CN1544265A - 一种燃料电池电动车的能量流控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池电动车的能量流控制器，燃料电池电动车控制***由踏板、整车控制器ECU、燃料电池发动机、镍氢电池包及驱动***构成。燃料电池电动车燃料电池和蓄电池的混合使用就必然存在两电源配比及能量流向管理和控制，本发明正是为了实现两种能源的合理分配，提高和优化整车的动力性能。其特点是：在整车控制器与驱动***之间还连接有一个能量流控制器，能量流控制器是整车控制器中的一个模块，其输入端连接模糊逻辑控制器FLC的输出端u_i，其输出端u_i ^*与驱动***中的电机控制器的输入端相连接。本发明综合了CAN现场总线，模糊控制，通信等领域的先进技术，在实际的燃料电池电动车上得到了很好的应用。

Description

一种燃料电池电动车的能量流控制器

                      技术领域

本发明属于电动车，具体来说是燃料电池电动车，特别是一种燃料电池电动车的能量流控制器。

                      背景技术

汽车有“第一商品”的美誉，这是因为汽车工业的发展，可以带动众多产业发展。面对环境污染、全球变暖、能源短缺的压力，各国政府正积极寻找和研究环保能源替代现有燃油，由此产生了各种电动车。目前电汽车分为三种：纯电动车、燃料电池电动车和混合动力电动汽车。纯电动车是指车载能源为蓄电池，用电机驱动车轮行驶，优点是零排放，缺点是一次充电行程短，若废电池回收不当将造成更大的污染；混合动力电动汽车是指车载能源为汽油和蓄电池，优点是能提高燃油经济性，缺点是不能达到零排放。燃料电池电动车是指车载主能源为燃料电池，车载辅助能源为蓄电池。燃料电池是迄今为止最有希望解决车辆能源问题的动力源。燃料电池车具有高效无污染的特性，排放物是水，不污染环境，比纯电动车使用广泛，具有与内燃机汽车媲美的动力特性，缺点是造价太高。因此在能源环保形式日益严峻的情况下，燃料电池车倍受瞩目，众多汽车公司都投入大量人力物力进行燃料电池车及其相关技术的研究开发。

在燃料电池电动轿车(FCEV)中，FCEV车能量由燃料电池和镍氢电池共同提供，车载控制***的核心任务之一是对两种能源配额比进行合理分配，改善车辆的动力性、经济性和舒适性。

                      发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种在燃料电池电动轿车(FCEV)的双能源(燃料电池和镍氢电池)***中根据负荷和各能源的状况，既要合理调配能量，又要对能量的流向加以控制的燃料电池电动车的能量流控制器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：燃料电池电动车控制***由踏板、整车控制器ECU、燃料电池发动机、镍氢电池包及驱动***构成，其中操纵踏板输出电压u_p经整车控制器ECU中踏板处理模块处理后，转换成驱动***的电流给定信号u_is ^*，u_is ^*与驱动***的电流反馈信号u_if的偏差e_i输入整车控制器ECU中模糊逻辑控制器FLC(Fuzzy LogicController)，模糊逻辑控制器FLC控制燃料电池发动机或镍氢电池包输出能量(即输出电流份额i_DC和i_NH)，并输出电机控制器的给定控制 信号u _i ^*给驱动***中的电机控制器。在整车控制器中有一个能量流控制器，其特点是：能量流控制器在模糊逻辑控制器FLC的输出与驱动***中的电机控制器之间，能量流控制器是整车控制器中的一个模块，其输入端连接模糊逻辑控制器FLC的输出端u_i，其输出端u_i ^*与驱动***中的电机控制器的输入端相连接；

上述能量流控制器的输入端还接有镍氢电池包输出电流信号i_NH、镍氢电池包的荷电状态信号SOC及驱动***中的电机控制器所采集的电机电流信号u_if，并接收燃料电池发动机中DC/DC变换器输出电压u_DC，输出信号P^*给燃料电池发动机中DC/DC变换器；

上述整车控制器ECU采用DSP(Digital Signal Processing数字信号处理)芯片，整车控制器ECU各部件之间采用CAN(控制器局域网)总线进行通信，其传输介质为光纤。

本发明的能量流控制器是基于模糊逻辑推理方法的专家***。它对输入信号u_i、SOC(state of charge，荷电状态)、u_if、i_FC(燃料电池输出电流或DC/DC变换器输入电流)、u_DC(燃料电池输出电压或DC/DC变换器输入电压)进行综合和分析，根据u_i以及燃料电池发电机和镍氢电池当前状况决策出电机控制器的给定信号u_i ^*(u_i ^*≤u_i)，以及两个电池应分担的份额i_DC和i_NH，并以i_NH为约束条件通过信号P^*去调节i_DC，实现能量配比控制和流向管理。它主要由SOC分档、工作模式划分、能量配比和配比控制等模块组成。实现该方法的硬件电路为整车控制ECU，该ECU采用DSP芯片TMS320LF2407A；由于电动车电气***干扰很强，控制器所用芯片均采用工业级，并做了隔离，滤波等抗干扰措施；整车控制器与车上其他ECU部件采用CAN总线通信，传输介质为抗干扰能力强的光纤。

                         附图说明

图1为燃料电池电动车控制***框图。

图2为本发明两个电源的工作模式流程框图。

图3为本发明踏板输出电压up与电流给定信号u_is ^*输入输出关系图。

图4为本发明整车控制ECU与CAN网络接口框图。

图5为本发明能量流控制器软件流程图。

图6为荷电状态SOC与镍氢电池输出电流i_NH关系表。

图7为本发明工作模式3能量配比方案(i_DC＝6C)表。

                         具体实施方案

下面结合附图进一步说明本发明。

图1是燃料电池电动汽车主体部分结构图。主体部分由整车控制器ECU、燃料电池发动机、镍氢电池包、驱动***、车轮等部件组成，各部件通过CAN总线组成一个分布式控制***，信号传输介质为光纤。燃料电池发动机是FCEV的主要能源，它是燃料电池本体和DC/DC变换器组成的***。镍氢电池包作为辅助电源，其作用是：①在燃料电池发动机启动时提供电能，②FCEV加速或爬坡时提供电能，③在FCEV再生制动时回收再生制动反馈能量，④停车时为控制***、照明***、信号、仪表板、电气设备提供电能；燃料电池发动机和镍氢电池包并联组成一个288V的高压直流电源。

控制***的工作过程如下：电机控制器设置为恒扭矩工作方式，它与电机构成驱动***。操纵踏板输出电压u_p经踏板处理模块处理后，转换成驱动***的电流给定信号u_is ^*，u_is ^*与电流反馈信号u_if的偏差e_i输入模糊逻辑控制器FLC(Fuzzy Logic Controller)，FLC是一个驾驶策略控制器。在单电源电动车中其输出u_i作为给定信号直接去控制电机电流，但FCEV上有两个电源，因此u_i必须先经过能量流管理***处理后才作为电机控制器的给定信号u_i ^*去控制电机电流，也即是控制驱动***扭矩，直到e_i小于容许范围为止。

能量流控制器是整车控制器中的一个软件模块，是基于模糊逻辑推理方法的专家***。它对输入信号u_i、SOC(state of charge，荷电状态)、u_if、i_PC(燃料电池输出电流或DC/DC变换器输入电流)、u_DC(燃料电池输出电压或DC/DC变换器输入电压)进行综合和分析，根据u_i以及燃料电池发电机和镍氢电池当前状况决策出电机控制器的给定信号u_i ^*(u_i ^*≤u_i)，以及两个电池应分担的份额i_DC和i_NH，并以i_NH为约束条件通过信号P^*去调节i_DC，实现能量配比控制和流向管理。它主要由SOC分档、工作模式划分、能量配比和配比控制等模块组成。

燃料电池额定功率为25kW，除去燃料电池本体的辅助设备和车载其它电器用电外，约有20kW功率可用于驱动***；所以当DC/DC变换器输出电压为288V时，约有70A输出电流供给驱动***。设计时取i_DC≤72A，即按i_DC≤6C考虑(C-镍氢电池放电倍率，容量为12Ah的镍氢电池，当C取1时，其放电电流为12A，C取2时，其放电电流为24A，以此类推)。镍氢电池包容量为12Ah，电压为288V时所蕴涵的电能理论上约为3.5kWh。动力电池镍氢电池***瞬时放电电流最大可达15C，但在综合考虑了车辆性能指标、电池的持续放电能力、温升、安全性和使用寿命等多种因数后取镍氢电池最大放电电流为7C，即i_NH≤84A。由上可见两个电池虽然容量相差很多，但两者短时间负载能力相差不多。两个电池具有以下4种工作模式：

①大扭矩模式，即启动/加速/爬坡模式(图2(a))，燃料电池和镍氢电池都输出大电流，均属主能量流；

②正常工作模式(图2(b))，燃料电池为主能量流，镍氢电池为辅助能量流；

③轻载模式，即镍氢电池充电模式(图2(c)，燃料电池在向电机提供所需能量的同时向镍氢电池充电，镍氢电池存储能量，为可能出现的大扭矩模式做准备；

④减速/制动模式(图2(d))，电机工作在发电状态，将动力***的动能回馈回电源，镍氢电池为主能量流，燃料电池为辅助能量流(注：燃料电池本体输出电流是不容许反向的，故DC/DC变换器只工作在单方向模式，但DC/DC输出端接有一定容量的电容器，可以存储少量回馈能量)。

减速/制动时的能量流管理就是如何实现第4种工作模式，即减速/制动模式，减速和制动均采用再生制动方法。踏板(见图1)的输出电压u_p经整车控制器的踏板处理程序处理后得到图3所示的u_p与电流给定信号u_is ^*间的输入输出关系。在图3中，下标d表示驱动，b表示制动。0-2V为制动电流给定区间，0V对应最大制动电流；3-5V为驱动电流给定区间，5V对应最大驱动电流。2-3V为0电流给定区间，此时车速为0(车速和电机转速均为零)，类似于传统汽车的怠速(车速为零，但发动机转速不为零)。此外还设置了一个再生制动开关，其功能是：开关闭合才能实现再生制动；设置该开关的目的是：在湿滑路面上，车辆为防止打滑出事，应关掉再生制动功能；而在干燥的路面上应起用再生制动功能。

FLC是一个驾驶策略控制器，它有两个模块，即驱动控制策略(FLCd)和制动控制策略(FLCb)。当u_is ^*处于制动范围内，且再生制动开关合上和电机转速高于500r/min(电机最高转速10000r/min)时，***进行再生制动。由于回收再生制动能量的储能装置是镍氢电池(主储能装置)和DC/DC变换器中的电容(辅助储能装置)，对这两个储能装置充电电流大小只能进行总量控制，不能且没有必要分别进行控制。总量控制方法是设定控制***最大制动电流为2C，而在某一情况下的制动电流大小由FLCb根据踏板的位置及其变化速率计算出，能量流管理模块不再对其输出进行调理而直接加到电机控制器实施再生制动，也就是说在减速/制动模式时 $u_i^{*}=u_i.$

能量流管理***主要是对第1、2、3种工作模式进行管理。能量流管理***流程图见图5，它主要由SOC分档、工作模式判别、能量配比、配比控制等4个模块组成。

(1)SOC分档

SOC是一个反映电池剩余电量的参数，通常用％表示，0％表示剩余电量为0，100％表示电池处于充满电状态，一般蓄电池充、放电高效率区在30％-80％SOC之间。测量SOC的方法有多种，由于种种原因测量精度都不高，本车镍氢电池包ECU采用安培—小时法测量SOC，其测量精度为8％，测量结果通过光纤CAN总线传输到整车控制器。SOC分档模块将SOC划分为10个单点模糊集，分别对应0-10％、10-20％...、90-100％SOC，并将从CAN总线上获取的精确的SOC模糊化为某一模糊子集。

(2)工作模式划分

工作模式与燃料电池、镍氢电池和负载相关，前面已经确定燃料电池发动机输出电流为i_DC≤6C，即其容许最大输出电流是6C；此外某一时刻镍氢电池SOC是已知的，负载大小由驾驶员根据驾驶经验判断，他通过操纵踏板由FLCd的输出u_id反映出来。在能源满足要求的情况下， $u_i^{*}=u_{\mathrm{id}},$ 也就是说u_id反映了电机电流的大小，因此工作模式划分时可用u_id来表征电机电流。在燃料电池发动机容许最大输出电流是定值的前提下，则可根据镍氢电池SOC和u_id来划分工作模式。为了阐明问题方便起见，将u_id转化为用电流i_id表示，本车i_id的设计范围为0-144A，即0-12C。而镍氢电池所能提供的电流i_NH与SOC有关，实验确定的比较合理的i_NH与SOC的对应关系见图6。由图6可见，SOC在许多档次都可提供较大的电流，只是SOC越大提供大电流的持续时间越长。

综上分析本发明采用工作模式划分方法如下：

·第1种工作模式：i_id≥8C，SOC≥5档；

·第2种工作模式：i_id≤7C，SOC≥3档；

·第3种工作模式：i_id＜6C，SOC＜6档。

在第3种工作模式中只有当i_id＜6C时，燃料电池发动机才有剩余电能去给镍氢电池充电，同时只有在镍氢电池的SOC＜6时才向其充电，当SOC≥6时一般不让燃料电池发动机给镍氢电池充电，让镍氢电池留有一定的余地去回收再生制动能量。由上可见工作模式的划分边界并不是清晰的，这与镍氢电池的特性有很大关系。值得注意的是车辆的行驶过程是一个动态过程，***的各个参数特别是负载和镍氢电池的SOC都在不断地变化，所以工作模式的划分也在不停地进行。

(3)能量配比

工作模式确定后接下来的工作就是对两个电源进行能量配比。各个工作模式的具体配比方案是不同的，但总的原则是一致的，这个原则就是：让镍氢电池处于最合理状态，即使SOC经常保持在5、6、7三档，并尽可能避免过大的充、放电电流。在这种状态下镍氢电池能吞能吐，有利于提高整车效率和保护电池。限于篇幅下面仅介绍第3种工作模式时的能量配比方案。

图7示出了在第3种工作模式下的能量配比方案，该方案是以燃料电池发动机最大输出电流i_DC为6C制定的。-i_NH的-号表示镍氢电池电流反向，即燃料电池发动机向镍氢电池充电。由图7可见能量配比的原则是在SOC较小时，用合理的大电流向镍氢电池充电，在SOC较大时，用较小的电流充电甚至不充电。

(4)配比控制

配比控制模块的功能是以分配给镍氢电池的电流为约束条件，调节燃料电池发动机的输出功率，在满足负荷要求的同时又将镍氢电池电流控制在配比值。具体作法是将镍氢电池实际电流与配比值间偏差转换为功率信号去调节DC/DC变换器的输出功率，由于DC/DC变换器的输出与镍氢电池直接并联，在负载一定的情况下，DC/DC变换器的输出功率增加时其输出电流必然增加，相应的燃料电池发动机分担的实际负荷增加，镍氢电池分担的实际负荷减少，反之亦然，从而可以使镍氢电池的配比值与实际分担负荷间的偏差小于容许范围，实现配比控制。

为实现能量流控制，在硬件上设计了整车控制ECU，该ECU由TMS320LF2407DSP为核心，整车控制ECU与CAN网络接口框图见图4。TMS320LF2407系嵌入式微控制器，嵌入有8路10位ADC、CAN总线控制器。ADC0用于转换踏板机械位移为数字量，CAN总线用于和其它ECU交换信息，CAN总线的传输介质为＝1mm的塑料光纤，CAN网络拓扑结构为星形。

本发明的数据发送过程为：DSP芯片内部CAN控制器的数据发送引脚TX与SN75451(高速大电流***驱动芯片)输入相连，SN75451输出与HFBR-1528(Transmitter电光转换模块)相连，将CAN的电信号转换成光信号后，由塑料光纤传送至有源光星，通过有源光星传送到其它电控单元ECU。

本发明的数据接收过程为：来自其它ECU的数据，通过有源光星经塑料光纤传送到HFBR-2528(Receiver光电转换模块)，HFBR-2528输出与DSP芯片CAN控制器的数据接收引脚RX相连。

DSP芯片模拟输入端ADC0与踏板输出相连，用于转换踏板机械位移为数字量。

数字量输入信号DI：挡位、制动、倒车、风格、巡航、方向机等；数字量输出信号DO：DC345电源控制、DC345使能、DMOC445电源控制、DMOC445使能。该ECU负责采集驾驶员的操作及档位等信息，从而实现控制，并合理分配能量，达到优化高效的效果。

本说明书中未作详细描述的内容为本领域专业技术人员已知的现有技术。

Claims (7)

1、一种燃料电池电动车的能量流控制器，燃料电池电动车控制***由踏板、整车控制器ECU、燃料电池发动机、镍氢电池包及驱动***构成，其中操纵踏板输出电压u_p经整车控制器ECU中踏板处理模块处理后，转换成驱动***的电流给定信号u_is ^*，u_is ^*与驱动***的电流反馈信号u_tf的偏差e_i输入整车控制器ECU中模糊逻辑控制器FLC(Fuzzy LogicController)，模糊逻辑控制器FLC控制燃料电池发动机或镍氢电池包输出能量(即输出电流份额i_DC和i_NH)，并输出电机控制器的给定电流控制信号u_i ^*给驱动***中的电机控制器。在整车控制器中有一个能量流控制器，其特征在于：能量流控制器在模糊逻辑控制器FLC的输出与驱动***中的电机控制器之间，能量流控制器是整车控制器中的一个模块，其输入端连接模糊逻辑控制器FLC的输出端u_i，其输出端u_i ^*与驱动***中的电机控制器的输入端相连接。

2、如权利要求1所述的燃料电池电动车的能量流控制器，其特征在于：能量流控制器的输入端还接有镍氢电池包输出电流信号i_NH、镍氢电池包的荷电状态信号SOC及驱动***中的电机控制器所采集的电机电流信号u_if，并接收燃料电池发动机中DC/DC变换器输出电压u_DC，输出信号P^*给燃料电池发动机中DC/DC变换器。

3、如权利要求1所述的燃料电池电动车的能量流控制器，其特征在于：整车控制器ECU采用DSP(Digital Signal Processing数字信号处理)芯片，整车控制器ECU各部件之间采用CAN(控制器局域网)总线进行通信，其传输介质为光纤。

4、如权利要求3所述的燃料电池电动车的能量流控制器，其特征在于：DSP芯片采用TMS320LF2407DSP。

5、如权利要求3或4所述的燃料电池电动车的能量流控制器，其特征在于：DSP芯片内部CAN控制器的数据发送引脚TX与SN75451(高速大电流***驱动芯片)输入相连，SN75451输出与电光转换模块(HFBR-1528)相连，电光转换模块(HFBR-1528)将CAN的电信号转换成光信号后，由塑料光纤传送至有源光星，通过有源光星传送到其它电控单元ECU。

6、如权利要求3或4所述的燃料电池电动车的能量流控制器，其特征在于：来自其它ECU的数据，通过有源光星经塑料光纤传送到光电转换模块(HFBR-2528)，HFBR-2528输出与DSP芯片CAN控制器的数据接收引脚RX相连。

7、如权利要求3或4所述的燃料电池电动车的能量流控制器，其特征在于：DSP芯片模拟输入端ADC0与踏板输出相连，用于转换踏板机械位移为数字量。

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