一种燃料电池动力系统及其控制方法、整车控制器、汽车与流程

本发明涉及但不限于汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池动力系统及其控制方法、整车控制器、汽车。

背景技术：

燃料电池汽车由于具有高效率、零排放等优点，被认为是有希望替代内燃机汽车成为下一代公路运输工具的新能源汽车。由于燃料电池通过限制输出功率动态响应速度提高耐久性，现有的燃料电池动力系统普遍采用燃料电池发动机与动力电池组成混合动力源，向车辆附件系统、电机控制器等负载提供电力。

由于燃料电池发动机输出电压、动力电池开路电压以及电机控制器输入电压三者之间存在较大差异，因此需要采用直流/直流(directcurrent/directcurrent，dc/dc)变换器对燃料电池发动机、动力电池、以及电机控制器进行电压解耦和功率控制，从而达到优化燃料电池发动机工作状态的目的。但是，dc/dc变换器存在固有的能量转换效率，在大功率燃料电池发动机条件下，这种功率损失较为明显，进而降低了燃料电池动力系统的经济性。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种燃料电池动力系统及其控制方法、整车控制器、汽车，能够降低燃料电池动力系统的功率损失。

为了达到本发明目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种燃料电池动力系统，包括整车控制器、燃料电池发动机、dc/dc变换器、电机控制器、动力电池、旁路开关和防反充装置，其中：

所述燃料电池发动机分别通过第一支路和第二支路与电机控制器相连接，所述第一支路包括dc/dc变换器，所述第二支路包括串联连接的旁路开关和防反充装置；动力电池与dc/dc变换器并联连接在电机控制器的直流母线上；

所述整车控制器，用于根据车辆行驶状态，控制所述旁路开关的开闭状态。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器的根据车辆行驶状态，控制所述旁路开关的开闭状态，包括：

当所述车辆的行驶状态为驱动状态且行驶速度高于预设的第一速度阈值且在预设时长范围内，所述车辆的速度变化率低于预设的速率变化率阈值时，控制所述旁路开关的状态为闭合状态。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器的根据车辆行驶状态，控制所述旁路开关的开闭状态，包括：

当所述车辆的行驶状态为驱动状态且行驶速度低于所述预设的第一速度阈值时，控制所述旁路开关的状态为断开状态。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器的根据车辆行驶状态，控制所述旁路开关的开闭状态，包括：

当所述车辆行驶状态为制动状态时，控制所述旁路开关的状态为断开状态。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器还用于：

保存一平衡状态集合，所述平衡状态集合中包括多个平衡状态，每个所述平衡状态包括所述电机控制器的一个第一工作点及相对应的所述燃料电池发动机的一个第二工作点，所述电机控制器的第一工作点包括所述电机控制器的输入电流与输入电压；所述燃料电池发动机的第二工作点包括所述燃料电池发动机的输出电流与输出电压。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器还用于：

当所述车辆的行驶速度逐渐增大时，调整所述电机控制器的第一工作点在所述保存的平衡状态集合中向更大输入电流且更低输入电压的平衡状态移动；调整所述燃料电池发动机的第二工作点在所述保存的平衡状态集合中向更大输出电流且更低输出电压的平衡状态移动。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器还用于：

当所述车辆的行驶速度逐渐增大且所述电机控制器的输入电压与所述燃料电池发动机的输出电压之间的差值小于或等于预设的电压阈值时，继续调整所述电机控制器的第一工作点在所述保存的平衡状态集合中向更大输入电流且更低输入电压的平衡状态移动，并当所述电机控制器的输入电压低于所述燃料电池发动机的输出电压时，闭合所述旁路开关。

本发明实施例还提供了一种汽车，包括如以上任一项所述的燃料电池动力系统。

本发明实施例还提供了一种燃料电池动力系统的控制方法，所述燃料电池动力系统包括整车控制器、燃料电池发动机、dc/dc变换器、电机控制器、动力电池、旁路开关和防反充装置，其中：所述燃料电池发动机分别通过第一支路和第二支路与电机控制器相连接，所述第一支路包括dc/dc变换器，所述第二支路包括串联连接的旁路开关和防反充装置；动力电池与dc/dc变换器并联连接在电机控制器的直流母线上；

所述控制方法包括：

根据车辆行驶状态，控制所述燃料电池发动机通过所述第一支路或所述第二支路与所述电机控制器相连接。

本发明实施例还提供了一种整车控制器，包括处理器及存储器，其中：

所述处理器用于执行存储器中存储的燃料电池动力系统的控制程序，以实现如上所述的燃料电池动力系统的控制方法的步骤。

本发明实施例的技术方案，具有如下有益效果：

本发明实施例提供的燃料电池动力系统及其控制方法、整车控制器、汽车，通过根据车辆行驶状态控制所述旁路开关的开闭状态，进而控制燃料电池发动机通过dc/dc变换器或绕过dc/dc变换器，与电机控制器相连接，降低了dc/dc变换器固有的能量转换效率造成的整个燃料电池动力系统的功率损失，提高了燃料电池动力系统的经济性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的一种燃料电池动力系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的另一种燃料电池动力系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种整车控制器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，根据本发明实施例的一种燃料电池动力系统，包括整车控制器101、燃料电池发动机102、dc/dc变换器103、电机控制器104、动力电池105、旁路开关106和防反充装置107，其中：

所述燃料电池发动机102分别通过第一支路和第二支路与电机控制器104相连接，所述第一支路包括dc/dc变换器103，所述第二支路包括串联连接的旁路开关106和防反充装置107；动力电池105与dc/dc变换器103并联连接在电机控制器104的直流母线上；

所述整车控制器101，用于根据车辆行驶状态，控制所述旁路开关106的开闭状态。

需要说明的是，整车控制器101根据车辆的行驶状态，控制燃料电池发动机102选择通过dc/dc变换器103所在的第一支路，或者通过旁路开关106与防反充装置107组成的第二支路直接连接直流母线，进而与动力电池105组成混合动力源，向车辆附件系统、电机控制器104等负载提供电力。

如图2所示，所述燃料电池动力系统还包括驱动电机、附件系统、变速器和驱动桥，所述附件系统与所述动力电池、dc/dc变换器一起并联连接在所述电机控制器的直流母线上，所述驱动电机连接在所述电机控制器的输出端，所述变速器与所述驱动电机相连接，所述驱动桥与所述变速器相连接。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器101可以通过控制器局域网络(controllerareanetwork，can)数据总线分别与所述燃料电池发动机102、所述dc/dc变换器103、所述电机控制器104、所述动力电池105和所述旁路开关106建立通讯连接。

本实施例中，所述dc/dc变换器103可以为小功率单向dc/dc变换器103。具体地，所述dc/dc变换器103的额定功率可以小于或等于所述燃料电池发动机102额定功率，例如，可以为所述燃料电池发动机102额定功率的40％至50％左右。本发明实施例通过采用小功率dc/dc变换器103，降低了燃料电池动力系统的成本。

本实施例中，所述防反充装置107可以为功率二极管。所述旁路开关106和功率二极管应当满足大电流高电压安全性。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器101的根据车辆行驶状态，控制所述旁路开关106的开闭状态，包括：

当所述车辆的行驶状态为驱动状态且行驶速度高于预设的第一速度阈值且在预设时长范围内，所述车辆的速度变化率低于预设的速率变化率阈值时，控制所述旁路开关106的状态为闭合状态。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器101的根据车辆行驶状态，控制所述旁路开关106的开闭状态，包括：

当所述车辆的行驶状态为驱动状态且行驶速度低于预设的第一速度阈值时，控制所述旁路开关106的状态为断开状态。

需要说明的是，本发明实施例的整车控制器101在所述车辆低速行驶(此时，所述车辆可以为稳态行驶，也可以为非稳态行驶)时，控制所述旁路开关106的状态为断开状态；在所述车辆高速稳态行驶时，控制所述旁路开关106的状态为闭合状态。

高速公路具有工况稳定、车速高、负载大、续驶里程长、制动工况少、以及制动过程动力系统功率需求变化幅度大等特点，因此，当车辆在高速公路上行驶时，通常的行驶状态均为高速稳态行驶。本发明实施例的燃料电池动力系统允许燃料电池发动机102在车辆高速稳态行驶时，绕过dc/dc变换器103，通过旁路开关106与防反充装置107直接连接直流母线，从而消除了dc/dc变换器103固有的能量转换效率造成的整个燃料电池动力系统的功率损耗，保证了燃料电池动力系统的经济性。

在本发明的一实施例中，当所述车辆的行驶状态为驱动状态且行驶速度低于预设的第一速度阈值时，所述整车控制器101还用于：

控制所述dc/dc变换器103抽取所述燃料电池发动机102的输出电流(即控制dc/dc变换器103工作于电流闭环控制模式，所述dc/dc变换器103强制所述燃料电池发动机102输出电流)。

在低速稳态工况下，电机控制器104对混合动力源电流需求较小。按照动力电池105的输出特性，在输出电流较小时，其输出电压较高且小于其开路电压。因此，通过dc/dc变换器103抽取燃料电池发动机102的输出电流，实现燃料电池发动机102与动力电池105开路电压解耦，允许燃料电池发动机102在恒功率条件下选择输出电压合理的工作点，保证动力系统耐久性。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器101的根据车辆行驶状态，控制所述旁路开关106的开闭状态，还包括：

当所述车辆行驶状态为制动状态时，控制所述旁路开关106的状态为断开状态。

在该实施例中，当所述车辆行驶状态为制动状态时，所述整车控制器101还用于：

控制所述dc/dc变换器103抽取所述燃料电池发动机102的输出电流，并控制所述动力电池105吸收所述dc/dc变换器103抽取的燃料电池发动机102的输出电流以及所述电机控制器104输出到直流母线的电流。

在制动回馈条件下，电机控制器104向直流母线输入电流，打开旁路开关106，dc/dc变换器103开始工作，通过dc/dc变换器103抽取燃料电池发动机102的输出电流，在动力电池105吸收制动能量的过程中，实现了燃料电池发动机102的负载平缓减小，实现了燃料电池发动机102的输出电压钳位，保证了燃料电池动力系统的耐久性。动力电池105同时吸收燃料电池发动机102与电机控制器104的输出电流，储存能量。之后，按照电机控制器104的工作点变化趋势(停机或者重新驱动)，协调控制燃料电池发动机102的工作点，向小功率或者大功率工作点平滑移动，保证动力系统耐久性。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器101还用于：

保存一平衡状态集合，所述平衡状态集合中包括多个平衡状态，每个所述平衡状态包括所述电机控制器104的一个第一工作点及相对应的所述燃料电池发动机102的一个第二工作点，所述电机控制器104的第一工作点包括所述电机控制器104的输入电流与输入电压；所述燃料电池发动机102的第二工作点包括所述燃料电池发动机102的输出电流与输出电压。

需要说明的是，本发明实施例的电机控制器104应具有宽输入电压范围，所述动力电池105的目标输出特性应与所述电机控制器104的第一工作点集合相匹配。在使用本发明实施例的燃料电池动力系统之前，首先需要按照车辆目标工况点集合计算所述电机控制器104的第一工作点集合，然后按照电机控制器104的第一工作点集合选择动力电池105的目标输出特性(即一定电量水平下的伏安特性曲线)，同时恒功率选择燃料电池发动机102的第二工作点集合。定义一个或者多个平衡状态，每个平衡状态包括电机控制器104的一个第一工作点，以及对应燃料电池发动机102的一个第二工作点。通过控制燃料电池发动机102在第二工作点集合中工作可以保证燃料电池动力系统的耐久性。

在平衡状态下，dc/dc变换器103的输出电流等于电机控制器104的输入电流需求，dc/dc变换器103的输出电压等于电机控制器104的输入电压需求，同时等于动力电池105的输出电压。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器101还用于：

当所述车辆的行驶速度逐渐增大时，调整所述电机控制器104的第一工作点在所述保存的平衡状态集合中向更大输入电流且更低输入电压的平衡状态移动；调整所述燃料电池发动机102的第二工作点在所述保存的平衡状态集合中向更大输出电流且更低输出电压的平衡状态移动。

随着车速逐渐增大，电机控制器104的输入功率需求增大，电机控制器104的实际工作点在第一工作点集合中向更大电流更低电压的平衡状态移动，相应地，燃料电池发动机102的实际工作点同样在第二工作点集合中向更大电流更低电压的平衡状态移动。

在本发明的一实施例中，所述整车控制器101还用于：

当所述车辆的行驶速度逐渐增大且所述电机控制器104的输入电压与所述燃料电池发动机102的输出电压之间的差值小于或等于预设的电压阈值时，继续调整所述电机控制器104的第一工作点在所述保存的平衡状态集合中向更大输入电流且更低输入电压的平衡状态移动，并当所述电机控制器104的输入电压低于所述燃料电池发动机102的输出电压时，闭合所述旁路开关106。

需要说明的是，本发明实施例的燃料电池动力系统在车辆平稳加速至高速稳态的过程中，闭合所述旁路开关106；在车辆急加速而后速度又回落的过程中，并不闭合旁路开关106。当燃料电池发动机102的输出电压接近电机控制器104的输入电压时，首先控制电机控制器104的第一工作点继续向更大输入电流且更低输入电压的平衡状态移动，并当电机控制器104的输入电压低于燃料电池发动机102的输出电压时，闭合旁路开关106，保证了燃料电池发动机102持续地输出电流，避免输出电压大幅度上升，保证了燃料电池动力系统的耐久性。同时，当旁路开关106两端电压接近时闭合开关，可以避免大电流造成的接触器粘连。

本发明实施例还提供了一种汽车，包括如以上任一项所述的燃料电池动力系统。

本发明实施例还提供了一种燃料电池动力系统的控制方法，所述燃料电池动力系统包括整车控制器、燃料电池发动机、dc/dc变换器、电机控制器、动力电池、旁路开关和防反充装置，其中：所述燃料电池发动机分别通过第一支路和第二支路与电机控制器相连接，所述第一支路包括dc/dc变换器，所述第二支路包括串联连接的旁路开关和防反充装置；动力电池与dc/dc变换器并联连接在电机控制器的直流母线上；

所述控制方法包括：

根据车辆行驶状态，控制所述燃料电池发动机通过所述第一支路或所述第二支路与所述电机控制器相连接。

本实施例中，所述dc/dc变换器可以为小功率单向dc/dc变换器。具体地，所述dc/dc变换器的额定功率可以小于或等于所述燃料电池发动机额定功率，例如，可以为所述燃料电池发动机额定功率的40％至50％左右。本发明实施例通过采用小功率dc/dc变换器，降低了燃料电池动力系统的成本。

本实施例中，所述防反充装置可以为功率二极管。所述旁路开关和功率二极管应当满足大电流高电压安全性。

在本发明的一实施例中，所述控制方法包括：

当所述车辆的行驶状态为驱动状态且行驶速度高于预设的第一速度阈值且在预设时长范围内，所述车辆的速度变化率低于预设的速率变化率阈值时，控制所述燃料电池发动机通过所述第二支路与所述电机控制器相连接。

在本发明的一实施例中，所述控制方法包括：

当所述车辆的行驶状态为驱动状态且行驶速度低于预设的第一速度阈值时，控制所述燃料电池发动机通过所述第一支路与所述电机控制器相连接。

需要说明的是，本发明实施例的燃料电池动力系统的控制方法在所述车辆低速行驶(此时，所述车辆可以为稳态行驶，也可以为非稳态行驶)时，控制所述燃料电池发动机通过所述dc/dc变换器与所述电机控制器相连接；在所述车辆高速稳态行驶时，控制所述燃料电池发动机绕过所述dc/dc变换器，直接通过直流母线与所述电机控制器相连接。

高速公路具有工况稳定、车速高、负载大、续驶里程长、制动工况少、以及制动过程动力系统功率需求变化幅度大等特点，因此，当车辆在高速公路上行驶时，通常的行驶状态均为高速稳态行驶。本发明实施例允许燃料电池发动机在车辆高速稳态行驶时，绕过dc/dc变换器，通过旁路开关与防反充装置直接连接直流母线，从而消除了dc/dc变换器固有的能量转换效率造成的整个燃料电池动力系统的功率损耗，保证了燃料电池动力系统的经济性。

在本发明的一实施例中，当所述车辆的行驶状态为驱动状态且行驶速度低于预设的第一速度阈值时，所述控制方法还包括：

控制所述dc/dc变换器抽取所述燃料电池发动机的输出电流(即控制dc/dc变换器工作于电流闭环控制模式，所述dc/dc变换器强制所述燃料电池发动机输出电流)。

在低速稳态工况下，电机控制器对混合动力源电流需求较小。按照动力电池的输出特性，在输出电流较小时，其输出电压较高且小于其开路电压。因此，通过dc/dc变换器抽取燃料电池发动机的输出电流，实现燃料电池发动机与动力电池开路电压解耦，允许燃料电池发动机在恒功率条件下选择输出电压合理的工作点，保证动力系统耐久性。

在本发明的一实施例中，所述控制方法包括：

当所述车辆行驶状态为制动状态时，控制所述燃料电池发动机通过所述第一支路与所述电机控制器相连接。

在该实施例中，当所述车辆行驶状态为制动状态时，所述控制方法还包括：

控制所述dc/dc变换器抽取所述燃料电池发动机的输出电流，并控制所述动力电池吸收所述dc/dc变换器抽取的燃料电池发动机的输出电流以及所述电机控制器输出到直流母线的电流。

在制动回馈条件下，电机控制器向直流母线输入电流，打开旁路开关，dc/dc变换器开始工作，通过dc/dc变换器抽取燃料电池发动机的输出电流，在动力电池吸收制动能量的过程中，实现了燃料电池发动机的负载平缓减小，实现了燃料电池发动机的输出电压钳位，保证了燃料电池动力系统的耐久性。动力电池同时吸收燃料电池发动机与电机控制器的输出电流，储存能量。之后，按照电机控制器的工作点变化趋势(停机或者重新驱动)，协调控制燃料电池发动机的工作点，向小功率或者大功率工作点平滑移动，保证动力系统耐久性。

在本发明的一实施例中，所述控制方法之前还包括：

在所述整车控制器上保存一平衡状态集合，所述平衡状态集合中包括多个平衡状态，每个所述平衡状态包括所述电机控制器的一个第一工作点及相对应的所述燃料电池发动机的一个第二工作点，所述电机控制器的第一工作点包括所述电机控制器的输入电流与输入电压；所述燃料电池发动机的第二工作点包括所述燃料电池发动机的输出电流与输出电压。

需要说明的是，本发明实施例的电机控制器应具有宽输入电压范围，所述动力电池的目标输出特性应与所述电机控制器的第一工作点集合相匹配。在使用本发明实施例的燃料电池动力系统的控制方法之前，首先需要按照车辆目标工况点集合计算所述电机控制器的第一工作点集合，然后按照电机控制器的第一工作点集合选择动力电池的目标输出特性(即一定电量水平下的伏安特性曲线)，同时恒功率选择燃料电池发动机的第二工作点集合。定义一个或者多个平衡状态，每个平衡状态包括电机控制器的一个第一工作点，以及对应燃料电池发动机的一个第二工作点。通过控制燃料电池发动机在第二工作点集合中工作可以保证燃料电池动力系统的耐久性。

在平衡状态下，dc/dc变换器的输出电流等于电机控制器的输入电流需求，dc/dc变换器的输出电压等于电机控制器的输入电压需求，同时等于动力电池的输出电压。

在本发明的一实施例中，所述控制方法还包括：

当所述车辆的行驶速度逐渐增大时，调整所述电机控制器的第一工作点在所述保存的平衡状态集合中向更大输入电流且更低输入电压的平衡状态移动；调整所述燃料电池发动机的第二工作点在所述保存的平衡状态集合中向更大输出电流且更低输出电压的平衡状态移动。

随着车速逐渐增大，电机控制器的输入功率需求增大，电机控制器的实际工作点在第一工作点集合中向更大电流更低电压的平衡状态移动，相应地，燃料电池发动机的实际工作点同样在第二工作点集合中向更大电流更低电压的平衡状态移动。

在本发明的一实施例中，所述控制方法还包括：

当所述车辆的行驶速度逐渐增大且所述电机控制器的输入电压与所述燃料电池发动机的输出电压之间的差值小于或等于预设的电压阈值时，继续调整所述电机控制器的第一工作点在所述保存的平衡状态集合中向更大输入电流且更低输入电压的平衡状态移动，并当所述电机控制器的输入电压低于所述燃料电池发动机的输出电压时，闭合所述旁路开关。

需要说明的是，本发明实施例的燃料电池动力系统的控制方法在车辆平稳加速至高速稳态的过程中，闭合所述旁路开关；在车辆急加速而后速度又回落的过程中，并不闭合旁路开关。当燃料电池发动机的输出电压接近电机控制器的输入电压时，首先控制电机控制器的第一工作点继续向更大输入电流且更低输入电压的平衡状态移动，并当电机控制器的输入电压低于燃料电池发动机的输出电压时，闭合旁路开关，保证了燃料电池发动机持续地输出电流，避免输出电压大幅度上升，保证了燃料电池动力系统的耐久性。同时，当旁路开关两端电压接近时闭合开关，可以避免大电流造成的接触器粘连。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种整车控制器，包括处理器301及存储器302，其中：

所述处理器301用于执行存储器302中存储的燃料电池动力系统的控制程序，以实现如以上任一项所述的燃料电池动力系统的控制方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如以上任一项所述的燃料电池动力系统的控制方法的步骤。

本发明实施例提供的燃料电池动力系统及其控制方法、整车控制器、汽车，其优点包括：

(1)通过匹配燃料电池发动机与动力电池的输出特性，在高速稳态工况下可以实现燃料电池发动机直接连接直流母线，既消除了dc/dc变换器造成的功率损耗，又避免采用大功率dc/dc，减少了燃料电池动力系统的成本；

(2)在低速稳态工况下，通过dc/dc变换器抽取燃料电池发动机的输出电流，实现了燃料电池发动机与动力电池输出电压解耦，允许燃料电池发动机在恒功率条件下选择输出电压合理的工作点，保证了动力系统的耐久性；

(3)在制动回馈条件下，通过dc/dc变换器抽取燃料电池发动机的输出电流，限制燃料电池发动机输出电流的减小速率，实现了燃料电池发动机输出电压钳位，保证了动力系统耐久性。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。