CN107054140A - 基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统及能量分配方法 - Google Patents

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Abstract

基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统及能量分配方法，涉及燃料电池混合动力汽车储能结构及能量分配方法。解决了现有混合动力汽车使用的电池存在充电慢寿命短同时污染环境的问题。本发明采用燃料电池、超级电容以及弹性储能装置进行能量补充，燃料电池采用补充相应燃料的方式充电，具有充电快，无污染的特点；超级电容具有功率密度高和循环寿命好的特点，弥补了燃料电池功率密度低的不足；弹性储能装置已经应用于电网储能，有储能量大、无污染、寿命长的特点。本发明适用于具有弹性储能装置、燃料电池和超级电容的复合储能系统的动力汽车。

Description

基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统及能量分配 方法
技术领域
本发明涉及燃料电池混合动力汽车储能结构及能量分配方法。
背景技术
延长电池循环寿命和增加电动汽车续驶里程是电动汽车研究中其中两个重要的方向，由此复合能源系统被提出，各种不同的电力储能元件被应用在电动汽车上，包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池和超级电容等。目前，包含铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池储能元件的电动汽车分别存在污染问题、寿命问题和充电慢的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有混合动力汽车使用的电池存在充电慢寿命短同时污染环境的问题，提出了一种基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统及能量分配方法。
本发明所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统，它包括电池管理系统1、弹性储能装置2、超级电容3、燃料电池4、双向DC/DC交换器5、电动机6、机械传动装置7、驱动控制器8、整车控制器9、制动踏板传感器10、油门踏板传感器11和车速传感器12；
制动踏板传感器10用于采集电动汽车的制动踏板开度信号，制动踏板传感器10的信号输出端连接整车控制器9制动踏板开度信号输入端；
油门踏板传感器11用于采集电动汽车的油门踏板开度信号，油门踏板传感器11的信号输出端连接整车控制器9油门踏板开度信号输入端；
车速传感器12用于采集电动汽车的车速信号；车速传感器12的信号输出端连接整车控制器9车速信号输入端；
整车控制器9的驱动控制信号输出端连接驱动控制器8的驱动控制信号输入端；整车控制器9的功率分配控制信号输出端连接电池管理系统1的控制信号输入状态信号输入端；
电池管理系统1的能量充放控制信号输出端连接弹性储能装置2充能或释放能量控制信号输入端；
电池管理系统1的电容充放电控制信号输出端连接超级电容3充放电控制信号输入端；
电池管理系统1的燃料电池充放电控制信号输出端连接燃料电池4的充放电控制信号输入端；
弹性储能装置2的电流信号输入输出端连接驱动控制器8驱动信号输入电流信号输出端，双向DC/DC交换器5的另一个电流信号输入输出端连接驱动控制器8的驱动信号输入电流信号输出端；
超级电容3的充放电信号端和燃料电池4的充放电信号端均连接双向DC/DC交换器5的一个电流信号输入输出端；
驱动控制器8的驱动信号输出电流信号输入端连接电动机6的驱动信号输入电流信号输入端；电动机6的轴承与机械传动装置7同轴连接；机械传动装置7带动车轮转动。
基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用制动踏板传感器10采集电动汽车的制动踏板开度信号，采用油门踏板传感器11采集电动汽车的油门踏板开度信号，采用车速传感器12采集电动汽车的车速信号，同时，通过电池管理系统1获得弹性储能装置2的储能状态、超级电容3的荷电状态和燃料电池4的剩余电量；
步骤二、整车控制器9判断燃料电池4的剩余电量否大于电池荷电状态阈值α，若是，则执行步骤三，否则，整车控制器9发出电池电量低的警告信号；
步骤三、整车控制器9判断油门踏板开度是否大于0，若是，整车控制器9根据车速和油门踏板开度计算电动汽车需求的驱动总功率Pe，执行步骤四，否则，执行步骤七；
步骤四、整车控制器9判断电动汽车需求的驱动总功率Pe是否大于燃料电池第一额定输出功率阈值P2，若是，整车控制器9通过电池管理系统1控制弹性储能装置2释放能量、超级电容3和燃料电池4均放电，直至放电功率达到电动汽车需求的驱动总功率Pe，返回执行步骤一，否则执行步骤五；
步骤五、整车控制器9判断电动汽车需求的驱动总功率Pe是否大于燃料电池第二额定输出功率阈值P1，若是，整车控制器9通过电池管理系统1控制超级电容3和燃料电池4均放电；直至放电功率达到电动汽车需求的驱动总功率Pe，返回执行步骤一，否则，执行步骤六；其中，池第一额定输出功率阈值P2大于燃料电池第二额定输出功率阈值P1；
步骤六、整车控制器9判断超级电容3的荷电状态是否大于超级电容荷电状态阈值β0，若是，电池管理系统1控制超级电容3单独为电动汽车提供需求的驱动总功率Pe，否则，电池管理系统1控制燃料电池4为电动汽车提供需求的驱动总功率Pe，同时为超级电容3充电；直至燃料电池4放电功率达到电动汽车需求的驱动总功率Pe，返回执行步骤一；
步骤七、整车控制器9判断制动踏板开度是否大于0，若是，计算电动汽车的制动需求功率Pb，执行步骤九，否则，执行步骤八；
步骤八、整车控制器9判断超级电容3的荷电状态是否大于超级电容荷电状态阈值γ，若是，则返回执行步骤一，否则，电池管理系统1控制燃料电池4为超级电容3充电；充电结束返回执行步骤一；
步骤九、整车控制器9判断超级电容3荷电状态是否大于超级电容荷电状态阈值γ，若是，执行步骤十，否则，超级电容回收制动功率Pb，返回步骤一；
步骤十、整车控制器9判断弹性储能装置2剩余能量是否大于弹性储能剩余能量阈值δ，若是，则返回步骤一，否则，弹性储能装置2回收制动功率Pb，返回步骤一。
本发明采用燃料电池、超级电容以及弹性储能装置进行能量补充，燃料电池采用补充相应燃料的方式充电，具有充电快，无污染的特点；超级电容具有功率密度高和循环寿命好的特点，弥补了燃料电池功率密度低的不足；弹性储能装置已经应用于电网储能，有储能量大、无污染、寿命长的特点，本系统中用于回收大量“间歇性”和“波动性”制动能量，在可用功率不满足需求功率时放出电能，增加可用功率。同时，本发明还提出了针对这种储能结构的能量分配方法，通过能量的合理分配可以为电动汽车输出大功率能量、延长燃料电池寿命、增加电动汽车续航里程。
附图说明
图1为本发明所述基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的原理框图；图2为基于图1所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统，它包括电池管理系统1、弹性储能装置2、超级电容3、燃料电池4、双向DC/DC交换器5、电动机6、机械传动装置7、驱动控制器8、整车控制器9、制动踏板传感器10、油门踏板传感器11和车速传感器12；
制动踏板传感器10用于采集电动汽车的制动踏板开度信号，制动踏板传感器10的信号输出端连接整车控制器9制动踏板开度信号输入端；
油门踏板传感器11用于采集电动汽车的油门踏板开度信号，油门踏板传感器11的信号输出端连接整车控制器9油门踏板开度信号输入端；
车速传感器12用于采集电动汽车的车速信号；车速传感器12的信号输出端连接整车控制器9车速信号输入端；
整车控制器9的驱动控制信号输出端连接驱动控制器8的驱动控制信号输入端；整车控制器9的功率分配控制信号输出端连接电池管理系统1的控制信号输入状态信号输入端；
电池管理系统1的能量充放控制信号输出端连接弹性储能装置2充能或释放能量控制信号输入端；
电池管理系统1的电容充放电控制信号输出端连接超级电容3充放电控制信号输入端；
电池管理系统1的燃料电池充放电控制信号输出端连接燃料电池4的充放电控制信号输入端；
弹性储能装置2的电流信号输入输出端连接驱动控制器8驱动信号输入电流信号输出端，双向DC/DC交换器5的另一个电流信号输入输出端连接驱动控制器8的驱动信号输入电流信号输出端；
超级电容3的充放电信号端和燃料电池4的充放电信号端均连接双向DC/DC交换器5的一个电流信号输入输出端；
驱动控制器8的驱动信号输出电流信号输入端连接电动机6的驱动信号输入电流信号输入端；电动机6的轴承与机械传动装置7同轴连接；机械传动装置7带动车轮转动。
具体实施方式二、本实施方式所述基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用制动踏板传感器10采集电动汽车的制动踏板开度信号，采用油门踏板传感器11采集电动汽车的油门踏板开度信号，采用车速传感器12采集电动汽车的车速信号，同时，通过电池管理系统1获得弹性储能装置2的储能状态、超级电容3的荷电状态和燃料电池4的剩余电量；
步骤二、整车控制器9判断燃料电池4的剩余电量否大于电池荷电状态阈值α，若是，则执行步骤三，否则，整车控制器9发出电池电量低的警告信号；
步骤三、整车控制器9判断油门踏板开度是否大于0，若是，整车控制器9根据车速和油门踏板开度计算电动汽车需求的驱动总功率Pe，执行步骤四，否则，执行步骤七；
步骤四、整车控制器9判断电动汽车需求的驱动总功率Pe是否大于燃料电池第一额定输出功率阈值P2，若是，整车控制器9通过电池管理系统1控制弹性储能装置2释放能量、超级电容3和燃料电池4均放电，直至放电功率达到电动汽车需求的驱动总功率Pe，返回执行步骤一，否则执行步骤五；
步骤五、整车控制器9判断电动汽车需求的驱动总功率Pe是否大于燃料电池第二额定输出功率阈值P1，若是，整车控制器9通过电池管理系统1控制超级电容3和燃料电池4均放电；直至放电功率达到电动汽车需求的驱动总功率Pe，返回执行步骤一，否则，执行步骤六；其中，池第一额定输出功率阈值P2大于燃料电池第二额定输出功率阈值P1；
步骤六、整车控制器9判断超级电容3的荷电状态是否大于超级电容荷电状态阈值β0，若是，电池管理系统1控制超级电容3单独为电动汽车提供需求的驱动总功率Pe，否则，电池管理系统1控制燃料电池4为电动汽车提供需求的驱动总功率Pe，同时为超级电容3充电；直至燃料电池4放电功率达到电动汽车需求的驱动总功率Pe，返回执行步骤一；
步骤七、整车控制器9判断制动踏板开度是否大于0，若是，计算电动汽车的制动需求功率Pb，执行步骤九，否则，执行步骤八；
步骤八、整车控制器9判断超级电容3的荷电状态是否大于超级电容荷电状态阈值γ，若是，则返回执行步骤一，否则，电池管理系统1控制燃料电池4为超级电容3充电；充电结束返回执行步骤一；
步骤九、整车控制器9判断超级电容3荷电状态是否大于超级电容荷电状态阈值γ，若是，执行步骤十，否则，超级电容回收制动功率Pb，返回步骤一；
步骤十、整车控制器9判断弹性储能装置2剩余能量是否大于弹性储能剩余能量阈值δ，若是，则返回步骤一，否则，弹性储能装置2回收制动功率Pb，返回步骤一。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式二所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法的进一步说明，步骤三中，整车控制器9根据车速和油门踏板开度计算电动汽车需求的驱动总功率Pe通过：
Tqd＝Tqdmaxα
Pe＝Tqdω
实现，式中，Tqd为电机目标驱动转矩，Tqdmax为电机最大驱动转矩，α为油门踏板开度，ω为电机转速。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式二所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法的进一步说明，步骤七中计算电动汽车的制动需求功率Pb通过：
Tqd＝Tqdmaxfbrk(β)
Pb＝Tqdω
实现，式中，Tqd为电机目标制动转矩，Tqdmax为电机最大制动转矩，β为制动踏板开度ω为电机转速。
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式二所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法的进一步说明，燃料电池第一额定输出功率阈值P2为燃料电池第二额定输出功率阈值P1的5倍。
具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式二所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法的进一步说明，步骤二中所述的α为燃料电池4最大电量的15％。
具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式二所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法的进一步说明，步骤六中所述的β0为超级电容最大荷电状态时电量的55％。
具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式二所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法的进一步说明，步骤八中所述的γ为超级电容最大荷电状态时电量的95％。
具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式二所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法的进一步说明，步骤十中所述的δ的范围为0到1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统，其特征在于，它包括电池管理系统(1)、弹性储能装置(2)、超级电容(3)、燃料电池(4)、双向DC/DC交换器(5)、电动机(6)、机械传动装置(7)、驱动控制器(8)、整车控制器(9)、制动踏板传感器(10)、油门踏板传感器(11)和车速传感器(12)；
制动踏板传感器(10)用于采集电动汽车的制动踏板开度信号，制动踏板传感器(10)的信号输出端连接整车控制器(9)制动踏板开度信号输入端；
油门踏板传感器(11)用于采集电动汽车的油门踏板开度信号，油门踏板传感器(11)的信号输出端连接整车控制器(9)油门踏板开度信号输入端；
车速传感器(12)用于采集电动汽车的车速信号；车速传感器(12)的信号输出端连接整车控制器(9)车速信号输入端；
整车控制器(9)的驱动控制信号输出端连接驱动控制器(8)的驱动控制信号输入端；整车控制器(9)的功率分配控制信号输出端连接电池管理系统(1)的控制信号输入状态信号输入端；
电池管理系统(1)的能量充放控制信号输出端连接弹性储能装置(2)充能或释放能量控制信号输入端；
电池管理系统(1)的电容充放电控制信号输出端连接超级电容(3)充放电控制信号输入端；
电池管理系统(1)的燃料电池充放电控制信号输出端连接燃料电池(4)的充放电控制信号输入端；
弹性储能装置(2)的电流信号输入输出端连接驱动控制器(8)驱动信号输入电流信号输出端，双向DC/DC交换器(5)的另一个电流信号输入输出端连接驱动控制器(8)的驱动信号输入电流信号输出端；
超级电容(3)的充放电信号端和燃料电池(4)的充放电信号端均连接双向DC/DC交换器(5)的一个电流信号输入输出端；
驱动控制器(8)的驱动信号输出电流信号输入端连接电动机(6)的驱动信号输入电流信号输入端；电动机(6)的轴承与机械传动装置(7)同轴连接；机械传动装置(7)带动车轮转动。
2.根据权利要求1所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用制动踏板传感器(10)采集电动汽车的制动踏板开度信号，采用油门踏板传感器(11)采集电动汽车的油门踏板开度信号，采用车速传感器(12)采集电动汽车的车速信号，同时，通过电池管理系统(1)获得弹性储能装置(2)的储能状态、超级电容(3)的荷电状态和燃料电池(4)的剩余电量；
步骤二、整车控制器(9)判断燃料电池(4)的剩余电量否大于电池荷电状态阈值α，若是，则执行步骤三，否则，整车控制器(9)发出电池电量低的警告信号；
步骤三、整车控制器(9)判断油门踏板开度是否大于0，若是，整车控制器(9)根据车速和油门踏板开度计算电动汽车需求的驱动总功率Pe，执行步骤四，否则，执行步骤七；
步骤四、整车控制器(9)判断电动汽车需求的驱动总功率Pe是否大于燃料电池第一额定输出功率阈值P2，若是，整车控制器(9)通过电池管理系统(1)控制弹性储能装置(2)释放能量、超级电容(3)和燃料电池(4)均放电，直至放电功率达到电动汽车需求的驱动总功率Pe，返回执行步骤一，否则执行步骤五；
步骤五、整车控制器(9)判断电动汽车需求的驱动总功率Pe是否大于燃料电池第二额定输出功率阈值P1，若是，整车控制器(9)通过电池管理系统(1)控制超级电容(3)和燃料电池(4)均放电；直至放电功率达到电动汽车需求的驱动总功率Pe，返回执行步骤一，否则，执行步骤六；其中，池第一额定输出功率阈值P2大于燃料电池第二额定输出功率阈值P1；
步骤六、整车控制器(9)判断超级电容(3)的荷电状态是否大于超级电容荷电状态阈值β0，若是，电池管理系统(1)控制超级电容(3)单独为电动汽车提供需求的驱动总功率Pe，否则，电池管理系统(1)控制燃料电池(4)为电动汽车提供需求的驱动总功率Pe，同时为超级电容(3)充电；直至燃料电池(4)放电功率达到电动汽车需求的驱动总功率Pe，返回执行步骤一；
步骤七、整车控制器(9)判断制动踏板开度是否大于0，若是，计算电动汽车的制动需求功率Pb，执行步骤九，否则，执行步骤八；
步骤八、整车控制器(9)判断超级电容(3)的荷电状态是否大于超级电容荷电状态阈值γ，若是，则返回执行步骤一，否则，电池管理系统(1)控制燃料电池(4)为超级电容(3)充电；充电结束返回执行步骤一；
步骤九、整车控制器(9)判断超级电容(3)荷电状态是否大于超级电容荷电状态阈值γ，若是，执行步骤十，否则，超级电容回收制动功率Pb，返回步骤一；
步骤十、整车控制器(9)判断弹性储能装置(2)剩余能量是否大于弹性储能剩余能量阈值δ，若是，则返回步骤一，否则，弹性储能装置(2)回收制动功率Pb，返回步骤一。
3.根据权利要求2所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，其特征在于，步骤三中，整车控制器(9)根据车速和油门踏板开度计算电动汽车需求的驱动总功率Pe通过：
Tqd＝Tqdmaxα
Pe＝Tqdω
实现，式中，Tqd为电机目标驱动转矩，Tqdmax为电机最大驱动转矩，α为油门踏板开度，ω为电机转速。
4.根据权利要求2所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，其特征在于，步骤七中计算电动汽车的制动需求功率Pb通过：
Tqd＝Tqdmaxfbrk(β)
Pb＝Tqdω
实现，式中，Tqd为电机目标制动转矩，Tqdmax为电机最大制动转矩，β为制动踏板开度，ω为电机转速。
5.根据权利要求2所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，其特征在于，燃料电池第一额定输出功率阈值P2为燃料电池第二额定输出功率阈值P1的5倍。
6.根据权利要求2所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，其特征在于，步骤二中所述的α为燃料电池(4)最大电量的15％。
7.根据权利要求2所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，其特征在于，步骤六中所述的β0为超级电容最大荷电状态时电量的55％。
8.根据权利要求2所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，其特征在于，步骤八中所述的γ为超级电容最大荷电状态时电量的95％。
9.根据权利要求2所述的基于弹性储能的燃料电池混合动力汽车储能系统的能量分配方法，其特征在于，步骤十中所述的δ的范围为0到1。
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