专利名称：基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统的制作方法
技术领域：
本发明属于混合动力装置技术领域，尤其涉及基于燃料电池的电电混合动力装
置，特别涉及混合动力装置的能量管理。
背景技术：
由于混合动力装置的低排放特点，已成为目前动力领域的研究重点。混合动力装 置目前有两种分类按照能量类型的不同分为电电混合和油电混合；按照驱动系统的形式 的不同分为并联式和串联式。 目前基于燃料电池的混合动力装置大都为电电混合串联式，燃料电池系统采用被 动控制方式，根据负载电流来控制燃料电池的工作功率和直流变换器的输出。这种基于燃 料电池的混合动力装置的不足是控制具有滞后性，往往造成动力电池放电电流变化幅度 过大，导致动力电池组的寿命短，安全性低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，以实现 对燃料电池系统的预测控制和动力电池组充电电流的随动控制，克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，包括由动 力线和信号线连接的燃料电池系统、动力电池系统和直流转换器，其特征在于所述的基于 燃料电池的混合动力装置能量管理系统还包括能量管理控制器，所述能量管理控制器包括 负载能量需求和燃料电池辅助能量需求模型单元、荷电状态计算单元和荷电状态调节器， 荷电状态调节器预先输入期望荷电状态值，负载能量需求和燃料电池辅助能量需求模型单 元和荷电状态计算单元与荷电状态调节器分别属于能量控制器中的不同程序模块，根据中 断响应各模块协调运行，能量管理控制器从外部采集负载控制信号传输给负载能量需求和 燃料电池辅助能量需求模型单元，荷电状态计算单元从动力电池系统采集动力电池的输入 输出电流计算动力电池的即时荷电状态值，能量管理控制器通过CAN网络与燃料电池系统 的燃料电池控制器(FCS)和直流变换器(DCDC)连接，发送控制信号。 本发明所述的基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，其特征在于所述能 量管理系统运行的程序流程是能量管理控制器(VMS)从外部采集负载控制信号，负载能 量需求和燃料电池辅助能量需求模型单元根据采集到的负载控制信号计算出动力装置的 能量需求，荷电状态计算单元从测得的动力电池的累计充放电电流和当前电压，计算出动 力电池当前的荷电状态值(SOC值)，荷电状态调节器根据预置的期望荷电状态值和当前的 荷电状态值进行充放电判断当动力电池当前的荷电状态值(S0C值)低于期望荷电状态 值时，则向燃料电池系统发出给动力电池充电指令，燃料电池系统以定值向动力电池充电， 当动力电池的当前荷电状态达到动力电池的期望荷电状态值时，停止充电，既燃料电池系 统向动力电池充电的电流为零；当动力电池的荷电状态值高于期望荷电状态值时，燃料电 池系统不向动力电池充电，既燃料电池系统向动力电池充电的电流为零，能量管理控制器(VMS)根据负载能量需求和燃料电池系统能量需求模型计算出动力装置的能量需求和荷
电状态调节器根据预置的期望荷电状态值和动力电池的当前荷电状态值进行充放电判断
的结果计算总体能量需求，将计算的总体能量需求传输给燃料电池控制系统和直流变换器
(DCDC)，直流变换器(DCDC)根据计算的总体能量需求控制直流转换器输出。 本发明所述的基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，其特征在于所述混
合动力装置的燃料电池系统的风机是以直流无刷电机为动力的风机，风机的驱动器配有
CAN通讯接口 。 本发明所述的基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，其特征在于所述混 合动力装置的燃料电池系统的风机的直流无刷电机是48V 96V、2. 2kw、3500RPM的直流无 刷电机。 本发明的基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，其混合动力装置属于电 电混合串联式动力装置，能量管理系统采用最小二乘法(RLS)分别建立负载能量需求和 燃料电池系统辅助能量需求的黑箱模型；应用电量累积法计算出动力电池组的荷电状态 (SOC)值。根据所建立的负载能量需求和燃料电池系统辅助能量需求模型，通过采集到的负 载控制信号和当前动力电池组的荷电状态(SOC)值，预测出总能量需求，提前控制燃料电 池系统的工作状态，以减少燃料电池系统的动态响应时间，并控制直流变换器(Buck DCDC) 的输出，满足负载系统、燃料电池系统和动力电池组充电状态的能量需求。
本发明的优点是 1、采用直流无刷电机组装成直流风机，替代异步电机，在系统中应用直流电机驱 动器替代变频器，可减少一个升压直流变换器(Boost DCDC)，可以降低成本，增加系统的可靠性。 2、本发明管理系统，实现了动力电池组充电电流的随动控制。 3、本发明可以实现燃料电池动力系统能量均衡匹配，根据模型预测能量需求，提 前控制燃料电池工作功率和DCDC输出电流提高了燃料电池系统在动力装置运行时的动态 性能、延长了动力电池组的使用寿命并增强了动力电池的安全性。 4、采用CAN网络实现能量管理控制器(VMS)、燃料电池系统控制器(FCS) 、 Buck DCDC及整车系统的通讯，具有智能化、高可靠性和成本低等优点。
本发明有附图三幅 图1是本发明的供电系统原理图，图中实线箭头表示正线，虚线箭头表示负线；
图2是本发明的能量管理系统结构图，图中细实线箭头表示控制信号流向，粗实 线箭头表示能量流向； 图3是本发明的能量管理系统控制程序流程图。
具体实施例方式
下面结合附图的实施例对本发明作进一步说明。 附图1给出的是电电混合串联式动力装置。由按照图1所示的方式连接各子系统 构成。该实施例中，当闭合开关K1时为纯电动模式，当开关K1、 K2同时闭合时为混合动力模式。 图2为系统结构图。其能量管理控制器(VMS)的负载能量需求和燃料电池辅助能
量需求模型单元采用最小二乘法(RLS)建立负载和燃料电池系统的能量需求模型。荷电状
态计算单元与荷电状态调节器为能量管理控制器中的功能模块，具体由程序实现。 能量管理控制器(VMS)从外部采集负载控制信号，负载能量需求和燃料电池辅助
能量需求模型单元根据采集到的负载控制信号计算出动力装置的能量需求，荷电状态计算
单元从测得的动力电池组的累计充放电电流和电压，计算出动力电池当前的荷电状态值
(S0C值)，荷电状态调节器根据预置的期望荷电状态值和动力电池的当前荷电状态值进行
充放电判断当动力电池当前的荷电状态值(S0C值)低于期望荷电状态值时，则向燃料电
池系统发出给动力电池充电指令，燃料电池系统以定值向动力电池充电，当动力电池充电
达到动力电池期望荷电状态值时，停止充电，既燃料电池系统向动力电池充电的电流为零；
当动力电池的荷电状态值高于期望荷电状态值时，燃料电池系统不向动力电池充电，既燃
料电池系统向动力电池充电的电流为零。该动力装置的总需求能量计算公式为 E = E负载+E燃料电池辅助系统+E动力电池组充电 在上式中，E为总能量需求，E负载为负载能量需求，E燃料电池辅助系统为燃料电池辅助系 需求，E^力w^^^为动力电池组充电能量需求。 荷电状态计算公式为
统能
4) 二 (bc x皿(& -1) - J" /0M,&+J" / 在上述计算式中，BC代表电池容量，soc(k)代表电池组当前时刻的SOC值，
soc(k-l)代表前一时刻的SOC值、i。ut代表动力电池放电电流、iin代表动力电池组充电电
流。该SOC值每隔一段时间存入控制器内电可擦除可编程只读存储器(E2PR0M)，以便下次 启动时读取该值作为初始值；首次使用动力电池时，假定soc(k-l)为90%，以后每次进行 动力电池组的SOC计算时，首先读取E2PR0M中的SOC值作为soc (k_l)，然后根据SOC计算 公式进行此次的动力电池组的SOC计算。能量管理控制器控制程序流程如图三所示。能量 管理控制器(VMS)根据负载能量需求和燃料电池辅助能量需求模型单元计算出动力装置 的能量需求和荷电状态调节器根据预置的期望荷电状态值和动力电池当前荷电状态值进 行充放电判断的结果计算总体能量需求，将计算的总体能量需求通过CAN网络传输给燃料 电池控制系统和直流变换器(DCDC)，直流变换器(DCDC)根据计算的总体能量需求控制直 流转换器输出。燃料电池控制器(FCS)根据总体能量需求提前控制燃料电池系统的工况， 提高燃料电池系统的动态响应性能，直流变换器(DCDC)根据总体能量需求采用恒电流模 式输出所需求能量，满足混合动力装置中各子装置的能量需求。动力电池组SOC值的计算 采用电量累计法。第一次使用动力电池组时，先用充电器把动力电池组充满电，假定动力电 池组SOC为90%，则计算SOC的当前电量值为总电量XO. 9。以后每次进行动力电池组的 SOC计算时，首先读取E2PR0M中的SOC值作为当前SOC值，然后根据SOC计算公式进行此次 的动力电池组的SOC计算。该能量管理系统的实验数据表明，DCDC输出电流近似等于燃料 电池辅助系统电流与负载电流之和。这是由于动力装置完全用燃料电池供电，且动力电池 组初始使用，其SOC近似为85%，故动力电池充放电电流接近为零。
权利要求
基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，包括由动力线和信号线连接的燃料电池系统、动力电池系统和直流转换器，其特征在于所述的基于燃料电池的混合动力装置能量管理系统还包括能量管理控制器，所述能量管理控制器包括负载能量需求和燃料电池辅助能量需求模型单元、荷电状态计算单元和荷电状态调节器，负载能量需求和燃料电池辅助能量需求模型单元、荷电状态计算单元和荷电状态调节器是能量控制器中的程序模块，根据中断响应各模块协调运行，能量管理控制器从外部采集负载控制信号传输给负载能量需求和燃料电池辅助能量需求模型单元，荷电状态计算单元从动力电池系统采集动力电池的输入输出电流计算动力电池的即时荷电状态值，荷电状态调节器预先输入期望荷电状态值，能量管理控制器通过CAN网络与燃料电池系统的燃料电池控制器(FCS)和直流变换器(DCDC)连接，发送控制信号。
2. 根据权利要求1所述的基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，其特征在于 所述能量管理系统运行的程序流程是能量管理控制器(VMS)从外部采集负载控制信号， 负载能量需求和燃料电池辅助能量需求模型单元根据采集到的负载控制信号计算出动力 装置的能量需求，荷电状态计算单元从测得的动力电池的累计充放电电流和当前电压，计 算出动力电池当前的荷电状态值(S0C值)，荷电状态调节器根据预置的期望荷电状态值和动力电池当前的荷电状态值 进行充放电判断当动力电池当前的荷电状态值(S0C值)低于期望荷电状态值时，则向燃 料电池系统发出给动力电池充电指令，燃料电池系统以定值向动力电池充电，当动力电池 的当前荷电状态值达到期望荷电状态值时，停止充电，既燃料电池系统向动力电池充电的 电流为零；当动力电池的荷电状态值高于期望荷电状态值时，燃料电池系统不向动力电池 充电，既燃料电池系统向动力电池充电的电流为零，能量管理控制器(VMS)根据负载能量 需求和燃料电池辅助能量需求模型单元计算出动力装置的能量需求和荷电状态调节器根 据预置的期望荷电状态值和动力电池的当前荷电状态值进行充放电判断的结果计算总体 能量需求，将计算的总体能量需求传输给燃料电池控制系统和直流变换器(DCDC)，直流变 换器(DCDC)根据计算的总体能量需求控制直流转换器输出。
3. 根据权利要求1所述的基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，其特征在于 所述混合动力装置的燃料电池系统的风机是以直流无刷电机为动力的风机，风机的驱动器 配有CAN通讯接口。
4. 根据权利要求3所述的基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，其特征在于 所述混合动力装置的燃料电池系统的风机的直流无刷电机是48V 96V、2. 2kw、3500RPM的 直流无刷电机。
全文摘要
基于燃料电池的混合动力装置的能量管理系统，包括由负载能量需求和燃料电池辅助能量需求模型单元、荷电状态计算单元和荷电状态调节器用信号线连接组成的能量管理控制器，能量管理控制器采集负载控制信号，荷电状态计算模块采集计算动力电池的即时荷电状态值，能量管理控制器通过CAN网络与燃料电池系统的燃料电池控制器和直流变换器连接及发送控制信号。本发明的优点是可以降低成本，增加系统的可靠性；实现了燃料电池动力系统能量均衡匹配和动力电池组充电电流的随动控制；提高了燃料电池系统在动力装置运行时的动态性能、延长了动力电池组的使用寿命并增强了动力电池的安全性；具有智能化、高可靠性和成本低等优点。
文档编号H01M10/44GK101786413SQ20101010828
公开日2010年7月28日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者侯中军, 刘常福, 孙德尧, 明平文, 李加良, 王克勇, 高全勇 申请人:新源动力股份有限公司