CN111251910A - 一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法，该系统采用燃料电池与动力锂电池组的双能源混合动力系统结构，汽车启动后整车控制唤醒所有通信节点，各节点自检完成后电机控制器与锂电池管理系统握手。锂电池管理系统对电池组剩余电量(SOC)进行估计，其上电系统通过SOC估计值，分配三种启动模式，当SOC<＝20％时为禁止上电模式；当20％<SOC<＝75％时为混合动力模式；当SOC>75％时为纯电动模式。采用预充电上电，可抑制电流，对后级设备有保护作用，通过将双能源动力源的合理配合，使得锂电池在低电量时候放电能力变弱的缺点得到了弥补，在增加续航里程的同时也增加了锂电池组的寿命。

Description

一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车领域，特别涉及一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法。
背景技术
由于能源危机和环境污染的日益严重，燃料电池与锂电池组成的双能源汽车逐步取代传统的燃油汽车，双能源汽车具有燃料电池系统、主DC/DC转换器、锂电池及其电池管理系统、高压配电系统、电机及其控制系统、变速箱、整车控制器等模块。为保障车辆的正常启动，合理的上电启动逻辑及方法对锂电池和燃料电池及各个高压部件具有重要的意义。
双能源汽车上电的过程分为低压上电过程和高压上电过程，其中低压上电过程主要是对各个控制器上电唤醒自检，高压上电的过程是将动力电池的高压电接入驱动回路，供给电机使用。驱动回路的直流电压高达200V-400V，如果将此高压的直流电通过一个开关闭合直接供给驱动电机，开关闭合瞬间由于线路电阻低会产生极大瞬间电流冲击，损害接触器和后级设备。
发明内容
本发明是旨在解决燃料电池和锂电池双能量源驱动的燃料电池汽车的上电策略问题，提出一种双能量源电驱动系统上电启动逻辑。
该系统包括燃料电池系统、主DC/DC转换器、锂电池及其电池管理系统、高压配电系统、电机及其控制系统、变速箱、整车控制器等模块。燃料电池通过升压DC/DC变换器连接到高压母线，动力锂电池组直接与高压母线相连，二者共同向电驱动系统提供能量，具体能量分配由整车控制器根据驾驶员操作信息决定。电驱动系统由电机及电机控制器组成，电机控制器将直流电逆变成三相交流电驱动电动机，电动机驱动机械传动结构驱动车轮。
在高压电路没启动前，使用车载铅酸电池为电压电路供电，由于燃料电池发动机的启动存在延时问题，采用锂电池组作为暂时启动的动力源。通过对锂电池组的SOC值估计，分配三种启动模式，分别为禁止上电模式、混合动力模式和纯电动模式。通过将双能源动力源的合理配合，使得锂电池在低电量时候放电能力变弱的缺点得到了弥补，在增加续航里程的同时也增加了锂电池组的寿命。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种燃料电池汽车双源混合动力系统上电启动逻辑及方法，该系统通过锂电池SOC估计值分配三种启动模式。模式一：当锂电池组SOC<＝20％时，为保护锂电池组，此时整车控制器不允许整车启动，并通过仪表显示需连接外接充电；模式二：当锂电池组20％<SOC<＝75％时，则启动燃料电池系统，整车工作在混合动力(燃料电池系统与锂动力电池组混合驱动)模式下；模式三：当锂电池组SOC>75％时，则关闭燃料电池系统，整车工作在纯电动驱动(仅锂动力电池组驱动)模式下。
模式一，首先根据锂电池的SOC估计值，禁止高压上电，并在仪表盘上提示是否连接外部充电信息，若是则进行外部充电，若否则低压下电，启动结束。
模式二，首先根据锂电池的SOC估计值，然后允许高压上电、VCU向FCU发送开机命令，燃料电池系统完成一系列故障自检后，进入混合动力驱动模式，即燃料电池与锂电池共同驱动，在仪表显示Ready以及系统信息，完成上电启动。
模式三，首先根据锂电池的SOC估计值，判断完成后进入纯电动驱动模式，允许高压上电，仪表显示Ready以及系统信息，完成上电启动。
所述VCU为整车控制器，是整车的大脑，它采集整车各种信号，经过处理后，对整车各个子系统发出动作命令。所述FCU为燃料电池系统控制单元，控制燃料电池系统的工作流程。
具体的，判断钥匙是否插入，若钥匙未插入，则系统进入低压系统休眠模式；若钥匙插入,整车控制器的继电器闭合，初始化并唤醒VCU,FCU,HTCU以及点亮仪表；所述VCU为整车控制器，所述FCU为燃料电池系统控制单元，所述HTCU为氢气加热系统；
进一步判断钥匙是否点火，若未点火，等待发动机点火，若钥匙点火完成，唤醒所有通信节点，各个节点进入自检模式，进行故障诊断及相应的失效处理；如图3所示，本车系中，主要通信节点包括：整车控制器、组合仪表、低压辅助DC/DC、电子液压泵系统、氢气加热系统、电池管理系统、燃料电池系统、燃料电池升压DC/DC、电机控制器。
进一步将车辆置于N档制动踏板有效，判断钥匙是否维持0.5S，若是则VCU闭合动力电池负端继电器，VCU发送整车状态，发起MCU与BMS握手，然后BMS开始对电池组巡检并完成SOC估计。所述MCU为电机控制器，所述BMS为电池管理系统；
进一步根据BMS的SOC估计值，判断SOC>20％,若否即禁止高压上电，为保护锂电池组，此时整车控制器不允许整车启动，并通过仪表显示需连接外接充电，若不进行充电，即VCU下电，启动结束；
进一步若SOC>20％，VCU延时200ms，BMS闭合预充电继电器，延时1000ms进行预充电，判断HVP>＝98％HVB，若是则预充电完成，否则预充电失败，进行相应故障诊断和失效处理；所述预充电即上电时先闭合预充电接触器，由于预充电线路上串接有大功率电阻，可抑制电流，令后级的电容、整流桥等设备电压上升达到动力电池电压，此时连接主接触器，断开预充电接触器，减少预充电阻上电能的损耗，完成高压电上电，所述HVP为系统高压母线电压，所述HVB为高压电池电压。
进一步，完成高压上电后，VCU使能DCL，完成高压上电开启相应的辅助散热风扇，若有空调和PTC请求即开启车厢热管理程序；所述DCL为低压辅助DC/DC变换，所述PTC为电动汽车加热器。
进一步，判断锂电池SOC估计值是否高于75％，若SOC>75％,则汽车进入纯电动启动，进入纯电动模式，仪表盘显示READY以及相应的系统信息，汽车完成上电启动过程；
若否，VCU向FCU发送开机命令，燃料电池控制单元开启相应的开机程序，FCS自检是否正常，若否，开启相应的故障诊断和失效处理程序，若FCS自检正常，VCU使能DCF并启动DCF，进入燃料电池系统与锂动力电池组混合驱动，仪表盘显示READY以及相应的系统信息，汽车完成上电启动过程。所述FCS为燃料电池系统，DCF为燃料电池升压DC/DC。
本发明存在以下有益效果
1.通过SOC的估计值分配的三种启动模式，将双能源动力源的合理配合，使得锂电池在低电量时候放电能力变弱的缺点得到了弥补，在增加续航里程的同时也增加了锂电池组的寿命。
2.采用预充电上电，上电时先闭合预充电接触器，由于预充电线路上串接有大功率电阻，可抑制电流，令后级的电容、整流桥等设备电压上升达到动力电池电压，此时连接主接触器，断开预充电接触器，减少预充电阻上电能的损耗，完成高压电上电。
3.采用整车控制器控制高压继电器开断，可根据实际情况调整上电时间和时机，不受其他车辆部件限制。
附图说明
图1是本发明所述的燃料电池汽车双源混合动力系统结构图
图2是本发明所述的燃料电池汽车双源混合动力系统上电启动流程图
图3是本发明所述的整车通讯网络结构图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明是旨在解决燃料电池和锂电池双能量源驱动的燃料电池汽车上电策略问题，提出一种双能量源电驱动系统上电启动逻辑。如图1所示，该系统包括燃料电池系统、主DC/DC转换器、锂电池及其电池管理系统、高压配电系统、电机及其控制系统、变速箱、整车控制器等模块。该系统采用燃料电池与动力锂电池组的双能源混合动力系统结构。燃料电池通过升压DC/DC变换器连接到高压母线，动力锂电池组直接与高压母线相连，二者共同向电驱动系统提供能量，具体能量分配由整车控制器控制器根据驾驶员操作信息决定。电驱动系统由电机及电机控制器组成，电机控制器将直流电逆变成三相交流电驱动电动机，电动机驱动机械传动结构驱动车轮。
在高压电路没启动前，使用车载铅酸电池为电压电路供电的，由于燃料电池发动机启动的存在延时问题，采用锂电池组作为暂时启动的动力源。通过对锂电池组的SOC值估计，分配三种启动模式，分别为禁止上电模式、混合动力模式和纯电动模式。通过将双能源动力源的合理配合，使得锂电池在低电量时候放电能力变弱的缺点得到了弥补，在增加续航里程的同时也增加了锂电池组的寿命。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种燃料电池汽车双源混合动力系统上电启动逻辑及方法，该系统通过锂电池SOC估计分配三种启动模式。模式一：当锂电池组SOC<＝20％时，为保护锂电池组，此时整车控制器不允许整车启动，并通过仪表显示需连接外接充电，等待启动；模式二：当锂电池组20％<SOC<＝75％时，则启动燃料电池系统，整车工作在混合动力(燃料电池系统与锂动力电池组混合驱动)模式下；模式三：当锂电池组SOC>75％时，则关闭燃料电池系统，整车工作在纯电动驱动(仅锂动力电池组驱动)模式下。
模式一，首先根据锂电池的SOC估计值，禁止高压上电，并在仪表盘上提示是否连接外部充电信息，若是则进行外部充电，若否则低压下电，启动结束。
模式二，首先根据锂电池的SOC估计值，然后允许高压上电、VCU向FCU发送开机命令，燃料电池系统完成一系列故障自检后，进入混合动力驱动模式，即燃料电池与锂电池共同驱动，在仪表显示Ready以及系统信息，完成上电启动。
模式三，首先根据锂电池的SOC估计值，判断完成后进入纯电动驱动模式，允许高压上电，仪表显示Ready以及系统信息，完成上电启动。
所述VCU为整车控制器，是整车的大脑，它采集整车各种信号，经过处理后，对整车各个子系统发出动作命令。所述FCU为燃料电池系统控制单元，控制燃料电池系统的工作流程。
具体的，如图2所示，判断钥匙是否插入，若钥匙未插入，即系统进入低压系统休眠模式；若钥匙插入，整车控制器的继电器闭合，初始化并唤醒VCU,FCU,HTCU以及点亮仪表；所述VCU为整车控制器，所述FCU为燃料电池系统控制单元，所述HTCU为氢气加热系统；
进一步判断钥匙是否点火，若未点火，等待发动机点火，若钥匙点火完成，唤醒所有通信节点，各个节点进入自检模式，进行故障诊断及相应的失效处理；如图3所示，本车系中，主要通信节点包括：整车控制器、组合仪表、低压辅助DC/DC、电子液压泵系统、氢气加热系统、电池管理系统、燃料电池系统、燃料电池升压DC/DC、电机控制器。
进一步将车辆置于N档制动踏板有效，判断钥匙是否维持0.5S，若是则VCU闭合动力电池负端继电器，VCU发送整车状态，发起MCU与BMS握手，然后BMS开始对电池组巡检并完成SOC估计。所述MCU汽车的电机控制器，所述BMS为电池管理系统；
进一步根据BMS的SOC估计值，判断SOC>20％,若否即禁止高压上电，为保护锂电池组，此时整车控制器不允许整车启动，并通过仪表显示需连接外接充电，若不进行充电，即VCU下电，启动结束；
进一步若SOC>20％，VCU延时200ms，BMS闭合预充电继电器，延时1000ms进行预充电，判断HVP>＝98％HVB,若是则预充电完成，否则预充电失败，进行相应故障诊断和失效处理；所述预充电即上电时先闭合预充电接触器，由于预充电线路上串接有大功率电阻，可抑制电流，令后级的电容、整流桥等设备电压上升达到动力电池电压，此时连接主接触器，断开预充电接触器，减少预充电阻上电能的损耗，完成高压电上电，所述HVP为系统高压母线电压，所述HVB为高压电池电压。
进一步，完成高压上电后，VCU使能DCL，完成高压上电开启相应的辅助散热风扇，若有空调和PTC请求即开启车厢热管理；所述DCL为低压辅助DC/DC变换，所述PTC为电动汽车加热器。
进一步，判断锂电池SOC估计值是否高于75％，若SOC>75％,则汽车进入纯电动启动，进入纯电动模式，仪表盘显示READY以及相应的系统信息，汽车完成上电启动过程；
若否，VCU向FCU发送开机命令，燃料电池控制单元开启相应的开机程序，FCS自检是否正常，若否，开启相应的故障诊断和失效处理程序，若FCS自检正常，VCU使能DCF并启动DCF，进入燃料电池系统与锂动力电池组混合驱动，仪表盘显示READY以及相应的系统信息，汽车完成上电启动过程。所述FCS为燃料电池系统，DCF为燃料电池升压DC/DC。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法，其特征在于，所述系统采用燃料电池与动力锂电池组的双能源混合动力系统结构，燃料电池通过升压DC/DC变换器连接到高压母线，动力锂电池组直接与高压母线相连，二者共同向电驱动系统提供能量，具体能量分配由整车控制器根据驾驶员操作信息决定；电驱动系统包括电机以及电机控制器，所述电机控制器将直流电逆变成三相交流电驱动电动机，电动机通过驱动机械传动结构驱动车轮。所述双能源混合动力系统的上电系统通过锂电池SOC估计值，分配三种启动模式，所述三种启动模式分别为禁止上电模式、混合动力模式和纯电动模式；所述三种启动模式通过将双能源动力源的合理配合，使得锂电池在低电量时候放电能力变弱的缺点得到了弥补，在增加续航里程的同时也增加了锂电池组的寿命。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法，其特征在于，所述双能源混合动力系统是通过锂电池SOC估计值分配三种启动模式，具体的三种启动模式为：
模式一：当锂电池组SOC<＝20％时，为保护锂电池组，此时整车控制器不允许上电启动，并通过仪表显示需连接外接充电；
模式二：当锂电池组20％<SOC<＝75％时，则启动燃料电池系统，整车工作在混合动力，即燃料电池系统与锂动力电池组为混合驱动模式；
模式三：当锂电池组SOC>75％时，则关闭燃料电池，整车工作在纯电动驱动，即仅锂动力电池组驱动模式。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法，其特征在于，所述模式一具体方法是：
首先根据锂电池的SOC估计值，禁止高压上电，并在仪表盘上提示是否连接外部充电信息，若是则进行外部充电，等待启动，若否则低压下电，启动结束。
4.如权利要求2所述的一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法，其特征在于，所述模式二具体方法是：
首先根据锂电池的SOC估计值，然后允许高压上电、整车控制器(VCU)向燃料电池系统控制单元(FCU)发送开机命令，燃料电池系统完成一系列故障自检后，进入混合动力驱动模式，即燃料电池与锂电池共同驱动，在仪表显示Ready以及系统信息，完成上电启动。
5.如权利要求2所述的一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法，其特征在于，所述模式三具体方法是：
首先根据锂电池的SOC估计值，判断完成后进入纯电动驱动模式，允许高压上电，仪表显示Ready以及系统信息，完成上电启动。
6.如权利要求4所述的一种燃料电池汽车双源混合动力系统的上电启动逻辑及方法，其特征在于，所述整车控制器(VCU)是整车的大脑，它采集整车各种信号，经过处理后，对整车各个子系统发出动作命令，所述燃料电池系统控制单元(FCU)控制燃料电池系统的工作流程。
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