CN117207855A - 一种氢燃料供电充电控制系统及其能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氢能发电技术领域，尤其涉及一种氢燃料供电充电控制系统及其能量管理方法；包括以下步骤：S1、获取动力电池的荷电状态值；S2、当所获得的动力电池荷电状态值位于荷电状态最低设定值、荷电状态最高设定值之间时，进行S3步骤，反之，进行S4状态；S3、氢燃料电池工作过程中进行系统多种模式的自动切换；S4、停止氢燃料电池工作，或提升氢燃料电池功率；S5、监控充电模块的输出功率，控制氢燃料电池输出功率与充电模块需求功率相匹配；S6、采集多种实车充电记录，分析充电功率工况曲线，提前给出充电工况需求值，用于氢燃料电池功率的设定；有利于提升系统响应能力和氢电转换效率，以及优化系统发电效率。

Description

一种氢燃料供电充电控制系统及其能量管理方法

技术领域

本发明涉及氢能发电技术领域，尤其涉及一种氢燃料供电充电控制系统及其能量管理方法。

背景技术

目前，氢能发电是氢能产业链中不可或缺的重要一环，并已在不同行业进行应用推广，氢能发电是指利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组；氢气是通过一定的方法利用其他能源制取的一种不依赖化石燃料的储量丰富的可再生能源，氢气由于具有燃烧热值高、燃烧产物为水、不会污染环境等优点，所以氢能发电现在被大力发展，应用在各种领域中。

氢能发电的主要方式是氢燃料电池，氢燃料电池是指利用氢和氧直接经过电化学反应而产生的电能的装置，氢燃料电池汽车相比于纯电动汽车，燃料加载时间短、续驶里程长，因此，燃料电池汽车被行业专家普遍认为是未来的最理想车型。然而燃料电池汽车的能量管理策略是影响其续航能力以及动力电池使用寿命的关键技术。

现有技术CN107264324B公开了燃料电池汽车的能量控制方法、装置和燃料电池汽车，其能量控制方法包括以下步骤：S1、获取动力电池的SOC值；S2、根据所述动力电池的SOC值控制所述燃料电池汽车的工作模式；S3、根据所述燃料电池汽车的工作模式对燃料电池是否发电进行控制，并根据所述燃料电池汽车的工作模式确定驱动所述燃料电池汽车的方式，电池汽车的工作模式包括第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式，第一工作模式下控制燃料电池发电，并通过燃料电池所发的电量对动力电池充电，以及控制动力电池驱动燃料电池汽车；第二工作模式下控制燃料电池发电，控制动力电池和燃料电池驱动燃料电池汽车；第三工作模式下控制燃料电池停止发电，控制动力电池驱动燃料电池汽车。但是上述能量控制方法没有将实时充电数据与燃料电池功率进行关联，不能及时修正燃料电池功率，可能影响燃料电池的工作表现。

因此，亟需提供一种氢燃料供电充电控制系统及其能量管理方法，相对于现有技术，提升燃料电池工作效率。

发明内容

本发明解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种氢燃料供电充电控制系统及其能量管理方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种氢燃料供电充电控制系统及其能量管理方法，包括以下步骤：

S1、获取动力电池的荷电状态值；

S2、将动力电池的荷电状态值与动力电池荷电状态最低设定值、动力电池荷电状态最高设定值进行比较，当所获得的动力电池荷电状态值位于动力电池荷电状态最低设定值、动力电池荷电状态最高设定值之间时，进行S3步骤，反之，进行S4状态；

S3、氢燃料电池以一设定的恒定功率点输出，氢燃料电池工作过程中进行系统多种模式的自动切换；

S4、若动力电池荷电状态高于动力电池荷电状态最高设定值，停止氢燃料电池工作，只由动力电池放电以满足充电模块放电需求；若动力电池荷电状态低于动力电池荷电状态最高设定值，提升氢燃料电池功率；

S5、监控充电模块的输出功率，控制氢燃料电池输出功率与充电模块需求功率相匹配；

S6、采集多种实车充电记录，分析充电功率工况曲线，提前给出充电工况需求值，用于氢燃料电池功率的设定。

进一步地，氢燃料电池工作过程中系统分为四种模式，分别为动力电池单独驱动模式、氢燃料电池单独驱动模式、氢燃料电池单独驱动并给动力电池充电模式、氢燃料电池和动力电池并联驱动模式。

更进一步地，氢燃料电池工作过程中进行模式自动切换的方法为：每个模式都设有一设定值，设定值全部根据动力电池荷电状态值设定，当输出功率点为其中一个设定值时，自动切换至相应的模式。

进一步地，S6步骤中，当氢燃料电池功率过大导致动力电池的电荷状态值偏高或氢燃料电池功率过小导致动力电池的电荷状态值偏低时，对氢燃料电池设定功率参数进行修正，并进入氢燃料电池单独驱动模式。

更进一步地，动力电池的电荷状态值大于等于95％时为偏高，动力电池的电荷状态值小于等于20％时为偏低。

一种氢燃料供电充电控制系统，包括系统主控单元、氢燃料发动机控制单元、供氢系统控制单元、动力电池控制单元、智能热管理控制单元和充电模块控制单元，所述氢燃料发动机控制单元、所述供氢系统控制单元、所述动力电池控制单元、所述智能热管理控制单元、所述充电模块控制单元分别与所述系统主控单元连接；

所述氢燃料发动机控制单元用于控制氢燃料发电机电堆；

所述供氢系统控制单元用于对氢气系统进行安全监控；

所述动力电池控制单元用于对动力电池进行监测、状态计算、系统辅助、通信和诊断；

所述智能热管理控制单元用于为氢燃料发动机、充电模块进行散热；

所述充电模块控制单元用于接受客户端负载需求信号并控制充电模块对动力电池进行充电。

进一步地，所述氢燃料发动机控制单元包括空气供应系统、氢气循环系统、水热管理系统和控制系统，所述控制系统分别与所述空气供应系统、所述氢气循环系统和所述水热管理系统连接，所述空气供应系统采用空压机对氢燃料电堆进行控制供给，所述氢气循环系统采用循环泵实现氢气的循环，所述氢燃料发动机电堆通过循环泵与氢气系统连通。

进一步地，所述供氢系统控制单元包括氢阀、第一压力传感器、第一温度传感器、氢浓度传感器，所述氢阀串接在氢气系统与氢燃料发动机电堆连通的管路上，所述第一压力传感器、所述第一温度传感器、所述氢浓度传感器设置在氢气系统内部。

进一步地，所述动力电池控制单元包括单体检测模块、电压检测模块、电流检测模块和多个功能控制模块。

进一步地，所述智能热管理控制单元包括风扇控制模块、水泵控制模块、第二温度传感器、第二压力传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明针对充电工况的需求变化，制定特定的控制策略和能量分配管理策略，以提升系统响应能力和氢电转换效率。还进行了充电过程中的数据搜集，可以帮助控制系统归纳整理车辆动力电池需求功率，提取通用充电功率路谱，优化系统发电效率。

(2)本发明采用分布式控制，充分利用CAN通讯的便捷性，减少硬线信号的采集，提高系统安全性，充分发挥动力电池高倍率充放电特性，控制系统实现氢燃料发动机的启动和稳态运行提供削峰填谷的作用，避免氢燃料发动机功率的频繁切换，影响氢燃料发动机性能表现。

附图说明

图1是本发明系统的示意图。

图2是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供一种氢燃料供电充电控制系统，包括系统主控单元、氢燃料发动机控制单元、供氢系统控制单元、动力电池控制单元、智能热管理控制单元和充电系统，氢燃料发动机控制单元、供氢系统控制单元、动力电池控制单元、智能热管理控制单元分别与系统主控单元连接。

氢燃料发动机控制单元用于控制氢燃料发动机电堆，氢燃料发动机控制单元包括空气供应系统、氢气循环系统、水热管理系统和控制系统，控制系统分别与空气供应系统、氢气循环系统和水热管理系统连接，空气供应系统采用空压机对氢燃料电堆进行控制供给，氢气循环系统采用循环泵实现氢气的循环，氢燃料发动机电堆通过循环泵与氢气系统连通；水热管理系统采用增湿器和电子水泵，增湿器、电子水泵分别与氢燃料发动机电堆连通，氢燃料发动机控制单元通过单独的电控单元进行控制。

增湿器用于将过干的氢气与氧气以及一定量的水混合，使氢气中的水分含量达到燃料电池工作所需的水分含量，是一种用于增加燃料电池进气中水分含量的装置。

电子水泵用于为燃料电池系统中冷却回路提供流动动力，将燃料电池电堆中的热量带出，确保电堆工作在特定温度环境内。

供氢系统控制单元用于对氢气系统进行安全监控，供氢系统控制单元包括氢阀、第一压力传感器、第一温度传感器、氢浓度传感器，氢阀串接在氢气系统与氢燃料发动机电堆连通的管路上，第一压力传感器、第一温度传感器、氢浓度传感器设置在氢气系统内部，第一压力传感器用于实时检测氢气系统的高压压力信号、中压压力信号，第一温度传感器用于检测氢气系统内部的温度信号，氢气浓度传感器用于检测氢气系统的氢气浓度信号，供氢系统控制单元通过与系统主控单元进行信号交互，从而控制氢阀的开闭，实现气源供应及切断功能。

充电系统一般包括充电模块、充电枪线、液冷模块、充电模块控制单元等组件，其中，充电模块用于将高压大电流通过母线直接给车载动力电池充电，充电枪负责与车载动力电池连接并实现电能传输，液冷模块负载消除充电系统在充电过程中产生的热量，特别是充电模块与充电枪在充电过程中产生较多热量，需要充分散热。充电模块控制单元用于接受客户端负载需求信号并控制充电模块对动力电池进行充电，当充电模块控制单元检测到充电枪连接有效且电子锁锁止时，充电模块控制单元进行自身故障检测，无故障情况下，充电模块控制单元与充电桩控制单元交互，控制充电模块闭合高压继电器，将高压大电流通过母线给车载动力电池充电；充电模块控制单元与系统主控单元连接。

动力电池控制单元包含高低压管理模块、SOC估算模块、充放电管理模块、数据检测模块、绝缘检测模块、均衡控制模块、故障诊断模块等多个功能控制模块，用于控制、管理多个串并联的动力电池，以提高动力电池利用率，防止动力电池出现过度充电和过度放电的现象，实现监测、状态计算、系统辅助、通信和诊断功能。动力电池控制单元还包括单体检测模块、电压检测模块、电流检测模块，可依据系统主控单元的需求，实现氢燃料电能存储、瞬时释放充电模块的功能。

智能热管理控制单元用于为氢燃料发动机、充电模块进行散热，智能热管理控制单元包括风扇控制模块、水泵控制模块、第二温度传感器、第二压力传感器，智能热管理单元通过第二温度传感器分别检测氢燃料发动机、充电模块的温度，当第二温度传感器反馈的信号超过氢燃料发动机正常温度阈值或超过充电模块正常温度阈值后，智能热管理控制单元控制风扇控制模块和/或水泵控制模块对氢燃料发动机或充电模块进行散热；智能热管理控制单元通过第二压力传感器检测氢燃料发动机、充电模块的压力值。

系统主控单元通过CAN通讯网络分别连接氢燃料发动机控制单元、供氢系统控制单元、动力电池控制单元、智能热管理控制单元、充电模块控制单元。采用分布式控制布局，通过CAN通讯网络架构合理化实现高效准确信息交互。

本发明采用分布式控制，充分利用CAN通讯的便捷性，减少硬线信号的采集，提高系统安全性，充分发挥动力电池高倍率充放电特性，控制系统实现氢燃料发动机的启动和稳态运行提供削峰填谷的作用，避免氢燃料发动机功率的频繁切换，影响氢燃料发动机性能表现。

如图2所示，本发明还提供一种氢燃料供电充电控制系统能量管理方法，包括以下步骤：

S1、获取动力电池的荷电状态值，具体通过动力电池控制单元实时计算动力电池的荷电状态值；

S2、将动力电池的荷电状态值与动力电池荷电状态最低设定值、动力电池荷电状态最高设定值进行比较，当所获得的动力电池荷电状态值位于动力电池荷电状态最低设定值、动力电池荷电状态最高设定值之间时，进行S3步骤，反之，进行S4状态。

具体地说，电池荷电状态最低设定值、动力电池荷电状态最高设定值依据工况确定，最高设定值用于避免动力电池过充，最低值用于避免动力电池过放以及避免系统亏电。

S3、氢燃料发动机电堆中的氢燃料电池以设定的恒定功率点输出，输出功率点的设定将系统分为四种模式，四种模式依据动力电池的荷电状态值进行自由切换，分别为：(1)动力电池单独驱动模式；(2)氢燃料电池单独驱动模式；(3)氢燃料电池单独驱动并给动力电池充电模式；(4)氢燃料电池和动力电池并联驱动模式。具体为：第一个模式对应的输出功率点为第一设定点，第二个模式对应的输出功率点为第二设定点，第三个模式对应的输出功率点为第三设定点，第四个模式对应的输出功率点为第四设定点，第一设定点、第二设定点、第三设定点、第四设定点根据动力电池的荷电状态值确定，根据对应的输出功率点切换至对应的模式。

S4、若动力电池荷电状态高于动力电池荷电状态最高设定值，将停止氢燃料电池系统工作，系统充电时只由动力电池放电以满足充电模块放电需求；当动力电池荷电状态低于动力电池荷电状态最高设定值，需要提升氢燃料电池功率，在满足充电需求的前提下，进一步提升发电功率，多余的电能用于给动力电池充电。

S5、通过充电模块控制单元监控充电模块的输出功率，控制氢燃料电池输出功率与充电模块需求功率相匹配，将氢燃料电池输出功率设定为充电模块需求功率，将氢燃料电池发出的电量直接用于动力电池的充电，避免电能在动力电池内部充放损耗，提升系统电能传递和利用效率。

S6、通过充电模块控制单元，实时记录充电电压、电流、时间等数据多种实车充电记录，分析充电功率工况曲线，提前给出充电工况需求值，用于燃料电池功率的设定。

进一步说，当氢燃料电池功率过大导致动力电池的电荷状态值偏高或氢燃料电池功率过小导致动力电池的电荷状态值偏低时，对氢燃料电池设定功率参数进行修正，并使系统进入氢燃料电池单独驱动模式。

动力电池的电荷状态值大于等于95％为偏高，动力电池的电荷状态值小于等于20％为偏低。

上述修正方法为：当氢燃料电池功率过大时，降低氢燃料电池功率至正常值，当氢燃料电池功率过小时，提高氢燃料电池功率至正常值。

对氢燃料充电系统而言，一般在充电初期需要较大持续的充电功率，需要燃料电池快速响应并稳定工作，随后随着需求功率的变化逐渐变化。因此，需要针对充电工况的需求变化，制定特定的控制策略和能量分配管理策略，以提升系统响应能力和氢电转换效率。充电过程中的数据搜集异常重要，对充电数据的搜集和处理，可以帮助控制系统归纳整理车辆动力电池需求功率，提取通用充电功率路谱，优化系统发电效率。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种氢燃料供电充电控制系统能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取动力电池的荷电状态值；

S2、将动力电池的荷电状态值与动力电池荷电状态最低设定值、动力电池荷电状态最高设定值进行比较，当所获得的动力电池荷电状态值位于动力电池荷电状态最低设定值、动力电池荷电状态最高设定值之间时，进行S3步骤，反之，进行S4状态；

S3、氢燃料电池以一设定的恒定功率点输出，氢燃料电池工作过程中进行系统多种模式的自动切换；

S4、若动力电池荷电状态高于动力电池荷电状态最高设定值，停止氢燃料电池工作，由动力电池放电以满足充电模块放电需求；若动力电池荷电状态低于动力电池荷电状态最高设定值，提升氢燃料电池功率；

S5、监控充电模块的输出功率，控制氢燃料电池输出功率与充电模块需求功率相匹配；

S6、采集多种实车充电记录，分析充电功率工况曲线，提前给出充电工况需求值，用于氢燃料电池功率的设定。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料供电充电控制系统能量管理方法，其特征在于，氢燃料电池工作过程中系统分为四种模式，分别为动力电池单独驱动模式、氢燃料电池单独驱动模式、氢燃料电池单独驱动并给动力电池充电模式、氢燃料电池和动力电池并联驱动模式。

3.根据权利要求2所述的一种氢燃料供电充电控制系统能量管理方法，其特征在于，氢燃料电池工作过程中进行模式自动切换的方法为：每个模式都设有一设定值，设定值全部根据动力电池荷电状态值设定，当输出功率点为其中一个设定值时，自动切换至相应的模式。

4.根据权利要求1所述的一种氢燃料供电充电控制系统能量管理方法，其特征在于，S6步骤中，当氢燃料电池功率过大导致动力电池的电荷状态值偏高或氢燃料电池功率过小导致动力电池的电荷状态值偏低时，对氢燃料电池设定功率参数进行修正，并进入氢燃料电池单独驱动模式。

5.根据权利要求4所述的一种氢燃料供电充电控制系统能量管理方法，其特征在于，动力电池的电荷状态值大于等于95％时为偏高，动力电池的电荷状态值小于等于20％时为偏低。

6.采用权利要求1-5中任一项所述的能量管理方法运行的一种氢燃料供电充电控制系统，其特征在于，包括系统主控单元、氢燃料发动机控制单元、供氢系统控制单元、动力电池控制单元、智能热管理控制单元和充电模块控制单元，所述氢燃料发动机控制单元、所述供氢系统控制单元、所述动力电池控制单元、所述智能热管理控制单元、所述充电模块控制单元分别与所述系统主控单元连接；

所述氢燃料发动机控制单元用于控制氢燃料发电机电堆；

所述供氢系统控制单元用于对氢气系统进行安全监控；

所述动力电池控制单元用于对动力电池进行监测、状态计算、系统辅助、通信和诊断；

所述智能热管理控制单元用于为氢燃料发动机、充电模块进行散热；

所述充电模块控制单元用于接受客户端负载需求信号并控制充电模块对动力电池进行充电。

7.根据权利要求6所述的一种氢燃料供电充电控制系统，其特征在于，所述氢燃料发动机控制单元包括空气供应系统、氢气循环系统、水热管理系统和控制系统，所述控制系统分别与所述空气供应系统、所述氢气循环系统和所述水热管理系统连接，所述空气供应系统采用空压机对氢燃料电堆进行控制供给，所述氢气循环系统采用循环泵实现氢气的循环，所述氢燃料发动机电堆通过循环泵与氢气系统连通。

8.根据权利要求6所述的一种氢燃料供电充电控制系统，其特征在于，所述供氢系统控制单元包括氢阀、第一压力传感器、第一温度传感器、氢浓度传感器，所述氢阀串接在氢气系统与氢燃料发动机电堆连通的管路上，所述第一压力传感器、所述第一温度传感器、所述氢浓度传感器设置在氢气系统内部。

9.根据权利要求6所述的一种氢燃料供电充电控制系统，其特征在于，所述动力电池控制单元包括单体检测模块、电压检测模块、电流检测模块和多个功能控制模块。

10.根据权利要求6所述的一种氢燃料供电充电控制系统，其特征在于，所述智能热管理控制单元包括风扇控制模块、水泵控制模块、第二温度传感器、第二压力传感器。