CN107128184B - 燃料电池与储能电池混合动力车控制方法及车系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池与储能电池混合动力车控制方法，车辆行驶时，在储能电池系统剩余电量降至第一设定阈值时控制燃料电池系统为储能电池系统充电，当储能电池系统剩余电量达到第二设定阈值时控制燃料电池系统停止为储能电池系统充电，关闭燃料电池系统；车辆停止时，切断储能电池系统放电回路，控制燃料电池系统为储能电池系统充电并在储能电池系统剩余电量达到第三设定阈值时，关闭燃料电池系统。与现有技术相比，本发明优化燃料电池系统功率配置、节省燃料电池成本等优点。

Description

燃料电池与储能电池混合动力车控制方法及车系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车领域，尤其是涉及一种燃料电池与储能电池混合动力车控制方法及混合动力车系统。
背景技术
燃料电池汽车的动力系统是燃料电池汽车区别于其他类型车辆(内燃机汽车、蓄电池电动汽车以及油-电混合动力汽车)的主要标志。使用燃料电池系统作为动力源是燃料电池汽车动力系统的标志性特点。而通常情况下，燃料电池却并非该系统唯一的动力源，由于燃料电池在峰值功率输出能力以及功率输出的动态响应等性能方、面欠佳，因此往往需要一些辅助的动力源装置来在功率输出能力等方面对它加以补充和改善，从而构成燃料电池混合动力系统，这些辅助装置包括蓄电池和超级电容。
例如中国专利CN 100581867C公开了一种电-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；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。
又如中国专利号CN 102555765 B公开了一种燃料电池-锂离子电池混合动力系统，包括燃料电池子系统、储能电池子系统、充电控制子系统、智能混合电源管理系统，电机及电机控制系统；该动力系统以燃料电池为主要工作电源，锂离子电池组为辅助电源，意图解决纯燃料电池汽车燃料电池寿命缩短以及能量不能回收的问题，以及纯锂离子电动汽车充电时间长、连续大电流放电可能出现的燃烧爆炸、以及衰减及自放电问题。
然而上述的两项动力系统存在以下缺陷：
1、燃料电池配置功率较高，燃料电池系统成本较高；
2、储能电池系统停机放电率高；
3、车停机后燃料电池供电系统停止充电，致储能电池电量未充满。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以始终保持储能电池处于电量饱满状态且优化燃料电池功率配置的燃料电池与储能电池混合动力车控制方法及混合动力车系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池与储能电池混合动力车控制方法，
车辆行驶或临时停车不拔钥匙时，在储能电池系统剩余电量降至第一设定阈值时控制燃料电池系统为储能电池系统充电，当储能电池系统剩余电量达到第二设定阈值时控制燃料电池系统停止为储能电池系统充电，并关闭燃料电池系统；
车辆长时间停止并拔出钥匙时，控制燃料电池系统为储能电池系统充电并在储能电池系统剩余电量达到第三设定阈值时，关闭燃料电池系统，切断储能电池系统放电回路，在现有的技术条件下，储能电池优选为锂电池。
所述第二设定阈值和第三设定阈值一致。
所述储能电池为锂电池，且第二设定阈值小于第三设定阈值。
所述燃料电池系统为储能电池系统充电时，燃料电池系统的输出功率为额定功率。
一种实现上述任意一种燃料电池与储能电池混合动力车控制方法的混合动力车系统，包括：
动力系统；
燃料电池系统，与动力系统连接；
储能电池系统，分别与燃料电池系统和动力系统连接；
控制系统，分别与燃料电池系统和储能电池系统连接，用于检测储能电池系统的剩余电量，并控制燃料电池系统和储能电池系统工作。
所述动力系统包括相互连接的电机驱动器和电机，所述电机驱动器分别与控制系统、燃料电池系统和储能电池系统连接。
所述混合动力车系统还包括驱动继电器，所述电机驱动器通过驱动继电器分别与燃料电池系统和储能电池系统连接，且所述驱动继电器在车辆停止时刻断开储能电池系统与电机驱动器的连接。
所述燃料电池系统包括燃料电池堆，及与燃料电池堆连接的燃料系统、冷却系统和氧化剂系统，所述燃料电池堆的电流输出端与动力系统和储能电池系统连接。
所述燃料电池系统还包括用于将储能电池输出电压变换为燃料电池系统所需电压的辅助电源，该辅助电源的一端与储能电池系统连接，另一端与控制系统连接。
所述辅助电源与储能电池系统之间设有旁路继电器，所述辅助电源与储能电池系统之间设有旁路继电器，旁路继电器在车辆启动前是断开的，启动后旁路继电器由燃料电池控制系统闭合，所述旁路继电器持续导通，在车辆长时间停车并拔钥匙时，直至燃料电池系统给储能电池系统充电达到剩余电量第三设定阈值，再由燃料电池控制系统断开旁路继电器，至此切断了储能电池系统放电回路。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)储能电池的电量始终在第一设定阈值之上，电量饱满处于较好的状态，同时，由于燃料电池系统处于高效间歇性工作，可以优化燃料电池的功率配置，保持一个高效的输出，提升了工作效率，节省燃料电池成本。
2)第二设定阈值和第三设定阈值一致，程序设置简单，维护方便。
3)第二设定阈值小于第三设定阈值，因锂电池存在涓流充电现象，因此在行驶时适当地降低第二设定阈值，燃料电池系统更早地退出，可以获取更好地效果。
4)燃料电池系统的输出功率为额定功率时，功率配置更优，效率更高。
5)驱动继电器的存在，可以在车辆停止时，即刻切断储能电池的放电回路，减小储能电池的消耗。
附图说明
图1为本发明混合动力车系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中具体工作流程示意图；
其中：1、燃料电池系统；2、储能电池系统，3、电机驱动器，4、电机，5、控制系统，6、驱动继电器，7、启动开关，8、旁路继电器，11、燃料电池堆，12、氧化剂系统、13、冷却系统，14、燃料系统，15、辅助电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种燃料电池与储能电池混合动力车控制方法，
车辆行驶或临时停车不关车钥匙时，在储能电池系统2剩余电量降至第一设定阈值时控制燃料电池系统1为储能电池系统2充电，当储能电池系统2剩余电量达到第二设定阈值时控制燃料电池系统1停止为储能电池系统2充电，关闭燃料电池系统1；
需要注意的是，部分车型可能没有钥匙，此处的车辆行驶或临时停车不关车钥匙具体为：车辆未打入停车档或者车辆未关闭时，具体选择哪种判断标准可以根据具体的需要进行设计。
车辆停止时，控制燃料电池系统1为储能电池系统2充电并在储能电池系统2剩余电量达到第三设定阈值时，关闭燃料电池系统1，切断储能电池系统2放电回路。
第二设定阈值略小于第三设定阈值，两者之间的具体差值可根据储能电池的充放电特性进行调整，不属于本申请讨论的范畴。其次，优选的，燃料电池系统1为储能电池系统2充电时，燃料电池系统1的输出功率为额定功率。
一种实现上述燃料电池与储能电池混合动力车控制方法的混合动力车系统，如图1所示，包括：
动力系统；
燃料电池系统1，与动力系统连接；
储能电池系统2，分别与燃料电池系统1和动力系统连接；
控制系统5，分别与燃料电池系统1和储能电池系统2连接，用于检测储能电池系统2的剩余电量，并控制燃料电池系统1和储能电池系统2工作。
动力系统包括相互连接的电机驱动器3和电机4，电机驱动器3分别与控制系统5、燃料电池系统1和储能电池系统2连接，混合动力车系统还包括驱动继电器6，电机驱动器3通过驱动继电器6分别与燃料电池系统1和储能电池系统2连接，且驱动继电器6在车辆停止时刻断开储能电池系统2与电机驱动器3的连接，驱动继电器6的存在，可以在车辆停止时，即刻切断储能电池系统2的放电回路，减小储能电池系统电量的消耗，即车停机后切断储能电池系统2耗电线路，减小储能电池待机放电电流。此外，如图1所示，混合动力车系统还包括启动开关7，该启动开关7与控制系统连接，用于车辆启动。
燃料电池系统1包括燃料电池堆11，及与燃料电池堆11连接的燃料系统14、冷却系统13、氧化剂系统12和排放系统(图未示)，燃料电池堆11的电流输出端与动力系统和储能电池系统2连接。
燃料电池系统1还包括用于将储能电池输出电压变换为燃料电池系统1所需电压的辅助电源15，该辅助电源15的一端与储能电池系统2连接，另一端与燃料电池控制系统部件(控制芯片、继电器)连接，本实施例中，在硬件设置上，燃料电池堆11、氧化剂系统12、冷却系统13和辅助电源15集成为整体，而燃料系统独立，这样便于燃料的更换。
辅助电源15与储能电池系统2之间设有旁路继电器8，旁路继电器8在车辆启动前是断开的，启动后旁路继电器8由燃料电池控制系统5闭合，所述旁路继电器8持续导通，在车辆长时间停车并拔钥匙时，直至燃料电池系统1给储能电池系统2充电达到剩余电量第三设定阈值，再由燃料电池控制系统5断开旁路继电器8，至此完全切断了储能电池系统2放电回路。
本实施例具体工作流程如图2所示，
车启动时，启动开关闭合，控制系统5与燃料电池系统1待机；
启动旁路继电器8，监控储能电池系统2输出电流与电压，采样储能电池系统2充放电电流，进而累计储能电池系统2的电量。
控制系统5监控各状态信息，发送显示状态信息与故障指示。
燃料电池系统1根据储能电池系统2剩余电容量，按设计的控制策略(可以是现有的达到燃料电池系统最高效运行的控制策略)进行高效恒流运行，对锂电流系统2进行充电。
在车停机时，燃料电池系统1按设计的控制策略完成对储能电池系统2的充电后关闭。
第一设定阈值选取为50％，第二设定阈值选取为95％，第三设定阈值选取略大于95％。
在车停机时刻，启动开关7虽然关断了，从而驱动继电器6也关断了，但旁路继电器8仍处理导通状态，直到由燃料电池系统1根据控制策略完成储能电池系统2充电管理后，才将燃料电池系统1与控制系统5关闭。通过合理的控制策略优化，达到降低燃料电池系统1功率配置的目标，从而降低燃料电池系统1总成本及整车成本。同时完成对储能电池系统2的充电管理，保证下次启动时，储能电池容量仍然是充满状态。
针对于像高尔夫场地车、观光车等间歇性运动的车，主要时通过燃料电池的额定功率限定策略及与蓄电池协同供电策略，能同时提供最大的功率来加速或爬坡，而在下坡或间歇停车时由燃料电池额定工作以最高效率输出电能给电池充电。否则燃料电池不能工作在最优效率的工作点，或太频繁启动燃料电池，且需配置较大功率来满足加速或爬坡所需的功率。
通过高尔夫场地车实例实验测试数据分析，车在启动加速或爬坡时电机瞬间功率通常很高达8kW，实际平均输出功率小于2kW。通常燃料电池都将功率配置为5kW，而采用本专利控制策略可减小燃料电池的功率配置，只需配置约2kW即可。从而达到降低整车成本及重量，并提高燃料的利用率，提高相同容量燃料下的续航里程。
实施例2：
本实施例中与实施例1中的相同之处不再叙述，仅叙述不同之处。
本实施例与实施例1相比的显著不同之处在于本实施例中第二设定阈值和第三设定阈值一致，可以简化维护。

Claims (6)

1.一种燃料电池与储能电池混合动力车控制方法，其特征在于，
车辆行驶或临时停车时，在储能电池系统剩余电量降至第一设定阈值时控制燃料电池系统为储能电池系统充电，当储能电池系统剩余电量达到第二设定阈值时控制燃料电池系统停止为储能电池系统充电，并关闭燃料电池系统，
车辆停止时，控制燃料电池系统为储能电池系统充电并在储能电池系统剩余电量达到第三设定阈值时，关闭燃料电池系统，切断储能电池系统放电回路；
其中，将电机驱动器（3）通过驱动继电器（6）分别与燃料电池系统（1）和储能电池系统（2）连接，在车辆停止时，所述驱动继电器（6）断开储能电池系统（2）与电机驱动器（3）的连接，从而切断储能电池系统（2）的放电回路；
在所述储能电池系统（2）与辅助电源（15）之间设置旁路继电器（8），
在车辆启动前，所述旁路继电器（8）处于断开状态，
在车辆启动后，所述旁路继电器（8）由燃料电池控制系统（5）闭合并持续导通，
在车辆停止时，所述驱动继电器（6）关断，所述旁路继电器（8）持续导通，直至储能电池系统剩余电量达到第三设定阈值时，所述燃料电池控制系统（5）断开所述旁路继电器（8），从而完全切断所述储能电池系统（2）的放电回路。
2.一种实现权利要求1所述燃料电池与储能电池混合动力车控制方法的混合动力车系统，其特征在于，包括：
动力系统；
燃料电池系统，与动力系统连接；
储能电池系统，分别与燃料电池系统和动力系统连接；
控制系统，分别与燃料电池系统和储能电池系统连接，用于检测储能电池系统的剩余电量，并控制燃料电池系统和储能电池系统工作。
3.根据权利要求2所述的混合动力车系统，其特征在于，所述动力系统包括相互连接的电机驱动器和电机，所述电机驱动器分别与控制系统、燃料电池系统和储能电池系统连接。
4.根据权利要求2所述的混合动力车系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，及与燃料电池堆连接的燃料系统、冷却系统和氧化剂系统，所述燃料电池堆的电流输出端与动力系统和储能电池系统连接。
5.根据权利要求2所述的混合动力车系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括用于将储能电池输出电压变换为燃料电池系统所需电压的辅助电源，该辅助电源的一端与储能电池系统连接，另一端与控制系统连接。
6.根据权利要求5所述的混合动力车系统，其特征在于，所述辅助电源与储能电池系统之间设有旁路继电器，所述旁路继电器在车辆停止时持续导通直至储能电池系统剩余电量达到第三设定阈值。
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