CN112606710B - 燃料电池辅助能量系统双向dcdc实现输出控制的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的系统及方法，该系统包括：双辅助能量系统和双向DCDC控制器，所述双辅助能量系统包括系统A和系统B，所述系统A由锂离子电容或超级电容配合组成，系统B由镍氢电池或锂离子电池组成。在整车控制器能量管理分配控制下，能量存储系统需要增加双向DCDC控制器来配合使用，充分利用能量存储系统的低电压范围的能量，同时实现能量的双向流动。本发明的有益效果是：本发明解决了能量存储系统的低电压范围无法有效利用和整体能量利用率不高的问题，提高了利用能量存储系统的低电压范围的能量，同时实现能量的双向流动。
Description
技术领域
本发明涉及氢能汽车领域，尤其涉及燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的系统及方法。
背景技术
近年来，随着环境污染问题越来越严重，防止环境污染，保护环境，维持生态平衡，已成为社会发展的一项重要举措，传统的石油能源早已无法满足现在的汽车工业的动力需求，性能优越的燃料电池被广泛认为是未来电动汽车能源方案的最佳选择，燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料（如氢气、天然气等）和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置，可以持续发电，且生成物主要是水，基本上不排放有害气体，因此更加清洁环保，燃料电池汽车做到了真正意义上的零排放、零污染。
由于燃料电池系统动态响应慢，在启动、急加速、爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆要求，需要有一套能量存储系统来解决这个问题，同时解决燃料电池的低温启动、辅助高压供电问题，目前常用的能量存储系统主要是锂离子电容、超级电容、镍氢电池和锂离子电池，由于受到自身体积、自身重量以及整车空间布局的影响，只能选用功率小的能量存储系统，由于这些能量存储系统输出电压范围比较宽，电机驱动系统的电压范围相对比较窄，能量存储系统的低电压范围无法有效利用，导致整体能量利用率不高，所以能量存储系统需要增加双向DCDC控制器来配合使用，充分利用能量存储系统的低电压范围的能量，同时实现能量的双向流动。这样整车能量管理分配控制时，就需要对双向DCDC控制器充放电电流设定值、输出电压设定值进行合理的控制来实现能量双向流动。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种燃料电池双辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的系统及方法。
一种燃料电池双辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的系统，应用于整车，整车具有整车控制器，该系统包括：双辅助能量系统、燃料电池系统、功率分配系统、电机驱动系统和双向DCDC控制器，所述双辅助能量系统包括系统A和系统B，所述系统A由锂离子电容或超级电容组成，系统B由镍氢电池或锂离子电池组成；燃料电池系统和系统A均配合双向DCDC控制器使用；所述系统A和系统B均双向电性连接功率分配系统，燃料电池系统单向电性连接于功率分配系统，所述功率分配系统单向电性连接于电机驱动系统。
一种燃料电池双辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的方法，基于上述燃料电池双辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的系统实现，该方法的工作原理如下：
如果双向DCDC控制器的输出电压值等于系统B的输出电压值，这时系统A和系统B之间即不充电也不放电；
如果燃料电池系统的输出功率高于系统A的输出功率和/或整车中的电机驱动系统处于制动状态，母线上有能量需要回收储存，系统A进入充电状态，系统A的当前SOC逐渐升高，充电电流设定值为超级电容最大充电电流值，当前母线电压高于双向DCDC控制器输出电压值，给系统A充电；
当前母线电压低于双向DCDC控制器输出电压值，且高于系统B的部分能量，给系统B充电，系统B的SOC也会逐渐升高；
系统A和系统B的SOC同时升高，在系统A的SOC值首先达到上限限制值A1时，整车控制器控制双向DCDC控制器的充电电流为零，停止对系统A充电，多余的能量给系统B充电，系统B的当前SOC值达到上限限制值B1时，整车控制器控制燃料电池系统进入怠速停机过程，停止对系统A和系统B进行充电；
如果电机驱动系统处于驱动状态，需要系统A和/或系统B输出能量，系统A和/或系统B的SOC会慢慢降低，系统A的SOC低于限制值A2或系统B的SOC低于限制值B2时，A2 < A1，B2 < B1，整车控制器再次启动燃料电池系统工作；
如果系统A当前SOC值低于最佳SOC值A3且不断减小时，或系统B的当前SOC值低于最佳SOC值B3且不断减小时，A3 < A2，B3< B2，整车控制器控制燃料电池系统加大输出功率，对系统A或系统B进行充电；
系统B工作异常时，系统A的锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器工作在电压输出模式，整车控制器根据当前系统状态设置双向DCDC控制器的输出电压值来维持动力系统母线电压，这时系统A在预设的SOC范围内工作，如果燃料电池系统输出功率高于系统A的输出功率和/或电机驱动系统处于制动状态，母线上有能量需要回收储存，系统A进入充电状态，如果系统A当前的SOC值超过上限限制值A1时，整车控制器控制燃料电池系统进入怠速停机过程，停止对系统A充电，如果电机驱动系统处于驱动状态，需要系统A输出能量，系统A的SOC会慢慢降低，系统A当前的SOC值低于上限限制值A2时，A2 < A1，整车控制器再次启动燃料电池系统工作；如果系统A当前SOC值向下限限制值减小时，整车控制器控制燃料电池系统加大输出功率，对系统A进行充电；
系统A的锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器工作异常时，整车控制器根据系统状态降功率工作，工作过程类似于上述系统B工作异常的状态。
进一步地，系统B工作在电压输出模式。
进一步地，系统A的工作模式为电压输出模式、限流模式或限压模式。
进一步地，系统A的工作限压值、工作限流值由整车控制器能量管理分配计算后周期性设置。
进一步地，系统B的工作状态分为正常工作和异常工作，系统B异常工作时，系统A工作在电压输出模式，系统B正常工作时，系统A工作在限压模式或限流模式。
进一步地，系统B工作在正常状态时，系统A配合双向DCDC控制器的工作参数由整车控制器根据当前双辅助能量系统的状态进行设定。
进一步地，系统A进入充电状态，提高双向DCDC控制器的输出电压设定值。
进一步地，所述A1、A2、A3以及B1、B2和B3分别指系统A和系统B的SOC阈值，取值范围为0~100%，A1=90%，B1=90%；A2=65%，B2=65%；A3=50%，B3=50%。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明解决了能量存储系统的低电压范围无法有效利用和整体能量利用率不高的问题，提高了利用能量存储系统的低电压范围的能量，同时实现能量的双向流动。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中动力系统能量流向框图；
图2是本发明实施例中双双辅助能量系统工作流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种燃料电池双辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的系统及方法。
该系统包括：双辅助能量系统、燃料电池系统、功率分配系统、空压机控制器、散热系统、电机驱动系统和双向DCDC控制器，所述双辅助能量系统包括系统A和系统B，所述系统A由锂离子电容或超级电容组成，系统B由镍氢电池或锂离子电池组成。燃料电池系统和系统A均电性连接双向DCDC控制器，配合双向DCDC控制器使用；所述系统A和系统B均双向电性连接功率分配系统，燃料电池系统单向电性连接于功率分配系统，所述功率分配系统单向电性连接于电机驱动系统。功率分配系统，用于分配各个能量源应该输出的功率，本实施例中的三个能量源为燃料电池、超级电容和锂离子电池，散热系统，用于散去整车发动中产生的热量，空压机控制器用于把系统输出压力控制在最小波动范围内，使空压机和散热系统运行能耗最小化。
本发明所要解决的技术问题是，提供一种双辅助能量系统，该双辅助能量系统包括系统A和系统B，系统A是由锂离子电容或超级电容组成，系统B是由镍氢电池或锂离子电池组成，在整车控制器能量管理分配控制下，双辅助能量系统可以工作在电压控制模式、电流控制模式中任一控制模式，具体工作在哪一种控制模式是由系统B的镍氢电池或锂离子电池的工作状态决定的，系统B的工作状态分为正常工作和异常工作。
系统B后端不电性连接双向DCDC控制器，系统B工作处于电压输出模式。
系统B工作异常时，系统A的锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器，工作在电压输出模式。
系统B正常工作时，系统A的锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器，工作在限压或限流模式。
系统A的工作限压值、工作限流值由整车控制器能量管理分配计算后周期性设置。
系统A的工作限压值的电压，作为双向DCDC控制器实现能量双向流动的判断依据。
系统A是由锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器组成，系统B是由镍氢电池或锂离子电池组成，在整车控制器能量管理分配控制下，系统B工作在电压输出模式，系统A工作在电压输出模式、限流模式、限压模式中任一模式，整车控制器依据能量管理分配状态、双辅助能量系统状态，决定系统A的工作模式。
系统B工作正常时，系统A的锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器的工作参数是由整车控制器依据当前双系统的状态设定的，即根据驱动或回馈以及SOC的状态来设置充电或放电；如果双向DCDC控制器的输出电压值接近系统B的输出电压值，这时系统A和系统B之间基本上不充电也不放电；
如果燃料电池系统输出功率高于系统A的输出功率和/或电机驱动系统处于制动状态，母线上有能量需要回收储存，系统A进入充电状态，系统A的当前SOC逐渐升高，这时可以适当提高双向DCDC的输出电压设定值，充电电流设定值为超级电容最大充电电流值；通过CAN报文来提高输出电压设定值，因为随着系统A的充电，其电压会逐步升高，所以也需将双向DCDC控制器的输出电压相应提高。
当前母线电压高于双向DCDC输出电压值的部分能量，给系统A充电，当前母线电压低于双向DCDC输出电压值，且高于系统B的部分能量，给系统B充电，系统B的SOC也会逐渐升高。SOC是State Of Charge的简称，表示荷电状态，具体用来表示存储电量的多少，数值越大代表存储的电量越多。这里所说的部分能量是指满足车辆附件能量需求后所剩余的能量。
这样系统A和系统B的SOC值同时升高，在系统A的SOC值首先达到上限限制值A1时，整车控制器控制双向DCDC控制器的充电电流为零，停止对系统A充电，多余的能量给系统B充电，系统B的当前SOC值达到上限限制值B1时，整车控制器控制燃料电池系统进入怠速停机过程，停止对系统A和系统B进行充电。如果电机驱动系统处于驱动状态，需要系统A和/或系统B输出能量，系统A和/或系统B的SOC会慢慢降低，系统A的SOC值低于限制值A2(A2值 <A1值)或系统B的SOC低于限制值B2时(B2值 < B1值)，整车控制器再次启动燃料电池系统工作。如果系统A当前SOC值低于最佳SOC值A3(A3值 < A2值)且减小时，或系统B的当前SOC值低于最佳SOC值B3(B3值 < B2值)且减小时，整车控制器控制燃料电池加大输出功率，对系统A或系统B进行充电。
系统B的镍氢电池或锂离子电池工作异常时，系统A的锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器工作在电压输出模式，整车控制器依据当前系统状态设置双向DCDC控制器的输出电压值来维持动力系统母线电压，这时系统A在预设的SOC范围内工作，这里的预设的SOC范围为10%~90%，以防过充或过放；如果燃料电池系统输出功率高于系统A的输出功率和/或电机驱动系统处于制动状态，母线上有能量需要回收储存，系统A进入充电状态，如果系统A当前的SOC值超过上限限制值A1时，整车控制器控制燃料电池系统进入怠速停机过程，停止对系统A充电，如果电机驱动系统处于驱动状态，需要系统A输出能量，系统A的SOC会慢慢降低，系统A当前的SOC值低于上限限制值A2时(A2值 < A1值)，整车控制器再次启动燃料电池系统工作。如果系统A当前SOC值向下限限制值减小时，整车控制器控制燃料电池加大输出功率，对系统A进行充电。上述整车控制器依据当前系统状态设置双向DCDC控制器的输出电压值来维持动力系统母线电压时，是通过CAN报文设置，进而通过调整双向DCDC输出电压值，来调节其与母线实际电压的差值，达到放电或充电的目的。
A1、A2、A3以及B1、B2和B3分别指系统A和系统B的SOC阈值，取值范围为0~100%，本实施例中，A1=90%，B1=90%；A2=65%，B2=65%；A3=50%，B3=50%；这些值需要根据具体的情况通过实际试验进行标定来最终确定。
系统A的锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器工作异常时，整车控制器根据系统状态降功率工作，工作过程类似上述系统B工作异常的状态。
本发明的有益效果是：本发明解决了能量存储系统的低电压范围无法有效利用和整体能量利用率不高的问题，提高了利用能量存储系统的低电压范围的能量，同时实现能量的双向流动。
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 (7)
1.一种燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的方法，应用于整车，整车具有整车控制器，其特征在于：该方法基于燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的系统实现，该系统包括：双辅助能量系统、燃料电池系统、功率分配系统、电机驱动系统和双向DCDC控制器，所述双辅助能量系统包括系统A和系统B，所述系统A由锂离子电容或超级电容组成，系统B由镍氢电池或锂离子电池组成；燃料电池系统和系统A均配合双向DCDC控制器使用；所述系统A和系统B均双向电性连接功率分配系统，燃料电池系统单向电性连接于功率分配系统，所述功率分配系统单向电性连接于电机驱动系统；
该方法的工作原理如下：
系统B工作正常时，系统A的锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器的工作参数是由整车控制器依据当前双系统的状态设定的，即根据驱动或回馈以及SOC的状态来设置充电或放电；
如果双向DCDC控制器的输出电压值等于系统B的输出电压值，这时系统A和系统B之间既不充电也不放电；
如果燃料电池系统的输出功率高于系统A的输出功率和/或整车中的电机驱动系统处于制动状态，母线上有能量需要回收储存，系统A进入充电状态，系统A的当前SOC值逐渐升高，系统A的充电电流设定值为系统A最大充电电流值，整车中的当前母线电压高于双向DCDC控制器的输出电压值时，给系统A充电；
当前母线电压低于双向DCDC控制器输出电压值，且高于系统B的部分能量时，给系统B充电，系统B的SOC值也会逐渐升高；系统A和系统B的SOC值同时升高，在系统A的SOC值首先达到系统A的上限限制值A1时，整车控制器控制双向DCDC控制器的充电电流为零，停止对系统A充电，多余的能量用于给系统B充电，系统B的当前SOC值达到系统B的上限限制值B1时，整车控制器控制燃料电池系统进入怠速停机过程，停止对系统A和系统B进行充电；
如果电机驱动系统处于驱动状态，需要系统A和/或系统B输出能量，系统A和/或系统B的SOC值会慢慢降低，系统A的SOC值低于系统A的限制值A2或系统B的SOC值低于限制值B2时，整车控制器再次启动燃料电池系统工作，其中，A2 < A1，B2 < B1；
如果系统A当前SOC值低于最佳SOC值A3且不断减小时，或系统B的当前SOC值低于最佳SOC值B3且不断减小时，整车控制器控制燃料电池系统加大输出功率，对系统A或系统B进行充电，其中，A3 < A2，B3< B2；
系统B工作异常时，系统A的锂离子电容或超级电容配合双向DCDC控制器工作在电压输出模式，整车控制器根据当前系统状态设置双向DCDC控制器的输出电压值来维持母线电压，这时系统A在预设的SOC范围内工作，如果燃料电池系统输出功率高于系统A的输出功率和/或电机驱动系统处于制动状态，母线上有能量需要回收储存，系统A进入充电状态，如果系统A当前的SOC值超过系统A的上限限制值A1时，整车控制器控制燃料电池系统进入怠速停机过程，停止对系统A充电，如果电机驱动系统处于驱动状态，需要系统A输出能量，系统A的SOC会慢慢降低，系统A当前的SOC值低于上限限制值A2时，A2 < A1，整车控制器再次启动燃料电池系统工作；如果系统A当前SOC值向下限限制值减小时，整车控制器控制燃料电池系统加大输出功率，对系统A进行充电；
系统A配合双向DCDC控制器工作异常时，整车控制器根据系统状态降功率工作，采用和上述系统B工作异常时相同的工作原理进行工作。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的方法，其特征在于：系统B工作在电压输出模式。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的方法，其特征在于：系统A的工作模式为电压输出模式、限流模式或限压模式。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的方法，其特征在于：系统A的工作限压值、工作限流值由整车控制器能量管理分配计算后周期性设置。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的方法，其特征在于：系统B的工作状态分为正常工作和异常工作，系统B异常工作时，系统A工作在电压输出模式，系统B正常工作时，系统A工作在限压模式或限流模式。
6.如权利要求1所述的一种燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的方法，其特征在于：系统A进入充电状态时，需要提高双向DCDC控制器的输出电压设定值。
7.如权利要求1所述的一种燃料电池辅助能量系统双向DCDC实现输出控制的方法，其特征在于：所述A1、A2、A3以及B1、B2和B3分别指系统A和系统B的SOC阈值，取值范围为0~100%，A1=90%，B1=90%；A2=65%，B2=65%；A3=50%，B3=50%。
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Denomination of invention: A System and Method for Output Control of Bidirectional DCDC in Fuel Cell Auxiliary Energy System Granted publication date: 20220607 Pledgee: Jinan Luneng Kaiyuan Group Co.,Ltd. Pledgor: Grove Hydrogen Energy Technology Group Co.,Ltd. Registration number: Y2024980009137 |