汽车的基础上配备车载充电器的新能源电动汽车，从而大大提高了电动汽车的续航能力。增程式电动汽车主要采用动力蓄电池作为驱动能源，如铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池等，而车载充电器一般采用小型汽油或柴油内燃发动机，当动力蓄电池电量充足时该内燃机无需启动，当动力蓄电池电量不足时该内燃机将启动，且可连续工作在最佳转速下，输出的功率和扭矩也基本恒定，因而其效率、排放、可靠性等均处在较佳状态。内燃机可持续给动力蓄电池进行在线充电，这将大大增加整车续驶里程。此外，增程式电动汽车的动力蓄电池容量只需相同级别纯电动车的40％至50％，综合成本基本相当。
但是内燃机工作燃料仍然采用汽油或柴油等不可再生能源，能量转换效率不足30％，且排放出CO、CO2、硫化物、氮氧化合物等污染物，这与纯电动汽车实现零排放的清洁能源目标不符合，因此续驶里程更高的燃料电池电动汽车诞生。但燃料电池电动汽车动力系统一般采用质子交换膜燃料电池作为车载主能源，而动力蓄电池则为辅助能源，只是在车辆启动及加速爬坡状态下提供辅助功率用，这样燃料电池系统输出功率随着车载工况动态变化，而燃料电池系统在这种动态工况下寿命及耐久性欠佳，而且大功率的燃料电池系统成本远高于动力电池，这两点导致燃料电池电动汽车难以进行有效推广。
因此提出采用质子交换膜燃料电池系统增程式电动汽车动力系统方案，即整车采用动力蓄电池作为车载主能源，而小功率燃料电池系统为动力蓄电池的车载充电器。一方面质子交换膜燃料电池系统以高压氢气及压缩空气为反应剂，生产电和水，转换效率超过50％，且完全零污染零排放，优于采用汽油或柴油的内燃机做增程器方案；另一方面由于燃料电池系统功率配置低于传统燃料电池电动汽车从而成本更低，且此动力系统结构下燃料电池系统工作在稳定输出状态，车载使用寿命更高。
发明内容
本发明提供了一种以磷酸铁锂动力电池为车载主能源，以质子交换膜燃料电池系统为其车载充电器，通过可控DC/DC变换器对磷酸铁锂电池包进行在线充电，从而提高电动汽车的续航里程的基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统及控制方法，以克服现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统，包括配备氢气罐的燃料电池系统、DC/DC变换器、动力蓄电池系统、电机控制器及驱动电机、整车控制器VMS，所述燃料电池系统包括氢气供给装置、燃料电池发电装置及燃料电池控制器，其特征在于：所述氢气罐通过减压阀以及可控电磁阀为燃料电池系统提供反应所需氢气；燃料电池系统输出端通过继电器S1与DC/DC变换器输入相连；DC/DC变换器输出与动力蓄电池系统相连；动力蓄电池系统与电机控制器的高压输入相连，电机控制器三相输出连接驱动电机；整车控制器VMS通过I/O口直接控制氢气输出的电磁阀和继电器S1，整车控制器VMS通过CAN总线与燃料电池控制器、DC/DC控制器、动力蓄电池系统、电机控制器进行通讯，从而控制电机驱动整车行驶并管理整个动力系统。
在本发明的一个实施例中，所述燃料电池系统为质子交换膜燃料电池系统所述减压阀分为两级，所述氢气罐储存的氢气通过一级减压阀、二级减压阀以及可控电磁阀为质子交换膜燃料电池系统提供反应用氢气。
所述质子交换膜燃料电池系统包括燃料电池发电装置及燃料电池控制器。燃料电池控制器获得发电装置的电压、电流、压力、温度等信息，并控制进入发电装置的氢气及空气，从而产生电能。
所述DC/DC变换器包括DC/DC拓扑变换及DC/DC控制器。燃料电池系统传输过来的电能通过DC/DC变换器的变换，给磷酸铁锂动力电池包进行可控充电。而可控充电功率则由整车控制器通过CAN总线发给DC/DC控制器。
动力蓄电池系统包括磷酸铁锂动力电池包和电池管理系统。动力电池包输入端与DC/DC转换器输出端相连，输出端则连接电机控制器的输入端。磷酸铁锂动力电池包为电动汽车的驱动电机提供电能，当磷酸铁锂电池电流不足时，则由燃料电池系统通过DC/DC变换器为其充电，从而来提高整车续驶里程。电池管理系统则用于获取动力电池包的SOC电量值、电压、电流及温度等信息。
电机控制器及驱动电机则将电能转换为机械能，结合驱动变速箱以及驱动桥来实现对整车的驱动及行驶。
整车控制器为整个动力系统的核心执行部件。首先它根据磷酸铁锂电池包电量SOC及燃料电池状态，直接通过IO口去控制管理高压氢气输入的电磁阀以及继电器S1；其次它通过CAN总线与燃料电池控制器、DC/DC控制器、电池管理系统以及电机控制器进行通讯，实现对整个动力系统的控制和管理。具体的控制方法详见具体实施方式。
所述氢气罐压力为100-700bar，氢气通过一级减压阀后压力为0-10bar，通过二级减压阀后压力为0-1bar，再通过电磁阀为燃料电池系统提供反应所需燃料，燃料电池通过氢气与空气中的氧气在质子交换膜上发生反应生成直流电和水，其中直流电则通过后级DC/DC变换器为磷酸铁锂动力电池包充电，从而提高磷酸铁锂动力电池包的在线电量，延长整车续驶里程。
与现有技术相比，本发明基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统具有以下优点：
(1)在动力蓄电池包前级增加燃料电池系统及DC/DC变换器，解决了车载动力电池能量储存的不足，增加了车辆的行驶里程。
(2)以质子交换膜燃料电池系统取代传统内燃机作为车载发电装置，具有零排放、零污染、低噪音、高效能的优点。
(3)质子交换膜燃料电池系统工作在稳定发电状态下，相比燃料电池电动汽车动力结构来说，燃料电池寿命更高，成本更低。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明整车控制器信号流图。
图3为本发明整车控制器控制方法执行流程图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施方式。
本发明基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统的连接方式如图1所示：
高压氢气罐的输出端通过一级减压阀、二级减压阀和可控电磁阀连接质子交换膜燃料电池系统；燃料电池系统的输出端通过可控继电器S1与DC/DC变换器输入端相接，DC/DC变换器输出端则与磷酸铁锂电池包输入端连接；磷酸铁锂电池包输出端连接到电机控制器的输入端，电机控制器输出端连接驱动电机；驱动电机再通过变速箱、驱动桥去驱动车轮行驶。整车控制器VMS通过I/O口去控制电磁阀和继电器S1，并通过CAN总线与燃料电池控制器、DC/DC控制器、电池管理系统以及电机控制器进行通讯。
整车控制器VMS负责整个动力系统的安全高效运行。下面将具体描述整个动力系统的控制及管理方法。首先，根据电动汽车整车类型不同划分为三种不同的动力配置如下表：
三种动力配置下，如图2所示，整车控制器VMS获得点火开关信号、油门踏板模拟信号、刹车踏板模拟信号，通过I/O口输出电磁阀开闭信号及继电器S1开闭信号，通过CAN总线获得磷酸铁锂动力电池电量SOC值、锂电池包状态(正常或故障，下同)、燃料电池系统状态、DC/DC变换器状态、驱动电机及控制器状态、DC/DC输入输出电压电流，通过CAN总线控制驱动电机的输出扭矩以及DC/DC变换器的输出功率，从而实现驱动整车行驶及燃料电池系统对磷酸铁锂电池包的在线充电，其中对DC/DC变换器输出功率的具体控制及调节方法如下：
(1)整车车型为微型电动车的控制方法
a.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC大于70％时候，控制DC/DC变换器输出功率为0，断开S1及电磁阀；
b.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于50％和70％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为1kW；
c.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于30％和50％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为1.5kW；
d.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC低于30％时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为2kW。
(2)整车车型为电动轿车的控制方法
a.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC大于70％时候，控制DC/DC变换器输出功率为0，断开S1及电磁阀；
b.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于50％和70％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为3kW；
c.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于30％和50％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为4kW；
d.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC低于30％时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为5kW。
(3)DC/DC变换器的输出充电功率由VMS控制，整车车型为电动客车的控制方法如下：
a.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC大于70％时候，控制DC/DC变换器输出功率为0，断开S1及电磁阀；
b.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于50％和70％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为10kW；
c.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于30％和50％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为13kW；
d.当磷酸铁锂动力电池包电量SOC低于30％时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为15kW。
以整车车型为电动轿车为例，图3给出整车控制器VMS对动力系统实现增程式管理的控制流程图。当驾驶员给整车实施点火动作后，整车控制器通过CAN总线获知各部件状态均正常时，流程进入到对DC/DC输出功率进行调节控制，根据磷酸铁锂电池包SOC值不同分别进行相应的输出功率控制及电磁阀、继电器管理。由于DC/DC变换器的输入来自燃料电池系统，输出则给磷酸铁锂电池包进行充电，故燃料电池系统在整个动力系统中的作用就是对磷酸铁锂电池包进行在线充电，从而增加整车续驶里程。
而整车具体增加多少续驶里程则取决于配置的高压氢气罐，根据整车车型及动力配置不同，高压氢气罐及整车续驶里程如下：
(1)微型电动车配置200bar/20L标准高压氢气瓶1个，则整车续驶里程由100km增加至200km；
(2)电动轿车配置350bar/40L标准高压氢气瓶1个，则整车续驶里程
由150km增加至350km；
(3)电动客车配置350bar/40L标准高压氢气瓶6个或者700bar/40L标准高压氢气瓶6个，则整车续驶里程由200km增加至400km(350bar)或600km(700bar)。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (8)

1.一种基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统，包括配备氢气罐的燃料电池系统、DC/DC变换器、动力蓄电池系统、电机控制器及驱动电机、整车控制器VMS，所述燃料电池系统包括氢气供给装置、燃料电池发电装置及燃料电池控制器，其特征在于：所述氢气罐通过减压阀以及可控电磁阀为燃料电池系统提供反应所需氢气；燃料电池系统输出端通过继电器S1与DC/DC变换器输入相连；DC/DC变换器输出与动力蓄电池系统相连；动力蓄电池系统与电机控制器的高压输入相连，电机控制器三相输出连接驱动电机；整车控制器VMS通过I/O口直接控制氢气输出的电磁阀和继电器S1，整车控制器VMS通过CAN总线与燃料电池控制器、DC/DC控制器、动力蓄电池系统、电机控制器进行通讯，从而控制电机驱动整车行驶并管理整个动力系统。
2.如权利要求1所述的基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统，其特征在于：所述燃料电池系统为质子交换膜燃料电池系统，所述质子交换膜燃料电池系统包括燃料电池发电装置及燃料电池控制器，燃料电池控制器获得发电装置的电压、电流、压力、温度信息，并控制进入发电装置的氢气及空气，从而产生电能；
所述减压阀分为两级，所述氢气罐储存的氢气通过一级减压阀、二级减压阀以及可控电磁阀为质子交换膜燃料电池系统提供反应用氢气；
所述DC/DC变换器包括DC/DC拓扑变换及DC/DC控制器，燃料电池系统传输过来的电能通过DC/DC变换器的变换，给动力蓄电池系统进行可控充电，而可控充电功率则由整车控制器VMS通过CAN总线发给DC/DC控制器；
所述动力蓄电池系统包括磷酸铁锂动力电池包和电池管理系统，动力电池包输入端与DC/DC转换器输出端相连，输出端则连接电机控制器的输入端，磷酸铁锂动力电池包为电动汽车的驱动电机提供电能，当磷酸铁锂电池电流不足时，则由燃料电池系统通过DC/DC变换器为其充电，从而来提高整车续驶里程，电池管理系统则用于获取磷酸铁锂动力电池包的SOC电量值、电压、电流及温度信息；
所述电机控制器及驱动电机将电能转换为机械能，结合驱动变速箱以及驱动桥来实现对整车的驱动及行驶；
整车控制器为整个动力系统的核心执行部件，首先它根据磷酸铁锂电池包电量SOC及燃料电池状态，直接通过I/O口去控制管理氢气输入的电磁阀以及继电器S1；其次它通过CAN总线与燃料电池控制器、DC/DC控制器、电池管理系统以及电机控制器进行通讯，实现对整个动力系统的控制和管理。
3.如权利要求2所述的基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统，其特征在于：所述氢气罐压力为100-700bar，氢气通过一级减压阀后压力为0-10bar，通过二级减压阀后压力为0-1bar，再通过电磁阀为燃料电池系统提供反应所需燃料，燃料电池通过氢气与空气中的氧气在质子交换膜上发生反应生成直流电和水，其中直流电则通过后级DC/DC变换器为磷酸铁锂动力电池包充电，从而提高磷酸铁锂动力电池包的在线电量，延长整车续驶里程。
4.如权利要求2所述的基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统，其控制方法是：整车控制器VMS获得点火开关信号、油门踏板模拟信号、刹车踏板模拟信号，通过I/O口输出电磁阀开闭信号及继电器S1开闭信号，通过CAN总线获得磷酸铁锂动力电池电量SOC值、磷酸铁锂动力电池包状态、燃料电池系统状态、DC/DC变换器状态、驱动电机及控制器状态、DC/DC输入输出电压电流，通过CAN总线控制驱动电机的输出扭矩以及DC/DC变换器的输出功率，从而实现驱动整车行驶及燃料电池系统对磷酸铁锂电池包的在线充电。
5.如权利要求4所述的基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统的控制方法，其特征在于：所述电动汽车包括微型电动汽车、电动轿车和电动客车，所述对DC/DC变换器输出功率的具体控制方法依据不同的电动汽车实施相对应的控制方法。
6.如权利要求5所述的基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统的控制方法，其特征在于：所述电动汽车为微型电动汽车，其控制方法为：
(1)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC大于70％时，控制DC/DC变换器输出功率为0，断开S1及电磁阀；
(2)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于50％和70％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为1kW；
(3)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于30％和50％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为1.5kW；
(4)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC低于30％时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为2kW。
7.如权利要求5所述的基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统的控制方法，其特征在于：所述电动汽车为电动轿车，其控制方法为：
(1)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC大于70％时候，控制DC/DC变换器输出功率为0，断开S1及电磁阀；
(2)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于50％和70％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为3kW；
(3)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于30％和50％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为4kW；
(4)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC低于30％时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为5kW。
8.如权利要求5所述的基于燃料电池的增程式电动汽车动力系统的控制方法，其特征在于：所述电动汽车为电动客车，其控制方法为：
(1)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC大于70％时候，控制DC/DC变换器输出功率为0，断开S1及电磁阀；
(2)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于50％和70％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为10kW；
(3)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC位于30％和50％之间时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为13kW；
(4)当磷酸铁锂动力电池包电量SOC低于30％时，闭合S1及电磁阀，控制DC/DC变换器输出功率为15kW。
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