CN110422084B - 一种燃料电池动力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池动力控制方法及系统，解决现有氢燃料及纯电混合驱动的车辆中对氢燃料运载不便、成本高的问题。具体采用小容量功率型动力电池辅助能量源与燃料电池发动机动力组合的形式实现车辆的驱动，在车辆的不同行驶工况下具体功率的分配模式取决于整车功率需求和燃料电池功率的关系，同时参考锂电池的能量等级决定是否为其充电。并且，燃料电池系统供应原料的方式采用有机物介质储氢，并直接将其加注在氢油箱，通过制氢控制器控制氢油泵对氢油箱中储存的氢燃料进行萃取，以满足燃料电池工作的功率需求。进一步地，本发明成本增加并不显著；且燃料补给的时间较短。

Description

一种燃料电池动力控制方法
技术领域
本发明涉及汽车制造技术领域，具体涉及一种燃料电池动力控制方法及系统。
背景技术
目前氢燃料动力车辆的基本结构和纯电动力车辆类似，其中传动系、行驶系、转向系、制动系设计基本一致。驱动电机为整车提供动力，功率型动力电池与燃料电池系统为驱动电机提供电能。氢燃料动力车辆与纯电动汽车相比，动力电池容量较小且可以实现快速充电，甚至不需要充电。行车过程中根据整车工况控制燃料电池系统输出不同的功率，以实现锂电氢电以电能混合的方式混合驱动、燃料电池驱动等行车工作模式。
而氢燃料动力大多采用高压氢作为燃料，其不需要经历燃烧，是直接将化学能转化为电能的高效发电装置。氢气通过质子交换膜(PEMFC)电子被剥离氢质子和空气中氧气反应生成水排出，电子通过外电路形成电能驱动负载。但是高压氢作为燃料加注设备昂贵普且程度低。
因此，研究开发一种氢燃料运载方便、使用高效、成本较低的燃料电池动力控制方法及系统及系统是必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池动力控制方法及系统，以解决现有氢燃料及纯电混合驱动的车辆中对氢燃料运载不便、成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池动力控制方法，包括：
S01：判断整车功率需求是否小于零；若是，则对锂电池回收制动能量；若否，则进行步骤S02；
S02：判断整车功率需求是否大于燃料电池系统额定功率；若是，则燃料电池以额定功率运行与锂电池混合驱动车辆；若否，则进行步骤S03；
S03：判断整车功率需求是否小于等于燃料电池系统最小功率；若是，则进行步骤S04；若否，则进行步骤S05；
S04：判断锂电池当前的能量等级是否小于设定的锂电池最低存储能量等级；若是，则燃料电池以额定功率运行驱动车辆同时为车辆充电；若否，则燃料电池系统关闭，锂电池提供整车需求功率；
S05：判断锂电池的能量等级是否大于锂电池最高存储能量等级；若是，则燃料电池驱动车辆，锂电池被动停止；若否，则燃料电池以额定功率运行驱动车辆同时为车辆充电。
进一步地，在所述燃料电池动力控制方法中，步骤S01至S05中，燃料电池系统启动的方法包括：
S11：完成燃料电池系统自检；
S12：整车控制器向锂电池及五合一主辅驱系统发送上电指令，并接收反馈；
S13：锂电池系统及五合一主辅驱系统上电完成；
S14：根据当前工况，燃料电池需要启动时，整车控制器向燃料电池系统发送启动指令；
S15：燃料电池系统启动完成，并响应整车控制器请求的功率。
进一步地，在所述燃料电池动力控制方法中，步骤S14中燃料电池系统启动的方法包括：
S141：完成燃料电池电堆直流转直流升压器模块预充及主接触器回路闭合；
S142：向制氢控制器发送启动指令，制氢控制器反馈工作状态；
S143：整车控制器结合制氢系统状态向燃料电池控制器发送启动指令，并请求燃料电池功率；
S144：燃料电池控制器根据整车控制器的功率需求计算氢气需求量，并将所需氢气需求量发送至制氢控制器；
S145：制氢控制器按照所述氢气需求量控制氢油泵的流量及催化加热温度，制取氢气。
进一步地，在所述燃料电池动力控制方法中，步骤S01至S05中，燃料电池系统停机的方法包括：
S31：仅当钥匙下电时，整车控制器控制延时电路继电器将常电输入到整车控制器，整车控制器仍然处于工作状态，控制燃料电池相关系统供电；
S32：钥匙下电时，或根据当前工况燃料电池需要停机时，整车控制器向燃料电池系统、制氢系统并发送停机指令；
S33：燃料电池系统反馈停机完成，整车控制器切断燃料电池电堆直流转直流升压器模块主接触器回路；
S34：进行锂电池系统下电，下电完成后整车控制器断开延时电路以切断整车低压供电。
本实施例还提供一种燃料电池动力控制系统，包括：整车控制器、燃料电池系统及锂电池系统；
所述整车控制器控制所述燃料电池系统及所述锂电池系统协同工作驱动车辆，所述燃料电池系统能够为所述锂电池系统充电并驱动车辆；所述燃料电池系统包括制氢控制器、燃料电池控制器、氢油泵及氢油箱；
所述整车控制器能够控制所述制氢控制器及所述燃料电池控制器的启停；所述燃料电池控制器能够计算氢气需求量，且发送至所述制氢控制器；所述制氢控制器控制氢油泵流量以及催化加热温度制取氢气。
本发明的所述燃料电池动力控制方法及系统具有以下优点：
采用小容量功率型动力电池辅助能量源与燃料电池发动机动力组合的形式实现车辆的驱动，在车辆的不同行驶工况下具体功率的分配模式取决于整车功率需求和燃料电池功率的关系，同时参考锂电池的能量等级决定是否为其充电。并且，燃料电池系统供应原料的方式采用有机物介质储氢，并直接将其加注在氢油箱，通过制氢控制器控制氢油泵流量及催化加热反应釜对氢油箱中储存的氢燃料进行萃取，以满足燃料电池工作的功率需求。
进一步地，燃料电池系统中增加的制氢装置成本能够分摊在较大基数车辆上，同时减少公共加氢站的费用，从而成本增加并不显著；且燃料补给的时间和成本大大缩短，基本与现有燃油车无异。
附图说明
图1为本发明实施例燃料电池动力控制方法的逻辑框图；
图2为本发明实施例整车动力控制系统的逻辑图；
图3为本发明实施例燃料电池动力控制系统的结构示意图；
图4为本发明实施例制氢工作逻辑图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种燃料电池动力控制方法及系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
请参阅图1，本实施例提供一种燃料电池动力控制方法，其包括：
步骤S01：判断整车功率需求是否小于零；若是，则对锂电池回收制动能量；若否，则进行步骤S02。
步骤S02：判断整车功率需求是否大于燃料电池系统额定功率；若是，则燃料电池以额定功率运行与锂电池混合驱动车辆；若否，则进行步骤S03。
步骤S03：判断整车功率需求是否小于等于燃料电池系统最小功率；若是，则进行步骤S04；若否，则进行步骤S05。
步骤S04：判断锂电池当前的能量等级是否小于设定的锂电池最低存储能量等级(条件是整车需求功率小于燃料电池系统功率)；若是，则燃料电池以额定功率运行驱动车辆同时为车辆充电。此处的锂电池最低存储能量等级并非锂电池本身参数或者由自身决定的最低储能等级，而是人为设定的一个阈值，能够修改以便整车性能优化；若否，则燃料电池系统关闭，锂电池提供整车需求功率。
步骤S05：判断锂电池的能量等级是否大于锂电池最高存储能量等级；若是，则燃料电池驱动车辆，锂电池被动停止；若否，则燃料电池以额定功率运行驱动车辆，并为车辆充电。
也就是说，当整车处于制动状态时，整车需求功率Pcomm为负，即Pcomm＜0，锂电池系统回收制动能量，且燃料电池为锂电池充电。
当整车处于驱动状态时，分三种情况：
1、整车需求功率Pcomm大于燃料电池系统的额定功率Pfc-rated，即Pcomm＞Pfc-rated，燃料电池与锂电池混合驱动，燃料电池系统以额定功率运行，Pfc＝Pfc-rated，而剩余功率由锂电池组提供，即Pcomm-Pfc＝PPPS-TRACTION，其中PPPS-TRACTION表示锂电池提供的牵引功率。
2、整车需求功率Pcomm小于等于燃料电池系统最小功率Pfc-min，即Pcomm≤Pfc-min，燃料电池系统可以按照额定功率运行，或者关闭。具体情况取决于锂电池的当前电量SOC。当锂电池电量SOC低于一定阀值SOCmin(65％)时需要充电，燃料电池以额定功率Pfc-rated运行，满足整车需求功率以外，多余部分提供锂电池充电，即Pfc＝Pfc-rated且Pcomm-Pfc＝PPPS-CHARGING，其中PPPS-CHARGING表示锂电池的充电功率；当锂电池电量SOC高于一定阀值时SOCmin(65％)，燃料电池系统关闭，锂电池提供整车需求功率，即Pfc＝0，Pcomm＝PPPS-TRACTION。这种情况前提是锂电池峰值功率PPPS-TRACTION-MAX大于整车功率需求Pcomm。
3、整车需求功率Pcomm介于燃料电池系统最低功率Pfc-rated-min和额定功率Pfc-rated之间，即Pfc-rated＞Pcomm＞Pfc-min，锂电池电量高于一定阀值SOCmax(87％)时，无需充电，则燃料电池系统提供整车需求功率驱动车辆，锂电池被动停止，即Pfc＝Pcomm，PPPS＝0。锂电池电量SOC低于一定阀值SOCmax(87％)时，需要充电，燃料电池系统以额定功率运行，输出功率部分充电部分驱动车辆，即Pfc＝Pfc-rated且Pcomm-Pfc＝PPPS-CHARGING。
由此，请参考图2，整车控制器基于加速踏板和制动踏板的信号和其他信号(例如转速、电信号等)，计算整车当前需求功率并结合燃料电池动力额定功率，以分配燃料电池动力功率及锂电池功率，从而实现整车的不同工作模式：燃料电池启动、低速巡航、高速巡航、加速或爬坡、制动或滑行。此处列举几种车辆工况，在车辆爬坡或者急加速工况下，燃料电池和锂电池共同向驱动电机提供功率；在车辆紧急制动工况下，整车控制器回收制动能量存储在锂电池中；当车辆的需求功率小于燃料电池额定功率时，燃料电池驱动的同时给锂电池补充电能。
采用小容量功率型动力电池辅助能量源与燃料电池发动机动力组合的形式实现车辆的驱动，在车辆的不同行驶工况下具体功率的分配模式取决于整车功率需求和燃料电池功率的关系，同时参考锂电池的能量等级决定是否为其充电。本方案有利于在不同状态下车辆对能量的分配利用，环保节能，且提高用户对整车的使用体验。
优选的，请参考图3及图4，步骤S01至S05中，燃料电池系统启动的方法包括：
步骤S11：完成燃料电池系统自检；
步骤S12：整车控制器向锂电池系统及五合一主辅驱系统发送上电指令，并接收反馈；具体的，上电时首先给锂电池系统发送上高压指令，电池接触器闭合后，再给五合一主驱辅驱上电指令；
步骤S13：锂电池系统及五合一主辅驱系统上电完成；
步骤S14：根据当前工况，燃料电池需要启动时，整车控制器向燃料电池系统发送启动指令；
步骤S15：燃料电池系统启动完成，并响应整车控制器请求的功率。
由于燃料电池系统上下电均需要整车处于高压状态，因此，燃料电池系统的启动需要基于锂电池系统启动完成后启动，燃料电池系统停机需要先于锂电池系统下电停机。
具体的，燃料电池系统启动的大致流程如下：系统自检OK→整车控制器发送锂电池管理系统(BMS)上电指令→BMS上电完成反馈→整车控制器发送主驱辅驱上电→五合一执行预充及上电→五合一上电完成反馈→上电完成整车完成→司机行车操作整车控制器发送电机开管指令，锂电池系统上电完成；燃料电池需要启动时整车控制器发送DCDC预充指令→整车控制器判断DCDC端电压达到一定的电池电压→整车控制器发送DCDC主接触器使能指令→整车控制器发送制氢系统启动指令→制氢系统启动完成→发送燃料电池启动指令→燃料电池启动完成响应整车控制器请求的功率。
较佳的，步骤S14中燃料电池系统启动的方法包括：
步骤S141：完成燃料电池电堆直流转直流升压器模块预充及主接触器回路闭合；
步骤S142：向制氢控制器发送启动指令，制氢控制器反馈工作状态；
步骤S143：整车控制器结合制氢系统状态向燃料电池控制器发送启动指令，并请求燃料电池功率
步骤S144：燃料电池控制器根据整车控制器的功率需求计算氢气需求量，并将所述氢气需求量发送至制氢控制器；
步骤S145：制氢控制器按照所述氢气需求量控制氢油泵的流量及催化加热温度，制取氢气。
由此，本方案中燃料电池系统供应原料的方式采用有机物介质储氢，并直接将其加注在氢油箱，通过制氢控制器控制氢油泵对氢油箱中储存的氢燃料进行萃取，以满足燃料电池工作的功率需求。进一步地，燃料电池系统中增加的制氢装置成本能够分摊在较大基数车辆上，同时减少公共加氢站的费用，从而成本增加并不显著；且燃料补给的时间和成本大大缩短，基本与现有燃油车无异。
优选的，步骤S01至S05中，燃料电池系统停机的方法包括：
步骤S31：仅当钥匙下电时，整车控制器控制延时电路继电器将常电输入到整车控制器，整车控制器仍然处于工作状态，控制燃料电池相关系统供电，以保障燃料电池系统正常停机；
步骤S32：钥匙下电时，或根据当前工况燃料电池需要停机时，整车控制器向燃料电池系统、制氢系统供电并发送停机指令；
步骤S33：燃料电池系统反馈停机完成，整车控制器切断燃料电池电堆直流转直流升压器模块主接触器回路；
步骤S34：若只是依据当前车辆的工况需要关闭燃料电池时，则继续保持纯电动部分运行；若是钥匙下电则随后进行锂电池系统下电，下电完成后整车控制器断开延时电路以切断整车低压供电。
也就是说，燃料电池停机的流程如下：整车控制器发送燃料电池及制氢系统停机指令→燃料电池反馈停机完成→整车控制器关闭燃料电池DCDC使能→整车控制器发送主驱电机及辅驱下高压指令→五合一反馈下电完成→整车控制器发送电池下电指令→电池主负接触器断开→下电完成。
具体的，由于燃料电池的工作特性决定了它不同于纯电动系统的启动和停机，燃料电池停机启动都需要整车在高压状态，而且停机时需要吹扫清理，因此，整车钥匙下电时需要整车控制器具备延时电路或者延时功能保证钥匙断电后，燃料电池相关的各部件(氢油泵，氢油箱，制氢控制器)依旧处于工作状态，保障完成燃料电池的吹扫下电工作，这就需要燃料电池系统相关控制器的唤醒电由整车控制器控制。
本实施例还提供一种燃料电池动力控制系统，其包括：整车控制器、燃料电池系统及锂电池系统，所述整车控制器控制所述燃料电池系统及所述锂电池系统协同驱动车辆，所述燃料电池系统能够为所述锂电池系统充电并驱动车辆；所述燃料电池系统包括制氢控制器、燃料电池控制器、氢油泵及氢油箱；
所述整车控制器能够控制所述制氢控制器及所述燃料电池控制器的启停；所述燃料电池控制器能够计算氢气需求量，且发送至所述制氢控制器；所述制氢控制器控制氢油泵流量以及催化加热温度制取氢气。
综上所述，在本发明提供的一种燃料电池动力控制方法及系统中，具有如下优点：
采用小容量功率型动力电池辅助能量源与燃料电池发动机动力组合的形式实现车辆的驱动，在车辆的不同行驶工况下具体功率的分配模式取决于整车功率需求和燃料电池功率的关系，同时参考锂电池的能量等级决定是否为其充电。本方案有利于在不同状态下车辆对能量的分配利用，环保节能，且提高用户对整车的使用体验。
同时，燃料电池系统供应原料的方式采用有机物介质储氢，并直接将其加注在氢油箱，通过制氢控制器控制氢油泵对氢油箱中储存的氢燃料进行萃取，以满足燃料电池工作的功率需求。进一步地，燃料电池系统中增加的制氢装置成本能够分摊在较大基数车辆上，同时减少公共加氢站的费用，从而成本增加并不显著；且燃料补给的时间和成本大大缩短，基本与现有燃油车无异。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (4)

1.一种燃料电池动力控制方法，其特征在于，包括：
S01：判断整车功率需求是否小于零；若是，则对锂电池回收制动能量；若否，则进行步骤S02；
S02：判断整车功率需求是否大于燃料电池系统额定功率；若是，则燃料电池以额定功率运行与锂电池混合驱动车辆；若否，则进行步骤S03；
S03：判断整车功率需求是否小于等于燃料电池系统最小功率；若是，则进行步骤S04；若否，则进行步骤S05；
S04：判断锂电池当前的能量等级是否小于设定的锂电池最低存储能量等级；若是，则燃料电池以额定功率运行驱动车辆同时为车辆充电；若否，则燃料电池系统关闭，锂电池提供整车需求功率；
S05：判断锂电池的能量等级是否大于锂电池最高存储能量等级；若是，则燃料电池驱动车辆，锂电池被动停止；若否，则燃料电池以额定功率运行驱动车辆同时为车辆充电。
2.如权利要求1所述的燃料电池动力控制方法，其特征在于，步骤S01至S05中，燃料电池系统启动的方法包括：
S11：完成燃料电池系统自检；
S12：整车控制器向锂电池及五合一主辅驱系统发送上电指令，并接收反馈；
S13：锂电池系统及五合一主辅驱系统上电完成；
S14：根据当前工况，燃料电池需要启动时，整车控制器向燃料电池系统发送启动指令；
S15：燃料电池系统启动完成，并响应整车控制器请求的功率。
3.如权利要求2所述的燃料电池动力控制方法，其特征在于，步骤S14中燃料电池系统启动的方法包括：
S141：完成燃料电池电堆直流转直流升压器模块预充及主接触器回路闭合；
S142：向制氢控制器发送启动指令，制氢控制器反馈工作状态；
S143：整车控制器结合制氢系统状态向燃料电池控制器发送启动指令，并请求燃料电池功率；
S144：燃料电池控制器根据整车控制器的功率需求计算氢气需求量，并将所需氢气需求量发送至制氢控制器；
S145：制氢控制器按照所述氢气需求量控制氢油泵的流量及催化加热温度,制取氢气。
4.如权利要求1所述的燃料电池动力控制方法，其特征在于，步骤S01至S05中，燃料电池系统停机的方法包括：
S31：仅当钥匙下电时，整车控制器控制延时电路继电器将常电输入到整车控制器，整车控制器仍然处于工作状态，控制燃料电池相关系统供电；
S32：钥匙下电时，或根据当前工况燃料电池需要停机时，整车控制器向燃料电池系统、制氢系统并发送停机指令；
S33：燃料电池系统反馈停机完成，整车控制器切断燃料电池电堆直流转直流升压器模块主接触器回路；
S34：进行锂电池系统下电，下电完成后整车控制器断开延时电路以切断整车低压供电。
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