汽车动力系统及其供电控制方法与流程

1.本公开涉及汽车电池技术领域，尤其涉及一种汽车动力系统及其供电控制方法。


背景技术：

2.现有的电池汽车动力系统主要有动力电池系统和燃料电池系统两种。
3.其中，动力电池系统具有能量密度较大的优点，但是其具有以下缺点：稳定性、安全性较差；低温使用性能较差；使用寿命相对较短且更换成本高；动力电池制造成本较高。
4.燃料电池有着效率高、运行平稳无噪声、低温使用性好等优点，但是燃料电池系统长期高功率输出对整系统的寿命、安全性等各方面都会产生影响，且燃料电池的动力响应较慢。
5.可见，动力电池系统和燃料电池系统各有优缺点。为了提高汽车的动力系统性能，近些年，综合使用动力电池系统和燃料电池系统的汽车动力系统得到的青睐，例如，动力电池系统和氢燃料电池系统的混合动力系统。但是，动力电池系统和氢燃料电池系统的混合动力系统仍旧存在至少以下问题：
6.1.氢燃料电池系统和动力电池系统长时间多频次大功率输出会大大降低使用寿命，增加了使用的安全风险；
7.2.氢燃料电池系统中贵金属多，价格昂贵，且动力电池系统需要回收，易造成环境污染；
8.3.氢燃料电池系统低温使用性好，动力电池系统低温使用性能较差，在低温环境下，动力电池系统基本无用，无法起到混合动力的作用；
9.4.氢燃料电池系统和动力电池系统结构复杂，综合体积大，长期使用维护成本高；
10.5.动力电池的能量涉及到能量转换过程，回收效率相对较低；
11.6.氢燃料电池汽车动力系统中氢燃料电池系统和动力电池系统的体积大。


技术实现要素：

12.本公开所要解决的技术问题是：现有的动力电池系统和氢燃料电池系统的混合动力系统使用寿命低，价格昂贵，回收麻烦或有环境污染，低温环境混合动力效果差，结构复杂，综合体积大，长期使用维护成本高，动力回收能力和动力回收效率低的问题。
13.为解决上述技术问题，本公开实施例提供一种汽车动力系统，包括：超级电容系统、动力电池系统、燃料电池系统、dc/dc模块和电机；
14.超级电容系统、动力电池系统和燃料电池系统并联；超级电容系统、动力电池系统和燃料电池系统的并联输出端通过dc/dc模块后连接电机；
15.dc/dc模块用于将超级电容系统和/或动力电池系统和/或燃料电池系统输出的电流/电压变换为电机所需的电流/电压，以使电机驱动汽车车轮运动。
16.在一些实施例中，燃料电池系统为氢燃料电池系统。
17.在一些实施例中，系统还包括：供电控制模块，其与汽车的ecu车载电脑以及超级
电容系统、动力电池系统、燃料电池系统连接；
18.供电控制模块用于通过ecu采集汽车的油门踏板信号，并在采集到当前汽车的油门踏板被踩下的信号时，控制超级电容系统、动力电池系统、燃料电池系统同时放电。
19.在一些实施例中，供电控制模块还用于通过ecu采集汽车的发动机运转状态及制动状态，并在采集到当前汽车处于发动机运转但完全制动的怠速状态时，控制燃料电池系统对超级电容系统和动力电池系统充电。
20.在一些实施例中，供电控制模块还用于通过ecu采集汽车的速度值，并在采集到当前汽车处于匀速行驶状态时，判断当前燃料电池系统的剩余电能是否高于电机的所需电能，若是，则控制燃料电池系统对超级电容系统和动力电池系统充电。
21.在一些实施例中，供电控制模块还用于通过ecu采集汽车的制动状态和档位状态，并在采集到当前汽车处于制动减速状态或空挡滑行状态时，控制燃料电池系统对超级电容系统和动力电池系统充电；
22.电机，还用于在当前汽车处于制动减速状态或滑行状态时回收电能，并通过供电控制模块使用回收的电能对超级电容系统和动力电池系统充电。
23.本公开实施例还提供一种汽车动力系统的供电控制方法，用于本公开提供的汽车动力系统，且该系统中的燃料电池系统为氢燃料电池系统；该控制方法包括：
24.实时采集汽车的油门踏板信号；
25.当采集到当前汽车的油门踏板被踩下的信号时，控制超级电容系统、动力电池系统、燃料电池系统同时放电。
26.在一些实施例中，实时采集汽车的油门踏板信号的步骤，还包括：实时采集汽车的发动机运转状态及制动状态；
27.该控制方法还包括：
28.当采集到当前汽车处于发动机运转但完全制动的怠速状态时，控制燃料电池系统对超级电容系统和动力电池系统充电。
29.在一些实施例中，实时采集汽车的油门踏板信号的步骤，还包括：实时采集汽车的速度值；
30.该控制方法还包括：
31.当采集到当前汽车处于匀速行驶状态时，判断当前燃料电池系统的剩余电能是否高于电机的所需电能；
32.若当前燃料电池系统的剩余电能高于电机的所需电能，则控制燃料电池系统对超级电容系统和动力电池系统充电。
33.在一些实施例中，实时采集汽车的油门踏板信号的步骤，还包括：实时采集汽车的制动状态和档位状态；
34.该控制方法还包括：
35.当采集到当前汽车处于制动减速状态或空挡滑行状态时，控制燃料电池系统对超级电容系统和动力电池系统充电，同时通过电机回收电能，并使用回收的电能对超级电容系统和动力电池系统充电。
36.通过上述技术方案，本公开提供的汽车动力系统以超级电容系统和动力电池系统配合燃料电池系统作为汽车动力系统，并提供了该汽车动力系统的供电控制方法，形成高
效的氢燃料电池发动机系统解决方案，有益效果如下：
37.1)本汽车动力系统中增加了超级电容系统，该超级电容系统能量密度高，与氢燃料电池在能量供给方面可以相互配合、相互作用，同时超级电容系统放电能力强，在起步/加速/爬坡工况下可以提供足够的电能驱动电机瞬时高扭矩转动，此方案可以完美解决氢燃料电池系统动力输出疲软的问题；
38.2)本汽车动力系统中超级电容的使用寿命长，循环寿命可达50万次，放电能力强，增加超级电容后可以解决因长时间大功率输出导致燃料电池系统和动力电池系统寿命降低，安全风险增高的问题；
39.3)本汽车动力系统中超级电容功率密度高，可达300w/kg～5000w/kg，相当于电池的5～10倍，增加超级电容可以有效解决动力系统占用空间大，能量密度低的问题，同时增大汽车动力系统的短时大功率问题；
40.4)本汽车动力系统中超级电容的产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；
41.5)本汽车动力系统中超级电容超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃，因此增加超级电容后可以提高燃料电池汽车在低温环境下的工作效率和工作可靠性；
42.6)本汽车动力系统中超级电容系统充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，因此安全系数高，长期使用免维护，可大大减少氢燃料电池汽车动力系统的复杂程度，节省空间，提高了空间利用率；
43.7)本汽车动力系统中超级电容容量大，能量转换效率高，过程损失小，可以增加动力回收能力和动力回收效率；
44.8)整车运行过程中，本汽车动力系统中燃料电池系统和动力电池系统可随时为超级电容系统充电，在制动、滑行等工况下，电机的电能可直接回收到超级电容系统和动力电池系统，提高回收效率和能量利用率。
附图说明
45.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为本公开实施例提供的一种汽车动力系统结构示意图；
47.图2为本公开实施例提供的另一种汽车动力系统结构示意图；
48.图3为本公开实施例提供汽车动力系统在汽车怠速状态下的供电示意图；
49.图4为本公开实施例提供汽车动力系统在汽车匀速行驶状态下的供电示意图；
50.图5为本公开实施例提供汽车动力系统在汽车处于制动减速状态或空挡滑行状态下的供电示意图；
51.图6为本公开实施例提供的一种汽车动力系统的供电控制方法流程图。
52.附图标记说明：
53.1、超级电容系统；2、动力电池系统；3、燃料电池系统；4、dc/dc模块；5、电机；6、供电控制模块。
具体实施方式
54.下面结合附图和实施例对本公开的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本公开的原理，但不能用来限制本公开的范围，本公开可以以许多不同的形式实现，不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
55.本公开提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
56.需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是大于或等于两个；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
57.此外，本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。
58.还需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。
59.本公开使用的所有术语与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
60.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
61.图1为本公开实施例提供的一种汽车动力系统结构示意图，如图1中所示，该系统包括：超级电容系统1、动力电池系统2、燃料电池系统3、dc/dc模块4和电机5；其中，超级电容系统1、动力电池系统2和燃料电池系统3并联；超级电容系统1、动力电池系统2和燃料电池系统3的并联输出端通过dc/dc模块4后连接电机5；dc/dc模块4用于将超级电容系统1和/或动力电池系统2和/或燃料电池系统3输出的电流/电压变换为电机5所需的电流/电压，以使电机5驱动汽车车轮运动。
62.本公开提供的动力系统将超级电容系统和动力电池系统、燃料电池系统并联，能够减小动力系统体积，降低了系统维护成本，可以提高燃料电池汽车在低温环境下的工作效率和工作可靠性，解决现有的汽车动力系统使用寿命低，价格昂贵，低温不适用，结构复
杂，综合体积大，长期使用维护成本高等问题。
63.在一些实施例中，燃料电池系统3为氢燃料电池系统。相对于单独使用动力电池的系统，对环境无污染，运行噪声低，低温使用性能较好。
64.在一些实施例中，如图2所示，本公开提供的汽车动力系统还包括：供电控制模块6，其与汽车的ecu车载电脑以及超级电容系统1、动力电池系统2、燃料电池系统3连接；其中，供电控制模块6用于通过ecu采集汽车的油门踏板信号，并在采集到当前汽车的油门踏板被踩下的信号时，控制超级电容系统1、动力电池系统2、燃料电池系统3同时放电。这些实施例中，在汽车起步、加速、爬坡等对瞬时电能需求较高的工况下，超级电容系统1、动力电池系统2、燃料电池系统3同时放电，其中，燃料电池系统3和动力电池系统2按照自身性能通过dc/dc模块4向电机5供给电能，超级电容系统1则通过dc/dc模块4向电机5供给剩余所需的电能，用于供给电机5充足电能，能够满足整车对动力性和后备动力的需求。通过超级电容系统1与动力电池系统2、燃料电池系统3在能量供给方面相互配合、相互作用，在起步/加速/爬坡工况下可以提供足够的电能驱动电机瞬时高扭矩转动，解决单独使用氢燃料电池系统动力输出疲软的问题以及汽车长时间大功率输出导致燃料电池系统和动力电池系统寿命降低，安全风险增高的问题。
65.在一些实施例中，如图3所示，供电控制模块6，还用于通过ecu采集汽车的发动机运转状态及制动状态，并在采集到当前汽车处于发动机运转但完全制动的怠速状态时，控制燃料电池系统3对超级电容系统1和动力电池系统2充电。这些实施例中，配有超级电容系统1和动力电池系统2的氢燃料电池汽车在发动机运转但完全制动的怠速状态时，驾驶员不踩电门(燃油车的油门)，拉起手刹或者踩住刹车，整车无移动需求，对动力系统的动力输出没有具体的要求，可通过燃料电池系统3对动力电池系统2和超级电容系统1进行充电，进行储能操作，用于后期高动力需求时的应用。这些实施例在汽车处于怠速状态时，能够充分利用该时间段使用燃料电池系统3为动力电池系统2和超级电容系统1进行充电，能够提高汽车动力系统的储能续航能力，此外，由于超级电容容量大，能量转换效率高，过程损失小，可以增加动力回收能力和动力回收效率。
66.在一些实施例中，如图4所示，供电控制模块6，还用于通过ecu采集汽车的速度值，并在采集到当前汽车处于匀速行驶状态时，判断当前燃料电池系统3的剩余电能是否高于电机5的所需电能，若是，则控制燃料电池系统3对超级电容系统1和动力电池系统2充电。在这些实施例中，配有超级电容系统1和动力电池系统2的燃料电池汽车在匀速等对动力无较大需求的工况下，若超级电容系统1、动力电池系统2的电能不足，且燃料电池系统3在供给电机5足够电能的情况下，仍然有多余电能，可通过燃料电池系统3对动力电池系统2和超级电容系统1进行充电，进行储能操作，用于后期高动力需求时的应用。这些实施例在汽车处于匀速的低功率状态时，优先使用燃料电池系统3为汽车提供动能，并对动力电池系统2和超级电容系统1进行充电，充分发挥燃料电池系统3在低功率状态下的优势，提高汽车动力系统的环保性、发电效率和续航能力。
67.在一些实施例中，如图5所示，供电控制模块6，还用于通过ecu采集汽车的制动状态和档位状态，并在采集到当前汽车处于制动减速状态或空挡滑行状态时，控制燃料电池系统3对超级电容系统1和动力电池系统2充电；电机5还用于在当前汽车处于制动减速状态或滑行状态时回收电能，并通过供电控制模块6使用回收的电能对超级电容系统1和动力电
池系统2充电。在这些实施例中，配有超级电容系统1和动力电池系统2的氢燃料电池汽车在制动、空档滑行的工况下，驾驶员不踩电门(燃油车的油门)，踩住刹车，汽车处于减速状态，汽车对动力无需求，若超级电容系统1、动力电池系统2的电能不足，可通过燃料电池系统3对动力电池系统2和超级电容系统1进行充电，进行储能操作，用于后期高动力需求时的应用；同时在制动、滑行过程中可利用电机5进行电能回收，将回收的电能储存入超级电容系统1和动力电池系统2，用于后期高动力需求时的应用，能够进一步提高汽车动力系统的储能续航能力。此外，由于超级电容容量大，能量转换效率高，过程损失小，可以增加动力回收能力和动力回收效率。
68.图2-图5中，箭头所示方向为各模块的充电或放电方向，没有标示箭头方向的模块之间没有相互供电关系。
69.对应于本公开实施例提供的汽车动力系统，本公开实施例还提供一种汽车动力系统的供电控制方法，该方法用于上述任一实施例提供的汽车动力系统，且该汽车动力系统中的燃料电池系统3为氢燃料电池系统。
70.图6为本公开实施例提供的一种汽车动力系统的供电控制方法流程图，如图6中所示，该方法包括以下步骤：
71.s1：实时采集汽车的油门踏板信号；
72.本实施例中，可以通过连接汽车的ecu以实时监控采集是否有汽车的油门踏板信号，或者，也可以通过直接连接汽车的油门踏板传感器等方式来采集汽车的油门踏板信号；
73.s2：当采集到当前汽车的油门踏板被踩下的信号时，控制超级电容系统1、动力电池系统2、燃料电池系统3同时向电机5供电。
74.本实施例的方法，可以用于执行图2所示系统实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
75.在一些实施例中，步骤s1还包括：实时采集汽车的发动机运转状态及制动状态；具体地，可以通过连接汽车的ecu采集汽车的发动机运转状态及制动状态。这些实施例中，该方法还包括步骤s3：当采集到当前汽车处于发动机运转但完全制动(拉起手刹或刹车被踩死)的怠速状态时，控制燃料电池系统3对超级电容系统1和动力电池系统2充电。
76.这些实施例的方法，可以用于执行图3所示系统实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
77.在一些实施例中，步骤s1还包括：实时采集汽车的速度值；具体地，可以通过连接汽车的ecu采集汽车的速度值。这些实施例中，该方法还包括步骤s4-s5：
78.s4：当采集到当前汽车处于匀速行驶状态时，判断当前燃料电池系统3的剩余电能是否高于电机5的所需电能，若是，则执行s5；
79.s5：控制燃料电池系统3对超级电容系统1和动力电池系统2充电。
80.这些实施例的方法，可以用于执行图4所示系统实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
81.在一些实施例中，步骤s1还包括：实时采集汽车的制动状态和档位状态；具体地，可以通过连接汽车的ecu采集汽车的制动状态和档位状态，或者也可以通过直接连接汽车的刹车获取汽车的制动状态，连接汽车的档位获取汽车的档位。这些实施例中，该方法还包括步骤s6：当采集到当前汽车处于制动减速状态或空挡滑行状态时，控制燃料电池系统3对
超级电容系统1和动力电池系统2充电，同时通过电机5回收电能，并使用回收的电能对超级电容系统1和动力电池系统2充电。
82.这些实施例的方法，可以用于执行图5所示系统实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
83.本公开提出了以超级电容系统和动力电池系统配合燃料电池系统的技术路线，形成高效的燃料电池发动机系统解决方案。在结构上，本发明在现有燃料电池动力系统的构型基础上并联了一个超级电容系统，增加的超级电容系统可以为电机提供大功率电能，且不影响整体动力系统的寿命、安全性、可靠性、可循环性。在各构件相互连接关系上，超级电容拥有容量高，放电能力强，放电效率高，循环使用寿命长等各种优点，整车运行过程中，燃料电池系统和动力电池系统可随时为超级电容系统充电，在制动、滑行等工况下，电机的电能可直接回收到超级电容系统和动力电池系统，提高回收效率和能量利用率。
84.至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
85.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。