CN112721569A - 一种改善氢燃料电池汽车供暖的制动能量捕捉器及其供暖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善氢燃料电池汽车供暖的制动能量捕捉器及其供暖方法，所述制动能量捕捉器包括能量捕捉控制器，加热驱动器和加热室，所述加热室与循环水泵、除霜器、驾驶员脚部暖风器和乘客舱暖风器串联在暖风供热管路上构成整车的除霜和供暖***；所述能量捕捉控制器通过CAN总线或其它通讯总线与整车各***的控制单元连接；加热驱动器通过高压直流总线连接到整车的高压直流母线上，利用高压直流母线上的电能来加热暖风供热管路中的循环水；在能量捕捉控制器的控制下，能量捕捉控制器在整车制动过程中，择机利用高压直流母线上富余的制动回馈电能并通过加热室来加热暖风供热管路中的循环水为整车各部分的温度控制提供热源。

Description

一种改善氢燃料电池汽车供暖的制动能量捕捉器及其供暖 方法

技术领域

本发明属于氢燃料电池汽车空调暖通技术领域，具体涉及一种改善氢燃料电池汽车供暖的制动能量捕捉器及其供暖方法。

背景技术

氢燃料电池汽车因具有零排放、能量转换效率高、能量来源广泛、加氢速度快和低温适应好等优点，被认为是除锂离子动力电池外不可或缺的新能源汽车动力源发展方向之一，近年来在国内外日益受到重视，我国更把发展氢燃料电池汽车作为新能源汽车示范应用和推广的重要领域。尤其在北方高寒地区的冬季，氢燃料电池汽车比装用锂离子动力电池的纯电动汽车具有更好的环境适应性，自2018年起，在京津冀地区陆续有几百辆氢燃料电池公交车和商用车投入大规模商业化示范运营，这些氢燃料电池汽车的动力***都采用“燃料电池+锂离子动力电池”的氢-电混合方案。

目前在北方高寒地区运行的燃料电池汽车上，冬季乘客舱采暖主要采用电采暖方式，所需电能靠燃料电池***发电来提供，这不仅增大了整车所配置的燃料电池***发电功率，导致氢耗和成本增加，而且随着运行时间长燃料电池性能出现衰减时，开启暖风还会导致整车动力性能下降和锂离子动力电池荷电状态SOC过低，有时为了保证汽车性能，驾驶员被迫关闭电暖风，从而导致乘客在冬季乘坐燃料电池公交车的体验很差。

综上，如何在不额外增大燃料电池***功率和氢耗的前提下显著改善乘客舱的供暖效果，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种改善氢燃料电池汽车供暖的制动能量捕捉器，其特征在于，所述制动能量捕捉器13包括能量捕捉控制器21，加热驱动器23和加热室22，其中，

所述加热室22与循环水泵11、风挡除霜器14、驾驶员脚部暖风器15和乘客舱暖风器16串联在暖风供热管路17上构成整车的除霜和供暖***；

所述能量捕捉控制器21通过CAN总线或其它通讯总线29与整车各***的控制单元连接；

加热驱动器23通过高压直流总线12连接到整车的高压直流母线4上，利用高压直流母线4上的电能来加热暖风供热管路17中的循环水；

在能量捕捉控制器21的控制下，能量捕捉控制器21在整车制动过程中，择机利用高压直流母线4上富余的制动回馈电能并通过加热室22来加热暖风供热管路17中的循环水，热水在循环水泵11的推动下经暖风供热管路17依次分别流过风挡除霜器14、驾驶员脚部暖风器15和乘客舱暖风器16,为整车各部分的温度控制提供热源。

优选的，所述能量捕捉控制器21通过CAN总线或其它通讯总线29分别与燃料电池控制单元24、燃料电池DC-DC变换器的控制单元25、动力电池管理***26、附件控制单元27、电机控制器28、空调控制单元30和整车控制器31进行通讯连接，所述能量捕捉控制器21接收风挡除霜器开关18、空调暖风开关19和制动开关20的模拟信号。

优选的，制动能量捕捉器13的工作模式包括直接加热模式和捕捉加热模式，其中，直接加热模式是风挡除霜器开关18开启时的工作模式，该模式直接从高压直流母线4上获取电能来加热暖风供热管路17中的循环水，以便迅速利用热风除去风挡玻璃上的冰霜，尽快使氢燃料电池车辆的风挡视野满足安全驾驶要求；

捕捉加热模式是根据整车的行驶状态，在确保动力电池不过充的前提下，择机利用多余的制动回馈能量来加热暖风供热管路17中的循环水，从而达到提高整车能效的目的。

本发明的目的还在于提供一种采用制动能量捕捉器改善氢燃料电池汽车供暖的方法，其中，

所述捕捉加热模式包括以下步骤：

S1)空调暖风开关19开启，且制动开关20闭合；

S2)能量捕捉控制器21通过整车控制***各控制单元获取功率控制参数，包括：

通过空调控制单元30获取的暖风加热需求功率P_{13_req}，

通过动力电池管理***26获取的电池最大允许充电功率P_{9max_chg}，

通过燃料电池控制单元24获取的燃料电池怠速功率P_{1_idle}，

通过高压附件控制单元27获取的高压附件功率P₃，

通过电机控制器28获取的电机最大允许发电功率P_{6reg_limit}；

S3)能量捕捉控制器21根据整车其它各控制单元提供的功率状态参数，分析得出当前可捕捉的加热功率P_{13_avail}，并向整车控制器31提出当前的制动回馈功率要求P_{6_reg}。

优选的，制动能量捕捉器13的工作状态包括无能量捕捉状态、完全能量捕捉状态和部分能量捕捉状态。

优选的，

当P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}≥P_{6reg_limit}时，

P_{6_reg}＝P_{6reg_limit}

P_{13_avail}＝0，

在该运行状态下由于整车的制动回馈功率偏小，制动能量捕捉器13不工作，为无能量捕捉状态。

优选的，当P_{13_req}+P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}<P_{6reg_limit}时，

P_{6_reg}＝P_{13_req}+P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}

P_{13_avail}＝P_{13_req}，

在该运行状态下由于整车的制动回馈功率足够，制动能量捕捉器13能够按照暖风装置的需求功率足额工作，为完全能量捕捉状态。

优选的，当P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}<P_{6reg_limit}且P_{13_req}+P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}≥P_{6reg_limit}时，

P_{6_reg}＝P_{6reg_limit}

P_{13_avail}＝P_{6reg_limit}-(P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle})，

在该运行状态下由于整车的制动回馈功率大于P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}的数值，但多余的功率又不能完全满足暖风需求功率的要求，因此制动能量捕捉器13只能够按照暖风需求功率P_{13_req}的部分功率工作，为部分能量捕捉状态。

优选的，随着燃料电池汽车在制动过程中的电机最大允许制动回馈功率的变化，制动能量捕捉器13的工作状态在无能量捕捉状态、完全能量捕捉状态和部分能量捕捉状态之间切换。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1)本发明能够在一定条件下允许驱动电机在制动回馈时输出更大的发电功率，将不能由高压附件和动力电池***吸收的电能用于加热暖风***的循环水，从而避免直接消耗燃料电池或动力电池的电能，起到节能的效果；

2)本发明处于捕捉加热模式时，由于车辆处于制动状态，驱动电机工作在回馈发电模式下，常规氢燃料电池车辆的电机制动回馈发电功率通常是按照此时动力电池的最大允许充电功率来确定的，但本发明提出的制动能量捕捉器能够根据整车的运行状态请求整车控制器向驱动电机发出指令，使驱动电机发出更大的制动回馈发电功率，在满足锂离子动力电池充电的前提下，制动能量捕捉器还能捕捉利用多出来的发电功率并用来加热供暖管路中的循环水，由于这部分加热的电能并不直接来自燃料电池或动力电池，而是来自整车的制动能量，因而提高了整车的能量利用效率；

3)本发明不仅解决了北方冬季运行的氢燃料电池汽车因低温引起的锂离子动力电池最大允许充电功率下降，进而严重影响制动能量回收效率，导致整车能效降低的问题，同时还解决了因乘客舱采用电采暖方式而导致的氢气消耗量增加的问题；

4)本发明特别适用于在北方寒区运行的各类氢燃料电池汽车；对改善和提高氢燃料电池汽车的燃料经济性和乘坐舒适性具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明一种采用制动能量捕捉器改善氢燃料电池汽车供暖的方法的原理方案图；

图2为本发明的制动能量捕捉器的工作原理图。

图中附图标记为：

1-燃料电池***，2-燃料电池DC-DC转换器，3-高压附件，4-高压直流母线，5-驱动电机控制器，6-驱动电机，7-传动***，8-驱动轮，9-动力电池***，11-循环水泵，12-高压直流总线，13-制动能量捕捉器，14-风挡除霜器，15-驾驶员脚部暖风器，16-乘客舱暖风器，17-暖风供热管路，18-风挡除霜器开关，19-空调暖风开关，20-制动开关，21-能量捕捉控制器，22-加热室，23-加热驱动器，24-燃料电池控制单元，25-燃料电池DC-DC变换器的控制单元，26-动力电池管理***，27-附件控制单元，28-电机控制器，29-CAN总线或其它通讯总线，30-空调控制单元，31-整车控制器。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器及其控制方法进行详细描述。

如图1-2所示，在本发明的一个宽泛实施例中，一种改善氢燃料电池汽车供暖的制动能量捕捉器，所述制动能量捕捉器13主要包括能量捕捉控制器21，加热驱动器23和加热室22，其中，

所述加热室22与循环水泵11、风挡除霜器14、驾驶员脚部暖风器15和乘客舱暖风器16串联在暖风供热管路17上，构成整车的除霜和供暖***；

所述能量捕捉控制器21通过CAN总线或其它通讯总线29与整车各***的控制单元连接；

所述加热驱动器23通过高压直流总线12连接到整车的高压直流母线4上，利用高压直流母线4上的电能来加热暖风供热管路17中的循环水；

在所述能量捕捉控制器21的控制下，其在整车制动过程中，择机利用高压直流母线4上富余的制动回馈电能并通过加热室22来加热暖风供热管路17中的循环水，热水在循环水泵11的推动下经暖风供热管路17依次分别流过风挡除霜器14、驾驶员脚部暖风器15和乘客舱暖风器16,为整车各部分的温度控制提供热源。

优选的，所述能量捕捉控制器21通过CAN总线或其它通讯总线29分别与燃料电池控制单元24、燃料电池DC-DC变换器的控制单元25、动力电池管理***26、附件控制单元27、电机控制器28、空调控制单元30和整车控制器31进行通讯连接，所述能量捕捉控制器21接收风挡除霜器开关18、空调暖风开关19和制动开关20的模拟信号。

本发明还在于提供一种采用制动能量捕捉器改善氢燃料电池汽车供暖的方法，

所述制动能量捕捉器13的工作模式包括直接加热模式和捕捉加热模式，其中，直接加热模式是风挡除霜器开关18开启时的工作模式，该模式直接从高压直流母线4上获取电能来加热暖风供热管路17中的循环水，以便迅速利用热风除去风挡玻璃上的冰霜，尽快使氢燃料电池车辆的风挡视野满足安全驾驶要求。

优选的，所述捕捉加热模式是根据整车的行驶状态，在确保动力电池不过充的前提下，择机利用多余的制动回馈能量来加热暖风供热管路17中的循环水，从而达到提高整车能效的目的。

优选的，所述捕捉加热模式包括以下步骤：

S1)空调暖风开关19开启，且制动开关20闭合；

S2)能量捕捉控制器21通过整车控制***各控制单元获取功率控制参数，包括：

通过空调控制单元30获取的暖风加热需求功率P_{13_req}，

通过动力电池管理***26获取的电池最大允许充电功率P_{9max_chg}，

通过燃料电池控制单元24获取的燃料电池怠速功率P_{1_idle}，

通过高压附件控制单元27获取的高压附件功率P₃，

通过电机控制器28获取的电机最大允许发电功率P_{6reg_limit}；

S3)能量捕捉控制器21根据整车其它各控制单元提供的功率状态参数，分析得出当前可捕捉的加热功率P_{13_avail}，并向整车控制器31提出当前的制动回馈功率要求P_{6_reg}。

优选的，所述制动能量捕捉器13的工作状态包括无能量捕捉状态、完全能量捕捉状态和部分能量捕捉状态。

优选的，所述制动能量捕捉器13的工作状态包括无能量捕捉状态、完全能量捕捉状态和部分能量捕捉状态。

当P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}≥P_{6reg_limit}时，

P_{6_reg}＝P_{6reg_limit}

P_{13_avail}＝0，

在该运行状态下由于整车的制动回馈功率偏小，制动能量捕捉器13不工作，为无能量捕捉状态。

优选的，当P_{13_req}+P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}<P_{6reg_limit}时，

P_{6_reg}＝P_{13_req}+P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}

P_{13_avail}＝P_{13_req}，

在该运行状态下由于整车的制动回馈功率足够，制动能量捕捉器13能够按照暖风装置的需求功率足额工作，为完全能量捕捉状态。

优选的，当P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}<P_{6reg_limit}且P_{13_req}+P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}≥P_{6reg_limit}时，

P_{6_reg}＝P_{6reg_limit}

P_{13_avail}＝P_{6reg_limit}-(P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle})，

在该运行状态下由于整车的制动回馈功率大于P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}的数值，但多余的功率又不能完全满足暖风需求功率的要求，因此制动能量捕捉器13只能够按照暖风需求功率P_{13_req}的部分功率工作，为部分能量捕捉状态。

优选的，随着燃料电池汽车在制动过程中的电机最大允许制动回馈功率的变化，制动能量捕捉器13的工作状态在无能量捕捉状态、完全能量捕捉状态和部分能量捕捉状态之间切换。

为了进一步凸显本发明，下面结合燃料电池汽车的行驶过程，对本发明的制动能量捕捉器及其供暖方法做进一步详细说明。

燃料电池汽车动力驱动***主要由燃料电池***1、燃料电池DC-DC转换器2、动力电池***9、高压附件3、高压直流母线4、驱动电机控制器5、驱动电机6、传动***7和驱动轮8组成。在燃料电池汽车行驶过程中，燃料电池***1所发出的电能通过DC-DC变换器调节后输送到高压直流母线4上，同样连接在高压直流母线4上的驱动电机控制器5将直流电能变换为三相交流电驱动电机6，驱动电机6通过传动***7驱动驱动轮8，从而驱动燃料电池车辆行驶，当车辆因加速需要更大驱动功率时，动力电池***9和燃料电池***1共同输出电能满足整车驱动功率需求。此外，高压直流母线4还为高压附件3(包括电动转向泵、打气泵、24VDC-DC变换器、电动空调等)提供工作所需的电能。为了保证燃料电池的膜电极处于理想工作状态，当车辆怠速、滑行或制动时，此时即使驱动电机6不消耗电能，燃料电池***1也要发出一定功率的电能，以维持燃料电池的单片电压在一定的电压范围内，同时也为高压附件3提供电能，再多余的电能会由动力电池***9吸收。

在车辆制动过程中，驱动电机6的制动回馈发电功率P_6reg大小就会受到以下四个因素的影响：1)燃料电池***1为维持其自身膜电极状态而发电的怠速功率P_{1_idle}，2)高压附件3所消耗的电功率P₃，3)动力电池***9的最大允许充电功率P_{9max_chg},4)电机及电机控制器的制动回馈过程允许的最大回馈发电功率P_{6reg_limit},上述几个功率变量之间的关系(1)式和(2)式所示。

P_6reg+P_{1_idle}＝P₃+P_{9max_chg} (1)

P_6reg＝P₃+P_{9max_chg}-P_{1_idle}≤P_{6reg_limit} (2)

由于在冬季寒冷气候条件下，动力电池***9的工作温度往往偏低，因此其最大允许充电功率P_{9max_chg}也偏低，而高压附件3消耗的功率P₃和燃料电池的怠速功率P_{1_idle}也不大，由式(2)可知，在寒冷环境下驱动电机6的制动回馈发电功率P_6reg也被限制在较小的功率范围内，从而导致通过制动能量回馈来提高整车回收能量效率的效果大打折扣。导致这种情形出现的主要原因是因为寒冷低温引起锂离子动力电池***9的最大允许充电功率P_{9max_chg}偏低，即便此时驱动电机6有能力产生更大的发电功率，但受制于动力电池***9的最大允许充电功率不足，驱动电机6只能够按照较低的制动回馈发电功率工作，并通过摩擦制动器将多余的能量消耗掉，从而降低了整车的能量利用效率。

本发明提出的制动能量捕捉器13能够在一定条件下允许驱动电机6在制动回馈时输出更大的发电功率，将不能由高压附件3和动力电池***9吸收的电能用于加热暖风***的循环水，从而避免直接消耗燃料电池或动力电池的电能，起到节能的效果。此时驱动电机的制动回馈发电功率P_6reg为：

P_6reg＝P₃+P_{9max_chg}+P_{13_req}-P_{1_idle}≤P_{6reg_limit} (3)

从(3)式可知，正因为制动能量捕捉器功率P_{13_req}的存在，即使在动力电池***9最大允许充电功率P_{9max_chg}不大的情形下，也能够允许驱动电机6发出更大的制动回馈功率P_6reg，从而减少了暖风加热所消耗的直接来自燃料电池或动力电池的电能，起到了提高整车能量效率的目的。

经制动能量捕捉器13加热后的热水，在循环水泵11的推动下经暖风供热管路17依次分别流过风挡除霜器14、驾驶员脚部暖风器15和乘客舱暖风器16,为整车各部分的温度控制提供热源。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种改善氢燃料电池汽车供暖的制动能量捕捉器，所述制动能量捕捉器(13)包括能量捕捉控制器(21)，加热驱动器(23)和加热室(22)，其特征在于，

所述加热室(22)与循环水泵(11)、风挡除霜器(14)、驾驶员脚部暖风器(15)和乘客舱暖风器(16)串联在暖风供热管路(17)上构成整车的除霜和供暖***；

所述能量捕捉控制器(21)通过CAN总线或其它通讯总线(29)与整车各***的控制单元连接；

所述加热驱动器(23)通过高压直流总线12连接到整车的高压直流母线(4)上，利用高压直流母线(4)上的电能来加热暖风供热管路(17)中的循环水；

能量捕捉控制器(21)在整车制动过程中，利用高压直流母线(4)上富余的制动回馈电能并通过加热室(22)来加热暖风供热管路(17)中的循环水，热水在循环水泵(11)的推动下经暖风供热管路(17)依次分别流过风挡除霜器(14)、驾驶员脚部暖风器(15)和乘客舱暖风器(16),为整车各部分的温度控制提供热源。

2.根据权利要求1所述的制动能量捕捉器，其特征在于，所述能量捕捉控制器(21)通过CAN总线或其它通讯总线(29)分别与燃料电池控制单元(24)、燃料电池DC-DC变换器的控制单元(25)、动力电池管理***(26)、附件控制单元(27)、电机控制器(28)、空调控制单元(30)和整车控制器(31)进行通讯连接，所述能量捕捉控制器(21)接收风挡除霜器开关(18)、空调暖风开关(19)和制动开关(20)的模拟信号。

3.根据权利要求1所述的制动能量捕捉器，其特征在于，制动能量捕捉器(13)的工作模式包括直接加热模式和捕捉加热模式，其中，

直接加热模式是风挡除霜器开关(18)开启时的工作模式，该模式直接从高压直流母线(4)上获取电能来加热暖风供热管路(17)中的循环水；

捕捉加热模式是根据整车的行驶状态，在确保动力电池不过充的前提下，利用多余的制动回馈能量来加热暖风供热管路(17)中的循环水。

4.根据权利要求3所述的制动能量捕捉器的供暖方法，其特征在于，所述捕捉加热模式包括以下步骤：

S1)空调暖风开关(19)开启，且制动开关(20)闭合；

S2)能量捕捉控制器(21)通过整车控制***各控制单元获取功率控制参数，包括：

通过空调控制单元(30)获取的暖风加热需求功率P_{13_req}，

通过动力电池管理***(26)获取的电池最大允许充电功率P_{9max_chg}，

通过燃料电池控制单元(24)获取的燃料电池怠速功率P_{1_idle}，

通过高压附件控制单元(27)获取的高压附件功率P₃，

通过电机控制器(28)获取的电机最大允许发电功率P_{6reg_limit}；

S3)能量捕捉控制器(21)根据整车其它各控制单元提供的功率状态参数，分析得出当前可捕捉的加热功率P_{13_avail}，并向整车控制器(31)提出当前的制动回馈功率要求P_{6_reg}。

5.根据权利要求4所述的供暖方法，其特征在于，制动能量捕捉器(13)的工作状态包括无能量捕捉状态、完全能量捕捉状态和部分能量捕捉状态。

6.根据权利要求5所述的供暖方法，其特征在于，

当P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}≥P_{6reg_limit}时，

P_{6_reg}＝P_{6reg_limit}

P_{13_avail}＝0，

在该运行状态下由于整车的制动回馈功率偏小，制动能量捕捉器(13)不工作，为无能量捕捉状态。

7.根据权利要求5所述的供暖方法，其特征在于，当P_{13_req}+P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}<P_{6reg_limit}时，

P_{6_reg}＝P_{13_req}+P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}

P_{13_avail}＝P_{13_req}，

在该运行状态下由于整车的制动回馈功率足够，制动能量捕捉器(13)能够按照暖风装置的需求功率足额工作，为完全能量捕捉状态。

8.根据权利要求5所述的供暖方法，其特征在于，当

P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}<P_{6reg_limit}且P_{13_req}+P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}≥P_{6reg_limit}时，

P_{6_reg}＝P_{6reg_limit}

P_{13_avail}＝P_{6reg_limit}-(P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle})，

在该运行状态下由于整车的制动回馈功率大于P_{9max_chg}+P₃-P_{1_idle}的数值，但多余的功率又不能完全满足暖风需求功率的要求，因此制动能量捕捉器(13)只能够按照暖风需求功率P_{13_req}的部分功率工作，为部分能量捕捉状态。

9.根据权利要求5-8任一项所述的供暖方法，其特征在于，随着燃料电池汽车在制动过程中的电机最大允许制动回馈功率的变化，制动能量捕捉器(13)的工作状态在无能量捕捉状态、完全能量捕捉状态和部分能量捕捉状态之间切换。

Images