CN1475383A - 燃料电池汽车动力控制*** - Google Patents

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钢 万
万钢
孙泽昌
余卓平
钟再敏
魏学泽
钱进
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车动力控制***，它包括有能源子***(1)和电机驱动子***(2)，上述两子***间通过直流母线进行电能传输，所述能源子***中设有能源管理器(11)、燃料电池发动机(12)和动力蓄电池组(13)，所述能源管理器分别与燃料电池发动机、动力蓄电池组中的CAN通讯控制器相连接；所述电机驱动子***由车辆管理器(21)和一带有电机控制器(221)的驱动电机(22)组成，车辆管理器(21)与所述电机控制器(221)相连接。本发明燃料电池汽车动力控制***，采用模块化设计，能够合理配置使用其各零部件，充分地发挥其零部件的性能，为一通用优化的动力控制***结构。

Description

燃料电池汽车动力控制***
技术领域
本发明属于一种燃料电池汽车动力控制***，尤其是一种基于CAN(控制器局域网络)的分布式控制***。
技术背景
当前，人类面临的能源危机及环境保护问题使得电动汽车成为未来汽车发展的主流；而随着燃料电池在汽车应用领域的研究和发展，燃料电池电动汽车以其优于传统蓄电池供能电动汽车的续航能力和能源补充便捷性，在电动汽车研发领域占居了主导地位。
燃料电池发动机技术是燃料电池电动汽车的核心技术之一，本说明书中所说的燃料电池发动机是指包括燃料电池堆、燃料电池发动机辅助支持***以及燃料电池发动机控制器在内的可以独立运转输出期望电功率的电能供应部件。
现有的燃料电池电动汽车，其零部件如燃料电池，蓄电池，电动机等，性能已经有了很大的提高，能提供基本满足要求的可实际装车使用的产品，但却比较缺乏从整车应用角度出发来组装成一个完善的汽车动力控制***，缺乏一个合理的***结构来配置使用这些零部件。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种燃料电池汽车动力控制***，它采用模块化设计，能够合理配置使用其各零部件，充分地发挥其零部件的性能，为一通用优化的动力控制***结构。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种燃料电池汽车动力控制***，它包括有能源子***和电机驱动子***，上述两子***间通过直流母线进行电能传输，所述能源子***中设有能源管理器、燃料电池发动机和动力蓄电池组，所述燃料电池发动机、动力蓄电池组中均内嵌有CAN通讯控制器，所述能源管理器分别与燃料电池发动机、动力蓄电池组中的CAN通讯控制器相连接；所述电机驱动子***由车辆管理器和一带有电机控制器的驱动电机组成，车辆管理器与驱动电机的电机控制器相连接。
所述能源子***中还设有内嵌CAN通讯控制器的DC/DC变换器；所述能源子***中还设有超级电容器。
能源子***从能量转化的角度看，主要是完成电能的输出和存储，所以该子***至少包含一个燃料电池发动机部件和一个动力蓄电池组，燃料电池发动机将储存在所选燃料内的化学能经过燃料电池堆及辅助***转化成电能输出到直流母线上；动力蓄电池组能够完成电能量的高效率存储和释放，因此可以在必要的时候提供附加的电功率输出或临时存储一定的电能，从而与燃料电池发动机一起保证能源子***期望的性能指标。
由于燃料电池发动机的输出特性与动力蓄电池的输出特性相差较大，因此根据实际需要，能源子***还可以包括一个DC/DC变换器部件。
另外，因为超级电容器在效率和功率密度等方面与蓄电池相比具有一定的优势，因此可以根据性能优化的需要，根据实际部件性能指标适当选配超级电容，与燃料电池发动机、动力蓄电池一起构成优化的燃料电池汽车动力控制***的能源子***。
能源子***的控制核心是能源管理器，它与燃料电池发动机、动力蓄电池组、DC/DC变换器等部件的专属控制器共同组成分布式控制***，其中专属控制器中内嵌有上述CAN通讯控制器，根据电机驱动子***的电功率输出/存储需求，提供相应的功率输出和存储能力。
电机驱动子***从能量转化的角度看，主要是完成电能与机械能之间的相互转换，在驱动模式下，驱动电机将直流母线上由能源子***提供的电功率转化为机械功率输出到车轮上；在回馈制动模式下，整车的动能经过驱动电机转换成电能，通过直流母线输送回能源子***存储。
电机驱动子***的核心控制器是车辆管理器，它综合考虑驾驶员的操纵指令、整车运行状态和能源子***的状态信息，控制电机驱动控制器，使整车达到所期望的动力性和经济性指标。
由于采取了上述的方案，本发明与现有技术相比所具有的优点是：
由于本发明采用模块化设计，将燃料电池汽车动力控制***分为能源子***与电机驱动子***两大部分，且两子***能通过直流母线传输电能，该***结构使得动力控制***设计和实现更加模块化和灵活，能够更为合理地配置使用其各零部件，充分地发挥其零部件的性能，使动力***设计得到进一步优化，为通用合理的动力控制***结构。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明燃料电池汽车动力控制***的结构框图；
图2是本发明燃料电池汽车动力控制***CAN网络拓扑结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明燃料电池汽车动力控制***，它包括有能源子***1和电机驱动子***2，上述两子***间通过直流母线进行电能传输，该能源子***1中设有能源管理器11、燃料电池发动机12和动力蓄电池组13，所述燃料电池发动机12、动力蓄电池组13中均内嵌有CAN通讯控制器，能源管理器11分别与燃料电池发动机12、动力蓄电池组13中的CAN通讯控制器相连接；所述电机驱动子***由车辆管理器21和一带有电机控制器221的驱动电机22组成，上述车辆管理器21与驱动电机22的电机控制器221相连接，并且还与驾驶员操纵机构相连接。
由于燃料电池发动机12的输出特性与动力蓄电池组13的输出特性相差较大，因此根据实际需要，能源子***1还可以包括一个DC/DC(直流/直流)变换器14部件。
另外，因为超级电容器在效率和功率密度等方面与蓄电池相比具有一定的优势，因此可以根据性能优化的需要，根据实际部件性能指标适当选配超级电容器15，与燃料电池发动机、动力蓄电池一起构成优化的燃料电池汽车动力控制***的能源子***。
如图2所示，在上述燃料电池电动汽车动力控制***中，广泛用到CAN控制器局域网络进行通信。根据动力***的结构特点，对CAN网络的拓扑结构进行了优化，分别构成电能供应子网和动力控制***主网。其中电能供应子网是电能供应子***中包括燃料电池控制器121、蓄电池控制器131、DC/DC控制器141和能源管理器11间相互通信的内部网络；而能源管理器11、车辆管理器21、电机控制器221以及显示***控制器3之间同样通过CAN控制器局域网络进行通信，它们共同构成动力控制***主网；而如有需要，动力控制***主网可以通过专门的CAN通讯网桥4连入到更上一级的车身局域网中，与其他车载控制单元相连接。
采用这样的网络拓扑结构主要出与两点考虑：1、充分利用CAN网络通讯的优点；2、保证控制***的实时性要求。
所以，在控制网络中，将控制部件较多、交流信息多、且有一定实现性要求的能源子***单独组成一级子网，而部件很少的电机子***没有再独立组网，从而构成一主一子的两级CAN总线通讯局域网。分布在***中的各级控制器通过上述拓扑结构的CAN局域网相连后，一起构成了一个基于CAN控制器局域网的分布式控制***。上述网络拓扑结构符合整个燃料电池轿车动力分布式控制的需求，在保证拓扑结构合理的同时具有很好的可扩充性和模块化特征。
本发明燃料电池汽车动力控制***的工作原理和形成过程是：按将一定的功率配比，选定燃料电池发动机12及动力蓄电池组13，组成***的电-电混合供能装置。在组合时，可以选择大功率的燃料电池发动机12搭配小功率的动力蓄电池组13，组成以燃料电池发动机12为主能源，以动力蓄电池组13为动态缓冲及回收吸能装置的供能方案；或大功率动力蓄电池组13搭配小功率的燃料电池发动机12，以动力蓄电池组13为主能源，以燃料电池发动机12为充电机的供能方案。如有需要时，在***中配置DC/DC变换器14，将燃料电池发动机12的输出通过DC/DC变换器14调节后，再与动力蓄电池组13输出相并联，联合供电。必要时，还可配置超级电容器15作为二级能源动态缓冲调节装置。上述各能源装置各含一专属控制器，直接控制部件的运行。
在部件自身控制的基础上，由能源管理器11，总体上控制各个能源装置的协调运行。能源管理器11并不直接控制各部件，而是通过向各部件的专属控制器发出一定的控制指令或控制信息来间接干预各装置的工作。每个控制器内部均内嵌CAN通讯控制器，相互之间的信息和指令交流通过CAN总线通讯来完成，构成电能供应子网。上述各部件和CAN网络一起构成了独立的能源子***；该子***与其它***的信息流接口为能源管理器的CAN通讯接口，而能量流接口为与电机相连的直流母线。
按整车设计要求选定驱动电机22，该驱动电机22自带一个电机控制器221；车辆管理器21与驱动电机22一起构成电机驱动子***，该子***直接为车辆提供源驱动力矩及一部分源制动力矩；电机控制器221接受车辆管理器21的指令并直接控制驱动电机22的运行，同时向车辆管理器21反回控制所需的当前电机运行状况信息。
车辆管理器21的主要功能在于：1、接受司机操纵机构的输出指令并加以处理；2、与能源管理器协同工作，实现动力***的功率平衡及能源的合理使用；3、在综合司机指令和能源子***当前状态等信息后，对电机控制器发出控制指令。
电机控制器221、车辆管理器21、能源管理器11以及显示***控制器3接在同一个CAN局域网上，组成动力控制***主网；上述车辆管理器21与电机控制器221间的控制信息交流便是通过这一局域网来完成的。同时，能源管理器11、车辆管理器21还通过这一网络，向显示***发送司机需了解的当前动力***运行状况有关信息，及向车辆检测***发送有关检测信息等。如有需要，引入CAN通讯网桥4，提供动力控制***局域网与上一级车身局域网信息交流的途径。该功能也可集成在车辆管理器内。
总之，通过上述方式构成的动力***总成，在能量流上，由能源子***向电机驱动子***提供所需能源，电机驱动子***将电能转化为机械能后，向传动机构及驱动车轮输出汽车行驶的源驱动力矩；或从传动机构及驱动车轮获得机械能，将其转化为电能后，回馈给能源子***；在控制信息流上，司机直接向车辆管理器发出操作指令，再由车辆管理器协同能源管理器完成对动力***的总体控制，确保整个动力***的正常动行，从而满足整车动力性及经济性的要求。

Claims (3)

1、一种燃料电池汽车动力控制***，其特征在于：它包括有能源子***(1)和电机驱动子***(2)，上述两子***间通过直流母线进行电能传输，
所述能源子***中设有能源管理器(11)、燃料电池发动机(12)和动力蓄电池组(13)，所述燃料电池发动机(12)、动力蓄电池组(13)中均内嵌有CAN通讯控制器，所述能源管理器(11)分别与燃料电池发动机(12)、动力蓄电池组(13)中的CAN通讯控制器相连接；
所述电机驱动子***(2)由车辆管理器(21)和一带有电机控制器(221)的驱动电机(22)组成，车辆管理器(21)与驱动电机(22)的电机控制器(221)相连接。
2、根据权利要求1所述燃料电池汽车动力控制***，其特征在于：所述能源子***(1)中还设有内嵌CAN通讯控制器的DC/DC变换器(14)。
3、根据权利要求2所述燃料电池汽车动力控制***，其特征在于：所述能源子***(1)中还设有超级电容器(15)。
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