CN112793385A - 一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器及其控制方法，该制动能量捕捉器通过高压直流总线连接到整车的高压直流母线上，在车辆制动过程中，制动能量捕捉器能够择机利用高压直流母线上多余的制动回馈电能来为加热室中的加热元件提供电能，加热元件用来加热暖风供热管路中的循环水。通过本发明提出的“控制电流限制电压”控制方法，在保证锂离子动力电池不过充的前提下，通过有效回收利用整车的制动能量来为暖风加热装置供能，从而提高了整车的能效和燃料经济性，减少了氢燃料电池汽车的氢气消耗。
Description
技术领域
本发明属于汽车技术领域，涉及氢燃料电池汽车空调暖通，具体涉及一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器及其控制方法。
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，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6月起，在我国北方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。
目前在京津冀地区示范运行的氢燃料电池汽车都采用氢-电混合驱动的方式，即除了燃料电池***外，整车还装备有一定电量的锂离子动力电池，这不仅有利于减小整车装备的燃料电池***的功率，从而降低整车成本，而且也为通过制动能量回收来提高整车能效提供了可能。在冬季低温环境下，这些氢燃料电池汽车乘客舱的采暖主要采用电采暖方式，通常采暖所需电能主要靠燃料电池***发电或锂离子动力电池来提供，这常常会导致燃料电池汽车的百公里氢气消耗显著增加。同时较低的气温往往导致锂离子动力电池的工作温度也偏低，引起锂离子动力电池的最大允许充电功率的下降，使得通过制动能量回收来提高整车能效的效果大打折扣。一方面整车由于使用电采暖而消耗大量的电能，另一方面制动能量回收又因锂离子动力电池充电能力下降而受到限制，上述因素叠加在一起，使得改善在北方地区冬季运行的氢燃料电池汽车的能效变得非常困难，而采用制动能量捕捉器是解决上述问题的一个有效途径。
对常规的氢燃料电池电动汽车来说，在制动能量回收时，其驱动电机的制动回馈发电功率主要取决于锂离子动力电池的最大允许充电功率，当锂离子动力电池因低温导致最大允许充电功率下降时，驱动电机的制动回馈发电功率也随之下降，以防止锂离子动力电池过充，从而导致制动能量回收的效果变差。而在采用制动能量捕捉器后，在制动过程中，就可以使驱动电机在制动回馈发电时发出更大的电功率，这些电功率除了被锂离子动力电池和高压附件吸收一部分外，剩余的电功率可以用来加热暖风供热管路中的循环水，这就在一定程度上避免了电采暖直接消耗燃料电池或锂离子动力电池的电能，从而提高了整车的能效，降低了整车的氢气消耗量。
但采用制动能量捕捉器的一个难点是如何避免锂离子动力电池过充的问题，在冬季低温条件下，锂离子动力电池过充不仅会影响电池的寿命，还容易导致电芯内部产生锂枝晶，引发电芯内部短路和热失控，严重的会导致氢燃料电池汽车发生火灾事故和人身财产损失。
综上，如何提供一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器的控制方法，在确保锂离子动力电池不过充的前提下尽可能多的利用制动能量回收来改善乘客舱的供暖效果并提高整车的能效，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，提供一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器，包括控制器2、加热室3和加热驱动器6，其特征在于，所述加热驱动器6通过高压直流总线连接到整车动力驱动***高压直流母线14上，所述加热室3串联在暖风供热管路上，所述控制器2的外部模拟输入信号有24VDC供电、除霜开关、暖风开关以及制动开关，所述控制器2的内部输入输出信号有加热室温度传感器4的信号，加热驱动器温度传感器11的信号，加热驱动器电流传感器9的信号Ic，加热驱动器电压传感器10的信号Vc，以及加热驱动器电力电子开关7的栅极控制信号G，所述控制器2通过CAN总线或其它通讯总线与燃料电池***控制器18、燃料电池DC-DC变换器17、锂离子动力电池的管理***、高压附件控制器15、电机控制器13、整车控制器19和空调控制器20连接，高压直流母线14上连接有燃料电池DC-DC变换器17、锂离子动力电池16、高压附件控制器15和电机控制器13；所述加热驱动器6内部设有滤波平滑电容8，用于消除高压直流总线上的毛刺信号；所述加热室3的内部设有高压加热元件5，用于加热供热管路中的循环水。
本发明的目的还在于提供一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1)：所述制动能量捕捉器1满足进入工作状态的条件：
暖风开关和/或除霜开关闭合；
车辆处于制动状态，制动开关闭合；
S2):所述控制器2通过CAN总线或其它通讯总线与氢燃料电池汽车的其它控制***进行信息交换和传输的信息,包括：
当前锂离子动力电池16的最大允许充电功率Pb_max_chg(kW)；
当前锂离子动力电池16的开路电压Ub0(V)；
当前锂离子动力电池16的直流充电内阻Rb_chg(Ω)；
当前燃料电池***的怠速功率Pfc_idle(kW)；
当前高压附件的功率Pacc(kW)；
当前暖风***的加热需求功率Ph_req(kW)；
当前驱动电机12的最大回馈制动发电功率Preg_limit(kW)
S3)：所述控制器2分析得到以下控制参数：
制动能量回馈需求功率Preg_req(kW)；
制动能量捕捉器加热功率Ph_avail(kW)；
高压直流母线控制电压Ubus_ctrl(V)；
制动能量捕捉器工作电流Ih_ctrl(A)；
S4)：在每个运行周期内，所述控制器2通过CAN总线或其它通讯总线请求整车控制器19向电机控制器13发出将制动回馈功率大小控制在Preg_req的指令，同时控制器2根据加热驱动器电压传感器10和加热驱动器电流传感器9的反馈信号，输出一定占空比的栅极控制信号G给加热驱动器电力电子开关7的控制栅极，通过控制IGBT的接通和关断，将流过加热室3中的加热元件5的电流大小控制为Ih_ctrl，并将高压直流母线14的电压维持在Ubus_ctrl水平上。
优选的，当Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle≥Preg_limit时，Preg_req和Ph_avail的计算分析方法如下：
Preg_req＝Preg_limit
Ph_avail＝0。
优选的，当Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle<Preg_limit且
Ph_req+Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle≥Preg_limit时，Preg_req和Ph_avail的计算分析方法如下：
Preg_req＝Preg_limit
Ph_avail＝Preg_limit-(Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle)。
优选的，当Ph_req+Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle<Preg_limit时，Preg_req和Ph_avail的计算分析方法如下：
Preg_req＝Ph_req+Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle
Ph_avail＝Ph_req。
优选的，Ubus_ctrl和Ih_ctrl的计算分析方法如下：
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)本发明的捕捉器，其控制器按照本发明提出的控制算法，分析计算得到制动回馈需求功率、制动能量捕捉器加热功率、高压直流母线控制电压和制动能量捕捉器加热电流等控制变量，再通过本发明提出的“控制电流限制电压”控制方法，在保证锂离子动力电池不过充的前提下，通过有效回收利用整车的制动能量来为暖风加热装置供能，从而提高了整车的能效和燃料经济性，减少了氢燃料电池汽车的氢气消耗；
2)本发明突破了传统氢燃料电池汽车根据锂离子动力电池最大允许充电功率来确定制动回馈功率的限制，在确保锂离子动力电池不过充的前提下，能够在制动过程中使整车产生更大的制动回馈功率，并利用多余的制动回馈功率来为电热暖风***供能，该方法尤其适合于在北方寒冷地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实际应用价值。
3)本发明提出了利用内置温度传感器信号来对制动能量捕捉器的工作过程进行安全保护的方法，确保了制动能量捕捉器的安全工作；
4)本发明提出了一种根据锂离子动力电池最大允许充电功率、燃料电池怠速功率、高压附件功率、暖风加热需求功率和整车最大允许制动回馈功率来确定制动能量捕捉器捕捉加热功率大小的方法；
5)本发明提出了一种基于锂离子动力电池最大允许充电功率、开路电压、充放电内阻和捕捉加热功率来确定高压直流母线控制电压和制动能量捕捉器工作电流的方法。
附图说明
图1为本发明的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器的控制方法原理图。
图中附图标记为：
1-制动能量捕捉器，2-控制器，3-加热室，4-加热室温度传感器，5-高压加热元件，6-加热驱动器，7-加热驱动器电力电子开关，8-滤波平滑电容，9-加热驱动器电流传感器，10-加热驱动器电压传感器，11-加热驱动器温度传感器，12-驱动电机，13-电机控制器，14-高压直流母线，15-高压附件控制器，16-锂离子动力电池，17-燃料电池DC-DC变换器，18-燃料电池***控制器，19-整车控制器，20-空调控制器。
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所示，一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器，主要包括控制器2、加热室3和加热驱动器6等模块，其中，
所述控制器2的外部模拟输入信号有24VDC供电、除霜开关、暖风开关以及制动开关，所述控制器2的内部输入输出信号有加热室温度传感器4的信号，加热驱动器温度传感器11的信号，加热驱动器电流传感器9的信号Ic，加热驱动器电压传感器10的信号Vc，以及加热驱动器电力电子开关7的栅极控制信号G，所述控制器2通过CAN总线或其它通讯总线与燃料电池***控制器18、燃料电池DC-DC变换器17、锂离子动力电池的管理***、高压附件控制器15、电机控制器13、整车控制器19和空调控制器20连接，高压直流母线14上连接有燃料电池DC-DC变换器17、锂离子动力电池16、高压附件控制器15和电机控制器13；
所述加热室3串联在暖风供热管路上，所述加热室3的内部设有高压加热元件5，用于加热供热管路中的循环水；
所述加热驱动器6通过高压直流总线连接到所述高压直流母线14上，所述加热驱动器6内部设有滤波平滑电容8，用于消除高压直流总线上的毛刺信号。
本发明的目的还在于提供一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1)：所述制动能量捕捉器1满足进入工作状态的条件：
暖风开关和/或除霜开关闭合；
车辆处于制动状态，制动开关闭合；
S2):所述控制器2通过CAN总线或其它通讯总线与氢燃料电池汽车的其它控制***进行信息交换和传输的信息,包括：
当前锂离子动力电池16的最大允许充电功率Pb_max_chg(kW)；
当前锂离子动力电池16的开路电压Ub0(V)；
当前锂离子动力电池16的直流充电内阻Rb_chg(Ω)；
当前燃料电池***的怠速功率Pfc_idle(kW)；
当前高压附件的功率Pacc(kW)；
当前暖风***的加热需求功率Ph_req(kW)；
当前驱动电机12的最大回馈制动发电功率Preg_limit(kW)
S3)：所述控制器2分析得到以下控制参数：
制动能量回馈需求功率Preg_req(kW)；
制动能量捕捉器加热功率Ph_avail(kW)；
高压直流母线控制电压Ubus_ctrl(V)；
制动能量捕捉器工作电流Ih_ctrl(A)；
S4)：在每个运行周期内，所述控制器2通过CAN总线或其它通讯总线请求整车控制器19向电机控制器13发出将制动回馈功率大小控制在Preg_req的指令，同时控制器2根据加热驱动器电压传感器10和加热驱动器电流传感器9的反馈信号，输出一定占空比的栅极控制信号G给加热驱动器电力电子开关7的控制栅极，通过控制IGBT的接通和关断，将流过加热室3中的加热元件5的电流大小控制为Ih_ctrl，并将高压直流母线14的电压维持在Ubus_ctrl水平上。
优选的，当Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle≥Preg_limit时，Preg_req和Ph_avail的计算分析方法如下：
Preg_req＝Preg_limit
Ph_avail＝0。
优选的，当Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle<Preg_limit且
Ph_req+Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle≥Preg_limit时，Preg_req和Ph_avail的计算分析方法如下：
Preg_req＝Preg_limit
Ph_avail＝Preg_limit-(Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle)。
优选的，当Ph_req+Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle<Preg_limit时，Preg_req和Ph_avail的计算分析方法如下：
Preg_req＝Ph_req+Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle
Ph_avail＝Ph_req。
优选的，Ubus_ctrl和Ih_ctrl的计算分析方法如下：
所述控制器2按照本发明提出的控制算法，分析计算得到制动回馈需求功率、制动能量捕捉器加热功率、高压直流母线控制电压和制动能量捕捉器加热电流等控制变量，再通过本发明提出的“控制电流限制电压”控制方法，在保证锂离子动力电池16不过充的前提下，通过有效回收利用整车的制动能量来为暖风加热装置供能，从而提高了整车的能效，减少了氢燃料电池汽车的氢气消耗。
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)
1.一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器，包括控制器(2)、加热室(3)和加热驱动器(6)，其特征在于，
所述控制器(2)的外部模拟输入信号有24VDC供电、除霜开关、暖风开关以及制动开关，所述控制器(2)的内部输入输出信号有加热室温度传感器(4)的信号，加热驱动器温度传感器(11)的信号，加热驱动器电流传感器(9)的信号Ic，加热驱动器电压传感器(10)的信号Vc，以及加热驱动器电力电子开关(7)的栅极控制信号G；
所述加热室(3)串联在暖风供热管路上；
所述加热驱动器(6)通过高压直流总线连接到高压直流母线(14)上，所述高压直流母线(14)上还连接有燃料电池DC-DC变换器(17)、锂离子动力电池(16)、高压附件控制器(15)和电机控制器(13)。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器，其特征在于，所述控制器(2)通过CAN总线或其它通讯总线与燃料电池***控制器(18)、燃料电池DC-DC变换器(17)、锂离子动力电池的管理***、高压附件控制器(15)、电机控制器(13)、整车控制器(19)和空调控制器(20)连接。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器，其特征在于，所述加热室(3)的内部设有高压加热元件(5)，用于加热供热管路中的循环水。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器，其特征在于，所述加热驱动器(6)内部设有滤波平滑电容(8)，用于消除高压直流总线上的毛刺信号。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)：所述制动能量捕捉器(1)满足进入工作状态的条件：
暖风开关和/或除霜开关闭合；
车辆处于制动状态，制动开关闭合；
S2):所述控制器(2)通过CAN总线或其它通讯总线与氢燃料电池汽车的其它控制***进行信息交换和传输的信息,包括：
当前锂离子动力电池(16)的最大允许充电功率Pb_max_chg；
当前锂离子动力电池(16)的开路电压Ub0；
当前锂离子动力电池(16)的直流充电内阻Rb_chg；
当前燃料电池***的怠速功率Pfc_idle；
当前高压附件的功率Pacc；
当前暖风***的加热需求功率Ph_req；
当前驱动电机(12)的最大回馈制动发电功率Preg_limit；
S3)：所述控制器(2)分析得到以下控制参数：
制动能量回馈需求功率Preg_req；
制动能量捕捉器加热功率Ph_avail；
高压直流母线控制电压Ubus_ctrl；
制动能量捕捉器工作电流Ih_ctrl；
S4)：在每个运行周期内，所述控制器(2)通过CAN总线或其它通讯总线请求整车控制器(19)向电机控制器(13)发出将制动回馈功率大小控制在Preg_req的指令，同时控制器(2)根据加热驱动器电压传感器(10)和加热驱动器电流传感器(9)的反馈信号，输出一定占空比的栅极控制信号G给加热驱动器电力电子开关(7)的控制栅极，通过控制IGBT的接通和关断，将流过加热室(3)中的加热元件(5)的电流大小控制为Ih_ctrl，并将高压直流母线(14)的电压维持在Ubus_ctrl水平上。
6.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器的控制方法，其特征在于，当Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle≥Preg_limit时，Preg_req和Ph_avail的计算分析方法如下：
Preg_req＝Preg_limit
Ph_avail＝0。
7.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器的控制方法，其特征在于，当Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle<Preg_limit且Ph_req+Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle≥Preg_limit时，Preg_req和Ph_avail的计算分析方法如下：
Preg_req＝Preg_limit
Ph_avail＝Preg_limit-(Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle)。
8.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器的控制方法，其特征在于，当Ph_req+Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle<Preg_limit时，Preg_req和Ph_avail的计算分析方法如下：
Preg_req＝Ph_req+Pb_max_chg+Pacc-Pfc_idle
Ph_avail＝Ph_req。
9.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池汽车用制动能量捕捉器的控制方法，其特征在于，Ubus_ctrl和Ih_ctrl的计算分析方法如下：
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Non-Patent Citations (1)
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