具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统及其控制方法与流程

本发明专利属于燃料电池汽车系统设计与控制技术领域。

背景技术：

燃料电池混合动力汽车被认为是具有广阔应用前景的新能源汽车动力系统，在经济型以及排放方面具有较大的技术优势。燃料电池混合动力系统以其无污染，控制操作方便，安全性可靠性高等技术有点已经得到广泛关注。

现有燃料电池混合动力系统的燃料电池在峰值功率输出能力和功率输出的动态响应方面表现尚且不足，这使得燃料电池利用效率偏低，此外，由于燃料电池混合动力系统运行在制动或减速阶段时存在制动能量，目前制动能量仅由动力电池回收，当电池剩余容量达到上限时，制动能量需要靠机械装置损耗，导致能量利用率下降。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的燃料电池混合动力系统燃料电池利用效率偏低以及制动能量利用率低的问题，提出了一种具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统及其控制方法。

本发明所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统，它包括燃料电池系统1、燃料电池控制器2、单向dc/dc转换器3、动力电池4、电池管理系统5、逆变器6、驱动电机7、离合器8、弹性储能机构9、变速器10和整车控制单元11；

燃料电池系统1的电流信号输出端与单向dc/dc转换器3的电流信号输入端连接，单向dc/dc转换器3的电流输出端与逆变器6的电流信号输入端连接，逆变器6的电流信号输入端同时与动力电池4的电流信号输出端连接；

逆变器6的电流信号输出端连接驱动电机7的驱动信号输入端，驱动电机7的输出轴与变速器10的输入轴同轴连接，变速器10通过差速器12驱动汽车车轮；

弹性储能机构9的轴承通过离合器8与变速器10传动连接，整车控制单元11控制离合器8的开启或闭合；整车控制单元11的充放电控制信号输出端连接燃料电池控制器2的充放电控制信号输入端，整车控制单元11的电池状态信号输入端连接燃料电池控制器2的电池状态信号输出端；燃料电池控制器2的放电功率控制信号输出端连接燃料电池系统1的放电功率控制信号输入端，燃料电池控制器2的燃料电池状态信号输入端连接燃料电池系统1的电池状态信号输出端；

整车控制单元11的转换控制信号输出与转换状态输入端连接单向dc/dc转换器3的转换控制信号输入与转换状态输出端连接；

整车控制单元11的放电功率控制信号输出端连接电池管理系统5的放电功率控制信号输入端，整车控制单元11的动力电池状态信号输入端连接电池管理系统5的动力电池状态信号输出端；电池管理系统5的电能输出控制信号输出端连接动力电池4输出开关控制信号输入端，电池管理系统5的电池状态信号输入端连接动力电池4电能状态输出端；

驱动电机7的转速和转矩信号输出端连接整车控制单元11的电机状态信号输入端；

整车控制单元11的逆变器转换控制信号输出端连接逆变器6的电流转换控制信号输入端；

整车控制单元11的储能机构功率输出控制信号输出与储能机构储能状态输入端连接弹性储能机构9的输出控制输入与储能状态输出端；

整车控制单元11的变速器状态输入与变速器功率控制信号输出端连接变速器10的状态信号输出与功率控制信号输入端；

整车控制单元11与燃料电池控制器2、单向dc/dc转换器3、电池管理系统5、逆变器6、驱动电机7、弹性储能机构9和变速器10之间均通过can总线连接。

进一步地，弹性储能机构9包括变速装置和弹性储能箱；所述变速装置包括一号箱体、一号传动轴911、储能齿轮912、释能齿轮913、二号传动轴914、一号开关管组916、一号电磁铁917、一号永磁铁918、换挡叉919和中间齿轮920；

储能齿轮912和释能齿轮913均套接在一号传动轴911的上，且储能齿轮912位于释能齿轮913的上侧，中间齿轮920为一个轴承上套接有两个齿轮构成，且两个齿轮分别位于所述轴承的上、下两端；储能齿轮912与中间齿轮920的上齿轮的一侧传动连接，中间齿轮920上齿轮的另一侧位于换挡叉919的插头内，一号永磁铁918固定在换挡叉919的插头底座的下端，一号电磁铁917位于一号永磁铁918的正下方，一号电磁铁917的正负电源接线端通过一号开关管组916与汽车电池的正负电极连接；

中间齿轮920的下齿轮与二号传动轴914通过齿轮咬合连接；储能齿轮912、释能齿轮913和中间齿轮920均位于一号箱体内；一号传动轴911的顶端穿过一号箱体与二号离合器8同轴连接；二号传动轴914下端穿过一号箱体与弹性储能箱的轴承同轴连接。

进一步地，弹性储能箱包括三号传动轴921、储能涡簧922、制动器923、二号箱体924和拉力传感器925；

三号传动轴921位于二号箱体924的中部，横向穿过二号箱体924，储能涡簧922、制动器923和拉力传感器925均设置在二号箱体924内，储能涡簧922和制动器923均套设在三号传动轴921上，储能涡簧922的内端与三号传动轴921的侧壁固定连接，拉力传感器925固定在储能涡簧922的外端，且储能涡簧922和制动器923不接触。

进一步地，制动器923包括固定弹簧9231、制动栓9232、弹簧夹片9233、制动轮9234、四号传动轴9235、二号开关管组9237、二号永磁铁9238、二号电磁铁9239和三号箱体；

制动轮9234套设在四号传动轴9235上，制动轮9234上边缘等间隔开有四个“u”型凹槽，所述四个“u”型凹槽用于插入制动栓9232，所述制动栓9232的末端嵌有二号永磁铁9238，所述二号永磁铁9238卡接在三号箱体内的竖直隔板上，所述三号箱体的左侧内壁与隔板之间设有固定弹簧9231，三号箱体的上下内壁上相对设有弹簧夹片9233，所述弹簧夹片9233设置在隔板的右侧，二号永磁铁9238与二号电磁铁9239相对设置，所述二号电磁铁9239设置在三号箱体的左侧内壁与隔板之间，二号电磁铁9239的正负电源接线端通过二号开关管组9237与汽车电池的正负电极连接，制动轮9234设置在三号箱体的右侧内壁与隔板之间。

具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的控制方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、采用整车控制单元11获得弹性储能机构9的储能状态q、通过电池管理系统5获得动力电池4的剩余电量、通过燃料电池控制器2获得燃料电池系统1的工作状态、通过车载传感器获得车速、油门踏板开度和制动踏板开度信号；整车控制单元11利用车速和油门踏板开度信号计算汽车动力系统需求总功率pdem，其中，q为弹性储能机构实时储能值与最大储能值之比；

步骤二、利用汽车动力系统需求总功率pdem，结合动力电池4的剩余电量和弹性储能机构9的储能状态，整车控制单元11采用逻辑门限控制方法分别向燃料电池控制器2、电池管理系统5及弹性储能机构9发送功率输出控制信号；

步骤三、燃料电池控制器2向燃料电池系统1发送控制信号，控制燃料电池系统1输出电能；电池管理系统5向动力电池4发送输出功率控制信号，动力电池4输出电能；弹性储能机构9接收控制信号并输出功率信号；实现对具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的能量控制。

6、根据权利要求5所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的控制方法，其特征在于，步骤二所述的整车控制单元11采用逻辑门限控制方法分别向燃料电池控制器2、电池管理系统5及弹性储能机构9发送功率输出控制信号的具体步骤为：

步骤二一、判断汽车动力系统需求总功率pdem是否大于0，若大于0，则执行步骤二二，否则执行步骤二三；

步骤二二、判定动力电池剩余电量是否小于电池电量的最小阀值a，若小于a则执行步骤二四，否则执行步骤二五；其中，a为动力电池最大电量的20％；

步骤二三、判定弹性储能机构9的储能状态q是否小于或等于1，若是，则整车控制单元11控制离合器8闭合，弹性储能机构9回收汽车的制动能量，否则，整车控制单元11控制离合器8分离，汽车的制动能量通过机械机构释放；

步骤二四、判断汽车动力系统需求总功率pdem随时间t的变化率是否大于预设值k，若是，则整车控制单元11控制离合器8闭合，执行步骤二六，否则，整车控制单元11控制离合器8分离，执行步骤二七；其中，预设值k为最大值的30％；

步骤二五、整车控制单元11通过燃料电池控制器2控制燃料电池系统1输出恒定功率为动力电池4充电；

步骤二六、判断汽车动力系统需求总功率pdem是否大于弹性储能机构9输出最大功率pelamax，若是，则，控制弹性储能机构9输出最大功率，整车控制单元11通过燃料电池控制器2控制燃料电池系统1输出汽车动力系统需求的剩余功率pdem-pelamax，否则，控制弹性储能机构9输出汽车动力系统需求总功率pdem；

步骤二七、判断汽车动力系统需求总功率pdem是否大于动力电池4的输出最大功率palamax，若是，则控制动力电池4输出最大功率，整车控制单元11通过燃料电池控制器2控制燃料电池系统1输出汽车动力系统需求的剩余功率pdem-palamax，否则，动力电池4输出汽车动力系统需求总功率pdem。

本发明所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统，在原有燃料电池混合动力系统基础上增加了弹性储能机构，按照本发明的控制方法进行切换，可以有效的回收动力系统在刹车或减速阶段的制动能量；此外，采用逻辑门现控制方法对驱动阶段功率分配，能够有效的回收汽车减速/制动阶段的制动能量，同时使燃料电池工作在高效工作区实现燃料电池混合动力汽车的最优控制。

附图说明

图1为本发明所述的基于弹性储能的汽车储能结构原理框图；

图2为变速装置的结构示意图；

图3为弹性储能器的结构示意图；

图4为拉力传感器安装结构示意图；

图5为制动器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统，它包括燃料电池系统1、燃料电池控制器2、单向dc/dc转换器3、动力电池4、电池管理系统5、逆变器6、驱动电机7、离合器8、弹性储能机构9、变速器10和整车控制单元11；

燃料电池系统1的电流信号输出端与单向dc/dc转换器3的电流信号输入端连接，单向dc/dc转换器3的电流输出端与逆变器6的电流信号输入端连接，逆变器6的电流信号输入端同时与动力电池4的电流信号输出端连接；

逆变器6的电流信号输出端连接驱动电机7的驱动信号输入端，驱动电机7的输出轴与变速器10的输入轴同轴连接，变速器10通过差速器12驱动汽车车轮；

弹性储能机构9的轴承通过离合器8与变速器10传动连接，整车控制单元11控制离合器8的开启或闭合；整车控制单元11的充放电控制信号输出端连接燃料电池控制器2的充放电控制信号输入端，整车控制单元11的电池状态信号输入端连接燃料电池控制器2的电池状态信号输出端；燃料电池控制器2的放电功率控制信号输出端连接燃料电池系统1的放电功率控制信号输入端，燃料电池控制器2的燃料电池状态信号输入端连接燃料电池系统1的电池状态信号输出端；

整车控制单元11的转换控制信号输出与转换状态输入端连接单向dc/dc转换器3的转换控制信号输入与转换状态输出端连接；

整车控制单元11的放电功率控制信号输出端连接电池管理系统5的放电功率控制信号输入端，整车控制单元11的动力电池状态信号输入端连接电池管理系统5的动力电池状态信号输出端；电池管理系统5的电能输出控制信号输出端连接动力电池4输出开关控制信号输入端，电池管理系统5的电池状态信号输入端连接动力电池4电能状态输出端；

驱动电机7的转速和转矩信号输出端连接整车控制单元11的电机状态信号输入端；

整车控制单元11的逆变器转换控制信号输出端连接逆变器6的电流转换控制信号输入端；

整车控制单元11的储能机构功率输出控制信号输出与储能机构储能状态输入端连接弹性储能机构9的输出控制输入与储能状态输出端；

整车控制单元11的变速器状态输入与变速器功率控制信号输出端连接变速器10的状态信号输出与功率控制信号输入端；

整车控制单元11与燃料电池控制器2、单向dc/dc转换器3、电池管理系统5、逆变器6、驱动电机7、弹性储能机构9和变速器10之间均通过can总线连接。

具体实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的进一步说明，弹性储能机构9包括变速装置和弹性储能箱；所述变速装置包括一号箱体、一号传动轴911、储能齿轮912、释能齿轮913、二号传动轴914、一号开关管组916、一号电磁铁917、一号永磁铁918、换挡叉919和中间齿轮920；

储能齿轮912和释能齿轮913均套接在一号传动轴911的上，且储能齿轮912位于释能齿轮913的上侧，中间齿轮920为一个轴承上套接有两个齿轮构成，且两个齿轮分别位于所述轴承的上、下两端；储能齿轮912与中间齿轮920的上齿轮的一侧传动连接，中间齿轮920上齿轮的另一侧位于换挡叉919的插头内，一号永磁铁918固定在换挡叉919的插头底座的下端，一号电磁铁917位于一号永磁铁918的正下方，一号电磁铁917的正负电源接线端通过一号开关管组916与汽车电池的正负电极连接；

中间齿轮920的下齿轮与二号传动轴914通过齿轮咬合连接；储能齿轮912、释能齿轮913和中间齿轮920均位于一号箱体内；一号传动轴911的顶端穿过一号箱体与二号离合器8同轴连接；二号传动轴914下端穿过一号箱体与弹性储能箱的轴承同轴连接。

具体实施方式三、结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的进一步说明，弹性储能箱包括三号传动轴921、储能涡簧922、制动器923、二号箱体924和拉力传感器925；

三号传动轴921位于二号箱体924的中部，横向穿过二号箱体924，储能涡簧922、制动器923和拉力传感器925均设置在二号箱体924内，储能涡簧922和制动器923均套设在三号传动轴921上，储能涡簧922的内端与三号传动轴921的侧壁固定连接，拉力传感器925固定在储能涡簧922的外端，且储能涡簧922和制动器923不接触。

具体实施方式四、结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的进一步说明，制动器923包括固定弹簧9231、制动栓9232、弹簧夹片9233、制动轮9234、四号传动轴9235、二号开关管组9237、二号永磁铁9238、二号电磁铁9239和箱体；

制动轮9234套设在四号传动轴9235上，制动轮9234上边缘等间隔开有四个“u”型凹槽，所述四个“u”型凹槽用于插入制动栓9232，所述制动栓9232的末端嵌有二号永磁铁9238，所述二号永磁铁9238卡接在箱体内的竖直隔板上，所述箱体的左侧内壁与隔板之间设有固定弹簧9231，箱体的上下内壁上相对设有弹簧夹片9233，所述弹簧夹片9233设置在隔板的右侧，二号永磁铁9238与二号电磁铁9239相对设置，所述二号电磁铁9239设置在箱体的左侧内壁与隔板之间，二号电磁铁9239的正负电源接线端通过二号开关管组9237与汽车电池的正负电极连接，制动轮9234设置在箱体的右侧内壁与隔板之间。

具体实施方式五、本实施方式所述具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的控制方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、采用整车控制单元11获得弹性储能机构9的储能状态q、通过电池管理系统5获得动力电池4的剩余电量、通过燃料电池控制器2获得燃料电池系统1的工作状态、通过车载传感器获得车速、油门踏板开度和制动踏板开度信号；整车控制单元11利用车速、油门踏板开度和制动踏板开度信号计算汽车动力系统需求总功率pdem，其中，q为弹性储能机构实时储能值与最大储能值之比；

步骤二、利用汽车动力系统需求总功率pdem，结合动力电池4的剩余电量和弹性储能机构9的储能状态，整车控制单元11采用逻辑门限控制方法分别向燃料电池控制器2、电池管理系统5及弹性储能机构9发送功率输出控制信号；

步骤三、燃料电池控制器2向燃料电池系统1发送控制信号，控制燃料电池系统1输出电能；电池管理系统5向动力电池4发送输出功率控制信号，动力电池4输出电能；弹性储能机构9接收控制信号并输出功率信号；实现对具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的能量控制。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式五所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的进一步说明，步骤二所述的整车控制单元11采用逻辑门限控制方法分别向燃料电池控制器2、电池管理系统5及弹性储能机构9发送功率输出控制信号的具体步骤为：

步骤二一、判断汽车动力系统需求总功率pdem是否大于0，若大于0，则执行步骤二二，否则执行步骤二三；

步骤二二、判定动力电池剩余电量是否小于电池电量的最小阀值a，若小于a则执行步骤二四，否则执行步骤二五；其中，a为动力电池最大电量的20％；

步骤二三、判定弹性储能机构9的储能状态q是否小于或等于1，若是，则整车控制单元11控制离合器8闭合，弹性储能机构9回收汽车的制动能量，否则，整车控制单元11控制离合器8分离，汽车的制动能量通过机械机构释放；

步骤二四、判断汽车动力系统需求总功率pdem随时间t的变化率是否大于预设值k，若是，则整车控制单元11控制离合器8闭合，执行步骤二六，否则，整车控制单元11控制离合器8分离，执行步骤二七；其中，预设值k为最大值的30％；

步骤二五、整车控制单元11通过燃料电池控制器2控制燃料电池系统1输出恒定功率为动力电池4充电；

步骤二六、判断汽车动力系统需求总功率pdem是否大于弹性储能机构9输出最大功率pelamax，若是，则，控制弹性储能机构9输出最大功率，整车控制单元11通过燃料电池控制器2控制燃料电池系统1输出汽车动力系统需求的剩余功率pdem-pelamax，否则，控制弹性储能机构9输出汽车动力系统需求总功率pdem；

步骤二七、判断汽车动力系统需求总功率pdem是否大于动力电池4的输出最大功率palamax，若是，则控制动力电池4输出最大功率，整车控制单元11通过燃料电池控制器2控制燃料电池系统1输出汽车动力系统需求的剩余功率pdem-palamax，否则，动力电池4输出汽车动力系统需求总功率pdem。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式五所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的控制方法的进一步说明，步骤一所述计算汽车动力系统需求总功率pdem的具体方法为：通过公式：

t＝tmax·α(1)

pdem＝t·ω(2)

计算获得，式中，t为驱动电机目标驱动转矩；tmax为驱动电机最大驱动转矩；α为油门踏板开度或者制动踏板开度；ω为电机实际转速，即车速值。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式六所述的具有弹性储能机构的燃料电池混合动力系统的控制方法的进一步说明，步骤二四所述的需求的汽车动力系统总功率pdem随时间t的变化率的方法为：通过公式：

获得，其中，m为动力系统总质量；v为t时刻汽车行驶的速度；cd为风阻系数，f为摩擦阻力系数，a为迎风面积，δ电动汽车质量换算系数，g为重力加速度。

本发明采用发动机与弹性储能系统通过转矩耦合器实现机械耦合，配合能量分配方法，二者可以以不同的组合方式向整车提供能量。转矩耦合器由两个曲面齿锥齿轮啮合而成，可以实现不同轴向上的转矩耦合。弹性储能系统由弹性储能箱、变速箱轴连而成；所述传动系统由齿轮变速箱与差速器轴连而成。弹性储能箱由储能涡簧、轴承、制动器、拉力传感器与箱体组成；涡簧一端与轴承直接相连，另一端与拉力传感器相连；轴承的转动带动涡簧旋转形变进行储存能量，涡簧的形状恢复带动轴承的旋转进行能量释放；拉力传感器感应拉力的大小反应储能涡簧的能量状态；制动器与箱体相连，制动器对轴承起到制动作用。弹性储能系统的变速装置由箱体、储能齿轮、释能齿轮、中间齿轮、磁铁、电磁铁组成，中间齿轮通过移动分别可以和储能齿轮和释能齿轮啮合达到为涡簧储能和释能的目的；中间齿轮的移动通过换挡叉的拨动完成；换挡叉的一端固定磁铁，受电磁铁的吸引和排斥完成中间齿轮的移动；电磁铁的两个引线通过两组开关管直接与汽车蓄电池相连，蓄电池通过开关管的通断对电磁铁提供不同方向的电流，从而产生不同方向的磁极对磁铁进行吸引或排斥。弹性储能箱的制动器由制动轮、电磁铁、磁铁、制动栓、固定弹簧、弹簧夹片及两组开关管构成，制动轮与轴承轴连，且制动轮上开凹槽，便于制动栓插入起到制动作用；制动栓末端嵌入一块永久磁铁，制动栓的移动靠电磁铁通不同方向的电流产生对永久磁铁的吸引力或排斥力所实现，制动栓的位置由固定弹簧和弹簧夹片决定；电磁铁的两个引线通过两组开关管直接与汽车电池相连，电池通过开关管的通断对电磁铁提供不同方向的电流，由于弹簧夹片和固定弹簧的存在，电池只需通一小段时间的电流便可以对制动栓进行控制。