CN101524967B - 具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车，其包括多个主电源，其共有一个单一主总线端子并被相互并联连接；多个驱动***，其从主总线端子接收电力以产生输出扭矩以便驱动车轮，并被相互并联连接；以及辅助电源，其共用主总线端子并被设置在主电源与驱动***之间以补充主电源的电力不足。

Description

具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车及其控制方法
本申请根据35U.S.C.§119(a)要求了2008年3月4日提交的第10-2008-0020173号韩国专利申请的优先权，其全部内容合并于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车及其控制方法。更加特别地，本发明涉及具有多个电源和多个驱动***的混合燃料电池车，由此，即使当电源或驱动***中的任何一个发生故障时，也能确保车辆的整体可靠性。
背景技术
燃料电池***是直接将燃料的化学能转化为电能的电力发生***，其中，包括阳极和阴极的一对电极被设置在电解质膜的两侧，使得由电离气体的电化学反应产生电和热。
图14是示出在具有超级电容器的常规燃料电池混合车中使用的动力系(powertrain)的示意性示图。
如图中所示，燃料电池混合车包括燃料电池组100、超级电容器120、逆变器130、电动机140、减速齿轮单元(RGU)150、以及齿轮差动单元(GDU)160。
在车辆中最被广泛使用的燃料电池组100是具有高功率密度的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。在PEMFC中发生电的方法如下：
氢气在PEMFC的阳极通过与燃料电极表面上的催化剂反应被离解为氢离子和电子。氢离子穿过电解质膜移动到设置在燃料电极对侧的空气电极，并且同时，通过与催化剂反应而产生的电子沿外电路移动，从而发生电。
燃料电池组100是用于驱动车辆的主电源，并且形成其中两个110KW燃料电池被相互串联的燃料电池***。超级电容器120用作能够快速充放高电力的辅助电源。超级电容器120用存储在其中的电能补充燃料电池组100的不足电力，并且促使再生制动能量的最大限度使用，从而允许燃料电池的有效使用。
将来自主电源和辅助电源的高电压输出由逆变器130从直流电变换为交流电并且提供给电动机140(例如，AC240kW)以驱动车辆。
此处，因为两个燃料电池100相互串联，主总线端子102被维持在高电压(500至900V)，并且电动机140的输出扭矩首先通过RGU150增加，并且进一步通过GDU160增加而不使用任何分级传输。
配置RGU150和GDU160的减速比以改善爬坡、加速和超车性能，其充分地适合于包括公共汽车的大型燃料电池车。
在使用串联连接的燃料电池和大型电动机140的燃料电池车中，大型电动机140的速度极限限制了车辆的最大速度，并且在减小减速比以提高车速的情形中，可能削弱爬坡性能。相反，在设计RGU150和GDU160以提供燃料电池公共汽车的优良的爬坡、加速、和超车性能的情形中，电动机140的最大速度可能被限制，因而车辆不能以某一速度(例如，80kph)驾驶。而且，在燃料电池模块的任何一个出现故障的情形中，因为燃料电池100是相互串联连接，所以整个燃料模块都不能正常地运行，这样，只能选择性地使用超级电容器120来驱动车辆。然而，因为超级电容器120被配置为用作补充电力，因而它不能长时间维持。因此，要把车辆带到维修店来更换异常的燃料电池模块。因此，具有串联结构的燃料电池模块的缺点是在紧急情况中缺乏稳定性。
图15是示出由Toyota提出的燃料电池公共汽车的动力系的示意性示图。该燃料电池公共汽车包括两组动力系，每一组均包括由90kW燃料电池模块110、DC-DC变换器124、高压电池123、逆变器131、和电动机141组成的燃料电池***。即，两个燃料电池***是电绝缘的，并且两个电动机141的输出由动力连接装置(PCD)154机械连接(couple)。此处，PCD154具有下列结构：直接连接到后轮的齿轮啮合直接连接在两个电动机141之间的(正)齿轮以将电动机的输出传输到后轮。
而且，燃料电池公共汽车进一步使用了两个高压电池123作为辅助电源以增加高容量公共汽车的电力辅助和再生制动能量。因此，由于两个电绝缘的燃料电池***的使用，两个主总线端子112被维持在低电压(250至450V)，并且电动机141的输出扭矩可以通过RGU150与GDU160之间的传动比(gear ratio)增加而不使用任何的分级传输。
在将超级电容器用作辅助电源的混合燃料电池公共汽车的情形中，不需要具有大体积并且难于控制的部件，例如用在电池-燃料电池混合车中DC-DC变换器，但是需要在最初起动期间用于给超级电容器充电的预充装置。因此，考虑到燃料电池占了燃料电池公共汽车布的制造成本和布局的重要部分，由于制造成本的增加和燃料电池的布局问题而在增加电动机的最大功率上存在限制。
同时，图16示出了使用单一燃料电池***101和单一大型电动机143的燃料电池公共汽车，其中仅仅使用具有大约205kW容量的燃料电池***101向单一大型电动机143提供电力。因为上述燃料电池公共汽车不使用任何诸如电池或超级电容器之类的补充电源，所以不能提供电力辅助，因而燃料电池***可能过度运转，结果削弱了燃料电池***的耐用性。而且，因为不能吸收再生制动能量，所以能量效率可能被减少。此外，因为使用了单一燃料电池101和单一大型电动机143，所以难以确保在燃料电池101或电动机143出现故障的紧急情况中的驱动稳定性。
在本背景技术部分中公开的上述信息仅仅是为了加强对发明的背景技术的理解，因此，其可能包含在该国不形成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明是为努力解决与现有技术有关的上述问题而做出的。
一方面，本发明提供了一种具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车，该混合燃料电池车包括：多个主电源，其共有一个单一主总线端子，该主电源被相互并联连接；多个驱动***，其从主总线端子接收电力以产生输出扭矩以便驱动车轮，该驱动***被相互并联连接；以及辅助电源，其共用主总线端子并且被设置在主电源与驱动***之间以补充主电源的电力不足。
另一方面，本发明提供了一种控制具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车的方法，该方法包括：由驾驶者使用按压按钮或者由控制器使用驱动模式自动识别功能来确定是否使用多个电源的一部分(适度模式(mild mode))或者使用所有多个电源(强力模式(powermode))；并且如果车辆是以适度模式驱动则运行多个电源的一部分，并且如果车辆是以强力模式驱动则运行所有的多个电源。
另外一方面，本发明提供了一种控制具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车的多电动机***的方法，该方法包括根据各电动机***的效率而独立地控制多个电动机***的输出功率，以便满足总的电动机功率指令值。
应当理解，术语“车辆”或“车辆的”或本文使用的其他类似术语包括通常诸如包括运动用车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车在内的客车，以及包括各种艇和船在内的水运工具，以及飞行器，等等机动车辆。
本发明的上述的和其他的特征和优点从附图和下面的详细说明中将变得明显或者在附图和下面的详细说明中被更加详细地阐明，附图被并入本说明书并且形成本说明书的一部分，详细说明与附图一起用于通过实例的方式来解释本发明的原理。
附图说明
现在将参照所附附图图示说明的某些示例性实施方式详细描述本发明的上述的和其他的特征，下面的仅仅以图示的方式给出附图，因此，其不构成对本发明的限制，并且其中：
图1是示出根据本发明的优选实施方式的混合燃料电池车的动力系的示意性示图；
图2是示出根据本发明的另一个优选实施方式的混合燃料电池车的动力系的示意性示图；
图3是示出根据本发明的又一个优选实施方式的混合燃料电池车的动力系的示意性示图；
图4是示出根据本发明的又一个优选实施方式的混合燃料电池车的动力系的示意性示图；
图5是图解说明控制根据本发明的混合燃料电池车的方法的流程图；
图6是示出根据本发明的优选实施方式的齿轮传动装置(gearmeans)的示意性示图；
图7是示出根据本发明的另一个优选实施方式的齿轮传动装置的示意性示图；
图8是示出用于根据本发明的具有多电源和和多驱动***的混合燃料电池车的控制装置的示意性示图；
图9是示出加速器踏板打开历史(accelerator pedal openinghistory)、总驱动需求功率(a total drive request power)、以及燃料电池的总可用功率的图表，它们被用于确定根据本发明的燃料电池车中相应模式的适合程度需求功率。
图10是图解说明根据本发明的优选实施方式的控制多电动机***的方法的概念示意图；
图11是图解说明根据本发明的优选实施方式的控制多电动机***的方法的流程图；
图12A至12C是图解说明根据本发明的优选实施方式的独立控制多电动机***的每一个电动机***的方法的概念示意图；
图13A至13C是图解说明根据本发明的另一个优选实施方式的独立控制多电动机***的每一个电动机***的方法的概念示意图；
图14是示出常规混合燃料电池公共汽车的动力系的示意性示图；
图15是示出另一个常规混合燃料电池公共汽车的动力系的示意性示图；
图16是示出又一个常规混合燃料电池公共汽车的动力系的示意性示图。
在附图中标示的参考数字包括对下文进一步讨论的下列部件的附图标记：
10，11：燃料电池                        12：主总线端子
20，21：超级电容器                      23：电池
24：DC-DC变换器31至                     33：逆变器
41至43：第一至第三电动机                51：减速齿轮单元(RGU)
52：动力连接装置(PCD)                 53：齿轮差动单元(GDU)
54：万向节                            55：中心齿轮
56：环形齿轮(ring gear)               57：承载器(carrier)
62，63：两列齿轮单元                  71：车辆控制单元(VCU)
72：燃料电池控制单元(FCU)             73：功率控制单元(PCU)
74：电动机控制单元(MCU)
应该理解，所附附图没有必要按比例尺绘制，其呈现了对发明的基本原理进行图解的各种优选特征的某种程度上的简化表现。如此处所公开的包括例如特定尺寸、方向、位置、和形状在内的本发明的特定设计特征将部分地由特定的预期应用和使用环境确定。
具体实施方式
现在将对本发明的优选实施方式详细地做出参考，其实例在此后附加的附图中被说明，其中同样的附图标记自始至终都指的是同样的元件。参照附图在下文描述具体实施方式以便解释本发明。
图1是示出根据本发明的优选实施方式的混合燃料电池车的动力系的示意性示图。
通常，因为在常规混合燃料电池车中被用作主电源的燃料电池具有单方向的特性，它通过氢和氧之间的电化学反应产生电和水，但是它不能存储电能。
因此，在只有燃料电池10、11被用作主电源的情形中，燃料电池10、11可能被过度使用，因而可能削弱燃料电池的耐用性。尤其，在使用单一燃料电池101或者多个串联连接的燃料电池100的情形中，整个***可能由于单一燃料电池101或燃料电池100中的一个的故障而停止运行，从而引起车辆可能停止的严重问题。
而且，燃料电池的制造成本很高，因而占了燃料电池车的总制造成本的相当大的部分。此外，因为需要可观的费用来提供用于运行燃料电池***的设备平衡(BOP)部件(blance of plant components)，所以有必要根据燃料消耗重新考虑效率。
在这样的环境下，使用除诸如燃料电池之类的主电源以外的辅助电源是必要的，以便满足当今社会对增加使用环境友好型燃料电池车的需求。
目前，用在燃料电池公共汽车中的燃料电池***使用了一个200kW的燃料电池101或两个串联连接的100kW的燃料电池100。用在燃料电池车中的辅助电源可以通过电池23和超级电容器20、21举例说明。
在电池23被用作辅助电源的情形中，双向DC-DC变换器24被并联连接在燃料电池10与电池23之间。双向DC-DC变换器24维持电池23和燃料电池10的不同输出电压的平衡以将电力稳定地提供给多个电动机41至43，并且同时将剩余的电力以及燃料电池10的再生制动能量提供给电池23作为充电电压。
在超级电容器20、21被用作辅助电源的情形中，燃料电池的不足的输出功率由超级电容器20、21补偿并且被监控。而且，不需要诸如用在电池-燃料电池混合车中的DC-DC变换器24之类的具有很大体积并且难于控制的部件。
本发明提供了多个电源和多个驱动***。如上所述，在使用单一电源或多个相互串联连接的燃料电池的情形中，不能在单一电源或燃料电池中的一个出现故障的紧急情形中确保驱动稳定性。为了解决上述问题，有必要使用多个电源，即，燃料电池10、11。
然而，因为燃料电池的价格很高，所以燃料电池的可用最大功率可能被限制，并且，假设用在常规燃料电池公共汽车中的燃料电池具有200kW的容量，则有必要将200kW的燃料电池分成两个100kW燃料电池10，以便在维持现有输出功率的同时使用多个电源(参照图1)。当然，可以将200kW的燃料电池分成四个50kW的燃料电池11(参照图2)。
在本发明中，主电源***具有基本结构，其中在维持现有燃料电池输出功率的同时将电源***分成多个燃料电池，并且所分出的燃料电池10、11被相互并联连接并共用一个单一主总线端子12。
如上所述，在两个100kW燃料电池10或四个50kW燃料电池11被相互并联连接，并且提供单一主总线端子12来共用的情形中，燃料电池10、11的输出电压为250至450V，其减少至单一高容量燃料电池101或串联连接的燃料电池100的输出电压的大约一半。
然而，在车辆安装有80至90kW的质子交换膜燃料电池组的情形中，其具有在起动、减速、或停止模式中的0至5kW的输出范围，在巡航模式中的10至15kW的输出范围，以及在起动、爬坡、或加速模式中的20至90kW的输出范围。因此，尽管通过燃料电池的输出端子所提供的电压减少到现有高容量燃料电池101或串联连接的燃料电池100的大约一半，但在起动、减速、停止、和巡航模式中不会引起任何问题。
相反，为了提高在起动、爬坡、和加速模式中的动力性能，本发明提供了多个驱动***，即，添加了电动机43，以增加车辆在起动、爬坡、和加速期间的驱动扭矩。
当然，与安装有两个电动机41和42的常规燃料电池公共汽车相比，当在本发明中安装三个驱动电动机41至43时，输出性能得到改善。
而且，在本发明中，尽管电池23可以被用作辅助电源，但为了上述原因，优选使用超级电容器20、21作为辅助电源。在此情形中，作为辅助电源，可以使用两个19.4F的超级电容器20(参照图1和2)，或者使用一个38.8F的超级电容器21(参见图3)。
从主电源或辅助电源通过单一主总线端子12的电压输出由逆变器31至33从直流电被转化为交流电，并被提供给电动机41至43。
根据本发明的驱动***包括三个或更多的电动机。例如，本发明的一个实施方式包括三个被相互并联连接的并且被独立控制的电动机41至43。三个电动机41至43和三个对应的逆变器被并联连接到单一主总线端子12，使得主总线端子12的电压被独立地提供给100kW电动机41至43。而且，多个电动机41至43由减速齿轮单元(RGU)51、动力连接装置(PCD)52、和齿轮差动单元(GDU)53连接。
如图6中所示，根据本发明的优选实施方式的驱动***包括共用单一主总线端子并且被相互并联连接的第一至第三电动机41至43、以及PCD52，其中第一和第三电动机41和43的输出轴直接连接到PCD52的输入端，并且第二电动机42通过RGU51连接到PCD52上。
RGU51被用于使第二电动机42的输出扭矩最大化，并且可以结合行星齿轮与PCD52一起被执行。
即，RGU51的中心齿轮55被连接到第二电动机42的输出轴，环形齿轮56被固定，并且承载轴被连接到PCD52，使得通过承载器57增加第二电动机42的输出扭矩。在此情形中，设计RGU51与PCD52之间的齿轮以使第一至第三电动机41至43具有同样的扭矩增加率。而且，穿过PCD52的最终输出轴通过万向节54被连接到GDU53。
将第二电动机42通过RGU51连接到PCD52的原因如下。在第一至第三电动机41至43分别具有100kW的容量并且第二电动机不使用RGU51而直接连接到PCD52的情形中，不可能最大化车辆的驱动扭矩，并且车辆的最大速度被第二电动机42的最大旋转速度限制。因此，通过将第二电动机42通过RGU51连接到PCD52，第一至第三电动机41至43的输出能够以同样的传动比增加，因而能够在减小车辆的最大速度极限的同时最大化车辆的驱动扭矩。
而且，设计RGU51、PCD52、和GDU53之间的减速比以确保足够的爬坡性能，并改善最大速度和加速度以及超车性能。
如图7中所示，根据本发明的另一个优选实施方式的驱动***包括共用单一主总线端子并且被相互并联连接的第一至第四电动机41至44，和连接在两个电动机之间使得第一与第三电动机41与43直接相互连接并且第二与第四电动机42与44直接相互连接的两排齿轮单元62、63。
即，第一至第四电动机41至44由两列齿轮单元62和63连接，并且两列齿轮单元62和63被设计成使电动机41至44具有同样的扭矩增加比。在此情形中，可以不包括第四电动机44。而且，两列齿轮单元62和63的最终输出轴通过万向节54被连接到GDU53。
尽管已经相对于优选实施方式描述了本发明的驱动***，在优选实施方式中使用三个或四个电动机来改善车辆的动力性能，但是对于本领域技术人员而言可以使用多于四个电动机将是显而易见的。
图2至4是示出根据本发明的其他优选实施方式的使用多电源和多驱动***的混合燃料电池车的变形的动力系的示意性示图。
图2示出了混合燃料电池车，其包括四个用作主电源的并且被相互并联连接的50kW燃料电池11、两个用作辅助电源的并且并联连接在燃料电池11与电动机41至43之间的19.4F超级电容器20、以及三个用于驱动车辆的100kW电动机41至43。
图3示出了混合电池车，其包括两个用作主电源的并且被相互并联连接的100kW燃料电池11、一个用作辅助电源的并且并联连接在燃料电池10与电动机41至43之间的38.8F超级电容器20、以及三个用于驱动车辆的100kW电动机41至43。
图4示出了混合电池车，其包括两个用作主电源的并且被相互并联连接的100kW燃料电池11、两个用作辅助电源的并且并联连接在燃料电池10与电动机41至43之间的电池23、两个并联连接在燃料电池10与电动机41至43之间的DC-DC变换器24、以及三个用于驱动车辆的100kW电动机41至43。
下面将描述根据本发明的具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车的运行。
在燃料电池-超级电容器混合车中，多个燃料电池10共用单一主总线端子12，并且超级电容器20也共用该主总线端子12以补充燃料电池10的电力短缺。从燃料电池10或超级电容器20输出的主总线端子12的电压通过逆变器31至33被独立地提供给多个电动机41至43。此时，第一至和第三电动机41和43的扭矩以PCD52的传动比增加并通过GDU53被传送给各个车轮，并且第二电动机42的扭矩通过RGU51、PCD52、和GDU53被增加到与第一和第三电动机41和43同样的水平并传送给车轮。
燃料电池-电池混合车具有与上述燃料电池-超级电容器混合车同样的运行情况。
而且，在使用电池23或超级电容器20、21作为辅助电源的混合燃料电池车中，在再生制动期间，各个电动机41至43通过RGU51、PCD52、和GDU53从各个车轮接收动能以产生电能并且将其存储到电池23或超级电容器20、21。
具有上述构造和操作运行的本发明使用了多个电源和至少三个驱动***，以使在电源或驱动***中的一个出现故障的情形中，相互并联连接的其他电源和驱动***被用于执行紧急操作，从而确保了驾驶者和乘客的安全性。
而且，因为多个电源共用单一主总线端子12，所以能够在维持现有电源容量的同时添加至少三个驱动***，这样，与具有同样容量的现有电源相比，显著改善了爬坡性能、最大速度、以及加速和超车性能。
此外，因为能够将电力提供给到三个或更多驱动***而不将燃料电池***的数目增加到电动机的数目，所以材料成本由于燃料电池10的数目上的减少而能够被减少。
另外，在由于诸如老化和故障之类各种原因而有必要更换燃料电池10中的任意一个或电动机41至43的任意一个时，能够独立地更换对应的燃料电池或电动机，因而方便了维护和修理，并且能够减少更换成本。
另外，与单一大型电动机相比，能够减少具有至少三个电动机41至43的多驱动***的总体积和重量，并且还由于电源的并联连接而能够使用车辆的死空间建立分布式包(distributed package)。
最后，多个并联连接的燃料电池10的任一个或者三个或更多电动机的任一个可以在正常驱动期间(在驱动期间需求功率低的适度模式中)被关掉或者可以执行空转停止控制(an idle stop control)，因而能够提高燃料效率和***的运行寿命。
接下来，将描述根据本发明的控制具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车的方法。
根据本发明的控制逻辑包括这样五种模式：例如，(1)使用多电源(例如，燃料电池10)的一部分的适度模式，(2)使用整个多电源的强力模式，(3)通过确定驱动期间运行的适合程度(appropriateness)来将适度模式变换为强力模式的变换模式，(4)用于将强力模式变换为适度模式的变换模式，以及(5)有必要停止多电源的一部分或多驱动***的一部分的运行的紧急模式。
首先，刚一起动，就通过驾驶者的按压按钮的操作或者通过控制器的驱动模式自动识别功能来确定车辆是以适度模式运行还是以强力模式运行。
按钮被安装在驾驶者座位的附近，以使驾驶者能够通过确定驱动状态来手动操作按钮。在正常驱动期间，驾驶者的驱动模式由控制器自动识别；然而，按压按钮被驾驶者用作场合命令。
在本发明中，与适度和强力模式相关的驱动模式自动识别功能是一种其中将恰好在关掉起动器钥匙之前使用的模式存储在控制器的缓冲器中，并且然后当打开起动器钥匙时照该模式现有的状态加以使用的技术，或者是一种其中将恰好在关掉起动器钥匙之前使用的模式的历史(大约1至3)和其后使用的模式的历史(大约1至3)存储在控制器中，使得将恰好在关掉起动器钥匙之前使用的模式的历史被用作输入和当打开起动器钥匙时使用的模式(适度或强力模式)确定为输出的技术。
在确定适度或强力模式的步骤中，如果车辆处于在强力模式中，运行整个多电源以执行强力模式中的正常驱动。在适度模式的情形中，运行多电源的一部分以执行适度模式中的正常驱动。
随后，在经过预定的时间之后，在以适度模式的驱动期间基于诸如驾驶者的加速意愿(加速器踏板打开历史)、总驱动需求功率、以及总可用功率之类三种控制变量来连续地检查适度模式的适合程度。在加速器踏板打开历史被保持在特定值以下并且总驱动需求功率被保持在正被使用的燃料电池10、11的一部分的总可用功率的范围中的情形中，继续适度模式中的正常驱动，否则，执行向强力模式的变换。
在驱动或停止期间自动执行模式变换，并且，通过从适度模式向强力模式的模式变换，正处于关闭状态的燃料电池10、11都被运行以提供电力。
此外，在以强力模式的驱动期间，基于上述三种控制变量以与上述相同的方式连续地检查强力模式的适合程度。在加速器踏板打开历史被保持在特定值以下并且总驱动需求功率被保持在比全部的燃料电池10、11的总可用功率足够低的情形中，执行向适度模式的变换。
如上所述，在驱动或停止期间自动执行模式变换，并且，通过上述的模式变换，正处于打开状态的整个燃料电池的一部分被关掉，并且只由其他正处于打开状态的燃料电池10、11来提供电力。
接下来，将更加详细地描述用于在适度模式与强力模式之间的模式变换的控制器的构造及其控制方法。
如图8中所示，车辆控制单元(VCU)71用加速器位置传感器(APS)的输入来输出总驱动需求功率(P_mot_rep)，并且使用以查找表形式存储在控制器中的电动机速度-扭矩特性图来输出电动机速度。
这里，在***使用例如三个电动机的情形中，需求功率基于所有三个电机的输出而不考虑目前是否使用这些电机来计算总驱动需求功率(P_mot_req)。
而且，VCU71基于加速器位置传感器得出驾驶者的加速意愿。在本实施方式中驾驶者的加速意愿表示为Accel，并且Accel信号表示基于加速器位置传感器信号被过滤的以反映驾驶者的加速意愿的信号。
燃料电池控制单元(FCU)72基于多个电源是否被运行(例如，是在适度模式下运行部分燃料电池还是在强力模式下运行所有的燃料电池)，并且基于运行条件(例如根据温度、压力、流量、湿度、等等的单独的电池电压水平)来输出总可用功率(P_fc_avail)。
功率控制单元(PCU)73是基于输入的诸如Accel、P_mot_req、和P_fc_avail之类三个变量连续地确定适度模式和强力模式的适合程度的功率控制器或者混合控制器(hybrid controller)。
即，在以适度模式驱动的期间，如果Accel大于Accel_(确定驾驶者加速意愿的参考值)的状态，或者P_mot_req大于P_fc_avail_mild的状态出现了多于预定次数并且多于预定时间段(图9中的阴影部分)，则将适度模式转化为强力模式。然而，为了防止频繁的模式变换，在从前一次模式变换经过预定时间之后才允许下一次模式变换(即，使用一种滞后)。
而且，在以强力模式驱动的期间，如果Accel等于或小于Accel_high并且P_mot_req等于或小于P_fc_avail_mild的状态出现了多于预定次数并且多于预定时间段(图9中的阴影部分)，则将强力模式转化为适度模式。同样，为了防止频繁的模式变换，在从前一次模式变换经过预定时间之后才允许下一次模式变换(即，使用一种滞后)。
PCU73通过上述方法确定适度模式和强力模式的适合程度，并且将结果FC_onoff_cmd传输到FCU72，使得FCU72运行部分燃料电池(适度模式)或所有燃料电池(强力模式)。
在以适度或强力模式驱动的期间，在有必要停止运行多电源的一部分或多驱动***的一部分的情形中(一旦出现严重故障)，通过在经过预定时间之后停止运行部分多电源或多驱动***，并且通过运行正处于关闭状态的其他电源或者通过自动执行用于使用未出现故障的其他电源和驱动***的控制逻辑，在紧急模式中驱动车辆。
这里，可以通过确定运行的适合程度或通过确定严重故障，或者通过确定运行的适合程度和确定严重故障来执行在以适度或强力模式驱动期间的模式变换。
而且，根据总可用功率(P_fc_avail)和辅助电源(例如，超级电容器)的可用功率，基于总驱动需求功率(P_mot_req)，PCU73将总电动机功率指令值(P_mot_cmd)传输到电动机控制单元(MCU)71。
同时，根据本发明的控制多电动机***的方法根据各个电动机***的效率而控制各电动机***(例如，三个或更多电动机)的输出功率，以便满足总电动机功率指令值。在此情形中，电动机***包括逆变器31至33以及相互并联连接的电动机41至44以由多电源共用的主总线端子12接收电力。
例如，如图10中所示，在总电动机功率指令值(P_mot_cmd)为120kW并且在给定速度下总请求扭矩为300Nm的情形中，如果电动机功率和扭矩被均匀分配到三个电动机(即，每一个均为40kW和100Nm)，则各个电动机***的效率为80％。另一方面，如果电动机功率和扭矩被均匀分配到三个电动机中的两个(即，每一个均为60kW和150Nm)并且其他电动机处于空转状态(即，0Nm)，则各个电动机***的效率被提高到90％，结果提高了燃料效率。
这里，总电动机功率指令值被均匀分配到两个电动机而不是三个电动机的原因是：即使它们具有同样的规格，各电动机***的效率也可能根据整个***的特征而改变。因此，通过给具有相对高效率的电动机***分配较大的电动机功率指令值，而给相对低效率的电动机***不分配或分配较小的电动机功率指令值，能够提高电动机效率和燃料效率。
因此，当在根据各电动机***的效率而独立地控制各电动机***的输出功率时，增加了对并联连接的电动机***的选择的自由度，因而即使输入同样的功率也能够根据能量效率给车轮提供更大的功率。
下面将用图11更加详细地描述本发明的控制多电动机***的方法。
在确定了车辆是以适度模式运行还是以强力模式运行之后，根据各电动机***的效率，独立地控制各电动机***的输出功率以满足总电动机功率指令值。
需求功率根据燃料电池的总可用功率和辅助电源(例如，超级电容器)的可用功率，基于总驱动需求功率，通过使用电动机速度-扭矩特性图。计算出总电动机功率指令值。
在计算总电动机功率指令值之后，检索存储在PCU73或MCU74中的电动机效率图。PCU73然后基于当前电动机速度、总电动机功率指令值、以及电动机效率图而导出各电动机***的输出功率。
在电动机运行(P_mot_cmd为正数)期间，控制各电动机，使得用各电动机***的各自的效率除各电动机***的各自的功率指令值，将相除得到的值相加，将相加得到的值最小化。
这里，在电动机运行期间用各电动机***的效率除各电动机***的功率指令值，表示将从多个电源提供的电能通过各电动机***传输到各个车轮的方向(电动机的输出值为正数)的方向。对结果值的最小化表示根据能量效率通过对控制各电动机***的电动机功率指令值(输入值)进行最小化而增加输出功率。
另一方面，在电动机的再生制动(P_mot_cmd为负数)期间，控制各电动机，使得用各电动机***的各自的效率乘各电动机***的各自的功率指令值，将相乘得到的值相加，并且将相加得到的值最小化。
这里，在电动机的再生制动期间用各电动机***的各自的效率乘各电动机***的各自的功率指令值，表示将从各车轮所提供的动能通过各电动机***存储在辅助电源中(电动机的输出值为负数)。对结果值的最小化表示根据能量存储效率通过最小化得自各车轮的动能(输出值)而增加所存储的辅助电源的电能(在负数的情形中，绝对值越大，能量越低)。
基于下列实例更加详细地描述本发明，但本发明不限于此。
对比例
图12B和13B是示出将总电动机功率指令值均匀分配给各个电动机***的情形的图。
假设总电动机功率指令值(P_mot_cmd)随着时间的经过而从0线性增加至300kW，当总电动机功率指令值被均匀分配给三个电动机时，分配给各电动机***的功率指令值在0至t1的时间段期间从0线性增加到20kW、在t1至t2的时间段期间从20线性增加到40kW、在t2至t3的时间段期间从40线性增加到60kW、并且在t3至t4的时间段期间从60线性增加到100kW。
实例1
图12A是示出根据本发明的优选实施方式的多电动机***的总电动机功率指令值的图，并且图12C是示出根据本发明的优选实施方式的多电动机***的各个电动机***的电动机功率指令值的图。
假设总电动机功率指令值(P_mot_cmd)随着时间的经过而从0线性增加至300kW，当用总电动机功率指令值独立地控制三个电动机时，分配给第一电动机的功率指令值在0至t1的时间段期间从0线性增加到60kW、在t1至t2的时间段期间为60kW、在t2至t3的时间段期间为60kW、并且在t3至t4的时间段期间从60线性增加到100kW。分配给第二电动机的功率指令值在0至t1的时间段期间为0kW、在t1至t2的时间段期间从0线性增加到60kW、在t2至t3的时间段期间为60kW、并且在t3至t4的时间段期间从60线性增加到100kW。分配给第三电动机的功率指令值在0至t1的时间段期间为0kW、在t1至t2的时间段期间为0kW、在t2至t3的时间段期间从0线性增加到60kW、并且在t3至t4的时间段期间从60线性增加到100kW。
实例2
图13A是示出根据本发明的另一个优选实施方式的多电动机***的总电动机功率指令值的图，并且图13C是示出根据本发明的该优选实施方式的多电动机***的各个电动机***的电动机功率指令值的图。
假设总电动机功率指令值(P_mot_cmd)随着时间的经过而从0线性增加至300kW，当用总电动机功率指令值独立地控制三个电动机时，分配给第一电动机的功率指令值在0至t1的时间段期间从0线性增加到60kW、在t1至t2的时间段期间从30线性增加到60kW、在t2至t3的时间段期间从40线性增加到60kW、并且在t3至t4的时间段期间从60线性增加到100kW。分配给第二电动机的功率指令值在0至t1的时间段期间为0kW、在t1至t2的时间段期间从30线性增加到60kW、在t2至t3的时间段期间从40线性增加到60kW、并且在t3至t4的时间段期间从60线性增加到100kW。分配给第三电动机的功率指令值在0至t1的时间段期间为0kW、在t1至t2的时间段期间为0kW、在t2至t3的时间段期间从40线性增加到60kW、并且在t3至t4的时间段期间从60线性增加到100kW。
如上所述，本发明提供了包括下列优点在内的各种优点。首先，在电源或驱动***中的一个出现故障的情形中，相互并联连接的其他电源和驱动***被用于执行紧急操作，从而确保了驾驶者和乘客的安全性。第二，其提供改进的爬坡性能、最大速度、以及加速和超车性能。第三，由于在燃料电池数目上的减少而能够减少材料成本。第四，维护和修理方便并且减少了更换成本。第五，能够减少多驱动***的总体积和重量。最后，能够提高燃料效率和***的运行寿命。
已经参照其优选实施方式详细描述了本发明。然而，本领域技术人员应该意识到，能够在这些实施方式中做出变化而不脱离本发明的原理和精神，本发明的范围被限定在所附权利要求以及它们的等价形式中。

Claims (9)

1.一种具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车，所述混合燃料电池车包括：
多个主电源，其共有单一主总线端子，所述主电源被相互并联连接；
多个驱动***，其从所述主总线端子接收电力以产生输出扭矩以便驱动车轮，所述驱动***被相互并联连接，所述多个驱动***包括多个电动机和对应的逆变器，其中所述主总线端子的电力通过所述对应的逆变器被独立地提供给所述电动机；
辅助电源，其共用所述主总线端子，并且被设置在所述主电源与所述驱动***之间以补充所述主电源的电力不足；以及
齿轮传动装置，其用于连接所述多个电动机，以便通过预定的传动比增加来自所述驱动***的所述输出扭矩，
其中所述多个驱动***具有第一电动机、第二电动机和第三电动机，并且所述齿轮传动装置包括：
动力连接装置，其中所述第一和第三电动机的输出轴被直接连接到其输入端，并且第二电机通过减速齿轮单元被连接到其上，以便使所有所述第一至第三电动机具有同样的扭矩增加率；以及
万向节，用于将所述动力连接装置的最终输出轴连接到齿轮差动单元，并且
所述减速齿轮单元被形成为与行星齿轮结合，其中所述减速齿轮单元的中心齿轮被连接到所述第二电动机的输出轴，环形齿轮被固定，并且承载轴被连接到所述动力连接装置，使得由承载器增加所述第二电机的所述输出扭矩。
2.权利要求1所述的混合燃料电池车，其中所述辅助电源包括超级电容器。
3.权利要求1所述的混合燃料电池车，其中所述辅助电源包括电池和双向DC-DC变换器。
4.一种控制权利要求1所述的具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车的方法，所述方法包括：
由驾驶者使用按钮或者由控制器使用驱动模式自动识别功能来确定是使用多个电源的一部分(适度模式)还是使用所有的所述多个电源(强力模式)；并且
如果所述车辆以适度模式被驱动，则运行所述多个电源的一部分，并且如果所述车辆以强力模式被驱动，则运行所有所述多个电源。
5.权利要求4所述的方法，进一步包括：
确定在以所述适度模式或强力模式驱动的期间是否出现了严重故障以致于有必要停止所述多个电源的一部分或所述多个驱动***的一部分的运行；并且
如果确定发生了所述严重故障，则通过停止所述电源或驱动***的所述部分的运行并保持所述电源或驱动***的其他部分的运行来执行紧急驱动模式。
6.一种控制权利要求1所述的具有多电源和多驱动***的混合燃料电池车的多电动机***的方法，所述方法包括根据各电动机***的效率而独立地控制多个电动机***的输出功率，以便满足总的电动机功率指令值。
7.权利要求6所述的方法，进一步包括：
基于总的驱动需求功率，在功率控制单元根据燃料电池的总的可用功率和辅助电源的可用功率计算所述总的电动机功率指令值，并且将所计算的总的电动机功率指令值传输到电动机控制单元；
检索在所述功率控制单元或所述电动机控制单元中存储的电动机效率图；
基于当前电动机速度、所述总的电动机功率指令值、和所述电动机效率图在所述功率控制单元导出所述各电动机***的输出功率；和
在所述功率控制单元将所述各电动机***的所述输出功率传输到所述电动机控制单元。
8.权利要求7所述的方法，其中，在导出所述各电动机***的所述输出功率之后，所述功率控制单元在电动机运行期间通过最小化这样获得的值(正数)来控制所述各电动机***，即通过将所述各电动机***的各自的输出功率除以所述各电动机***的各自的效率，并将由所述相除得到的值相加所获得的值。
9.权利要求7所述的方法，其中，在导出所述各电动机***的所述输出功率之后，所述功率控制单元在电动机的再生制动期间通过最小化这样获得的值(负数)来控制所述各电动机***，即通过将所述各电动机***的各自的输出功率乘以所述各电动机***的各自的效率，并将由所述相乘得到的值相加所获得的值。
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