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 PDFInfo
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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
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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