CN105083050B - 一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置及其控制方法 - Google Patents

一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置及其控制方法，包括：能源装置，其包括燃料电池、蓄电池及超级电容器；监测装置，其包括速度监测仪、加速踏板监测器及制动踏板监测器，速度监测仪用于监测车辆行驶车速，加速踏板监测器监测加速踏板开度及开度变化率，制动踏板监测器监测制动踏板开度及开度变化率；控制装置，其包括主控制器及能源装置保护器，其中，主控制器根据车辆所处状态和驾驶员行驶意图分别控制能源装置的开关，能源装置保护器控制燃料电池为蓄电池及超级电容器充电。本发明具有合理分配驱动力，动力***的瞬态性能将得到改善，能量效率将得到提高的特点。

Description

一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，具体涉及一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置及其控制方法。
背景技术
近年燃油需求量不断大幅度上涨，大气污染也日趋严重，尤其是汽车排放产生的CO2量不断增加，已经引起全球气候的反常变化，能源枯竭和环境污染已成为当今社会亟需解决的问题，发展电动汽车尤其是纯电动汽车是缓解这一问题最直接有效的方法，电动汽车虽然在环保、节能、清洁等方面占据着明显优势，却也有不少缺点，从某种意义说电动汽车的成败首先取决于电池技术。
作为可能的替代能源，燃料电池的研究和开发不断进行，其应用也甚为广泛，从便携式电源、分布式发电到新一代的燃料电池驱动电动汽车，其中，燃料电池有多种类型，例如质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、氧化物燃料电池和甲醇燃料电池。一些以概念验证和商业化示范为目的燃料电池原型车已经制成。
同时，高成本、低耐久性、瞬态性能差及低温启动问题也是这种燃料电池汽车商业化的主要障碍，目前燃料电池***不允许能量的双向流动，从而导致制动能的回收比较困难，所以，利用燃料电池与其他能源存储设备(蓄电池、超级电容器等)进行混合探究是有必要的，通过这样的设计，可以用蓄电池或者超级电容器作为能量缓冲器使燃料电池进行有必要的保护，延长其使用寿命；在混合能源***中，燃料电池提供匀速行驶所需的功率，其他能源存储设备提供加速和高负荷运转时额外峰值功率，因此，燃料电池***的额定功率和成本将会下降，动力***的瞬态性能将得到改善，能量效率将得到提高。
发明内容
本发明设计开发了一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置及其控制方法，目的是解决现有电动车辆中电池能源装置不能有效控制，动力电源之间充放电不可控，能源消耗过大等问题，提供一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置及其控制方法，其具有能够根据电动车辆行驶状态控制电池能源动力开关，合理分配电池能源供电方式，动力***的瞬态性能将得到改善，提供加速和高负荷运转时的额外峰值功率等特点。
本发明提供的技术方案为：
一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置，包括：
能源装置，其包括燃料电池、蓄电池及超级电容器，其中，所述燃料电池能够单独或与所述蓄电池及所述超级电容器分别组合同时为车辆的电机供电驱动车辆；
监测装置，其包括速度监测仪、加速踏板监测器及制动踏板监测器，所述速度监测仪用于监测车辆行驶车速，所述加速踏板监测器监测加速踏板开度及开度变化率，所述制动踏板监测器监测制动踏板开度及开度变化率；
控制装置，其包括主控制器及能源装置保护器，其中，所述主控制器根据车辆所处状态及行驶模式分别控制所述能源装置的开关，所述能源装置保护器控制所述燃料电池为所述蓄电池及所述超级电容器充电。
其中，所述监测装置与所述主控制器相连，再连接到能源装置上；能源装置保护器与所述能源装置中的燃料电池、蓄电池及超级电容器分别相连，同时所述燃料电池也分别与所述蓄电池及所述超级电容器相连。
优选的是，所述燃料电池、所述蓄电池及所述超级电容器并联后的输出端通过多输入DC-DC变换器与所述电机相连。
优选的是，所述燃料电池和所述超级电容器并联后的输出端通过DC-DC变换器和所述蓄电池连接，再连接所述电机。
优选的是，所述电机，其具有贯穿式的输出轴，所述输出轴的一端通过离合器连接车辆前桥，所述输出轴的另一端连接变速箱，变速箱的输出轴连接车辆的后桥。
优选的是，所述变速箱为五档以上的变速箱。
优选的是，所述蓄电池是由95个电池单体串联而成的铅酸电池组。
优选的是，所述前桥和所述后桥，都分别具有减速装置。
优选的是，在动力输出到所述后桥的动力路径上，设置有中央差速器，其用于消除驱动轮的滑动现象。
一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置的控制方法，使用所述的用于电动车辆的混合燃料电池储能装置，其根据速度反馈信号、加速踏板开度、开度变化率、制动踏板开度及开度变化率通过以下步骤控制所述能源装置：
步骤一：根据速度反馈信号，确定车辆所处状态，即起步阶段及行驶阶段；同时，根据速度反馈信号确定车辆行驶阶段的行驶模式，即低速行驶、中速行驶及高速行驶；
步骤二：确定车辆行驶状态后，起步阶段时，即V0＝0，此时，主控器控制能源装置，仅由蓄电池为电机供电启动车辆，燃料电池不启动；其中，Δα＝α2-α1，α1是加速前踏板开度百分比，α2是加速后踏板开度百分比，V0为车速，单位为km/h，T是加速踏板前后变化时间,单位为s；
车辆进入行驶阶段后，在连续的固定时间T0内，满足条件时，切换至由燃料电池启动为电机供电驱动车辆，在行驶阶段时，根据速度反馈信号确定车辆行驶阶段的行驶模式，即低速行驶、中速行驶及高速行驶，再根据确定车辆行驶模式情况按以下条件控制；其中，D为常数，Δα＝α2-α1，α1是加速前踏板开度百分比，α2是加速后踏板开度百分比，T是加速踏板前后变化时间,单位为s；
加速时，根据数值，进行控制：
当车辆处于低速行驶条件下，主控制器操作只由燃料电池为电机供电驱动车辆；
当车辆处于中速行驶条件下，满足条件时，当时，主控制器操作只由燃料电池为电机供电驱动车辆，当时，主控制器操作蓄电池开启，此时，车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆；满足条件时，主控制器操作蓄电池开启，此时，车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆；
当车辆处于高速行驶条件下，满足条件时，当时，主控制器操作蓄电池开启，此时，车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆；当时，主控制器操作超级电容器开启，此时，车辆由燃料电池及超级电容器共同为电机供电驱动车辆，满足条件时，主控制器操超级电容器开启，此时，车辆由燃料电池及超级电容器共同为电机供电驱动车辆；
其中，Δα＝α2-α1，α1是加速前踏板开度百分比，α2是加速后踏板开度百分比，T是加速踏板前后变化时间，单位为s，e为自然对数的底数，A1,A2,a1,b1,c1,c2,d1,d2,f1,g1是常数；
减速时，根据数值，进行控制：
当车辆处于中速行驶条件下，车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆时，满足条件时，此时，主控制器控制车辆继续由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆；满足条件时，此时，主控制器控制蓄电池停止为电机供电，车辆仅由燃料电池为电机供电驱动车辆；
当车辆处于高速行驶条件下，在车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆或者车辆由燃料电池及超级电容器共同为电机供电驱动车辆时，满足条件时，此时，主控制器控制车辆继续由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆或者继续由燃料电池及超级电容器共同为电机供电驱动车辆；满足条件时，主控制器控制蓄电池或者超级电容器停止为电机供电，车辆仅由燃料电池为电机供电驱动车辆；
其中，Δβ＝β2-β1，β1是减速前制动踏板开度百分比，β2是减速后制动踏板开度百分比，T是加速踏板前后变化时间，单位为s，B1,B2是常数。
优选的是，能源装置保护器监测到所述蓄电池电池SOC值低于85％时，控制蓄电池不启动，控制所述燃料电池在开启驱动车辆的同时为所述蓄电池充电，达到85％时，根据需要重新启动与所述燃料电池一起为电机供电驱动车辆；能源装置保护器监测到所述超级电容器电池SOC值低于70％时，控制超级电容器不启动，控制所述燃料电池在开启驱动车辆的同时为所述超级电容器充电，达到70％时，根据需要重新启动与所述燃料电池一起为电机供电驱动车辆。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
1、在纯电动车领域，可以通过监测装置确定车辆行驶状态及行驶模式，通过确定的行驶模式能够合理控制能源装置的开关，合理分配能源驱动车辆；
2、具有能源装置保护器，可以通过能源装置保护器控制燃料电池为蓄电池及超级电容器充电，从而保护能源装置中的蓄电池及超级电容器，延长其使用寿命；
3、本发明能够通过燃料电池满足车辆匀速的能量需求；在车辆启动阶段
使用蓄电池启动车辆，通过使用蓄电池满足车辆启动瞬时尖峰功率需求，起到保护燃料电池的效果；在车辆高速行驶阶段使用超级电容器辅助车辆驱动，使超级电容器作为能量缓冲器，以保证车辆在高速行驶阶段获得强劲、迅速的驱动能量；同时，通过蓄电池及超级电容器设备的辅助使用，提供了加速和高负荷运转时的额外峰值功率。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的多输入DC-DC变换器连接示意图。
图3为本发明的DC-DC变换器连接示意图。
图4为本发明用于电动车辆的混合燃料电池储能装置控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置及其控制方法，其中用于电动车辆的混合燃料电池储能装置，其包括三部分，即能源装置、监测装置及控制装置；
其中，能源装置，其包括燃料电池111、蓄电池112及超级电容器113，燃料电池111作为驱动车辆的主能源可以单独为电机161供电驱动车辆，蓄电池112及超级电容器113作为驱动车辆的辅助能源可以分别与燃料电池111配合使用为电机161供电驱动车辆；燃料电池111可以在蓄电池112及超级电容器113荷电状态SOC值低于预设时为蓄电池112及超级电容器113充电，起到保护蓄电池112及超级电容器113的作用，同时在车辆刚启动时，蓄电池112可以用于为电机161供电，满足车辆瞬时尖峰功率需求，起到保护燃料电池的作用；其中，电机161可以是电动车辆上应用的直流牵引电动机或逆变器驱动交流牵引电机。
监测装置，其包括速度监测仪123、加速踏板监测器121及制动踏板监测器122，其中，速度监测仪123用于监测车辆行驶车速，传输速度反馈信号，通过速度反馈信号确定车辆所处状态及行驶模式，加速踏板监测器121监测加速踏板开度及开度变化率，制动踏板监测器122监测制动踏板开度及开度变化率；
控制装置，其包括主控制器141及能源装置保护器142，其中，主控制器141通过监测装置所确定的车辆所处状态及行驶模式进行控制燃料电池111、蓄电池112及超级电容器113的开关，进而合理分配能源的利用，确保燃料电池111的使用寿命，同时为电机提供可靠的工作条件；能源装置保护器142通过能源装置中蓄电池112及超级电容器113的荷电状态SOC值控制燃料电池111为蓄电池112及超级电容器113进行充电，从而确保蓄电池112及超级电容器113的使用寿命；
其中，监测装置与所述主控制器141相连，再连接到能源装置上；能源装置保护器142与能源装置中的燃料电池111、蓄电池112及超级电容器113分别相连，燃料电池111也分别与蓄电池112及超级电容器113相连。
如图2本发明所述的多输入DC-DC变换器连接示意图所示，在另一种实施例中，燃料电池111、蓄电池112及超级电容器113并联后通过多输入DC-DC变换器与电机161相连，混合控制器与多输入DC-DC变化器相连，混合控制器可以控制不同动力源间的功率流动。
如图3本发明所述的DC-DC变换器连接示意图所示，在另一种实施例中，燃料电池111和超级电容器113并联后的输出端通过DC-DC变换器和蓄电池112连接，再连接电机161，混合控制器与DC-DC变化器相连，混合控制器可以控制不同动力源间的功率流动，蓄电池112用于限制直流母线电压，根据串联电池单体的数量，蓄电池112有确定的电压值，则变换器的输出电压值必须和蓄电池112的电压值相对应，然而，由于使用了超级电容器113，它与电压无关，DC-DC变化器的输出可根据电机需要设定任何电压值；如果在DC-DC变换器输出时需要用到蓄电池，超级电容器113仍然可以用在DC-DC变换器输入端或燃料电池111的输出端，进一步稳定并减小燃料电池111中的电流尖脉冲。
在另一种实施例中，电机161，其具有贯穿式的输出轴164，输出轴164的一端通过离合器162连接车辆前桥151，输出轴164的另一端连接变速箱163，通过变速箱163的输出轴164连接车辆的后桥152。
在另一种实施例中，变速箱163为五档以上的变速箱。
在另一种实施例中，蓄电池112是由95个电池单体串联而成的铅酸电池组。
在另一种实施例中，前桥151和后桥152，都分别具有减速装置。
在另一种实施例中，在动力输出到后桥152的动力路径上，设置有中央差速器153，在具有不同的输入角速度时，其用于消除驱动轮的滑动现象。
图4示出了根据本发明电机***控制方法的一种实现形式，其具体操作流程如下：
S410：根据速度反馈信号，确定车辆所处状态，即起步阶段及行驶阶段；
S420、S421、S422：起步阶段时，即V0＝0，此时，主控制器141控制能源装置，仅由蓄电池112为电机161供电启动车辆，燃料电池111不启动；车辆进入行驶阶段后，在连续的固定时间T0内，满足条件时，切换至由燃料电池111启动为电机161供电驱动车辆，其中，D为常数，Δα＝α2-α1，α1是加速前踏板开度百分比，α2是加速后踏板开度百分比，V0为车速，单位为km/h，T是加速踏板前后变化时间，单位为s，在本实施例中，T0＝5,D＝11.23；同时，在行驶阶段时，根据速度反馈信号确定车辆行驶阶段的行驶模式，即低速行驶、中速行驶及高速行驶；在本实施例中，低速行驶：0＜V0＜20，中速行驶：20≤V0＜60，高速行驶：60≤V0，其中，V0是车辆行驶速度，单位为km/h
S430：当车辆处于低速行驶条件下，主控制器141控制能源装置只由燃料电池111为电机161供电驱动车辆行驶；
S440、S441、S442、S443、S444：
当车辆处于中速行驶条件下，满足条件时，当时，主控制器141操作只由燃料电池111为电机161供电驱动车辆，当时，主控制器141操作蓄电池112开启，此时，车辆由燃料电池111及蓄电池112共同为电机161供电驱动车辆；满足条件时，主控制器操作蓄电池112开启，此时，车辆由燃料电池111及蓄电池112共同为电机161供电驱动车辆；
当车辆处于中速行驶条件下，车辆由燃料电池111及蓄电池112共同为电机161供电驱动车辆时，满足条件时，此时，主控制器141控制车辆继续由燃料电池111及蓄电池112共同为电机供电驱动车辆；满足条件时，此时，主控制器141控制蓄电池112停止为电机供电，车辆仅由燃料电池111为电机161供电驱动车辆；
S450、S451、S452、S453、S454：
当车辆处于高速行驶条件下，满足条件时，当时，主控制器141操作蓄电池112开启，此时，车辆由燃料电池111及蓄电池112共同为电机供电驱动车辆；当时，主控制器141操作超级电容器113开启，此时，车辆由燃料电池111及超级电容器113共同为电机161供电驱动车辆，满足条件时，主控制器141操作超级电容器113开启，此时，车辆由燃料电池111及超级电容器113共同为电机161供电驱动车辆；
当车辆处于高速行驶条件下，在车辆由燃料电池111及蓄电池112共同为电机161供电驱动车辆或者车辆由燃料电池111及超级电容器113共同为电机161供电驱动车辆时，满足条件时，此时，主控制器141控制车辆继续由燃料电池111及蓄电池112共同为电机161供电驱动车辆或者继续由燃料电池111及超级电容器113共同为电机161供电驱动车辆；满足条件时，主控制器141控制蓄电池112或者超级电容器113停止为电机161供电，车辆仅由燃料电池111为电机161供电驱动车辆；
其中，Δα＝α2-α1，α1是加速前踏板开度百分比，α2是加速后踏板开度百分比，T是加速踏板前后变化时间，单位为s，e为自然对数的底数，A1,A2,B1,B2,a1,b1,c1,c2,d1,d2,f1,g1是常数，Δβ＝β2-β1，β1是减速前制动踏板开度百分比，β2是减速后制动踏板开度百分比，T是加速踏板前后变化时间，单位为s，B1,B2是常数；在本实施例中，A1＝25.6,A2＝34.8,B1＝39.5,B2＝51.5,a1＝-0.086,b1＝0.4195,c1＝-0.0031c2＝-0.0005,d1＝0.3028,d2＝0.0742,f1＝0.2011,g1＝-0.012
在另一种实施例中，能源装置保护器142监测到蓄电池112荷电状态SOC值低于85％时，控制蓄电池112不启动，控制燃料电池111在开启驱动车辆的同时为蓄电池112充电，达到85％时，根据需要重新启动与燃料电池111一起为电机161供电驱动车辆；能源装置保护器142监测到超级电容器113荷电状态SOC值低于70％时，控制超级电容器113不启动，控制燃料电池111在开启驱动车辆的同时为超级电容器113充电，达到70％时，根据需要重新启动与燃料电池111一起为电机161供电驱动车辆。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种用于电动车辆的混合燃料电池储能装置的控制方法，其特征在于，根据速度反馈信号、加速踏板开度、开度变化率、制动踏板开度及开度变化率通过以下步骤控制能源装置：
步骤一：根据速度反馈信号，确定车辆所处状态，即起步阶段及行驶阶段；同时，根据速度反馈信号确定车辆行驶阶段的行驶模式，即低速行驶、中速行驶及高速行驶；
步骤二：确定车辆行驶状态后，起步阶段时，即V0＝0，此时，主控器控制能源装置，仅由蓄电池为电机供电启动车辆，燃料电池不启动；其中，Δα＝α2-α1，α1是加速前踏板开度百分比，α2是加速后踏板开度百分比，V0为车速，单位为km/h，T是加速踏板前后变化时间，单位为s；
车辆进入行驶阶段后，在连续的固定时间T0内，满足条件时，切换至由燃料电池启动为电机供电驱动车辆，在行驶阶段时，根据速度反馈信号确定车辆行驶阶段的行驶模式，即低速行驶、中速行驶及高速行驶，再根据确定车辆行驶模式情况按以下条件控制；其中，D为常数，Δα＝α2-α1，α1是加速前踏板开度百分比，α2是加速后踏板开度百分比，T是加速踏板前后变化时间,单位为s；
加速时，根据数值，进行控制：
当车辆处于低速行驶条件下，主控制器操作只由燃料电池为电机供电驱动车辆；
当车辆处于中速行驶条件下，满足条件时，当时，主控制器操作只由燃料电池为电机供电驱动车辆，当时，主控制器操作蓄电池开启，此时，车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆；满足条件时，主控制器操作蓄电池开启，此时，车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆；
当车辆处于高速行驶条件下，满足条件时，当时，主控制器操作蓄电池开启，此时，车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆；当时，主控制器操作超级电容器开启，此时，车辆由燃料电池及超级电容器共同为电机供电驱动车辆，满足条件时，主控制器操超级电容器开启，此时，车辆由燃料电池及超级电容器共同为电机供电驱动车辆；
其中，Δα＝α2-α1，α1是加速前踏板开度百分比，α2是加速后踏板开度百分比，T是加速踏板前后变化时间，单位为s,e为自然对数的底数，A1,A2,a1,b1,c1,c2,d1,d2,f1,g1是常数；
减速时，根据数值，进行控制：
当车辆处于中速行驶条件下，车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆时，满足条件时，此时，主控制器控制车辆继续由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆；满足条件时，此时，主控制器控制蓄电池停止为电机供电，车辆仅由燃料电池为电机供电驱动车辆；
当车辆处于高速行驶条件下，在车辆由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆或者车辆由燃料电池及超级电容器共同为电机供电驱动车辆时，满足条件时，此时，主控制器控制车辆继续由燃料电池及蓄电池共同为电机供电驱动车辆或者继续由燃料电池及超级电容器共同为电机供电驱动车辆；满足条件时，主控制器控制蓄电池或者超级电容器停止为电机供电，车辆仅由燃料电池为电机供电驱动车辆；
其中，Δβ＝β2-β1，β1是减速前制动踏板开度百分比，β2是减速后制动踏板开度百分比，T是加速踏板前后变化时间，单位为s,B1,B2是常数。
2.如权利要求1所述的用于电动车辆的混合燃料电池储能装置的控制方法，其特征在于，能源装置保护器监测到所述蓄电池电量SOC值低于85％时，控制蓄电池不启动，控制所述燃料电池在开启驱动车辆的同时为所述蓄电池充电，达到85％时，根据需要重新启动与所述燃料电池一起为电机供电驱动车辆；能源装置保护器监测到所述超级电容器电量SOC值低于70％时，控制超级电容器不启动，控制所述燃料电池在开启驱动车辆的同时为所述超级电容器充电，达到70％时，根据需要重新启动与所述燃料电池一起为电机供电驱动车辆。
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