专利名称：带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种燃料电池汽车的混合动力系统，特别是一种带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统及控制方法。
背景技术：
燃料电池汽车有着节能、环保、效率高、运行平稳无噪声等优点，成为新一代汽车研发的热点。近年来，燃料电池汽车技术已经取得了重大的进展，然而在燃料电池汽车开发过程中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器，优化燃料电池汽车动力系统等。由于燃料电池在峰值功率输出能力以及功率输出的动态响应等方面性能欠佳，因此往往需要辅助能源在功率输出能力等方面对它加以补充和改善，这些辅助能源通常是蓄电池，有的还包括超级电容。 现有的燃料电池混合动力电动汽车的辅助能源大都包含蓄电池，然而蓄电池满足整车峰值功率要求和紧急功率要求能力有限，在爬坡或加速等情况下需要大电流放电，极大地影响了寿命，导致频繁更换蓄电池，增加运行成本。超级电容相比蓄电池，以其充放电效率高、充放电寿命长，可提供很高的放电电流、接受快速大电流充电能力强、能在其允许电压范围内的任何电压下充电的优点满足整车峰值功率要求和紧急功率要求并保护蓄电池。因此，本发明采用蓄电池和超级电容作为辅助能源，并运用双向DC/DC转换器调控超级电容的充放电。现有的燃料电池汽车混合动力系统中，燃料电池或蓄电池组的输出接DC/DC转换器后再给直流母线供电，DC/DC转换器的存在不仅降低了电池的供电效率，它的高频斩波取电方式对电池存在一定危害。因此，摒弃传统的需要DC/DC转换器稳定直流母线电压的结构，本发明提出了燃料电池与蓄电池直接并联的结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种弥补蓄电池组单独作为燃料电池混合动力电动汽车辅助能源的不足，同时提高动力系统的供电效率的带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是—种带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统，所述系统包括燃料电池电堆、燃料电池辅助系统及燃料电池控制器、蓄电池组及蓄电池组管理系统、超级电容组及超级电容管理系统、高压双向DC/DC转换器、小功率单向DC/DC转换器、电机控制器及驱动电机、系统能量管理控制器、高压开关K1、高压开关K2以及功率二极管，所述燃料电池电堆的高压输出端通过高压开关Kl与功率二极管阳极相连，蓄电组的高压输出端通过高压开关K2与功率二极管阴极及电机控制器的高压输入端直接并联，从而构成直流母线。所述超级电容组通过高压双向DC/DC转换器与直流母线相连。所述蓄电池组的高压输出端通过小功率单向DC/DC转换器与燃料电池辅助系统相连。所述系统能量管理控制器通过CAN总线连接燃料电池控制器、小功率单向DC/DC转换器、蓄电池管理系统、高压双向DC/DC转换器、超级电容管理系统、电机控制器，实时采集各部件状态信息，在各部件状态信息均正常的情况下，系统能量管理控制器通过直接控制高压开关Kl和高压开关K2，以及通过CAN总线控制小功率单向DC/DC转换器的输出、高压双向DC/DC转换器的输出以及电机控制器的转矩输出来完成整车在各状态下对动力系统的控制与管理。当整车处于启动状态时，燃料电池电堆没有能量输出，整车所需功率全部由蓄电池组提供。系统能量管理控制器控制小功率单向DC/DC转换器输出恒定电压给燃料电池辅助系统，以启动燃料电池电堆。同时控制高压开关Kl断开、高压开关K2闭合、电机控制器输出转矩完成整车起步。当燃料电池电堆启动完毕后，控制高压开关Kl闭合，燃料电池电堆接入直流母线。当整车处于加速状态时，需求功率较大，辅助能源补偿燃料电池电堆的输出功率。 系统能量管理控制器控制高压开关Kl闭合、电机控制器输出大驱动转矩完成加速过程。考虑到辅助能源装置的SOC较低时不宜放电，因此按照如下方式配置辅助能源的输出。若蓄电池组的SOC大于30%，则控制高压开关K2闭合，蓄电池组与燃料电池电堆直接并联输出功率；否则，控制高压开关K2断开。若超级电容组的SOC大于10%，则控制高压双向DC/DC转换器由超级电容组向直流母线正向输出大电流，分担加速过程中电机控制器的目标需求功率，从而减小燃料电池电堆与蓄电池组并联提供给电机控制器的功率，间接稳定母线电压，防止母线电压陡降；否则控制高压双向DC/DC转换器由超级电容组向直流母线正向输出零电流。加速时，如若蓄电池组的SOC不高于30%且超级电容组的SOC不高于10%，辅助能源装置不宜输出功率，需要控制电机控制器减小输出的电机驱动转矩，限制整车加速。当整车处于巡航状态时，整车需求功率小而稳定，全部由燃料电池电堆提供，辅助能源无需输出功率。系统能量管理控制器控制高压开关Kl闭合、高压开关K2断开，并控制电机控制器输出小驱动转矩维持巡航车速。蓄电池组与直流母线断开，不参与充放电，超级电容组依据自身SOC状况采取充电措施。若超级电容组的SOC小于50%，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容器反向中小电流充电；若超级电容组的SOC介于50%与70%之间，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容器反向小电流充电；若超级电容组的SOC大于70%时，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向零电流充电。当整车处于滑行状态时，需求功率为零，燃料电池电堆输出的多余功率需要由辅助能源吸收。系统能量管理控制器控制高压开关Kl闭合、电机控制器输出零转矩。考虑到辅助能源的SOC较高时不宜充电，因此按照如下方式储存能量。若超级电容组的SOC小于60%，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向中小电流充电；若超级电容组的SOC介于60%与90%之间，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向小电流充电；否则，控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向零电流充电。若蓄电池组的SOC小于70%且超级电容组的SOC大于90%，则控制高压开关K2闭合，燃料电池电堆与蓄电池组直接并联给蓄电池组充电；否则，控制高压开关K2断开。滑行时，如若超级电容组的SOC不小于90%且蓄电池组的SOC不小于70%，辅助能源装置不宜吸收能量，则控制高压开关Kl断开。当整车处于制动状态时，回馈的制动能量由辅助能源吸收，燃料电池电堆不需要输出功率。系统能量管理控制器控制高压开关Kl断开，并根据制动踏板强度控制电机控制器输出的制动转矩。考虑到辅助能源的SOC较高时不宜充电，因此按照如下方式回收制动
倉tfi。若超级电容组的SOC小于30%，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向大电流充电；若超级电容组的SOC介于30%与90%之间，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向中小电流充电；否则，控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组零电流充电。 若蓄电池组的SOC小于70%且超级电容组的SOC大于90%，则控制高压开关K2闭合，直流母线给蓄电池组充电；否则，控制高压开关K2断开。制动时，如若超级电容组的SOC不小于90%且蓄电池组的SOC不小于70%，辅助能源不宜吸收功率，因此控制电机控制器输出的制动转矩为零，即制动回馈能量为零。系统配置的超级电容组可提供很高的放电电流，补偿直流母线瞬时需求功率，满足整车峰值功率及大功率需求。超级电容组接受快速大电流充电能力强，快速有效地回收制动能量。直流母线向辅助能源充电时，本系统控制超级容组优先蓄电池组吸收制动能量，从而减少蓄电池组的充电次数，对蓄电池组起保护作用。本系统中，燃料电池电堆的输出端与蓄电池组的输出端直接并联构成直流母线，有别于传统的需要大功率DC/DC稳定直流母线电压的供电模式，提高了电池的供电效率。
图I为本发明的原理框图，图中^表示电气主接线；，—表示CAN通讯线。图2为本发明整车启动流程图。图3为本发明整车加速时的能量管理流程图。图4为本发明整车巡航时的能量管理流程图。图5为本发明整车滑行时的能量管理流程图。图6为本发明整车制动时的能量管理流程图。图7为本发明的能量流向示意图，图中- 表示功率流动路径及方向；-
表示直流母线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。图I是本发明提出的带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统的结构图，系统包括燃料电池电堆110、燃料电池辅助系统130及燃料电池控制器120、蓄电池组210及蓄电池组管理系统220、超级电容组320及超级电容管理系统330、高压双向DC/DC转换器310、小功率单向DC/DC转换器230、电机控制器410及驱动电机420、系统能量管理控制器510、高压开关K1140、高压开关K2240及功率二极管150。
燃料电池电堆110的高压输出端依次与高压开关K1140及功率二极管150的阳极相连，蓄电组210的高压输出端连接高压开关K2240后与功率二极管150的阴极及电机控制器410的高压输入端直接并联，从而构成直流母线。由于燃料电池电堆110与蓄电池组210直接并联，动态匹配直流母线电压，因此燃料电池电堆110与蓄电池组210的输出电压等级必须相当，电机控制器410的驱动电压处于直流母线可调电压范围内。超级电容组320通过高压双向DC/DC转换器310与直流母线相连，高压双向DC/DC转换器310工作在双向电流输出模式，完成对超级电容组320的在线充放电。
蓄电池组210的高压输出端通过小功率单向DC/DC转换器230与燃料电池辅助系统130相连。蓄电池组210为燃料电池辅助系统130提供能量。如图I所示，系统能量管理控制器510通过CAN总线连接燃料电池控制器120、小功率单向DC/DC转换器230、蓄电池管理系统220、高压双向DC/DC转换器310、超级电容管理系统330、电机控制器410，实时采集各部件状态信息。在各部件状态信息均正常的情况下，系统能量管理控制器510通过直接控制高压开关K1140和高压开关K2240，以及通过CAN总线控制小功率单向DC/DC转换器230的输出、高压双向DC/DC转换器310的输出以及电机控制器410的转矩输出来完成整车在各状态下对动力系统的控制与管理。下面结合图2-图7，说明当整车处于各种运行状态时，系统能量管理控制器510如何合理配置燃料电池电堆110、蓄电池组210、超级电容组320这三种能源，以实现驱动电机420的正常运行及能源的合理利用。当整车处于启动状态时，燃料电池电堆110未启动无法输出功率，整车需求功率由蓄电池组210全部提供。如图2所示，系统能量管理控制器510控制小功率单向DC/DC转换器230输出恒定电压给燃料电池辅助系统130，以启动燃料电池电堆110，并控制高压开关K1140断开、高压开关K2240闭合，同时，控制电机控制器410输出驱动转矩完成整车起步,此时能量流向示意图如图7-a所示。燃料电池电堆110启动完毕后，控制高压开关K1140闭合，燃料电池电堆110与蓄电池组210直接并联输出功率，此时的能量流向示意图如图7-b所示。当整车处于加速状态时，需求功率很大，辅助能源装置补偿输出整车需求功率。如图3所示，整车加速时，控制高压开关K1140闭合，并控制电机控制器410输出大转矩使驱动电机420加速。考虑到辅助能源的SOC较低时，不宜放电，因此依据如下方法配置辅助能源的输出。若超级电容组320的SOC大于10%且蓄电池组210的SOC大于30%，则闭合高压开关K2240，并控制高压双向DC/DC转换器310向直流母线输出大电流，分担加速过程中电机控制器410的目标需求功率，来减小燃料电池电堆110与蓄电池组210并联提供给电机控制器410的功率，从而间接稳定母线电压，防止母线电压陡降，此时的能量流向示意图如图7-c所示。若超级电容组320的SOC大于10%且蓄电池组210的SOC小于30%，则仅仅超级电容组320放电，控制高压开关K2240断开、高压双向DC/DC转换器310向直流母线输出大电流，此时能量流向图如图7-d所示。若超级电容组320的SOC不高于10%且蓄电池组210的SOC不低于30%，则超级电容组320不放电，控制高压开关K2240闭合、高压双向DC/DC转换器310向直流母线输出零电流，此时能量流向如图7-b所示。加速时，如若超级电容组320的SOC不高于10%且蓄电池组210的SOC不高于30%，则二者不参与放电，控制高压开关K2240断开、高压双向DC/DC转换器310向直流母线输出零电流，并给控制电机控制器410减小电机驱动转矩，限制整车加速，此时能量流向如图7-e所示。当整车处于巡航状态时，整车需求功率小而稳定，全部由燃料电池电堆110提供，辅助能源的功率补偿为零。如图4所示，整车进入巡航状态后，控制高压开关K1140闭合、高压开关K2240断开、电机控制器410输出一定转矩维持车速恒定。此时根据超级电容组320的SOC设置不同的充电电流。当超级电容组320的SOC小于50%时，控制高压双向DC/DC转换器310给超级电容组320中小电流充电，此时能量流向如图7-f所示。 当超级电容组320的SOC介于50%与70%之间时，控制高压双向DC/DC转换器310给超级电容组320小电流充电，此时能量流向如图7-f所示。当超级电容组320的SOC大于70%时，控制高压双向DC/DC转换器310给超级电容组320零电流充电，能量流向如图7-e所示。当整车处于滑行状态时，整车需求功率为零，辅助能源吸收燃料电池电堆110输出的多余功率。如图5所示，整车滑行时，控制高压开关Kl 140闭合、电机控制器410输出零转矩，并根据辅助能源的SOC储存能量。若超级电容组320的SOC小于60%，则控制高压双向DC/DC转换器310对超级电容组320中小电流充电、高压开关K2240断开，此时的能量流向如图7_g所示。若超级电容组320的SOC介于60%与90%之间，则控制高压双向DC/DC转换器310对超级电容组320小电流充电、高压开关K2240断开，此时的能量流向如图7_g所示。若超级电容组320的SOC不小于90%，且蓄电池组的SOC小于70%，则控制高压双向DC/DC转换器310对超级电容组320零电流充电、高压开关K2240闭合，燃料电池电堆110与蓄电池组210直接并联充电，能量流向如图7-h所示。滑行时，如若超级电容组320的SOC不小于90%，且蓄电池组的SOC不小于70%，则辅助能源装置无法吸收燃料电池电堆110输出的多余能量，控制高压开关K1140断开、高压开关K2240断开、高压双向DC/DC转换器310对超级电容组320零电流充电，此时能量流向如图7-i。当整车处于制动状态时，辅助能源回收制动能量，燃料电池电堆110输出功率为零。如图6所示，系统能量管理控制器510控制高压开关K1140断开、根据制动强度控制电机控制器410输出的制动转矩，并根据辅助能源的SOC储存制动能量。当超级电容组320的SOC小于30%时，控制高压双向DC/DC转换器310由直流母线向超级电容组320大电流充电、高压开关K2240断开，此时的能量流向如图7-j所示。当超级电容组320的SOC介于30%与90%之间时，控制高压双向DC/DC转换器310由直流母线向超级电容组320中小电流充电、高压开关K2240断开，此时的能量流向如图
7-j所示。当超级电容组320的SOC大于90%且蓄电池组210的SOC小于70%时，控制高压双向DC/DC转换器310由直流母线向超级电容组320零电流充电、高压开关K2240闭合，即超级电容组320处于饱和状态时由蓄电池组吸收制动能量,此时的能量流向如图7-k所示。制动时，如若超级电容组320的SOC不低于90%且蓄电池组210的SOC不低于70%，二者均无法吸收多余的能量，则控制高压开关K2240断开、高压双向DC/DC转换器310的输出电流为零，并控制电机控制器410输出的制动转矩为零，即回馈的能量为零，此时的能量流向如图7-i所示。 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术。
权利要求
1.一种带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统，其特征在于所述系统包括燃料电池电堆、燃料电池辅助系统及燃料电池控制器、蓄电池组及蓄电池管理系统、超级电容组及超级电容管理系统、高压双向DC/DC转换器、小功率单向DC/DC转换器、电机控制器及驱动电机、系统能量管理控制器、高压开关K1、高压开关K2以及功率二极管，其中燃料电池电堆的高压输出端通过高压开关Kl与功率二极管阳极相连，蓄电组的高压输出端通过高压开关K2与功率二极管阴极及电机控制器的高压输入端直接并联，从而构成直流母线；超级电容组通过高压双向DC/DC转换器与直流母线相连，蓄电池组高压输出端通过小功率单向DC/DC转换器与燃料电池辅助系统相连，超级电容组与高压双向DC/DC转换器的输入端相连，系统能量管理控制器通过CAN总线连接燃料电池控制器、小功率单向DC/DC转换器、蓄电池管理系统、高压双向DC/DC转换器、超级电容管理系统以及电机控制器。
2.如权利要求I所述的带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统，该系统的控制方法是系统能量管理控制器通过CAN总线采集各部件状态信息，当各部件状态信息均正常的情况下，系统能量管理控制器通过直接控制高压开关Kl和高压开关K2，以及通过CAN总线控制小功率单向DC/DC转换器的输出、高压双向DC/DC转换器的输出以及电机控制器的转矩输出来完成整车在各状态下对动力系统的控制与管理。
3.如权利要求2所述的带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统的控制方法，其特征在于当整车处于启动状态时，系统能量管理控制器控制小功率单向DC/DC转换器输出恒定电压给燃料电池辅助系统，以启动燃料电池电堆，同时控制高压开关Kl断开、高压开关K2闭合、电机控制器输出转矩完成整车起步，当燃料电池电堆启动完毕后，控制高压开关Kl闭合，燃料电池电堆接入直流母线。
4.如权利要求2所述的带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统的控制方法，其特征在于当整车处于加速状态时，系统能量管理控制器控制高压开关Kl闭合、电机控制器输出大驱动转矩完成加速过程，同时系统能量管理控制器按照如下方式配置辅助能源的输出 若蓄电池组的SOC大于30%，则控制高压开关K2闭合，蓄电池组与燃料电池电堆直接并联输出功率；否则，控制高压开关K2断开； 若超级电容组的SOC大于10%，则控制高压双向DC/DC转换器由超级电容组向直流母线正向输出大电流，分担加速过程中电机控制器的目标需求功率，从而减小燃料电池电堆与蓄电池组并联提供给电机控制器的功率，间接稳定母线电压，防止母线电压陡降；否则控制高压双向DC/DC转换器由超级电容组向直流母线正向输出零电流； 加速时，如若蓄电池组的SOC不高于30%且超级电容组的SOC不高于10%，辅助能源装置不宜输出功率，需要控制电机控制器减小输出的电机驱动转矩，限制整车加速。
5.如权利要求2所述的带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统的控制方法，其特征在于当整车处于巡航状态时，系统能量管理控制器控制高压开关Kl闭合、高压开关K2断开，并控制电机控制器输出小驱动转矩维持巡航车速，蓄电池组与直流母线断开，不参与充放电，超级电容组依据自身SOC状况采取充电措施 若超级电容组的SOC小于50%，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容器 反向中小电流充电；若超级电容组的SOC介于50%与70%之间，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容器反向小电流充电；若超级电容组的SOC大于70%时，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向零电流充电。
6.如权利要求2所述的带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统的控制方法，其特征在于当整车处于滑行状态时，系统能量管理控制器控制高压开关Kl闭合、电机控制器输出零转矩，同时系统能量管理控制器控制蓄电池组以及超级电容组按照如下方式储存能量 若超级电容组的SOC小于60%，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向中小电流充电；若超级电容组的SOC介于60%与90%之间，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向小电流充电；否则，控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向零电流充电； 若蓄电池组的SOC小于70%且超级电容组的SOC大于90%，则控制高压开关K2闭合，燃料电池电堆与蓄电池组直接并联给蓄电池组充电；否则，控制高压开关K2断开； 滑行时，如若超级电容组的SOC不小于90%且蓄电池组的SOC不小于70%，辅助能源装置不宜吸收能量，则控制高压开关Kl断开。
7.如权利要求2所述的带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统的控制方法，其特征在于当整车处于制动状态时，系统能量管理控制器控制高压开关Kl断开，并根据制动踏板强度控制电机控制器输出的制动转矩，同时系统能量管理控制器控制蓄电池组以及超级电容组按照如下方式回收制动能量 若超级电容组的SOC小于30%，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向大电流充电；若超级电容组的SOC介于30%与90%之间，则控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组反向中小电流充电；否则，控制高压双向DC/DC转换器由直流母线向超级电容组零电流充电； 若蓄电池组的SOC小于70%且超级电容组的SOC大于90%，则控制高压开关K2闭合，直流母线给蓄电池组充电；否则，控制高压开关K2断开； 制动时，如若超级电容组的SOC不小于90%且蓄电池组的SOC不小于70%，辅助能源不宜吸收功率，因此控制电机控制器输出的制动转矩为零，即制动回馈能量为零。
全文摘要
本发明涉及一种带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统，包括燃料电池电堆、燃料电池辅助系统及燃料电池控制器、蓄电池组、超级电容组、高压双向DC/DC转换器、小功率单向DC/DC转换器、电机控制器及驱动电机以及系统能量管理控制器，燃料电池电堆的高压输出端通过高压开关K1与功率二极管阳极相连，蓄电组的高压输出端通过高压开关K2与功率二极管阴极及电机控制器的高压输入端直接并联构成直流母线。超级电容组通过高压双向DC/DC转换器与直流母线相连，蓄电池组的高压输出端通过小功率单向DC/DC转换器与燃料电池辅助系统相连。本发明摒弃了传统燃料电池电堆输出需要大功率DC/DC稳压的供电模式，提高了效率；配置的超级电容组可补偿直流母线瞬时需求功率，稳定母线电压，并快速、有效地回收制动能量。
文档编号B60L15/00GK102700427SQ20121017779
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者全书海, 孙晓明, 张琴, 张立炎, 石英, 谢长君, 邓坚, 陈启宏, 黄亮 申请人:武汉理工大学