CN111452632A - 一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统 - Google Patents

一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，主要优化了汽车能源系统架构，加入辅助能源系统；所述辅助能源系统包含超级电容、超级电容双向DC/DC、镍氢电池、镍氢电池双向DC/DC，用于弥补瞬间整车需求较大功率、吸收燃料电池发动机多余的功率和电机回馈功率，同时给低压平台用电设备供电。本发明的有益效果是：加入辅助能源系统，设计为两个电压平台：540V平台、340V平台，提升了电驱动系统效率的同时，还解决了其他高压部件PTC、空调、转向泵等无540V平台的问题。

Description

一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车电池领域，尤其涉及一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统。
背景技术
随着人们环保意识的日益增强，氢燃料汽车的发展速度迫切加快，如何提升整车安全可靠性，同时提升整车效率是氢燃料汽车面临的重要问题，其中优化动力系统架构、研发新的控制策略是目前应用的主要解决方案之一。
无论是氢燃料电池商用车，还是氢燃料电池乘用车，其主要动力源都包含主动力源(氢燃料电池系统和升压DC/DC)和辅助能源。在现阶段所应用电池电压特性软，在油门踏板的开度变化率很大的时候电压波动大。同时，在低电压平台(额定340V)下，电驱动系统效率低。所以通过优化动力系统架构，设计为两个电压平台：540V平台、340V平台，提升了电驱动系统效率的同时，还解决了其他高压部件(PTC、空调、转向泵等)无540V平台的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统。
本发明提供一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，具体包括：
辅助能源系统、主能源系统、用电系统和整车控制器VCU；
所述辅助能源系统与所述主能源系统电性连接；所述辅助能源系统和所述主能源系统均与所述用电系统电性连接；所述整车控制器VCU与所述辅助能源系统和所述主能源系统电性连接；
所述辅助能源系统，包括超级电容、超级电容双向DC/DC、镍氢电池和镍氢电池双向DC/DC；
所述主能源系统包括：氢燃料电池发动机系统FCS和Boost变换器DC/DC；
所述用电系统包括：整车PDU、高压平台用电设备和低压平台用电设备；所述整车PDU包括高压平台部分和低压平台部分；所述高压平台部分与所述高压平台用电设备电性连接，用于控制所述高压平台用电设备；所述低压平台部分与所述低压平台用电设备电性连接，用于控制所述低压平台用电设备；
所述主能源系统与所述辅助能源系统电性连接；所述主能源系统通过所述整车PDU与所述用电系统电性连接；
所述超级电容与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的高压平台部分为所述高压平台用电设备提供540V输出电压；所述镍氢电池与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的低压平台部分为所述低压平台用电设备提供340V输出电压和为高压平台用电设备提供540V输出电压；
所述整车控制器VCU与所述主能源系统和所述辅助能源系统分别电性连接，以智能调配所述主能源系统和所述辅助能源系统输出功率，满足氢燃料电池汽车不同行驶状态情况下的用电系统的功率需求。
进一步地，所述氢燃料电池发动机系统FCS通过主正继电器K1和主负继电器K2与所述Boost变换器DC/DC相连；所述Boost变换器DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
进一步地，所述超级电容为第一辅助供电单元，通过主正继电器K3和主负继电器K4与所述超级电容双向DC/DC电性连接；所述超级电容双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
进一步地，所述镍氢电池为第二辅助供电单元，通过主正继电器K5和主负继电器K6与所述镍氢电池双向DC/DC电性连接；所述镍氢电池双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接；所述镍氢电池通过所述主正继电器K5和主负继电器K6还直接与所述整车PDU的低压控制部分电性连接。
进一步地，所述氢燃料电池汽车不同行驶情况包括：匀速行驶、平稳加速行驶、紧急加速行驶和制动行驶。
进一步地，在氢燃料电池汽车匀速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源系统和所述辅助能源系统供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机系统FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC反向降压，即完成从540V到340V的降压过程，以给所述镍氢电池充电，充电功率与所述低压平台用电设备消耗功率相等；
所述整车控制器VCU使能超级电容双向DC/DC，但控制电流为0，即所述超级电容双向DC/DC不供电。
进一步地，氢燃料电池汽车平稳加速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源系统和所述辅助能源系统供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机系统FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述VCU整车控制器使能所述镍氢电池双向DC/DC反向降压，即完成从540V到340V的降压过程，以给所述镍氢电池充电，充电功率与所述低压平台用电设备消耗功率相等；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述超级电容双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电。
进一步地，氢燃料电池汽车紧急加速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源系统和所述辅助能源系统供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机系统FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述超级电容双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述镍氢电池双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电。
氢燃料电池汽车制动行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源系统和所述辅助能源系统供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机系统FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC吸收制动过程中的功率，即所述超级电容双向DC/DC向所述超级电容充电；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC吸收制动过程中的制动功率，即所述镍氢电池双向DC/DC向所述镍氢电池充电
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：加入辅助能源系统，设计为两个电压平台：540V平台、340V平台，提升了电驱动系统效率的同时，还解决了其他高压部件PTC、空调、转向泵等无540V平台的问题。
附图说明
图1是本发明一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统的架构图；
图2是本发明实施例中各系统电流方向示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统的架构图，具体包括：
辅助能源系统、主能源系统、用电系统和整车控制器VCU(图1中未视出)；
所述辅助能源系统与所述主能源系统电性连接；所述辅助能源系统和所述主能源系统均与所述用电系统电性连接；所述整车控制器VCU与所述辅助能源系统和所述主能源系统电性连接；
所述辅助能源系统，包括超级电容、超级电容双向DC/DC、镍氢电池和镍氢电池双向DC/DC；
所述主能源系统包括：氢燃料电池发动机系统FCS和Boost变换器DC/DC；
所述用电系统包括：整车PDU、高压平台用电设备和低压平台用电设备；所述整车PDU包括高压平台部分和低压平台部分；所述高压平台部分与所述高压平台用电设备电性连接，用于控制所述高压平台用电设备；所述低压平台部分与所述低压平台用电设备电性连接，用于控制所述低压平台用电设备；
所述主能源系统与所述辅助能源系统电性连接；所述主能源系统通过所述整车PDU与所述用电系统电性连接；
所述超级电容与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的高压平台部分为所述高压平台用电设备提供540V输出电压；所述镍氢电池与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的低压平台部分为所述低压平台用电设备提供340V输出电压和为高压平台用电设备提供540V输出电压；
所述整车控制器VCU与所述主能源系统和所述辅助能源系统分别电性连接，以智能调配所述主能源系统和所述辅助能源系统输出功率，满足氢燃料电池汽车不同行驶状态情况下的用电系统的功率需求。
所述氢燃料电池发动机系统FCS通过主正继电器K1和主负继电器K2与所述Boost变换器DC/DC相连；所述Boost变换器DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
所述超级电容为第一辅助供电单元，通过主正继电器K3和主负继电器K4与所述超级电容双向DC/DC电性连接；所述超级电容双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
所述镍氢电池为第二辅助供电单元，通过主正继电器K5和主负继电器K6与所述镍氢电池双向DC/DC电性连接；所述镍氢电池双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接；所述镍氢电池通过所述主正继电器K5和主负继电器K6还直接与所述整车PDU的低压控制部分电性连接。
请参考图2，图2是本发明实施例中各系统电流方向定义；Boost变换器双向DC/DC输出电流为i1，超级电容双向DC/DC输出电流为i2，镍氢电池双向DC/DC输出电流为i3，镍氢电池输出低电压平台部分电流为i4，镍氢电池输出高电压平台部分电流为i5，镍氢电池对外输出电流为i6，高压平台部分输入电流为i7。设定途中电流方向为正，反方向为负。i7＝i1+i2+i3，i6＝i5+i4。
整车在运行过程中，所有前述系统均在不同工况下分别介入工作，燃料电池系统FCS作为主电源，需要时时刻刻工作做在不同功率工况下。辅助能源系统(超级电容+镍氢电池)作为辅助能源，理论上不需要持续介入工作，只有在整车功率需求变化，燃料电池系统无法快速跟随时才会介入工作。但是由于本发明所述系统具有两个电压平台，整车低压平台部件需要工作，所以在任何时候镍氢电池系统都需要对外供电，即i4>0A。
整个控制逻辑可根据各部件充电或放电情况进行分类，主要可分为4类：
整车匀速行驶，燃料电池系统输出功率满足整车需求。燃料电池对外供电，超级电容系统不对外供电，镍氢电池系统吸收高压平台部分功率：i1为正，i2＝0A，i3负，i4为正，i5负，i6＝0A。
控制思路：整车VCU使能FCS+Boost DC/DC，并对外输出功率。VCU使能镍氢电池双向DC/DC反向降压(540V—340V降压)，给镍氢电池系统充电，充电功率与低压平台部件消耗功率相等。VCU使能超级电容双向DC/DC，但控制电流为0。
整车平稳加速行驶，燃料电池输出功率短时间内无法快速提升满足整车需求，需要超级电容对外输出。此时，整燃料电池对外供电，超级电容系统对外供电，镍氢电池系统吸收高压平台部分功率：i1为正，i2正，i3负，i4为正，i5负，i6＝0A。
控制思路：VCU使能FCS+Boost DC/DC，并对外输出功率。VCU使能镍氢电池双向DC/DC反向降压(540V—340V降压)，给镍氢电池系统充电，充电功率与低压平台部件消耗功率相等。VCU使能超级电容双向DC/DC正向升压给高压平台供电。
整车急加速行驶，燃料电池输出功率短时间内无法快速提升满足整车需求，需要超级电容对外输出，同时还需要镍氢电池系统对外输出。燃料电池对外供电，超级电容系统对外供电，镍氢电池系统向高压平台部分供电：i1为正，i2正，i3正，i4为正，i5正，i6正。
控制思路：VCU使能FCS+Boost DC/DC，并对外输出功率。VCU使能镍氢电池双向DC/DC正向升压(340V-540V升压)。VCU使能超级电容双向DC/DC正向升压给高压平台供电。
整车紧急制动行驶，燃料电池输出功率短时间内无法快速降低满足整车需求，需要超级电容吸收功率，同时还需要镍氢电池系统吸收功率。燃料电池对外供电，超级电容系统吸收高压平台部分功率，镍氢电池系统吸收高压平台部分功率：i1为正，i2负，i3负，i4为正，i5负，i6≤0A。
本发明针对4个实际工况的实测数据如下：
1)匀速工况：假设车速匀速60km/h，i1＝55A，i2＝0，i3＝-9.5A，i4＝14.7A，i5＝-14.7A，i6＝0A
2)平稳加速：假设车速0-60km/h平稳加速，某一瞬间，i1＝55A，i2＝83.3，i3＝-9.5A，i4＝14.7A，i5＝-14.7A，i6＝0A
3)急加速：假设车速0-60km/h平稳加速，某一瞬间，i1＝55A，i2＝148.1A，i3＝18.5A，i4＝14.7A，i5＝30.3A，i6＝45A
4)紧急制动：假设车速100km/h紧急制动瞬间，i1＝148.1A，i2＝-203.7A，i3＝37A，i4＝14.9A，i5＝-60.3A，i6＝-45.4A
本发明的有益效果是：加入辅助能源系统，设计为两个电压平台：540V平台、340V平台，提升了电驱动系统效率的同时，还解决了其他高压部件PTC、空调、转向泵等无540V平台的问题。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，其特征在于：具体包括：辅助能源系统、主能源系统、用电系统和整车控制器VCU；
所述辅助能源系统与所述主能源系统电性连接；所述辅助能源系统和所述主能源系统均与所述用电系统电性连接；所述整车控制器VCU与所述辅助能源系统和所述主能源系统电性连接；
所述辅助能源系统，包括超级电容、超级电容双向DC/DC、镍氢电池和镍氢电池双向DC/DC；
所述主能源系统包括：氢燃料电池发动机系统FCS和Boost变换器DC/DC；
所述用电系统包括：整车PDU、高压平台用电设备和低压平台用电设备；所述整车PDU包括高压平台部分和低压平台部分；所述高压平台部分与所述高压平台用电设备电性连接，用于控制所述高压平台用电设备；所述低压平台部分与所述低压平台用电设备电性连接，用于控制所述低压平台用电设备；
所述主能源系统与所述辅助能源系统电性连接；所述主能源系统通过所述整车PDU与所述用电系统电性连接；
所述超级电容与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的高压平台部分为所述高压平台用电设备提供540V输出电压；所述镍氢电池与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的低压平台部分为所述低压平台用电设备提供340V输出电压和为高压平台用电设备提供540V输出电压；
所述整车控制器VCU与所述主能源系统和所述辅助能源系统分别电性连接，以智能调配所述主能源系统和所述辅助能源系统输出功率，满足氢燃料电池汽车不同行驶状态情况下的用电系统的功率需求。
2.如权利要求1所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，其特征在于：所述氢燃料电池发动机系统FCS通过主正继电器K1和主负继电器K2与所述Boost变换器DC/DC相连；所述Boost变换器DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
3.如权利要求1所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，其特征在于：所述超级电容为第一辅助供电单元，通过主正继电器K3和主负继电器K4与所述超级电容双向DC/DC电性连接；所述超级电容双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
4.如权利要求1所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，其特征在于：所述镍氢电池为第二辅助供电单元，通过主正继电器K5和主负继电器K6与所述镍氢电池双向DC/DC电性连接；所述镍氢电池双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接；所述镍氢电池通过所述主正继电器K5和主负继电器K6还直接与所述整车PDU的低压控制部分电性连接。
5.如权利要求1所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，其特征在于：所述氢燃料电池汽车不同行驶情况包括：匀速行驶、平稳加速行驶、紧急加速行驶和制动行驶。
6.如权利要求5所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，其特征在于：在氢燃料电池汽车匀速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源系统和所述辅助能源系统供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机系统FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC反向降压，即完成从540V到340V的降压过程，以给所述镍氢电池充电，充电功率与所述低压平台用电设备消耗功率相等；
所述整车控制器VCU使能超级电容双向DC/DC，但控制电流为0，即所述超级电容双向DC/DC不供电。
7.如权利要求5所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，其特征在于：氢燃料电池汽车平稳加速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源系统和所述辅助能源系统供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机系统FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述VCU整车控制器使能所述镍氢电池双向DC/DC反向降压，即完成从540V到340V的降压过程，以给所述镍氢电池充电，充电功率与所述低压平台用电设备消耗功率相等；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述超级电容双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电。
8.如权利要求5所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，其特征在于：氢燃料电池汽车紧急加速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源系统和所述辅助能源系统供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机系统FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述超级电容双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述镍氢电池双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电。
9.如权利要求5所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源系统，其特征在于：氢燃料电池汽车制动行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源系统和所述辅助能源系统供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机系统FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC吸收制动过程中的功率，即所述超级电容双向DC/DC向所述超级电容充电；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC吸收制动过程中的制动功率，即所述镍氢电池双向DC/DC向所述镍氢电池充电。
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