专利名称：燃料电池锂电池混合电动汽车动力系统综合测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电动汽车测试与试验领域，特别是ー种燃料电池锂电池混合电动汽车动力系统综合测试装置。
背景技术：
电动汽车低耗能、低排放，已成为当前研究热点。混合动カ电动汽车装有两个及两个以上动カ源，车载动力源有内燃机、动カ蓄电池、燃料电池、太阳能电池等。以内燃机和蓄电池为混合动カ源的汽车被称作油-电混合电动汽车；以蓄电池、燃料电池、太阳能电池中的多种为动力源的汽车被称作电-电混合电动汽车。美国的《时代》周刊把燃料电池列为改变人类未来生活的十大高科技之首，目前世 界各国都花巨大的人力、物力和财カ对燃料电池进行重点研究，渴望获得其技术制高点以便抢占产业化的先机。但燃料电池存在输出特性偏软以及系统功率密度偏低的缺点，因此燃料电池与动カ电池混合构成电动汽车驱动能源成为未来电动汽车发展的主流方向。而燃料电池与动カ电池混合构成电动汽车动カ系统则存在动カ系统结构及配置优化、双能源能量管理等关键问题需要解決。因此，本实用新型提出ー种燃料电池锂电池混合电动汽车动カ系统综合测试装置，g在对燃料电池与锂电池双能源混合涉及的关键部件及能量管理策略进行综合测试，可包括双能源能量管理综合测试、燃料电池性能测试、锂电池组性能测试、被测电机性能测试。基于该测试平台，可对燃料电池、锂电池以及被测电机等关键部件进行性能测试，并对燃料电池与锂电池组混合动カ系统能量管理策略进行闭环测试与优化，为开发燃料电池与锂电池混合电动汽车提供试验测试平台。
发明内容为了对燃料电池与锂电池双能源混合动カ电动汽车涉及的关键部件及能量管理策略进行综合测试，本实用新型提供了ー种燃料电池锂电池混合电动汽车动カ系统综合测试装置，以克服现有技术中的不足。为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是ー种燃料电池锂电池混合电动汽车动カ系统综合测试装置，包括エ控台操作单元、锂电池组单元、燃料电池单元、DC/DC转换器、被测电机単元、交流电カ测功机単元、开关切换执行单元以及阻性电子可控负载，其特征在于锂电池组单元中锂电池组高压输出正、负极分别通过开关K1、K2与被测电机単元中电机控制器输入高压正、负极以及所述DC/DC转换器输出高压正、负极相连；燃料电池单元输出高压正极分别通过开关K3、K4分别与所述DC/DC转换器输入高压正极相连和所述阻性电子可控负载一端相接；燃料电池单元输出高压负极与所述DC/DC转换器输入高压负极以及阻性电子可控负载另一端直接相连接；被测电机単元中电机控制器驱动被测电机，被测电机通过连轴器与所述交流电カ测功机単元中的交流电机同轴连接；交流电カ测功机単元中配置标准的交流电机、测功机控制仪、变频控制系统及转矩转速传感器；エ控台操作単元通过数据采集卡以及CAN卡和CAN总线与所述锂电池组单元、燃料电池单元、DC/DC转换器、被测电机単元、交流电カ测功机単元、开关切换执行单元以及阻性电子可控负载相互连接，模拟管理整个综合测试平台。本实用新型的有益效果是，基于该测试装置，可对燃料电池、锂电池以及被测电机等关键部件进行性能测试，并对燃料电池与锂电池组混合动カ系统能量管理策略进行闭环测试与优化，为开发燃料电池与锂电池混合电动汽车提供试验测试平台。用户通过燃料电池系统性能测试、锂电池组性能测试、被测电机性能测试，能整体了解该测试平台关键部件的性能，为燃料电池与锂电池组混合动カ系统能量管理综合测试奠定基础，提高了该测试平台的可操作性、可维护性、稳定性。设计该测试平台，既克服了直接进行实车开发成本高、安装复杂、维护困难的缺点，又可以满足多动カ源、多エ况的试验要求，为燃料电池锂电池混合动カ电动汽车的前期开发提供有利平台。本实用新型以燃料电池系统或锂电池组作为能源，清洁环保。
图I为本实用新型的整体结构原理框图。图2为本实用新型的燃料电池系统内部结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进ー步的详细描述。本实用新型包括エ控台操作単元、锂电池组单元、燃料电池单元、DC/DC转换器、被测电机単元、交流电カ测功机単元、开关切換执行单元、阻性电子可控负载(图I)。锂电池组高压输出正、负极分别通过开关ΚΙ、K2与电机控制器输入高压正、负极、DC/DC转换器输出高压正、负极相连。燃料电池系统输出高压正极分别通过开关K3与DC/DC转换器输入高压正极相连，通过开关K4与阻性电子可控负载一端相连；燃料电池系统输出高压负极与DC/DC转换器输入高压负极以及阻性电子可控负载另一端直接相连。电机控制器驱动被测电机，被测电机通过连轴器与测功机的交流电机同轴连接。交流电カ测功机配置标准的交流电机、测功机控制仪、变频控制系统及转矩转速传感器。エ控上位机安装了 CAN卡和数据采集卡，它通过CAN总线与锂电池管理系统、燃料电池系统控制器、DC/DC转换器、电机控制器、测功机控制仪、开关切換执行单元、阻性电子可控负载进行通信。エ控上位机通过CAN总线管理锂电池组和燃料电池系统两种动カ源，从而驱动以交流电カ测功机単元为负载的被测电机运转。整个综合测试装置可完成燃料电池系统性能测试、锂电池组性能测试、被测电机性能测试、动カ系统能量管理综合测试功能。本实用新型燃料电池系统主要包括燃料电池电堆、氢气供给单元、氮气供给单元、空气供给単元、冷却系统、数据采集単元(图2)。燃料电池通过氢气和氧气的电化反应产生直流电能，纯粹的燃料电池反应堆不能直接用来作为电源，需要电堆的各个子系统及控制器配合工作才能向外安全、稳定地输出功率；氢气供给系统，连续地向燃料电池电堆提供一定压力、一定流量的高纯度的氢气，以保证燃料电池电堆中的电化学反应的连续进行，氮气供给系统的存在是为了保证反应的安全进行，当燃料电池电堆发电前或不工作时，为了避免残存在气路的氢气和氧气发生反应造成危险，所以要充入惰性气体，比如氮气；空气供给系统，连续地向燃料电池电堆提供与氢气系统相同压力、一定流量、良好滤清的空气。通入空气加湿器的空气由风机吹进燃料电池电堆，可选择转速快、出口空气压カ大的高速风机，以满足燃料电池对大量氧气的需求。本实用新型为保证燃料电池电堆中电化学反应的正常、高效进行，还应严格控制电堆的温度(如进ロ 70°C，出ロ 80°C左右)，为此需要设计ー套冷却系统。燃料电池电堆工作时的电压及流过燃料电池电堆的电流，这两个重要的參数关系到整个电堆的当前运行情况，也是关系到安全性的两个重要指标，故必须运用数据采集单元实时采集数据进行监测。数据采集単元实时采集各压カ传感器、温度传感器、电压表、电流表的信息，例如氢气进堆和出堆压力、空气进堆和出堆压力、氢气经过高压阀后高压压力等；燃料电池系统控制器完成整个燃料电池系统的协调控制，既与数据采集单元进行通 信，又与エ控上位机通信，还担负着安全报警的重任。燃料电池系统控制器根据数据采集单元采集的信息，判断电堆是否正常运行，当检测到电堆有任何工作不正常时就要向用户发出报警信号，或者是自行采取行动。主要的报警信息有氢气进堆压カ报警、电堆温度报警、电堆输出电功率报警等。本实用新型燃料电池系统性能测试原理是用户启动エ控上位机软件，并选择进行燃料电池系统性能测试实验。エ控上位机通过CAN总线发送命令“闭合K4，断开K1、K2、Κ3”给开关切換执行单元，从而控制相应开关的通断。エ控上位机通过CAN总线调节阻性电子可控负载的阻值，从而调节燃料电池系统的输出电流。图2中的数据采集单元采集的信息传递给燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器通过CAN总线给エ控上位机反馈燃料电池系统的输出电压、电流值。エ控上位机保存数据，并绘制燃料电池系统输出伏安特性曲线，用户根据该曲线，直观明了地判断燃料电池系统的发电性能，也可以根据保存的数据进行细致深入的分析。若燃料电池系统性能不佳，则出示诊断报告，用户可采取相应的维护措施。本实用新型锂电池组性能测试原理是实际应用中，为了延长锂电池组的使用寿命，当锂电池组的SOC低于Smin (如20% )时，锂电池组不能再放电，应对其进行充电。当锂电池组的SOC高于Smax (如70% )吋，不能对锂电池组进行充电。由于被测电机制动运行回馈的能量不能施加于燃料电池系统，只能给锂电池组充电，因此，当SOC高于Smax吋，不能使被测电机制动运行。锂电池组放电时，其输出电流视为正；锂电池组充电时，其输出电流视为负。用户通过エ控上位机传达要进行锂电池组性能测试的需求，若锂电池组的SOC小于Smin，则锂电池组进入离线充电模式；若锂电池组的SOC大于Smax，则锂电池组只能放电；若锂电池组的SOC介于Smin和Smax之间，则锂电池组可以充电、放电。在锂电池组SOC不小于Smin，即可以放电的前提下，エ控上位机通过CAN总线发送命令“闭合K1、K2，断开K3、K4”给开关切換执行单元，从而控制相应开关的通断。用户在エ控上位机中选择自动或手动模式进行锂电池组性能测试。自动模式下，锂电池组的目标输出电流依照用户设置的交互式表格而自动变化，表格包含多组锂电池组目标电流值及对应的测试时间；手动模式下，锂电池组的目标输出电流值由用户手动输入，随着用户实时的更改而改变。当锂电池组的SOC介于Smin和Smax之间时，其目标输出电流值的正负不受限制；当锂电池组的SOC大于Smax时，其目标输出电流值只能为非负值。锂电池组的目标输出电流值决定了动カ源的输出功率，根据动カ源的输出功率可确定被测电机驱动量和交流电机驱动量。由于被测电机和交流电机同轴运转，若被测电机为转矩驱动模式，则交流电机为转速驱动模式，反之，若被测电机为转速驱动模式，则交流电机为转矩驱动模式。若锂电池组目标输出电流值为正，则给电机控制器发送牵引命令以及与对应的驱动转矩(或转速)；若锂电池组的目标输出电流值为负，则给电机控制器发送 制动命令以及对应的制动转矩(或转速)。同时，给测功机控制仪发送与驱动电机同轴运动的转速(或转矩)，从而控制两个电机的运转。锂电池管理系统通过CAN总线，给エ控上位机反馈锂电池组实际的输出电压和电流，以及其它工作信息。エ控上位机保存数据并绘制锂电池组输出伏安特性曲线，用户根据该曲线，直观明了地判断锂电池组的性能，也可以根据保存的相关数据进行细致深入的分祈。若锂电池组性能不佳，则出示诊断报告，用户可采取相应的维护措施。本实用新型被测电机性能测试原理是考虑到锂电池组单元比燃料电池单元结构简单、操控方便，选用锂电池组作为被测电机性能测试的动カ源。因此，为了延长锂电池组的使用寿命，当锂电池组的SOC低于Smin时，锂电池组不能作为动カ源，应对其进行离线充电。当锂电池组的SOC高于Smax时，锂电池组不能被充电，因此被测电机不能制动运行。电机驱动量为正吋，电机牵引运行；电机驱动量为负时，电机制动运行。用户通过エ控上位机传达要进行被测电机性能测试的需求。若锂电池组的SOC小于Smin，则锂电池组进入离线充电模式；若锂电池组的SOC大于Smax，则锂电池组只能放电，电机驱动量应设置为非负；若锂电池组的SOC介于Smin和Smax之间，则锂电池组可以充电、放电，电机驱动量不作正负限制。在锂电池组SOC不小于Smin，即锂电池组可以放电的前提下，エ控上位机通过CAN总线发送命令“闭合ΚΙ、K2，断开K3、K4”给开关切換执行单元，从而控制相应开关的通断。用户在エ控上位机中选择自动或手动模式进行被测电机性能测试。自动模式下，被测电机驱动量和交流电机驱动量依照用户设置的交互式表格而自动变化，表格包含多组被测电机驱动量和交流电机驱动量及对应的测试时间；手动模式下，被测电机驱动量和交流电机驱动量由用户手动输入，随着用户实时的更改而改变。若锂电池组的SOC介于Smin和Smax之间，电机驱动量不作正负限制；若锂电池组的SOC大于Smax，则电机驱动量只能设置为非负值。エ控上位机通过CAN总线发送被测电机驱动量给电机控制器，发送交流电机驱动量给测功机控制仪，从而控制被测电机和交流电机的运转。电机控制器通过CAN总线，给エ控上位机反馈被测电机的实际的运行转矩(或转速)；测功机控制仪通过CAN总线，给エ控上位机反馈交流电机实际的运行转速(或转矩)。エ控上位机保存数据，并绘制被测电机实际运行转矩(或转速)和交流电机实际运行转速(或转矩)的ニ维关系曲线。用户根据该曲线，直观明了地判断被测电机的性能，也可以根据保存的数据进行细致深入的分析。若被测电机性能不佳，则出示诊断报告，用户可采取相应的维护措施。本实用新型进行动力系统能量管理综合测试的原理是用户首先通过エ控上位机选择整车供能模式，然后选择整车运行模式。整车有纯电动和混合动カ两种供能模式，有正向运行和逆向运行两种运行模式。系统有锂电池组和燃料电池系统两种动カ源，以锂电池组作为动カ源称为纯电动模式，以二者并联作为动カ源称为混合动カ模式。若用户选择纯电 动模式，则エ控上位机通过CAN总线发送命令“闭合Kl、K2，断开K3、K4”给开关切換执行单元，控制相应开关的通断。此时，エ控台操作単元、锂电池组单元、被测电机単元、交流电カ测功机単元、开关切換执行单元共同完成测试。若用户选择混合动カ模式，则エ控上位机通过CAN总线发送命令“闭合Κ1、Κ2、Κ3，断开Κ4”给开关切換执行单元，控制相应开关的通断。此时，エ控台操作単元、锂电池组单元、燃料电池单元、DC/DC转换器、被测电机単元、交流电カ测功机単元、开关切換执行单元共同完成测试。混合动カ模式下，两种电源混合使用，就必然存在ー个各自承担的份额和流向管理问题，即所谓的能量流管理问题。本实用新型，直接在エ控上位机中嵌入整车能量管理策略。能量管理的作用是根据驱动系统的需求功率和锂电池组的SOC值，确定能量流向及两个电源的分配比例，并实现配比控制。确定了整车供能模式以后，再确定整车运行模式，即正向运行或逆向运行。正向运行，即电机驱动量的传递方向为“油门踏板或刹车踏板-エ控上位机-被测电机-交流电机”，エ控上位机根据用户给定的踏板信号，给定被测电机转矩(或转速)和交流电机转速(或转矩)；逆向运行，即电机驱动量的传递方向为“エ控上位机中的路况表-被测电机-交流电机”，エ控上位机根据路况表中的数据，确定被测电机转矩(或转速)和交流电机转速(或转矩)。用户踩动油门踏板或刹车踏板，踏板信号传递到安装在エ控上位机上的数据采集卡，数据采集卡将踏板信号传递给エ控上位机，エ控上位机对踏板信号进行滤波处理，平滑信号并去除干扰信号。若刹车信号无效、油门信号有效，则用户踩下踏板的效果是需要牵引被测电机。若刹车信号有效，则用户踩下踏板的效果是需要制动被测电机，此时根据锂电池组的SOC值，确定是否给被测电机制动量。若此时，锂电池组SOC值小于Smax，则可以给被测电机发送制动量；若此时，锂电池组SOC值大于Smax，则给被测电机发送的制动量为O。用户所踩踏板的深度与被测电机驱动量的大小成正比，可依据踏板信号计算出给定被测电机的转矩(或转速)。建立电动汽车动态运动关系式，根据设定的整车车体參数(如整车满载重量、迎风面积、空气阻カ系数、车轮半径、变速器传动比等)，以及被测电机的转矩(或转速)，计算出交流电机的转速(或转矩)，并发送给测功机控制仪，从而控制交流电机的运转。运行过程中，交流电机作为被测电机的负载，它的发电能量通过变频控制系统回馈到电网。电机控制器反馈被测电机实际运行转矩(或转速)，测功机控制仪反馈交流电机实际运行转速(或转矩)。由转速直接换算电动汽车车速(换算关系式依据电动汽车内部变速结构推导)，由电动汽车车速和测试时间换算电动汽车行程。正向运行测试过程中，绘制燃料电池系统输出伏安特性曲线、锂电池组输出伏安特性曲线，以便用户直观地了解系统两种能源的供能状况；绘制被测电机实际转矩(转速)-时间关系曲线、交流电机实际转速(转矩)_时间关系曲线，以便用户直观地了解两个电机的运转情况；绘制电动汽车车速-时间关系曲线，并显示电动汽车的累计行程，以便用户直观地了解电动汽车的运行轨迹。[0042]正向运行测试时，纯电动模式下，驱动系统自动向锂电池组取电；混合驱动模式下，エ控上位机协调锂电池组和燃料电池系统的能量分配。电机的转矩、转速决定了驱动系统的需求功率，エ控上位机根据驱动系统需求功率、锂电池组SOC值，确定DC/DC控制器的输出电流，即确定了燃料电池系统的输出功率。エ控上位机中存储了路况表，即车辆运行在预先设定的路面时，不同时刻对应的转矩、转速数据表。例如，欧洲道路行驶循环エ况EUDC、美国道路行驶循环エ况UDDC等。若将路况表中的转矩和转速分别发送给电机控制器和测功机控制仪，则被测电机按照预先设定的路况表轨迹运转。为说明驱动系统逆向测试原理，以路况表中的转矩发送给电机控制器、转速发送给测功机控制仪为例。首先根据锂电池组的S0C，对路况表中的转矩进行处理，若SOC不小于Smax，此时的负转矩应清0，防止被测电机的制动回馈能量给锂电池组充电。将处理后的转矩发送给电机控制器，路况表中的转速发送给测功机控制仪，从而控制被测电机和交流电机的运转。运行过程中，交流电机作为被测电机的负载，它的发电能量通过变 频控制系统回馈到电网。电机控制器反馈被测电机实际运行转矩(或转速)，测功机控制仪反馈交流电机实际运行转速(或转矩)。由转速直接換算电动汽车车速(換算关系式依据电动汽车内部变速结构推导)，由电动汽车车速和测试时间换算电动汽车行程。逆向运行测试过程中，绘制燃料电池系统输出伏安特性曲线、锂电池组输出伏安特性曲线，以便用户直观地了解系统两种能源的供能状况；绘制被测电机实际转矩(转速)-时间关系曲线、交流电机实际转速(转矩)_时间关系曲线，以便用户直观地了解两个电机的运转情况；绘制电动汽车车速-时间关系曲线，并显示电动汽车的累计行程，以便用户直观地了解电动汽车的运行轨迹。逆向运行测试过程中，纯电动模式下，驱动系统自动向锂电池组取电；混合驱动模式下，エ控上位机协调锂电池组和燃料电池系统的能量分配。电机的转矩、转速决定了驱动系统的需求功率，エ控上位机根据驱动系统的需求功率、锂电池组SOC值，确定DC/DC控制器输出电流，即确定了燃料电池系统的输出功率。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技木。
权利要求1.ー种燃料电池锂电池混合电动汽车动カ系统综合测试装置，包括エ控台操作単元、锂电池组单元、燃料电池单元、DC/DC转换器、被测电机単元、交流电カ测功机単元、开关切换执行单元以及阻性电子可控负载，其特征在于锂电池组单元中锂电池组高压输出正、负极分别通过开关K1、K2与被测电机単元中电机控制器输入高压正、负极以及所述DC/DC转换器输出高压正、负极相连；燃料电池单元输出高压正极分别通过开关K3、K4分别与所述DC/DC转换器输入高压正极相连和所述阻性电子可控负载一端相接；燃料电池单元输出高压负极与所述DC/DC转换器输入高压负极以及阻性电子可控负载另一端直接相连接；被测电机单元中电机控制器驱动被测电机，被测电机通过连轴器与所述交流电カ测功机単元中的交流电机同轴连接；交流电カ测功机単元中配置标准的交流电机、测功机控制仪、变频控制系统及转矩转速传感器；エ控台操作単元通过数据采集卡以及CAN卡和CAN总线与所述锂电池组单元、燃料电池单元、DC/DC转换器、被测电机単元、交流电カ测功机単元、开关切换执行单元以及阻性电子可控负载相互连接，模拟管理整个综合测试平台。
专利摘要本实用新型公开了一种燃料电池锂电池混合电动汽车动力系统综合测试装置，包括工控台操作单元、锂电池组单元、燃料电池单元、DC/DC转换器、被测电机单元、交流电力测功机单元、开关切换执行单元、阻性电子可控负载，工控台操作单元通过数据采集卡以及CAN卡和CAN总线与其它所有单元相互连接实现通讯，模拟管理整个综合测试平台。本实用新型能够完成燃料电池系统性能测试、锂电池组性能测试、被测电机性能测试、动力系统能量管理综合测试功能。
文档编号G01M15/00GK202393890SQ201120516578
公开日2012年8月22日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者全书海, 孙晓明, 张琴, 张立炎, 石英, 詹志刚, 谢长君, 陈启宏, 黄亮 申请人:武汉理工大学