一种燃料电池汽车能量缓存装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及新能源燃料电池技术领域，具体是一种燃料电池汽车能量缓存装置及其控制方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置。由于能量转换不受卡诺循环的限制并且主要排放物为水，因此具有能量转换效率高并且环境友好等特点。燃料电池汽车燃料补充迅速，能量密度高，续航里程长，低温启动性能好等特点，因此，燃料电池汽车将是未来汽车的重要发展趋势，搭载燃料电池系统的汽车技术也正成为汽车领域的研究重点。
3.燃料电池系统本身功率输出特性较软，功率响应性较弱，同时频繁变载的工况对燃料电池电堆的性能有着不小的冲击，不利其寿命，而实车运行工况复杂，路面状况不确定性高，尤其是急刹车和急加速工况，均要求整车动力系统能有较高的响应性，这给燃料电池汽车能量管理带来了诸多挑战，因此需要一种合适的方案去弥补燃料电池系统在响应性不足，保护其寿命，同时又能满足整车需求的快速响应性。
4.公开于以上背景技术部分的信息仅仅皆在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.针对上述现有缺陷，本发明目的在于提供一种燃料电池汽车能量缓存装置，消除了整车等待燃料电池系统功率跟随的时间，系统响应性高同时又有效延长燃料电池系统寿命。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种燃料电池汽车能量缓存装置，包括燃料电池系统，dcdc转换器，能量缓存模块，动力电池，主驱电机；所述燃料电池系统的电源输出正端与dcdc转换器的电源输入正端连接，所述燃料电池系统的电源输出负端与dcdc转换器的电源输入负端连接，所述dcdc转换器的第一电源输出正端经第二继电器与动力电池的电源输入正端连接，所述dcdc转换器的第一电源输出负端与动力电池的电源输入负端连接，所述dcdc转换器的第二电源输出正端经第一继电器与能量缓存模块的电能输入正端连接，所述dcdc转换器的第二电源输出负端与能量缓存模块的电能输入负端连接，所述能量缓存模块的电能输出正端经第三继电器与主驱电机的电源输入正端连接，所述能量缓存模块的电能输出负端与主驱电机的电源输入负端连接，所述主驱电机的电源输入正端还与动力电池的电源输入正端连接，所述主驱电机的电源输入负端还与动力电池的电源输入负端连接。
8.具体的，能量缓存模块包括缓存控制单元，以及第一储能单元、第二储能单元，第一储能单元、第二储能单元之间通过缓存控制单元交叉可逆地配置为充电单元或放电单
元。
9.具体的，所述缓存控制单元还用于根据收到的充电或放电请求将第一储能单元和第二储能单元中soc比对，将soc更低的单元作为充电单元，将soc更高的单元作为放电单元。
10.具体的，当充电单元的soc低于或高于可充电阈值时，所述缓存控制单元用于向发出充电单元的可充电或禁止充电信号。
11.具体的，充电单元充电时，缓存控制单元还用于在充电单元soc高于可充电阈值时控制充电单元在预设时间后退出充电。
12.具体的，当放电单元的soc高于或低于可放电阈值时，所述缓存控制单元用于向发出放电单元的可放电或禁止放电信号。
13.具体的，当放电单元放电时，缓存控制单元还用于在放电单元soc低于可放电阈值时控制充电单元在预设时间后退出放电。
14.具体的，第一储能单元、第二储能单元可为超级电容或功率型电池。
15.本技术方案还提供了根据上述所述的燃料电池汽车能量缓存装置的控制方法，其以下步骤：
16.s1：采用监测整车请求功率、燃料电池系统发电功率；整车请求功率与燃料电池系统发电功率进行对比；若整车请求功率＝燃料电池系统发电功率，则使第一继电器、第三继电器断开，第二继电器吸合，燃料电池系统以稳定功率给动力电池补电，能量缓存模块待命；若整车请求功率≠燃料电池系统发电功率，则进入步骤s2；
17.s2：判断整车请求功率与燃料电池系统发电功率，当整车请求功率＜燃料电池系统发电功率，则检测制动回馈能量、电池可充电功率，并进入步骤s3：当整车请求功率＞燃料电池系统发电功率，则进入步骤s4：
18.s3：判断燃料电池系统发电功率 制动回馈能量是否＞电池可充电功率，若是，则进入步骤s4：若否，则第二继电器吸合，第一继电器、第三继电器断开并进入步骤s5；
19.s4:判断能量缓存模块当前可充放状态，若禁止充电或放电状态，则燃料电池系统降载或升载，若允许充电状态，则第一继电器吸合，第二继电器、第三继电器断开；若允许放电状态，则第一继电器断开，第二继电器、第三继电器吸合，并进入步骤s5；
20.s5：燃料电池系统发电功率按稳定斜率变载至整车请求功率后，第二继电器吸合,第一继电器、第三继电器断开。
21.10.根据权利要求9所述的燃料电池汽车能量缓存装置的控制方法，其特征在于；步骤s4中，第一继电器断开，第二继电器、第三继电器吸合时，检测能量存储模块当前是否可放电状态，若是，则不执行；若否，则第二继电器吸合,第一继电器、第三继电器断开。
22.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
23.本方案面对工况突然变化，功率请求出现大变化时，通过硬件上能量缓存模块的加入，可实现燃料电池系统对功率请求的延迟响应，能量缓存模块内部由a、b两个相同单元组成，并跟据策略被随机配置为充电单元和放电单元，当功率请求突降时，燃料电池系统多出的电功率可暂存至充电模块，当功率请求恢复或突增时，由放电单元负责补充燃料电池系统少发的电功率,过程中没有了等待燃料电池系统功率跟随的时间，提高了整个系统的功率响应性的同时，也避免了燃料电池系统运行在频繁或剧烈的变载工况，保证电堆稳定
良好的工作条件，从而延长燃料电池系统的寿命。
24.四、附图说明及附图标
附图说明
25.图1为本发明一种燃料电池汽车能量缓存装置的连接示意图。
26.图2为本发明能量缓存模块的示意图。
27.图3为本发明能量缓存模块的控制流程图。
28.图4为本发明燃料电池汽车能量缓存装置的控制方法的流程图。
29.图中，1-燃料电池系统，2-dcdc转换器，3-能量缓存模块，4-动力电池，5-主驱电机，kt1-第一继电器，kt2-第二继电器，kt3-第三继电器，a-第一储能单元，b-第二储能单元，soch-可充电阈值，socl-可放电阈值，pr-整车请求功率，p1-燃料电池系统发电功率，p2-制动回馈能量，p3-能量缓存模块能量，p4-电池可充电功率。
具体实施方式
30.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施例并配合附图予以说明。在本实施例的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。
31.实施例1
32.本实施例提供一种燃料电池汽车能量缓存装置，附图1为装置架构图，其中包括燃料电池系统1，dcdc转换器2，能量缓存模块3，动力电池4，主驱电机5；
33.燃料电池系统1的电源输出正端与dcdc转换器2的电源输入正端连接，燃料电池系统1的电源输出负端与dcdc转换器2的电源输入负端连接，dcdc转换器2的第一电源输出正端经第二继电器kt2与动力电池4的电源输入正端连接，dcdc转换器2的第一电源输出负端与动力电池4的电源输入负端连接，dcdc转换器2的第二电源输出正端经第一继电器kt1与能量缓存模块3的电能输入正端连接，dcdc转换器2的第二电源输出负端与能量缓存模块3的电能输入负端连接，能量缓存模块3的电能输出正端经第三继电器kt3与主驱电机5的电源输入正端连接，能量缓存模块3的电能输出负端与主驱电机5的电源输入负端连接，主驱电机5的电源输入正端还与动力电池4的电源输入正端连接，主驱电机5的电源输入负端还与动力电池4的电源输入负端连接。
34.燃料电池系统1经dcdc转换器2升压后，分别经两个电源输出端为能量缓存模块3、动力电池4充电，由动力电池4最终驱动整车主驱电机5；能量缓存模块3与dcdc转换器2连接通过继电器kt1控制二者通断；动力电池4与dcdc转换器2通过继电器kt2控制二者通断；能量缓存装置3通与主驱电机5直连，继电器kt3控制二者通断。面对工况突然变化，功率请求出现大变化时，通过硬件上能量缓存模块的加入，可实现燃料电池系统对功率请求的延迟响应，当功率请求突降时，燃料电池系统多出的电功率可暂存至充电模块，当功率请求恢复或突增时，由放电单元负责补充燃料电池系统少发的电功率,过程中没有了等待燃料电池系统功率跟随的时间，提高了整个系统的功率响应性的同时，也避免了燃料电池系统运行
在频繁或剧烈的变载工况，保证电堆稳定良好的工作条件，从而延长燃料电池系统的寿命，达到本发明的目的。
35.实施例2
36.本实施例在实施例1的基础上进一步优化能量缓存模块3，具体如图2所示，能量缓存模块3包括缓存控制单元，以及第一储能单元a、第二储能单元b，第一储能单元a、第二储能单元b之间通过缓存控制单元交叉可逆地配置为充电单元或放电单元，参考图2所示，第一储能单元a、第二储能单元b可为超级电容或功率型电池，通过策略保持其中一个单元为随时可充电状态soc＜socl、另一个单元为随时可放电状态soc＜socl，且每个单元功能可在充电和放电之间灵活切换，具体的，缓存控制单元用于根据收到整车控制器的充电或放电请求将第一储能单元a和第二储能单元b中soc比对，将soc更低的单元作为充电单元，将soc更高的单元作为放电单元。如当上一阶段的放电单元随着放电的深入soc＜socl后，策略上将该单元设定为下一阶段优先充电的单元，以随时快速响应整车行驶过程中能量缓存和能量释放的需求。
37.当充电单元的soc低于或高于可充电阈值soch时，缓存控制单元用于向整车控制器发出充电单元的可充电或禁止充电信号。充电单元充电时，缓存控制单元还用于在充电单元soc高于可充电阈值soch时控制充电单元在预设时间后退出充电。同理的，当放电单元的soc高于或低于可放电阈值socl时，缓存控制单元用于向整车控制器发出放电单元的可放电或禁止放电信号。当放电单元放电时，缓存控制单元还用于在放电单元soc低于可放电阈值socl时控制充电单元在预设时间后退出放电。
38.参考图3所示，能量缓存模块3的工作原理为：当能量缓存模块3收到充电请求，先找出第一储能单元a和第二储能单元b中soc更低的单元，得到模块内最低soc，当最低soc＜可充电阈值soch时返回缓存模块当前可充电信号，并开始执行充电操作，并在最低soc＞可充电阈值soch稳定一定时间退出，当最低soc＞可充电阈值soch时返回缓存模块当前禁止充电信号，停止充电操作；
39.当能量缓存模块3收到充电请求，先找出第一储能单元a和第二储能单元b中soc更高的单元，得到模块内最高soc，当最高soc＞可放电阈值socl时返回缓存模块当前可充电信号，并开始执行放电操作；并在最高soc＜可放电阈值socl稳定一定时间退出，当最高soc＜可放电阈值socl时返回缓存模块当前禁止放电信号，停止放电操作。
40.实施例3
41.本实施例在实施例1和2的结合上，提出上述燃料电池汽车能量缓存装置的控制方法，结合图4所示，主要包括以下步骤：
42.s1：采用整车控制器监测整车请求功率pr、燃料电池系统发电功率p1；整车请求功率pr与燃料电池系统发电功率p1进行对比；若整车请求功率pr＝燃料电池系统发电功率p1，则使第一继电器kt1、第三继电器kt3断开，第二继电器kt2吸合，燃料电池系统1以稳定功率给动力电池4补电，能量缓存模块3待命，由动力电池驱动主驱电机5；若整车请求功率pr≠燃料电池系统发电功率p1，则进入步骤s2；
43.s2：整车控制器判断整车请求功率pr与燃料电池系统发电功率p1，当整车请求功率pr＜燃料电池系统发电功率p1，则整车控制器检测制动回馈能量p2、电池可充电功率p4，并进入步骤s3：当整车请求功率pr＞燃料电池系统发电功率p1，则进入步骤s4：
44.s3：整车控制器判断燃料电池系统发电功率p1 制动回馈能量p2是否＞电池可充电功率p4，若是，则进入步骤s4：若否，则第二继电器kt2吸合，第一继电器kt1、第三继电器kt3断开，燃料电池系统1为动力电池4补电，由动力电池驱动主驱电机5，并进入步骤s5；
45.s4:整车控制器判断能量缓存模块当前可充放状态，若禁止充电或放电状态，则燃料电池系统1降载或升载，若允许充电状态，则第一继电器kt1吸合，第二继电器kt2、第三继电器kt3断开，燃料电池系统1位能量缓存模块3充电；若允许放电状态，则第一继电器kt1断开，第二继电器kt2、第三继电器kt3吸合，由能量缓存模块3和动力电池4一起驱动主驱电机5，并进入步骤s5；
46.s5：燃料电池系统发电功率p1按稳定斜率变载至整车请求功率pr后，第二继电器kt2吸合,第一继电器kt1、第三继电器kt3断开，燃料电池系统1以稳定功率给动力电池4补电，由动力电池驱动主驱电机5。
47.具体的，步骤s4中，第一继电器kt1断开，第二继电器kt2、第三继电器kt3吸合时，整车控制器检测能量存储模块3当前是否可放电状态，若是，则不执行；若否，则第二继电器kt2吸合,第一继电器kt1、第三继电器kt3断开，燃料电池系统1以稳定功率给动力电池4补电，由动力电池驱动主驱电机5。
48.本实施例结合整车工况说明其工作原理为：
49.车辆匀速工况下(pr＝p1),第一继电器kt1、第三继电器kt3断开，第二继电器kt2闭合，燃料电池系统1以稳定功率给动力电池4补电，能量缓存模块3的待命，其中放电单元的soc保持soch以上，充电单元的soc保持在socl以下；
50.车辆急减速工况下(pr＜p1)，整车请求功率pr突降，因燃料电池系统发电功率p1输出无法快速突变，同时制动回馈能量p2急剧上升，动力电池4端接收到燃料电池系统1发电和制动回馈能量p2两部分充电功率的叠加，为了避免动力电池4过充，控制策略上判断若当前能量缓存模块3为可充电状态，则控制第二继电器kt2断开，同时第一继电器kt1吸合，将燃料电池系统发电功率p1缓存至能量缓存模块3，若当前能量缓存模块3为禁止充电状态，则控制燃料电池系统1快速降载；
51.进一步的，控制策略上会对整车请求功率pr进行监控，当整车请求功率pr在一定时间t内无变化，则按稳定斜率将燃料电池系统发电功率p1变载，变载完成后重新吸合第二继电器kt2，同时断开第一继电器kt1停止对能量缓存模块3充电；若在一定时间t内功率请求重新恢复，则控制第二继电器kt2重新吸合，断开第一继电器kt1连接，第三继电器kt3吸合能量缓存模块3辅助输出；
52.车辆急加速工况下(pr＞p1)，整车请求功率pr激增，控制策略上判断若当前能量缓存模块3为可放电状态，则控制第三继电器kt3闭合，能量缓存模块3向主驱电机5提供能量辅助，若当前能量缓存模块3为禁止放电状态，则控制燃料电池系统1快速升载；
53.同理，控制策略上会对整车请求功率pr进行监控，当在一定时间t内整车请求功率pr回落后，则燃料电池系统发电功率p1可保持不变，控制第三继电器kt3断开，能量缓存模块3停止主驱电机5辅助供能；当整车请求功率pr在一定时间t内无变化，则按稳定斜率将燃料电池系统1变载，变载完成后重新吸合第二继电器kt2，同时断开第一继电器kt1，能量缓存模块3停止主驱电机5辅助供能。
54.虽然，上文中已经用具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础
上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。