CN104139709A - 一种燃料电池增程器的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池增程器的控制系统及控制方法，属于新能源电动汽车技术领域，本发明以动力电池作为驱动能源，燃料电池作为增程辅助能源，在动力电池效率和功率范围内，尽量减少燃料电池增程器的启动，减少增程器频繁启动的损坏以及对动力电池频繁充放电的寿命影响，在极大利用动力电池能量后，启动燃料电池，并根据需求功率控制燃料电池的输出功率，延长续航里程；本发明使燃料电池和动力电池运行效率达到最佳，解决了动力电池续航里程短及燃料电池成本高的问题，同时延长了动力电池和燃料电池的寿命，实现了动力性和经济性的高效统一。

Description

一种燃料电池增程器的控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于新能源电动汽车技术领域，涉及一种对燃料电池增程器的启动和停机进行控制以及对燃料电池和动力电池的能量进行协调控制与分配的方法，具体是一种燃料电池增程器的控制系统及控制方法。

背景技术

随着科技的进步、石油资源的日益匮乏和公众环保意识的提高，电动汽车越来越受到人们的重视。近年来电动汽车已取得重大发展，但是电池的能量密度不高、电池寿命短，导致续航里程短，是当前市场推广的较大瓶颈。

为了解决电动汽车续航里程短的问题，各种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加载车载充电器，从而大大延长了电动汽车的续航能力。目前增程式电动汽车采用动力蓄电池为主要驱动能源，而车载充电器一般采用小型汽油或柴油发动机，当电池电量充足时，发动机停机，当电池电量不足时，发动机启动进行辅助驱动，延长续航里程。但作为车载充电器的发动机仍采用汽油或柴油等不可再生能源，能量转换效率低，且排放出CO,CO₂，硫化物等污染物与电动汽车零排放的目标不符合。

近年来，燃料电池技术不断取得突破，获得快速发展。燃料电池以氢气和氧气为反应剂，生成电和水，转换效率高并且完全零污染、零排放。对于以燃料电池为主要驱动能量的汽车，由于汽车的运行并不是一个稳态情况,频繁的启动、加速和爬坡使得汽车动态工况非常复杂，燃料电池的输出随着车载工况变化，而燃料电池在这种动态工况下耐久性及寿命欠佳，并且燃料电池动态响应比较慢,在启动、急加速或爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行驶要求。同时对于以燃料电池为主要驱动能量的汽车，燃料电池的成本势必较高。因此以动力电池作为主要驱动能源，以燃料电池作为增程器是一个很好的技术发展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池增程器的控制系统及控制方法，以动力电池作为驱动能源，燃料电池作为增程辅助能源，在动力电池效率和功率范围内，尽量减少燃料电池增程器的启动，减少增程器频繁启动的损坏以及对动力电池频繁充放电的寿命影响，在极大利用动力电池能量后，启动燃料电池，并根据需求功率控制燃料电池的输出功率，延长续航里程。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

一种燃料电池增程器的控制系统，包括燃料电池增程器、动力电池及动力电池管理系统、整车控制器和电机控制器；所述燃料电池增程器包括氢气供给装置、减压阀、可控电磁阀、燃料电池发电装置、燃料电池管理系统和DC/DC变换器；所述燃料电池管理系统、动力电池管理系统、电机控制器和整车控制器通过CAN总线组成一个分布式系统，进行信息交互；所述燃料电池增程器的氢气供给装置与减压阀连接，减压阀连接可控电磁阀，可控电磁阀与燃料电池发电装置连接，燃料电池发电装置与DC/DC变换器连接；所述燃料电池发电装置的输出、动力电池的输出、电机控制器的输入共直流母线。

所述燃料电池管理系统对燃料电池增程器进行实时监测、控制与故障诊断；燃料电池管理系统通过IO口控制可控电磁阀的打开或关闭，实现接通或切断燃料电池发电装置的氢气流入通道；燃料电池管理系统通过PWM控制DC/DC变换器，调整燃料电池增程器的输出功率。

所述动力电池管理系统对动力电池状态进行实时监测、控制与故障诊断；所述动力电池管理系统通过CAN总线将动力电池状态信息发送给整车控制器。

所述电机控制器将直流逆变为三相交流驱动电机，所述电机控制器对电机状态进行监测、控制与故障诊断；所述电机控制器通过CAN总线将动力电池状态信息发送给整车控制器。

所述整车控制器对驾驶员输入、整车状态进行采集与诊断，并对整个系统进行协调与控制。

一种燃料电池增程器的控制方法，包括如下步骤：

（1）当动力电池的容量处于高荷电状态时，燃料电池增程器停止工作，靠动力电池提供功率输出，充分利用动力电池的能量并避免动力电池出现过充电，整车控制器给燃料电池管理系统发送燃料电池增程器关闭请求，同时燃料电池输出功率请求为0；

（2）当动力电池的容量低于低荷电状态时，为了延长续航里程同时避免动力电池过放电，整车控制器发送给燃料电池控制系统增程器使能请求，并根据驾驶员的需求功率，分级调整燃料电池的输出功率：即当驾驶员需求功率低于最小功率限值时，整车控制器请求燃料电池输出低等级的功率，当驾驶员需求功率高于最大功率限值时，整车控制器请求燃料电池输出高等级功率，当需求功率高于最小功率限值而低于最大功率限值时，整车控制器请求燃料电池输出中间等级的功率；因汽车动态工况复杂，驾驶员需求功率变化较大，整车控制器的三个功率等级之间应设置功率阀值，以防止燃料电池的输出功率出现频繁的波动，影响燃料电池的寿命；整车控制器将上述方式中计算出来的燃料电池功率请求，跟燃料电池管理系统反馈的燃料电池可用功率进行比较，保证发送给燃料电池的功率请求不应超过燃料电池管理系统反馈的可用功率；燃料电池管理系统接收到整车控制器的使能请求和功率请求后，控制可控电磁阀闭合，并通过PWM控制DC/DC实现整车控制器的功率请求；

（3）当电池容量高于低荷电状态而低于高荷电状态时，保持燃料电池前一时刻的状态不变，即如果前一段时刻燃料电池处于开机状态，保持燃料电池开机状态不变，若前一时刻燃料电池处于关机状态，则保持燃料电池关机状态，以避免燃料电池频繁启停；当燃料电池处于开机状态，整车控制器根据驾驶员需求功率请求和燃料电池可用能量调整燃料电池输出功率请求。

    所述高荷电状态和低荷电状态是由动力电池管理系统实时计算动力电池的电量，并将电量值发送给整车控制器进行判断，动力电池的电量高于80%时，判断为高荷电状态，动力电池的电量低于40%时，判断为低荷电状态。

本发明的有益效果是：使燃料电池和动力电池运行效率达到最佳，解决了动力电池续航里程短及燃料电池成本高的问题，同时延长了动力电池和燃料电池的使用寿命，实现了动力性和经济性的高效统一。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明中整车控制器的工作流程图。

图3是本发明的控制方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的阐述：

一种燃料电池增程器的控制系统，如图1所示，包括燃料电池增程器、动力电池及动力电池管理系统、整车控制器和电机控制器；所述燃料电池增程器包括氢气供给装置、减压阀、电磁阀、燃料电池发电装置、燃料电池管理系统和DC/DC变换器；所述燃料电池管理系统、动力电池管理系统、电机控制器和整车控制器通过CAN总线组成一个分布式系统，进行信息交互；所述燃料电池增程器的氢气供给装置与减压阀连接，减压阀连接电磁阀，电磁阀与燃料电池发电装置连接，燃料电池发电装置与DC/DC变换器连接；燃料电池发电装置的输出、动力电池输出、电机控制器共直流母线。

燃料电池增程器的氢气供给装置中的高压氢气经过减压阀变成低压氢气，经过可控电磁阀后进入燃料电池发电装置，提供燃料电池反应所需要的低压氢气，在燃料电池发电装置中进行化学反应产生电能。由于燃料电池发电装置产生的电能，电压波动比较大并且功率不可控，直接接入直流母线会导致直流母线电压波动较大，影响电机驱动的稳定性与平顺性，因此燃料电池发电装置的输出需经过DC/DC变换器后接入直流母线。燃料电池发电装置输出的电能经DC/DC变换器成为与直流母线接近的电压等级，接入直流母线。电机控制器将直流逆变为三相交流驱动电机。

燃料电池管理系统对燃料电池增程器进行实时监测、控制与故障诊断；动力电池管理系统对动力电池状态进行实时监测、控制与故障诊断；电机控制器对电机状态进行监测、控制与故障诊断；整车控制器对驾驶员输入、整车状态进行采集与诊断，并对整个系统进行协调与控制。

燃料电池管理系统通过IO口控制可控电磁阀的打开或关闭，实现接通或切断燃料电池发电装置的氢气流入通道；燃料电池管理系统通过PWM控制DC/DC变换器，调整燃料电池的输出功率；燃料电池管理系统对燃料电池的状态进行实时监测、控制与故障诊断，将燃料电池的可用功率、电池故障、DC/DC变换器故障、可控电磁阀故障等信息通过CAN发送给整车控制器，并通过CAN接收整车控制器的使能请求和输出功率请求。当接收到整车控制器的使能请求时，打开可控电磁阀，接通燃料电池发电装置的氢气流入通道，反之关闭氢气流入通道；燃料电池管理系统同时接收到整车控制器的使能请求和输出功率请求时，将功率请求转换为PWM信号控制DC/DC变换器，响应整车控制器的输出功率请求。

动力电池管理系统对动力电池状态进行实时监测、控制与故障诊断，将动力电池电量、温度、最大允许放电电流、最大允许充电电流、电池电压、电池故障等信息通过CAN发送给整车控制器。

电机控制器对电机的状态进行实时监测、控制与故障诊断，将电机温度、逆变器温度、电机转速、最大允许扭矩、实际扭矩、电机故障等信息通过CAN发送给整车控制器，并实时响应整车控制器的扭矩请求，从而推动车辆运动。

整车控制器的工作流程图如图2所示，整车控制器采集驾驶员输入的油门、刹车、档位、钥匙等信号，并通过CAN获取动力电池、燃料电池和电机的输入信号；整车控制器根据油门信号、电机转速、电机最大允许扭矩、负载电流等计算出驾驶员的需求功率；当动力电池、燃料电池和电机系统均未报故障时，整车控制器根据动力电池的电量进行智能决策，对燃料电池的能量和动力电池的能量进行管理与协调控制，控制燃料电池的开启或关闭。当确定需要燃料电池开启时，发送燃料电池使能请求给燃料电池管理系统，并根据计算出的驾驶员能量请求和燃料电池可用能量，判断出燃料电池输出功率发送给燃料电池管理系统，由燃料电池系统控制可控电磁阀和DC/DC变换器来响应整车控制器的使能和能量请求。

燃料电池增程器管理系统的控制方法如图3所示：

A区：当电池的容量（SOC）处于高荷电状态（大于hi_soc）时，燃料电池增程器停止工作，靠动力电池提供功率输出，充分利用动力电池的能量并避免动力电池出现过充电，整车控制器发送给燃料电池管理系统关闭燃料电池增程器的请求，同时燃料电池输出功率请求为0；

B区：当电池容量（SOC）低于低荷电状态（小于lo_soc）时，为了延长续航里程同时避免动力电池过放电，整车控制器发送给燃料电池管理系统燃料电池增程器使能请求，并根据驾驶员的需求功率，分级调整燃料电池的输出功率：

即当驾驶员需求功率低于最小功率限值（min_power）时，整车控制器请求燃料电池输出较低等级的功率，当驾驶员需求功率高于最大功率限值（max_power）时，整车控制器请求燃料电池输出高等级功率，当需求功率高于最小功率限值（min_power）而低于最大功率限值（max_power）时，整车控制器请求燃料电池输出中间等级的功率；最小功率限值和最大功率限值是固定值，可以在实车上标定确定；因汽车动态工况复杂，驾驶员需求功率变化较大，整车控制器的三个功率等级之间应设置功率阀值，这个阀值是固定值，如0.5kw，可在实车上标定确定，以防止燃料电池的输出功率出现频繁的波动，影响燃料电池的寿命；整车控制器将上述方式中计算出来的燃料电池功率请求，跟燃料电池管理系统反馈的燃料电池可用功率进行比较，保证发送给燃料电池的功率请求不应超过燃料电池管理系统反馈的可用功率；燃料电池管理系统接收到整车控制器的使能请求和功率请求后，控制可控电磁阀闭合，并通过PWM控制DC/DC变换器，实现整车控制器的功率请求；

C区：当电池容量（SOC）高于低荷电状态而低于高荷电状态（大于lo_soc小于hi_soc）时，保持燃料电池前一时刻的状态不变，即如果前一段时刻燃料电池处于开机状态，保持燃料电池开机状态不变，若前一时刻燃料电池处于关机状态，则保持燃料电池关机状态，以避免燃料电池频繁启停；当燃料电池处于开机状态，整车控制器根据驾驶员需求功率请求和燃料电池可用能量调整燃料电池输出功率请求。

上面所述的高荷电状态和低荷电状态是由动力电池管理系统实时计算动力电池的电量，并将电量值发送给整车控制器进行判断，动力电池的电量高于80%时，判断为高荷电状态，动力电池的电量低于40%时，判断为低荷电状态。

燃料电池工作时，动力电池根据实际需求功率进行动态调整，当需求功率大于燃料电池输出功率时，动力电池提供部分驱动力，当需求功率小于燃料电池输出功率时，燃料电池的电流流入动力电池为动力电池充电。整车控制器应保证动力电池能量与燃料电池分级调整输出功率协调、合理性：若燃料电池输出功率设置太高，远远超出驾驶员能量需求，会出现燃料电池输出的电先给动力电池充电，然后再由动力电池放电的情况，因多一次能量转换，势必会导致能量损失，影响电动汽车的经济性，因此尽量避免出现燃料电池为动力电池充电的情况；若燃料电池输出功率设置较低，远低于驾驶员能量需求，会出现动力电池电量耗尽而燃料电池能量还很充足的情况，影响电动汽车的动力性，续航里程增加不明显。

Claims (7)

1.一种燃料电池增程器的控制系统，其特征在于：包括燃料电池增程器、动力电池及动力电池管理系统、整车控制器和电机控制器；所述燃料电池增程器包括氢气供给装置、减压阀、可控电磁阀、燃料电池发电装置、燃料电池管理系统和DC/DC变换器；所述燃料电池管理系统、动力电池管理系统、电机控制器和整车控制器通过CAN总线组成一个分布式系统，进行信息交互；所述燃料电池增程器的氢气供给装置与减压阀连接，减压阀连接可控电磁阀，可控电磁阀与燃料电池发电装置连接，燃料电池发电装置与DC/DC变换器连接；所述燃料电池发电装置的输出、动力电池的输出、电机控制器的输入共直流母线。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池增程器的控制系统，其特征在于：所述燃料电池管理系统对燃料电池增程器进行实时监测、控制与故障诊断；燃料电池管理系统通过IO口控制可控电磁阀的打开或关闭，实现接通或切断燃料电池发电装置的氢气流入通道；燃料电池管理系统通过PWM控制DC/DC变换器，调整燃料电池增程器的输出功率。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池增程器的控制系统，其特征在于：所述动力电池管理系统对动力电池状态进行实时监测、控制与故障诊断；所述动力电池管理系统通过CAN总线将动力电池状态信息发送给整车控制器。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池增程器的控制系统，其特征在于：所述电机控制器将直流逆变为三相交流驱动电机，所述电机控制器对电机状态进行监测、控制与故障诊断；所述电机控制器通过CAN总线将动力电池状态信息发送给整车控制器。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池增程器的控制系统，其特征在于：所述整车控制器对驾驶员输入、整车状态进行采集与诊断，并对整个系统进行协调与控制。

6.一种燃料电池增程器的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）当动力电池的容量处于高荷电状态时，燃料电池增程器停止工作，靠动力电池提供功率输出，充分利用动力电池的能量并避免动力电池出现过充电，整车控制器给燃料电池管理系统发送燃料电池增程器关闭请求，同时燃料电池输出功率请求为0；

（2）当动力电池的容量低于低荷电状态时，为了延长续航里程同时避免动力电池过放电，整车控制器发送给燃料电池管理系统增程器使能请求，并根据驾驶员的需求功率，分级调整燃料电池的输出功率：即当驾驶员需求功率低于最小功率限值时，整车控制器请求燃料电池输出低等级的功率，当驾驶员需求功率高于最大功率限值时，整车控制器请求燃料电池输出高等级功率，当需求功率高于最小功率限值而低于最大功率限值时，整车控制器请求燃料电池输出中间等级的功率；所述整车控制器请求燃料电池输出的三个功率等级之间应设置功率阀值，以防止燃料电池的输出功率出现频繁的波动，影响燃料电池的寿命；整车控制器将计算出来的燃料电池功率请求，跟燃料电池管理系统反馈的燃料电池可用功率进行比较，保证发送给燃料电池的功率请求不应超过燃料电池管理系统反馈的可用功率；燃料电池管理系统接收到整车控制器的使能请求和功率请求后，控制可控电磁阀闭合，并通过PWM控制DC/DC实现整车控制器的功率请求；

（3）当电池容量高于低荷电状态而低于高荷电状态时，保持燃料电池前一时刻的状态不变，即如果前一段时刻燃料电池处于开机状态，保持燃料电池开机状态不变，若前一时刻燃料电池处于关机状态，则保持燃料电池关机状态，以避免燃料电池频繁启停；当燃料电池处于开机状态，整车控制器根据驾驶员需求功率请求和燃料电池可用能量调整燃料电池输出功率请求。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池增程器的控制方法，其特征在于：所述高荷电状态和低荷电状态是由动力电池管理系统实时计算动力电池的电量，并将电量值发送给整车控制器进行判断，动力电池的电量高于80%时，判断为高荷电状态，动力电池的电量低于40%时，判断为低荷电状态。