CN106515466A - 电动车辆及其充电控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动车辆的充电控制方法，包括如下步骤：检测储能装置的当前电压；将当前电压值与至少两个分别对应着以不同充电功率进行充电的充电措施的预设电压区间进行比较，确定所述当前电压值的所属预设电压区间，并执行所属预设电压区间所对应的充电措施。本发明还公开了一种用于电动车辆的充电控制系统。本发明还公开了一种包括上述充电控制系统的电动车辆。上述充电控制方法，可以以不同充电功率对储能装置进行充电，从而有效确保储能装置的正常工作，使电动车辆运行正常。

Description

电动车辆及其充电控制系统与方法

技术领域

本发明涉及车辆工程技术领域，特别涉及一种充电控制方法。此外，本发明还涉及一种充电控制系统。本发明还涉及一种具有该能源管理器的电动车辆。

背景技术

甲醇重整制氢燃料电池目前主要用于固定场所发电设备及不间断电源。由于其启动与停机时间较长，调节响应速度慢，功率跟随性能软，无法直接作为主动力源应用于新能源汽车。

通过利用甲醇重整制氢燃料电池作为增程发电设备与电池或超级电容混合储能是当前解决新能源电动汽车续航里程的一种方法。目前学术界在燃料电池应用于新能源汽车领域内主要有以下几个能源组合的过程：第一阶段为“燃料电池+蓄电池”；第二阶段为“燃料电池+蓄电池+超级电容”；第三阶段为“燃料电池+超级电容”。第一阶段采用蓄电池作为缓冲储能装置，主要存在蓄电池寿命，低温特性，功率密度及回馈能量吸收问题；第二阶段采用蓄电池与超级电容组合缓冲储能，蓄电池本身的低温特性没有解决，蓄电池寿命有所改善，功率密度极大提升，能量吸收问题彻底解决，但是两者组合带来了新的问题即能量管理复杂，集成难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种充电控制方法，该控制方法可以解决了制动能量无法全部吸收，电池自身寿命及低温特性的问题；本发明的另一目的是提供一种充电控制系统；本发明还提供一种具有该能源管理器的电动车辆。

为实现上述目的，本发明提供一种用于电动车辆的充电控制方法，包括如下步骤：

检测储能装置的当前电压；

将当前电压值与至少两个分别对应着以不同充电功率进行充电的充电措施的预设电压区间进行比较，确定所述当前电压值的所属预设电压区间，并执行所属预设电压区间所对应的充电措施。

相对于上述背景技术，本发明提供的充电控制方法，主要包括两个步骤：第一步，检测储能装置的当前电压；第二步，将当前电压值与至少两个分别对应着以不同充电功率进行充电的充电措施的预设电压区间进行比较，确定所述当前电压值的所属预设电压区间，并执行所属预设电压区间所对应的充电措施。其中，第一步中，无论车辆在行驶还是驻车过程中，储能装置必然存在电压，为了在不同电压值下进行不同的充电措施，需要检测储能装置的电压，即获得储能装置的电压值。在第二步中，将当前电压值与各个预设电压区间进行比较，判断当前电压值属于哪一个预设电压区间，即可确定该当前电压值的所属预设电压区间。各个预设电压区间的范围是根据储能装置自身的物理特性以及车辆行驶工况而定的，且各个预设电压区间分别对应着不同充电功率，其主要区别在于以不同充电功率对储能装置进行充电，从而有效确保储能装置的正常工作，使电动车辆运行正常。

优选地，当电动车辆驻车、且当前电压值属于第一预设电压区间时，维持驻车前燃料电池的充电功率对所述储能装置进行充电。

优选地，当电动车辆驻车、且当前电压值大于前次检测值并属于第二预设电压区间时，所述燃料电池的多个电堆对所述储能装置充电的充电功率依次减小至P₀功率；其中，所述第二预设电压区间所对应的电压值大于所述第一预设电压区间所对应的电压值。

优选地，当电动车辆驻车、且当前电压值属于第三预设电压区间时，关闭所述燃料电池；其中，所述第三预设电压区间所对应的电压值大于所述第二预设电压区间所对应的电压值。

优选地，当电动车辆行车、且当前电压值属于第四预设电压区间时，提示禁止牵引，并且燃料电池以全功率对所述储能装置充电。

优选地，当电动车辆行车、且当前电压值属于第五预设电压区间时，提示欠压，所述燃料电池以全功率对所述储能装置充电，并且控制所述电动车辆以预设限制功率运行；其中，所述第五预设电压区间所对应的电压值大于所述第四预设电压区间所对应的电压值。

优选地，当电动车辆行车、且当前电压值属于第六预设电压区间时，所述燃料电池以P₁功率对所述储能装置充电，并且控制所述电动车辆正常运行；其中，所述第六预设电压区间所对应的电压值大于所述第五预设电压区间所对应的电压值。

优选地，当电动车辆行车、且当前电压值属于第七预设电压区间时，所述燃料电池以P₂功率对所述储能装置充电，并且控制所述电动车辆正常运行；其中，所述第七预设电压区间所对应的电压值大于所述第六预设电压区间所对应的电压值。

优选地，当电动车辆行车、且当前电压值大于前次检测值并属于第八预设电压区间时，提示过压，所述燃料电池的多个电堆对所述储能装置充电的充电功率依次减小至P₀₁功率；其中，所述第八预设电压区间所对应的电压值大于所述第七预设电压区间所对应的电压值。

优选地，当电动车辆行车、且当前电压值属于第九预设电压区间时，控制所述燃料电池关闭；其中，所述第九预设电压区间所对应的电压值大于所述第八预设电压区间所对应的电压值。

本发明还提供一种用于电动车辆的充电控制系统，其包括：

电压检测模块：用于检测储能装置的当前电压；

控制模块：用于将当前电压值与至少两个分别对应着以不同充电功率进行充电的充电措施的预设电压区间进行比较，确定所述当前电压值的所属预设电压区间，并执行所属预设电压区间所对应的充电措施。

本发明还提供一种电动车辆，包括上述充电控制系统。

本发明所提供的充电控制系统与电动车辆，其有益效果如充电控制方法所述的有益效果，此处将不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的燃料电池与超级电容的结构示意图；

图2为图1中燃料电池与超级电容在大功率运行时的示意图；

图3为图1中燃料电池与超级电容在与车辆负载平衡时的示意图；

图4为图1中燃料电池对超级电容充电时的示意图；

图5为图1中超级电容吸收制动回馈能量时的示意图；

图6为本发明实施例所提供的充电控制方法的流程图；

图7为本发明实施例所提供的充电控制方法的一种具体实施方式的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图7，图1为本发明实施例所提供的燃料电池与超级电容的结构示意图；图2为图1中燃料电池与超级电容在大功率运行时的示意图；图3为图1中燃料电池与超级电容在与车辆负载平衡时的示意图；图4为图1中燃料电池对超级电容充电时的示意图；图5为图1中超级电容吸收制动回馈能量时的示意图；图6为本发明实施例所提供的充电控制方法的流程图；图7为本发明实施例所提供的充电控制方法的一种具体实施方式的流程图。

本发明提供的一种用于电动车辆的充电控制方法，包括如下步骤：

S1、检测储能装置的当前电压；

S2、将当前电压值与至少两个分别对应着以不同充电功率进行充电的充电措施的预设电压区间进行比较，确定所述当前电压值的所属预设电压区间，并执行所属预设电压区间所对应的充电措施。

针对上述两个步骤，在获取储能装置的当前电压之后，判断当前电压值所处的预设电压区间，并进行相应的充电措施，这样便能够根据储能装置当前的状态而以不同充电功率进行充电，从而确保储能装置的正常运行，实现车辆的正常工作。

本发明首先介绍针对储能装置与燃料电池并联的方式对电动车辆提供动能时的几种不同情况：

首先，说明书附图1至5中所示的燃料电池100主要由多组甲醇重整燃料电池通过各自的隔离接触器K1-Kn并联组成。每组甲醇重整燃料电池内部都有独立的DC/DC，能够随着外部负载电压的波动随时动态调节输出电压和电流。

储能装置200可以由两组超级电容并联组成，每组超级电容由多个超级电容单体组合构成车辆的主电路电压等级。当然，储能装置200还可以为锂电池或其他储能设备。

燃料电池100与储能装置200并联组成车载储能系统，能够为车辆系统提供源源不断的电能，同时制动时能够吸收有车辆动能转化成电能的回馈能量。

车辆负载系统300主要包括牵引系统、空调系统以及车辆所有的辅助用电设备。

当然，本发明的燃料电池100的单个功率为5KW，车辆系统根据车辆运行线路及车辆型号，通过仿真计算线路的平均能耗和功率，选择具体的燃料电池组数。而超级电容的选配也可以根据线路最大坡度选择超级电容的数量。

在车辆启动或者是大功率牵引时，如说明书附图2所示；车辆负载系统300所需要的能量由储能装置200和燃料电池100一起提供。

当车辆运行到一定速度点和功率点时，车辆负载系统300的功率与燃料电池100的输出功率一致，处于功率平衡，燃料电池100发出的电量刚好能被车辆负载系统300消耗，此时储能装置200不吸收能量也不放出能量，能量流向示意图如说明书附图3所示。

当车辆处于低速，低功率运行时，燃料电池100的功率大于车辆负载系统300的功率，此时燃料电池100所发出来的电量一部分流向车辆负载系统300，另一部分流向储能装置200。

当车辆运行于制动工况时，车辆的动能通过牵引系统的回馈制动流向储能装置200，此时燃料电池100仍然处于发电状态，能量亦流向储能装置200。

针对上述充电控制方法，更为具体地，本文将车辆的运行分为驻车状态及行驶过程；驻车状态一般发生在车辆启动后在车库内的等待时、车辆在运行过程遇到堵车时司机施加驻车制动等待车流通畅、车辆进站时较长时间的等待旅客的上下车以及在运行线路终点长时间等待调度的发车指令等多种情形。驻车状态时车辆除了牵引系统处于待机工况，其他所有系统都处于工作状态，并消耗相应的辅助能耗。

本文所述的运行状态，主要包括车辆的牵引，制动及短暂的非驻车的停车。说明书附图7为本发明实施例所提供的充电控制方法的一种具体实施方式的流程图

在开始步骤S101之后，可以判断车辆是否处于驻车状态，如步骤S102；驻车状态通常是通过检测手刹是否在驻车状态位置和车辆速度是否为零来判断车辆是否处于驻车状态。

当车辆处于驻车状态时，判断目前储能装置200的电压范围，本文的电压等级以某12米公交车实际电压值来描述；针对不同车辆和不同容量的电容，电压等级将有所不同。

当电动车辆驻车、且当前电压值属于第一预设电压区间时，维持驻车前燃料电池100的充电功率对储能装置200进行充电。第一预设电压U的区间可以设置在460V≤U<620V范围内；即，储能装置200的电压等级如果在460V≤U<620V范围内，则维持驻车制动前燃料电池100的功率给储能装置200充电，如说明书附图3所示电流流向；如步骤S103与步骤S104。

倘若电压等级不在如上范围，则进入下一级判断。当电动车辆驻车、且当前电压值大于前次检测值并属于第二预设电压区间时，燃料电池100的多个电堆对储能装置200充电的充电功率依次减小至P₀功率。第二预设电压区间可以设置在620V≤U<630V范围内；即，如果储能装置200的电压U处于620V≤U<630V这一范围时，依次将燃料电池100的电堆功率减少至25％的功率；上述P₀功率则可以设置为电堆总功率的25％；当一个电堆减少至25％时，若储能装置200电压仍然在增加，则控制第二个燃料电池100的电堆减少至25％的功率。在减载的同时检测到储能装置200的电压不变或者电压减少时，则停止减载，燃料电池100维持该状态。等待车辆驻车制动缓解，重新启动车辆运行，如步骤S105与步骤S106。

当电动车辆驻车、且当前电压值属于第三预设电压区间时，关闭燃料电池100；即，本文设置了在意外情况下，司机施加驻车制动，同时关闭车辆所有其他辅助负载，司机离开车辆时没有拔掉钥匙，钥匙仍然在ON位。如果不做相应的处理，储能装置200将会过充，损坏诸如储能装置200的超级电容模组。本文在储能装置200的电压U达到630V≤U<640V这一范围时，开始依次关闭燃料电池100的电堆，确保在储能装置200的电压U大于等于640V时，燃料电池100都处于关闭状态，如步骤S107～步骤S109。

当车辆处于运行状态时，由于燃料电池100的甲醇重整燃料电池功率响应慢，响应时间为分钟级，而车辆在运行过程中牵引/制动，上坡/下坡功率调节频繁，响应要求迅速，如果应用燃料电池100作为独立的供电源无法满足车辆工况需求。储能装置200诸如超级电容的引入解决了甲醇重整燃料电池响应慢与车辆运行过程功率调节频繁的矛盾。在大功率牵引时由燃料电池100和储能装置200供电，在小功率运行时有燃料电池供电，同时多余的能量由超级电容吸收。

当电动车辆行车、且当前电压值属于第四预设电压区间时，提示禁止牵引，并且燃料电池100以全功率对储能装置200充电。第四预设电压区间U可以设置为460V<U≤470V；即，倘若检测到储能装置200的电压U在460V<U≤470V范围内时，为保护储能装置200，防止过度放电，发送牵引禁止指令，禁止牵引可以在仪表盘上提示该信息；此时车辆禁止牵引，燃料电池100可以以100％的功率充电，如步骤S201～步骤S203。

当电动车辆行车、且当前电压值属于第五预设电压区间时，提示欠压，燃料电池以全功率对储能装置充电，并且控制电动车辆以预设限制功率运行。第五预设电压区间U可以设置在470V<U≤500V；即，当超级电容系统电压达到470V<U≤500V，可以在司机仪表盘显示电压警告提示，此时车辆限功率，限速15km/h运行；此时车辆禁止牵引，燃料电池100以100％的功率充电。当然，限速的时速可以根据实际需要而定，如步骤S204～步骤S206。

需要说明的是，本文所定义的具体数值以及燃料电池100和储能装置200的功率等数值均是通过固定线路仿真计算出来，燃料电池100和储能装置200的功率按照极限工况下的10％的余量选择。因此在正常运行的工况下燃料电池100无需工作在满功率下，在新车时甚至可以轮流切换电堆运行。如，一周内每天固定一个电堆处于备用状态。

当电动车辆行车、且当前电压值属于第六预设电压区间时，燃料电池100以P₁功率对储能装置200充电，并且控制电动车辆正常运行。第六预设电压区间可以设置在500V<U≤600V之间；即，当超级电容电压在500V<U≤600V时，燃料电池以P₁功率恒定给超级电容系统和车辆供电，无论车辆处于牵引和制动状态，还是处于上坡或者下坡工况，电压只要在此范围内则燃料电池100的功率稳定不变，如步骤S207～步骤S208。

本文中，能量管理系统400采用自学习专家系统，能量管理系统400记录车辆在线路上一个往返行程中所消耗的总电量与时间的比值为整个线路的平均能耗。能量管理系统根据不同的运行时段，分析本次平均能耗与上次同时段平均能耗进行对比，分析平均能耗趋势，重新定义P1功率值。平均能耗具体计算如下：

其中，

w_c2：一个往返后超级电容剩余电量；

w_c1：启动运行时燃料电池的电量；

w_Fi：第i个电堆所发电量；t：一个往返所用的时间；

在车辆的运行过程中燃料电池100和储能装置200将各自的能量数据发送给能量管理系统400。

往返过程的平均能耗作为500V<U≤600V电压范围内的平均充电功率。在运行的过程中除非特殊情况需要对功率调节时调节功率，如堵车时，通常堵车时司机将会施加驻车制动，能量管理系统400进入驻车过程中的能量管理。线路局部改变，停车站点改变，载荷工况变化很大，空车回库等情况。在这些异常情况下的功率调节通常顺序依次调节功率。尽量避免所有电堆同时调节功率。

当储能装置200电压在600V<U≤620V电压范围内，且多次(具体线路调试时确定)从车站启动→匀速运行→制动停车的循环工作过程后储能装置200的电压在不断上升。燃料电池100的电堆依次顺序降至P2，通常P2功率为P1功率的50％。如一个电堆电功率降功率后电压继续抬升，则开启下一个电堆降功率运行，依次直到储能装置200的电压控制在620V以下。即，第七预设电压区间的范围在600V<U≤620V之间，如步骤S209～步骤S210。

当电动车辆行车、且当前电压值大于前次检测值并属于第八预设电压区间时，提示过压，燃料电池100的多个电堆对储能装置200充电的充电功率依次减小至P₀₁功率。即，当系统电压在上一级功率调节下无法控制电压抬升，储能装置200的电压达到620V<U≤640V(第八预设电压区间)，此时司机台仪表盘发出过压报警信号，司机可根据具体情况，调节空调能耗，人为改变车辆的辅助能耗。燃料电池100依次启动降低功率到总功率的25％，确保系统电压不再抬升；如电压继续抬升，系统将进入下一级判断，如步骤S211～步骤S213。

倘若电动车辆行车、且当前电压值属于第九预设电压区间时，控制燃料电池100关闭。第九预设电压U的区间可以设置在640V<U的范围内；当储能装置200的电压640V<U时，需要紧急停机。此时燃料电池100全部同时关机。通常该种情况是不会发生，除非司机误操作或者系统故障：如车辆停止运行，车辆上所有辅助系统都关机，驻车制动司机没有施加或者检测信号丢失等情况，如步骤S214～步骤S215，并执行返回步骤S216，重新进行步骤S101开始上述控制流程。

下面对本发明实施例提供的用于电动车辆的启动控制系统进行介绍，下文描述的启动控制系统与上文所述的启动控制方法可以相互对照。

本发明提供一种用于电动车辆的充电控制系统，包括：

电压检测模块：用于检测储能装置的当前电压；

控制模块：用于将当前电压值与至少两个分别对应着以不同充电功率进行充电的充电措施的预设电压区间进行比较，确定所述当前电压值的所属预设电压区间，并执行所属预设电压区间所对应的充电措施。说明书附图1所示的能量管理系统400包括电压检测模块与控制模块，从而实现相应的判断与控制等动作。

本发明还涉及一种电动车辆，包括如上述所述的充电控制系统。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述较为简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的电动车辆及其充电控制系统与方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种用于电动车辆的充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测储能装置的当前电压；

将当前电压值与至少两个分别对应着以不同充电功率进行充电的充电措施的预设电压区间进行比较，确定所述当前电压值的所属预设电压区间，并执行所属预设电压区间所对应的充电措施。

2.根据权利要求1所述的充电控制方法，其特征在于，当电动车辆驻车、且当前电压值属于第一预设电压区间时，维持驻车前燃料电池的充电功率对所述储能装置进行充电。

3.根据权利要求2所述的充电控制方法，其特征在于，当电动车辆驻车、且当前电压值大于前次检测值并属于第二预设电压区间时，所述燃料电池的多个电堆对所述储能装置充电的充电功率依次减小至P₀功率；其中，所述第二预设电压区间所对应的电压值大于所述第一预设电压区间所对应的电压值。

4.根据权利要求3所述的充电控制方法，其特征在于，当电动车辆驻车、且当前电压值属于第三预设电压区间时，关闭所述燃料电池；其中，所述第三预设电压区间所对应的电压值大于所述第二预设电压区间所对应的电压值。

5.根据权利要求1所述的充电控制方法，其特征在于，当电动车辆行车、且当前电压值属于第四预设电压区间时，提示禁止牵引，并且燃料电池以全功率对所述储能装置充电。

6.根据权利要求5所述的充电控制方法，其特征在于，当电动车辆行车、且当前电压值属于第五预设电压区间时，提示欠压，所述燃料电池以全功率对所述储能装置充电，并且控制所述电动车辆以预设限制功率运行；其中，所述第五预设电压区间所对应的电压值大于所述第四预设电压区间所对应的电压值。

7.根据权利要求6所述的充电控制方法，其特征在于，当电动车辆行车、且当前电压值属于第六预设电压区间时，所述燃料电池以P₁功率对所述储能装置充电，并且控制所述电动车辆正常运行；其中，所述第六预设电压区间所对应的电压值大于所述第五预设电压区间所对应的电压值。

8.根据权利要求7所述的充电控制方法，其特征在于，当电动车辆行车、且当前电压值属于第七预设电压区间时，所述燃料电池以P₂功率对所述储能装置充电，并且控制所述电动车辆正常运行；其中，所述第七预设电压区间所对应的电压值大于所述第六预设电压区间所对应的电压值。

9.根据权利要求8所述的充电控制方法，其特征在于，当电动车辆行车、且当前电压值大于前次检测值并属于第八预设电压区间时，提示过压，所述燃料电池的多个电堆对所述储能装置充电的充电功率依次减小至P₀₁功率；其中，所述第八预设电压区间所对应的电压值大于所述第七预设电压区间所对应的电压值。

10.根据权利要求9所述的充电控制方法，其特征在于，当电动车辆行车、且当前电压值属于第九预设电压区间时，控制所述燃料电池关闭；其中，所述第九预设电压区间所对应的电压值大于所述第八预设电压区间所对应的电压值。

11.一种用于电动车辆的充电控制系统，其特征在于，包括：

电压检测模块：用于检测储能装置的当前电压；

控制模块：用于将当前电压值与至少两个分别对应着以不同充电功率进行充电的充电措施的预设电压区间进行比较，确定所述当前电压值的所属预设电压区间，并执行所属预设电压区间所对应的充电措施。

12.一种电动车辆，其特征在于，包括如权利要求11所述的充电控制系统。