CN111452632B - 一种多电压平台氢燃料电池汽车能源*** - Google Patents

一种多电压平台氢燃料电池汽车能源*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***，主要优化了汽车能源***架构，加入辅助能源***；所述辅助能源***包含超级电容、超级电容双向DC/DC、镍氢电池、镍氢电池双向DC/DC，用于弥补瞬间整车需求较大功率、吸收燃料电池发动机多余的功率和电机回馈功率，同时给低压平台用电设备供电。本发明的有益效果是：加入辅助能源***，设计为两个电压平台：540V平台、340V平台，提升了电驱动***效率的同时，还解决了其他高压部件PTC、空调、转向泵等无540V平台的问题。

Description

一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***
技术领域
本发明涉及新能源汽车电池领域，尤其涉及一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***。
背景技术
随着人们环保意识的日益增强，氢燃料汽车的发展速度迫切加快，如何提升整车安全可靠性，同时提升整车效率是氢燃料汽车面临的重要问题，其中优化动力***架构、研发新的控制策略是目前应用的主要解决方案之一。
无论是氢燃料电池商用车，还是氢燃料电池乘用车，其主要动力源都包含主动力源(氢燃料电池***和升压DC/DC)和辅助能源。在现阶段所应用电池电压特性软，在油门踏板的开度变化率很大的时候电压波动大。同时，在低电压平台(额定340V)下，电驱动***效率低。所以通过优化动力***架构，设计为两个电压平台：540V平台、340V平台，提升了电驱动***效率的同时，还解决了其他高压部件(PTC、空调、转向泵等)无540V平台的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***。
本发明提供一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***，具体包括：
辅助能源***、主能源***、用电***和整车控制器VCU；
所述辅助能源***与所述主能源***电性连接；所述辅助能源***和所述主能源***均与所述用电***电性连接；所述整车控制器VCU与所述辅助能源***和所述主能源***电性连接；所述辅助能源***，包括超级电容、超级电容双向DC/DC、镍氢电池和镍氢电池双向DC/DC；
所述主能源***包括：氢燃料电池发动机***FCS和Boost变换器DC/DC；
所述用电***包括：整车PDU、高压平台用电设备和低压平台用电设备；所述整车PDU包括高压平台部分和低压平台部分；所述高压平台部分与所述高压平台用电设备电性连接，用于控制所述高压平台用电设备；所述低压平台部分与所述低压平台用电设备电性连接，用于控制所述低压平台用电设备；
所述主能源***与所述辅助能源***电性连接；所述主能源***通过所述整车PDU与所述用电***电性连接；
所述超级电容与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的高压平台部分为所述高压平台用电设备提供540V输出电压；所述镍氢电池与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的低压平台部分为所述低压平台用电设备提供340V输出电压和为高压平台用电设备提供540V输出电压；
所述整车控制器VCU与所述主能源***和所述辅助能源***分别电性连接，以智能调配所述主能源***和所述辅助能源***输出功率，满足氢燃料电池汽车不同行驶状态情况下的用电***的功率需求。
进一步地，所述氢燃料电池发动机***FCS通过主正继电器K1和主负继电器K2与所述Boost变换器DC/DC相连；所述Boost变换器DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
进一步地，所述超级电容为第一辅助供电单元，通过主正继电器K3和主负继电器K4与所述超级电容双向DC/DC电性连接；所述超级电容双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
进一步地，所述镍氢电池为第二辅助供电单元，通过主正继电器K5和主负继电器K6与所述镍氢电池双向DC/DC电性连接；所述镍氢电池双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接；所述镍氢电池通过所述主正继电器K5和主负继电器K6还直接与所述整车PDU的低压控制部分电性连接。
进一步地，所述氢燃料电池汽车不同行驶情况包括：匀速行驶、平稳加速行驶、紧急加速行驶和制动行驶。
进一步地，在氢燃料电池汽车匀速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源***和所述辅助能源***供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机***FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC反向降压，即完成从540V到340V的降压过程，以给所述镍氢电池充电，充电功率与所述低压平台用电设备消耗功率相等；
所述整车控制器VCU使能超级电容双向DC/DC，但控制电流为0，即所述超级电容双向DC/DC不供电。
进一步地，氢燃料电池汽车平稳加速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源***和所述辅助能源***供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机***FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC反向降压，即完成从540V到340V的降压过程，以给所述镍氢电池充电，充电功率与所述低压平台用电设备消耗功率相等；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述超级电容双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电。
进一步地，氢燃料电池汽车紧急加速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源***和所述辅助能源***供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机***FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述超级电容双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述镍氢电池双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电。
氢燃料电池汽车制动行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源***和所述辅助能源***供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机***FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC吸收制动过程中的功率，即所述超级电容双向DC/DC向所述超级电容充电；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC吸收制动过程中的制动功率，即所述镍氢电池双向DC/DC向所述镍氢电池充电
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：加入辅助能源***，设计为两个电压平台：540V平台、340V平台，提升了电驱动***效率的同时，还解决了其他高压部件PTC、空调、转向泵等无540V平台的问题。
附图说明
图1是本发明一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***的架构图；
图2是本发明实施例中各***电流方向示意图。
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多电压平台氢燃料电池汽车能源***的架构图，具体包括：
辅助能源***、主能源***、用电***和整车控制器VCU(图1中未视出)；
所述辅助能源***与所述主能源***电性连接；所述辅助能源***和所述主能源***均与所述用电***电性连接；所述整车控制器VCU与所述辅助能源***和所述主能源***电性连接；所述辅助能源***，包括超级电容、超级电容双向DC/DC、镍氢电池和镍氢电池双向DC/DC；
所述主能源***包括：氢燃料电池发动机***FCS和Boost变换器DC/DC；
所述用电***包括：整车PDU、高压平台用电设备和低压平台用电设备；所述整车PDU包括高压平台部分和低压平台部分；所述高压平台部分与所述高压平台用电设备电性连接，用于控制所述高压平台用电设备；所述低压平台部分与所述低压平台用电设备电性连接，用于控制所述低压平台用电设备；
所述主能源***与所述辅助能源***电性连接；所述主能源***通过所述整车PDU与所述用电***电性连接；
所述超级电容与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的高压平台部分为所述高压平台用电设备提供540V输出电压；所述镍氢电池与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的低压平台部分为所述低压平台用电设备提供340V输出电压和为高压平台用电设备提供540V输出电压；
所述整车控制器VCU与所述主能源***和所述辅助能源***分别电性连接，以智能调配所述主能源***和所述辅助能源***输出功率，满足氢燃料电池汽车不同行驶状态情况下的用电***的功率需求。
所述氢燃料电池发动机***FCS通过主正继电器K1和主负继电器K2与所述Boost变换器DC/DC相连；所述Boost变换器DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
所述超级电容为第一辅助供电单元，通过主正继电器K3和主负继电器K4与所述超级电容双向DC/DC电性连接；所述超级电容双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
所述镍氢电池为第二辅助供电单元，通过主正继电器K5和主负继电器K6与所述镍氢电池双向DC/DC电性连接；所述镍氢电池双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接；所述镍氢电池通过所述主正继电器K5和主负继电器K6还直接与所述整车PDU的低压控制部分电性连接。
请参考图2，图2是本发明实施例中各***电流方向定义；Boost变换器双向DC/DC输出电流为i1，超级电容双向DC/DC输出电流为i2，镍氢电池双向DC/DC输出电流为i3，镍氢电池输出低电压平台部分电流为i4，镍氢电池输出高电压平台部分电流为i5，镍氢电池对外输出电流为i6，高压平台部分输入电流为i7。设定途中电流方向为正，反方向为负。i7＝i1+i2+i3，i6＝i5+i4。
整车在运行过程中，所有前述***均在不同工况下分别介入工作，燃料电池***FCS作为主电源，需要时时刻刻工作做在不同功率工况下。辅助能源***(超级电容+镍氢电池)作为辅助能源，理论上不需要持续介入工作，只有在整车功率需求变化，燃料电池***无法快速跟随时才会介入工作。但是由于本发明所述***具有两个电压平台，整车低压平台部件需要工作，所以在任何时候镍氢电池***都需要对外供电，即i4>0A。
整个控制逻辑可根据各部件充电或放电情况进行分类，主要可分为4类：
整车匀速行驶，燃料电池***输出功率满足整车需求。燃料电池对外供电，超级电容***不对外供电，镍氢电池***吸收高压平台部分功率：i1为正，i2＝0A，i3负，i4为正，i5负，i6＝0A。
控制思路：整车VCU使能FCS+Boost DC/DC，并对外输出功率。VCU使能镍氢电池双向DC/DC反向降压(540V—340V降压)，给镍氢电池***充电，充电功率与低压平台部件消耗功率相等。VCU使能超级电容双向DC/DC，但控制电流为0。
整车平稳加速行驶，燃料电池输出功率短时间内无法快速提升满足整车需求，需要超级电容对外输出。此时，整燃料电池对外供电，超级电容***对外供电，镍氢电池***吸收高压平台部分功率：i1为正，i2正，i3负，i4为正，i5负，i6＝0A。
控制思路：VCU使能FCS+Boost DC/DC，并对外输出功率。VCU使能镍氢电池双向DC/DC反向降压(540V—340V降压)，给镍氢电池***充电，充电功率与低压平台部件消耗功率相等。VCU使能超级电容双向DC/DC正向升压给高压平台供电。
整车急加速行驶，燃料电池输出功率短时间内无法快速提升满足整车需求，需要超级电容对外输出，同时还需要镍氢电池***对外输出。燃料电池对外供电，超级电容***对外供电，镍氢电池***向高压平台部分供电：i1为正，i2正，i3正，i4为正，i5正，i6正。
控制思路：VCU使能FCS+Boost DC/DC，并对外输出功率。VCU使能镍氢电池双向DC/DC正向升压(340V-540V升压)。VCU使能超级电容双向DC/DC正向升压给高压平台供电。
整车紧急制动行驶，燃料电池输出功率短时间内无法快速降低满足整车需求，需要超级电容吸收功率，同时还需要镍氢电池***吸收功率。燃料电池对外供电，超级电容***吸收高压平台部分功率，镍氢电池***吸收高压平台部分功率：i1为正，i2负，i3负，i4为正，i5负，i6≤0A。
本发明针对4个实际工况的实测数据如下：
1)匀速工况：假设车速匀速60km/h，i1＝55A，i2＝0，i3＝-9.5A，i4＝14.7A，i5＝-14.7A，i6＝0A
2)平稳加速：假设车速0-60km/h平稳加速，某一瞬间，i1＝55A，i2＝83.3，i3＝-9.5A，i4＝14.7A，i5＝-14.7A，i6＝0A
3)急加速：假设车速0-60km/h平稳加速，某一瞬间，i1＝55A，i2＝148.1A，i3＝18.5A，i4＝14.7A，i5＝30.3A，i6＝45A
4)紧急制动：假设车速100km/h紧急制动瞬间，i1＝148.1A，i2＝-203.7A，i3＝37A，i4＝14.9A，i5＝-60.3A，i6＝-45.4A
本发明的有益效果是：加入辅助能源***，设计为两个电压平台：540V平台、340V平台，提升了电驱动***效率的同时，还解决了其他高压部件PTC、空调、转向泵等无540V平台的问题。
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 (4)

1.一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***，其特征在于：具体包括：辅助能源***、主能源***、用电***和整车控制器VCU；
所述辅助能源***与所述主能源***电性连接；所述辅助能源***和所述主能源***均与所述用电***电性连接；所述整车控制器VCU与所述辅助能源***和所述主能源***电性连接；
所述辅助能源***，包括超级电容、超级电容双向DC/DC、镍氢电池和镍氢电池双向DC/DC；
所述主能源***包括：氢燃料电池发动机***FCS和Boost变换器DC/DC；
所述用电***包括：整车PDU、高压平台用电设备和低压平台用电设备；所述整车PDU包括高压平台部分和低压平台部分；所述高压平台部分与所述高压平台用电设备电性连接，用于控制所述高压平台用电设备；所述低压平台部分与所述低压平台用电设备电性连接，用于控制所述低压平台用电设备；
所述主能源***与所述辅助能源***电性连接；所述主能源***通过所述整车PDU与所述用电***电性连接；
所述超级电容与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的高压平台部分为所述高压平台用电设备提供540V输出电压；所述镍氢电池与所述整车PDU电性连接，通过所述整车PDU的低压平台部分为所述低压平台用电设备提供340V输出电压和为高压平台用电设备提供540V输出电压；
所述整车控制器VCU与所述主能源***和所述辅助能源***分别电性连接，以智能调配所述主能源***和所述辅助能源***输出功率，满足氢燃料电池汽车不同行驶状态情况下的用电***的功率需求；
氢燃料电池汽车平稳加速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源***和所述辅助能源***供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机***FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC反向降压，即完成从540V到340V的降压过程，以给所述镍氢电池充电，充电功率与所述低压平台用电设备消耗功率相等；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述超级电容双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电；
氢燃料电池汽车紧急加速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源***和所述辅助能源***供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机***FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述超级电容双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC正向升压，即完成340V到540V的升压过程；所述镍氢电池双向DC/DC通过所述整车PDU给所述高压平台用电设备供电；
氢燃料电池汽车制动行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源***和所述辅助能源***供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机***FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述超级电容双向DC/DC吸收制动过程中的功率，即所述超级电容双向DC/DC向所述超级电容充电；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC吸收制动过程中的制动功率，即所述镍氢电池双向DC/DC向所述镍氢电池充电；
所述氢燃料电池汽车不同行驶情况包括：匀速行驶、平稳加速行驶、紧急加速行驶和制动行驶；
在氢燃料电池汽车匀速行驶情况下，所述整车控制器VCU控制所述主能源***和所述辅助能源***供电过程具体为：
所述整车控制器VCU使能所述氢燃料电池发动机***FCS和所述Boost变换器DC/DC，使所述Boost变换器DC/DC输出功率；
所述整车控制器VCU使能所述镍氢电池双向DC/DC反向降压，即完成从540V到340V的降压过程，以给所述镍氢电池充电，充电功率与所述低压平台用电设备消耗功率相等；
所述整车控制器VCU使能超级电容双向DC/DC，但控制电流为0，即所述超级电容双向DC/DC不供电。
2.如权利要求1所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***，其特征在于：所述氢燃料电池发动机***FCS通过主正继电器K1和主负继电器K2与所述Boost变换器DC/DC相连；所述Boost变换器DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
3.如权利要求1所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***，其特征在于：所述超级电容为第一辅助供电单元，通过主正继电器K3和主负继电器K4与所述超级电容双向DC/DC电性连接；所述超级电容双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接。
4.如权利要求1所述的一种多电压平台氢燃料电池汽车能源***，其特征在于：所述镍氢电池为第二辅助供电单元，通过主正继电器K5和主负继电器K6与所述镍氢电池双向DC/DC电性连接；所述镍氢电池双向DC/DC与所述整车PDU的高压控制部分电性连接；所述镍氢电池通过所述主正继电器K5和主负继电器K6还直接与所述整车PDU的低压控制部分电性连接。
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