CN110329109A - 一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法 - Google Patents

一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法，能量管理***包括燃料电池、起动电池、驱动电机、真空飞轮储能装置、VCU、FCU、第一MCU、第二MCU和BMS,燃料电池分别电性连接驱动电机和起动电池，驱动电机电性连接真空飞轮储能装置，VCU、FCU、第一MCU、第二MCU和BMS分别连接CAN网络，FCU用于采集起动电池的SOC信号，第一MCU用于采集车速信号及油门踏板和制动踏板状态信息，第二MCU用于采集真空飞轮储能装置中飞轮转速信号，VCU通过CAN网络中的信号判断整车状态及能量管理***状态，进而触发相应的智能控制策略。本发明的有益效果：通过整车能量管理***的控制策略，合理优化能量流，提高燃料电池的工作效率和使用寿命，协调优化整车动力性和经济性。

Description

一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车能量管理技术领域，尤其涉及一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法。
背景技术
节能减排一直都是汽车能源结构优化使用的基本原则。传统内燃机技术发展一百多年来，受卡诺循环效率的限制和环保标准的日益严苛，内燃机逐渐退出历史舞台。动力化学电池例如三元锂电池存在能量密度和寿命的trade-off问题，氢燃料电池驱动技术开始成为未来高效清洁能源的发展趋势。
然而燃料电池汽车的普及应用在技术层面存在能量输出迟滞、高效负荷区间窄、不可用于能量回收等短板。目前主流采用燃料电池+动力电池的能量组合，其中动力电池主要用于燃料电池汽车需求功率的“削峰填谷”，从而保证燃料电池工作在高效负荷区域，虽说采用燃料电池+动力电池的能量组合在一定程度上解决了燃料电池汽车能量输出迟滞、高效负荷区间窄、不可用于能量回收等问题，但使用动力化学电池依然存在诸多问题，如存在功率密度低，能量回收幅度受限、寿命短等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法。
本发明的实施例提供一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法，所述能量管理***包括燃料电池、起动电池、驱动电机、真空飞轮储能装置、VCU、FCU、第一MCU、第二MCU和BMS,所述燃料电池分别电性连接所述驱动电机和所述起动电池，所述驱动电机电性连接所述真空飞轮储能装置，所述VCU、所述FCU、所述第一MCU、所述第二MCU和所述BMS分别连接CAN网络，所述燃料电池通过所述FCU连接CAN网络，所述驱动电机通过所述第一MCU连接CAN网络，所述真空飞轮储能装置通过所述第二MCU连接CAN网络，所述起动电池通过所述BMS连接CAN网络，所述FCU用于采集所述起动电池的SOC信号，所述第一MCU用于采集车速信号及油门踏板和制动踏板状态信息，所述第二MCU用于采集所述真空飞轮储能装置中飞轮转速信号，所述燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法包括以下步骤：
S1、整车上电，所述能量管理***完成初始化；
S2、所述VCU采集所述第一MCU发送的车速信号，若车速不为零，转S3；否则转S5；
S3、所述VCU采集所述第一MCU发送的制动踏板状态信息，若制动踏板开度为零，转S4；否则转S6；
S4、所述VCU采集所述第一MCU发送的油门踏板状态信息，若油门踏板开度为零，转S7；否则转S8；
S5、所述BMS采集所述起动电池SOC，若所述起动电池SOC不小于SOCmin，转S2，SOC指所述起动电池的剩余电量，SOCmin指所述起动电池允许的最低剩余电量；若所述起动电池SOC小于SOCmin，则所述第二MCU进一步判断所述飞轮转速是否大于最低负荷转速Nmin，若所述飞轮转速大于最低负荷转速Nmin，则由所述真空飞轮储能装置给所述起动电池充电；若所述飞轮转速不大于最低负荷转速Nmin,则由所述燃料电池以最大效率点功率Pf为所述起动电池充电；
S6、所述第二MCU采集所述真空飞轮储能装置中飞轮转速信号并判断所述飞轮转速是否小于最高负荷转速Nmax，若所述飞轮转速小于最高负荷转速Nmax，则所述真空飞轮储能装置进行最大化回收刹车能量；若所述飞轮转速不小于最高负荷转速Nmax，转S2；
S7、所述第二MCU采集所述真空飞轮储能装置中飞轮转速信号并判断所述飞轮转速是否大于最低负荷转速Nmin，若飞轮转速大于最低负荷转速Nmin，则所述驱动电机驱动能量由所述真空飞轮储能装置提供；若飞轮转速不大于最低负荷转速Nmin，则所述驱动电机驱动能量由所述燃料电池提供；
S8、所述VCU判断所述驱动电机需求功率Prq是否大于所述燃料电池最优功率的最大功率Pfmax，若所述驱动电机需求功率Prq大于所述燃料电池最优功率的最大功率Pfmax，则所述燃料电池输出最优功率的最大功率Pfmax，剩下的功率由所述真空飞轮储能装置提供；若所述驱动电机需求功率Prq不大于所述燃料电池最优功率的最大功率Pfmax，且所述驱动电机需求功率Prq大于所述燃料电池最优功率的最小功率Pfmin，则所述燃料电池输出所述驱动电机的需求功率Prq；若所述驱动电机需求功率Prq不大于所述燃料电池最优功率的最小功率Pfmin，转S7。
进一步地，包括DCDC、DCAC和双向DCAC，所述DCDC连接CAN网络且分别电性连接所述燃料电池和所述DCAC，所述DCAC分别电性连接所述双向DCAC和所述驱动电机，所述DCAC通过所述第一MCU连接所述CAN网络，所述双向DCAC通过第二MCU连接是CAN网络。
进一步地，所述真空飞轮储能装置包括所述飞轮，所述飞轮材质为碳纤维，所述飞轮密闭在真空环境中以磁悬浮方式运转。
进一步地，所述起动电池为锂电池。
进一步地，所述步骤S7中，当所述燃料电池提供的能量大于驱动所述驱动电机需要的能量时，多余的能量由所述真空飞轮储能装置进行吸收存储。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明通过整车动力***的控制策略，合理优化能量流，提高燃料电池的工作效率和使用寿命，协调优化整车动力性和经济性。
附图说明
图1是本发明一种燃料电池氢能汽车能量管理***的连接示意图。
图2是本发明一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法的步骤流程图。
图3是本发明一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法的流程图。
图中：1-燃料电池,2-DCDC,3-起动电池,4-DCAC,5-驱动电机,6-真空飞轮储能装置,7-双向DCAC,8-VCU,9-FCU,10-第一MCU,11-第二MCU,12-BMS。
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燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法，所述能量管理***包括燃料电池1、DCDC2、起动电池3、DCAC4、驱动电机5、真空飞轮储能装置6、双向DCAC7、VCU8、FCU9、第一MCU10、第二MCU11和BMS12。
所述起动电池3为低能量密度的锂电池，所述起动电池3主要负责所述燃料电池1起动工作，所述燃料电池氢能汽车正常运行过程中所述起动电池3不参与工作。
所述燃料电池1分别电性连接所述DCDC2和所述起动电池3，所述DCAC4分别电性连接所述DCDC2、所述驱动电机5和所述双向DCAC7，所述双向DCAC7分别电性连接所述起动电池3和所述真空飞轮储能装置6，所述VCU8、所述FCU9、所述DCDC2、所述第一MCU10、所述第二MCU11和所述BMS12分别连接CAN网络，所述燃料电池1通过所述FCU9连接CAN网络，所述DCAC4和所述驱动电机5均通过所述第一MCU10连接CAN网络，所述真空飞轮储能装置6和所述双向DCAC7分别通过所述第二MCU11连接CAN网络，所述起动电池3通过所述BMS12连接CAN网络，所述FCU9用于采集所述起动电池3的SOC信号，所述第一MCU10用于采集车速信号及油门踏板和制动踏板状态信息，所述第二MCU11用于采集所述真空飞轮储能装置6中飞轮转速信号。
所述真空飞轮储能装置6包括所述飞轮，所述飞轮材质为碳纤维，所述飞轮密闭在真空环境中以磁悬浮方式运转，以最大限度减小摩擦损耗，其空置能量损耗可以保持与动力化学电池相当。所述真空飞轮储能装置6采用真空飞轮和电力转换装置协同，可将其内部存储的机械能转换为电能进行输出，以及将回收的电能转化为机械能进行储存。所述真空飞轮储能装置6输出的能量用于给所述起动电池充电3或驱动所述驱动电机5，同时所述真空飞轮储能装置6可在所述燃料电池氢能汽车加速过程中瞬间释放能量，用于满足整车峰值功率需求，可克服动力化学电池瞬间放电功率受限制的问题；所述真空飞轮储能装置6可用于回收所述燃料电池氢能汽车在制动和滑行时多余的能量，能量回收效率高达70％，特别适用城市交通拥挤时车辆反复起停等工况。
请参考图2和图3，所述燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法包括以下步骤：
S1、整车上电，所述VCU8、所述FCU9、所述第一MCU10、所述第二MCU11、所述BMS12等控制器被唤醒，所述能量管理***完成初始化；
S2、所述VCU8采集所述第一MCU10发送的车速信号，若车速不为零，转S3；否则转S5；
S3、所述VCU8采集所述第一MCU10发送的制动踏板状态信息，若制动踏板开度为零，转S4；否则转S6；
S4、所述VCU8采集所述第一MCU10发送的油门踏板状态信息，若油门踏板开度为零，转S7；否则转S8；
S5、所述BMS12采集所述起动电池3SOC并判断所述起动电池3SOC是否小于SOCmin，若所述起动电池3SOC不小于SOCmin，转S2，本实施例中所述SOCmin为所述起动电池允许的最低剩余电量，所述SOCmin可依据实际情况进行设置；若所述起动电池3SOC小于SOCmin，则所述第二MCU11进一步判断所述飞轮转速是否大于最低负荷转速Nmin，若所述飞轮转速大于最低负荷转速Nmin，则由所述真空飞轮储能装置6以给所述起动电池3充电；若所述飞轮转速不大于最低负荷转速Nmin,则由所述燃料电池1以最大效率点功率Pf为所述起动电池3充电；
S6、所述第二MCU11采集所述真空飞轮储能装置6中飞轮转速信号并判断所述飞轮转速是否小于最高负荷转速Nmax，若所述飞轮转速小于最高负荷转速Nmax，则所述真空飞轮储能装置6进行最大化回收刹车能量；若所述飞轮转速不小于最高负荷转速Nmax，转S2；
S7、所述第二MCU11采集所述真空飞轮储能装置6中飞轮转速信号，并判断所述真空飞轮储能装置6中的所述飞轮转速是否大于最低负荷转速Nmin，若所述飞轮转速大于最低负荷转速Nmin，则所述驱动电机5驱动能量由所述真空飞轮储能装置6提供；若所述飞轮转速不大于最低负荷转速Nmin，则所述驱动电机5驱动能量由所述燃料电池1以最大效率点功率Pf提供，多余的能量由所述真空飞轮储能装置6进行吸收存储；
S8、所述VCU8判断所述驱动电机5需求功率Prq是否大于所述燃料电池最优功率的最大功率Pfmax，若所述驱动电机5需求功率Prq大于所述燃料电池1最优功率的最大功率Pfmax，则所述燃料电池1输出最优功率的最大功率Pfmax，剩下的功率由所述真空飞轮储能装置6提供；若所述驱动电机5需求功率Prq不大于所述燃料电池1最优功率的最大功率Pfmax，且所述驱动电机5需求功率Prq大于所述燃料电池1最优功率的最小功率Pfmin，则所述燃料电池1输出所述驱动电机5的需求功率Prq；若所述驱动电机5需求功率Prq不大于所述燃料电池1最优功率的最小功率Pfmin，转S7。
本发明通过所述真空飞轮储能装置6将刹车能量及所述燃料电池1输出的富余能量进行吸收存储，并在需要时驱动所述驱动电机5，使得所述燃料电池氢能汽车的能量流更合理，同时提高了所述燃料电池1的工作效率和使用寿命，进一步优化了整车动力性和经济性。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
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 (5)

1.一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法，所述能量管理***包括燃料电池、起动电池、驱动电机、真空飞轮储能装置、VCU、FCU、第一MCU、第二MCU和BMS,所述燃料电池分别电性连接所述驱动电机和所述起动电池，所述驱动电机电性连接所述真空飞轮储能装置，所述VCU、所述FCU、所述第一MCU、所述第二MCU和所述BMS分别连接CAN网络，所述燃料电池通过所述FCU连接CAN网络，所述驱动电机通过所述第一MCU连接CAN网络，所述真空飞轮储能装置通过所述第二MCU连接CAN网络，所述起动电池通过所述BMS连接CAN网络，所述FCU用于采集所述起动电池的SOC信号，所述第一MCU用于采集车速信号及油门踏板和制动踏板状态信息，所述第二MCU用于采集所述真空飞轮储能装置中飞轮转速信号，其特征在于：所述燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法包括以下步骤：
S1、整车上电，所述能量管理***完成初始化；
S2、所述VCU采集所述第一MCU发送的车速信号，若车速不为零，转S3；否则转S5；
S3、所述VCU采集所述第一MCU发送的制动踏板状态信息，若制动踏板开度为零，转S4；否则转S6；
S4、所述VCU采集所述第一MCU发送的油门踏板状态信息，若油门踏板开度为零，转S7；否则转S8；
S5、所述BMS采集所述起动电池SOC，若所述起动电池SOC不小于SOCmin，转S2，SOC指所述起动电池的剩余电量，SOCmin指所述起动电池允许的最低剩余电量；若所述起动电池SOC小于SOCmin，则所述第二MCU进一步判断所述飞轮转速是否大于最低负荷转速Nmin，若所述飞轮转速大于最低负荷转速Nmin，则由所述真空飞轮储能装置给所述起动电池充电；若所述飞轮转速不大于最低负荷转速Nmin,则由所述燃料电池以最大效率点功率Pf为所述起动电池充电；
S6、所述第二MCU采集所述真空飞轮储能装置中飞轮转速信号并判断所述飞轮转速是否小于最高负荷转速Nmax，若所述飞轮转速小于最高负荷转速Nmax，则所述真空飞轮储能装置进行最大化回收刹车能量；若所述飞轮转速不小于最高负荷转速Nmax，转S2；
S7、所述第二MCU采集所述真空飞轮储能装置中飞轮转速信号并判断所述飞轮转速是否大于最低负荷转速Nmin，若飞轮转速大于最低负荷转速Nmin，则所述驱动电机驱动能量由所述真空飞轮储能装置提供；若飞轮转速不大于最低负荷转速Nmin，则所述驱动电机驱动能量由所述燃料电池提供；
S8、所述VCU判断所述驱动电机需求功率Prq是否大于所述燃料电池最优功率的最大功率Pfmax，若所述驱动电机需求功率Prq大于所述燃料电池最优功率的最大功率Pfmax，则所述燃料电池输出最优功率的最大功率Pfmax，剩下的功率由所述真空飞轮储能装置提供；若所述驱动电机需求功率Prq不大于所述燃料电池最优功率的最大功率Pfmax，且所述驱动电机需求功率Prq大于所述燃料电池最优功率的最小功率Pfmin，则所述燃料电池输出所述驱动电机的需求功率Prq；若所述驱动电机需求功率Prq不大于所述燃料电池最优功率的最小功率Pfmin，转S7。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法，其特征在于：包括DCDC、DCAC和双向DCAC，所述DCDC连接CAN网络且分别电性连接所述燃料电池和所述DCAC，所述DCAC分别电性连接所述双向DCAC和所述驱动电机，所述DCAC通过所述第一MCU连接所述CAN网络，所述双向DCAC通过第二MCU连接是CAN网络。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法，其特征在于：所述真空飞轮储能装置包括所述飞轮，所述飞轮材质为碳纤维，所述飞轮密闭在真空环境中以磁悬浮方式运转。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法，其特征在于：所述起动电池为锂电池。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池氢能汽车能量管理***的控制方法，其特征在于：所述步骤S7中，当所述燃料电池提供的能量大于驱动所述驱动电机需要的能量时，多余的能量由所述真空飞轮储能装置进行吸收存储。
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