專利名稱：基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源電動汽車領(lǐng)域，是一種增程式電動汽車動力系統(tǒng)，進一步說是基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
新能源電動汽車有著節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，正成為新一代汽車研發(fā)的熱點。近年來， 電動汽車技術(shù)已取得了重大進展，然而在研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化推進過程中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn)，如動力電池壽命短，充電時間長，能量密度不高導(dǎo)致一次充電后整車續(xù)駛里程短等問題。由于純電動汽車一次充電后的續(xù)駛里程短，故作為提高整車續(xù)駛里程的增程式電動汽車應(yīng)運而生。增程式電動汽車是在純電動汽車的基礎(chǔ)上配備車載充電器的新能源電動汽車，從而大大提高了電動汽車的續(xù)航能力。增程式電動汽車主要采用動力蓄電池作為驅(qū)動能源，如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等，而車載充電器一般采用小型汽油或柴油內(nèi)燃發(fā)動機，當動力蓄電池電量充足時該內(nèi)燃機無需啟動，當動力蓄電池電量不足時該內(nèi)燃機將啟動，且可連續(xù)工作在最佳轉(zhuǎn)速下，輸出的功率和扭矩也基本恒定，因而其效率、排放、可靠性等均處在較佳狀態(tài)。內(nèi)燃機可持續(xù)給動力蓄電池進行在線充電，這將大大增加整車續(xù)駛里程。此外，增程式電動汽車的動力蓄電池容量只需相同級別純電動車的40%至50%， 綜合成本基本相當。但是內(nèi)燃機工作燃料仍然采用汽油或柴油等不可再生能源，能量轉(zhuǎn)換效率不足 30%，且排放出CO、C02、硫化物、氮氧化合物等污染物，這與純電動汽車實現(xiàn)零排放的清潔能源目標不符合，因此續(xù)駛里程更高的燃料電池電動汽車誕生。但燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)一般采用質(zhì)子交換膜燃料電池作為車載主能源，而動力蓄電池則為輔助能源，只是在車輛啟動及加速爬坡狀態(tài)下提供輔助功率用，這樣燃料電池系統(tǒng)輸出功率隨著車載工況動態(tài)變化，而燃料電池系統(tǒng)在這種動態(tài)工況下壽命及耐久性欠佳，而且大功率的燃料電池系統(tǒng)成本遠高于動力電池，這兩點導(dǎo)致燃料電池電動汽車難以進行有效推廣。因此提出采用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)增程式電動汽車動力系統(tǒng)方案，即整車采用動力蓄電池作為車載主能源，而小功率燃料電池系統(tǒng)為動力蓄電池的車載充電器。一方面質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)以高壓氫氣及壓縮空氣為反應(yīng)劑，生產(chǎn)電和水，轉(zhuǎn)換效率超過 50%，且完全零污染零排放，優(yōu)于采用汽油或柴油的內(nèi)燃機做增程器方案；另一方面由于燃料電池系統(tǒng)功率配置低于傳統(tǒng)燃料電池電動汽車從而成本更低，且此動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下燃料電池系統(tǒng)工作在穩(wěn)定輸出狀態(tài)，車載使用壽命更高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種以磷酸鐵鋰動力電池為車載主能源，以質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)為其車載充電器，通過可控DC/DC變換器對磷酸鐵鋰電池包進行在線充電，從而提高電動汽車的續(xù)航里程的基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)及控制方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)，包括配備氫氣罐的燃料電池系統(tǒng)、DC/DC變換器、動力蓄電池系統(tǒng)、電機控制器及驅(qū)動電機、整車控制器VMS，所述燃料電池系統(tǒng)包括氫氣供給裝置、燃料電池發(fā)電裝置及燃料電池控制器，其特征在于所述氫氣罐通過減壓閥以及可控電磁閥為燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)所需氫氣；燃料電池系統(tǒng)輸出端通過繼電器Sl與DC/DC變換器輸入相連；DC/DC變換器輸出與動力蓄電池系統(tǒng)相連；動力蓄電池系統(tǒng)與電機控制器的高壓輸入相連，電機控制器三相輸出連接驅(qū)動電機；整車控制器 VMS通過I/O 口直接控制氫氣輸出的電磁閥和繼電器Si，整車控制器VMS通過CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、動力蓄電池系統(tǒng)、電機控制器進行通訊，從而控制電機驅(qū)動整車行駛并管理整個動力系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個實施例中，所述燃料電池系統(tǒng)為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)所述減壓閥分為兩級，所述氫氣罐儲存的氫氣通過一級減壓閥、二級減壓閥以及可控電磁閥為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)用氫氣。所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池發(fā)電裝置及燃料電池控制器。燃料電池控制器獲得發(fā)電裝置的電壓、電流、壓力、溫度等信息，并控制進入發(fā)電裝置的氫氣及空氣，從而產(chǎn)生電能。所述DC/DC變換器包括DC/DC拓撲變換及DC/DC控制器。燃料電池系統(tǒng)傳輸過來的電能通過DC/DC變換器的變換，給磷酸鐵鋰動力電池包進行可控充電。而可控充電功率則由整車控制器通過CAN總線發(fā)給DC/DC控制器。動力蓄電池系統(tǒng)包括磷酸鐵鋰動力電池包和電池管理系統(tǒng)。動力電池包輸入端與 DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出端相連，輸出端則連接電機控制器的輸入端。磷酸鐵鋰動力電池包為電動汽車的驅(qū)動電機提供電能，當磷酸鐵鋰電池電流不足時，則由燃料電池系統(tǒng)通過DC/DC變換器為其充電，從而來提高整車續(xù)駛里程。電池管理系統(tǒng)則用于獲取動力電池包的SOC電量值、電壓、電流及溫度等信息。電機控制器及驅(qū)動電機則將電能轉(zhuǎn)換為機械能，結(jié)合驅(qū)動變速箱以及驅(qū)動橋來實現(xiàn)對整車的驅(qū)動及行駛。整車控制器為整個動力系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件。首先它根據(jù)磷酸鐵鋰電池包電量 SOC及燃料電池狀態(tài)，直接通過IO 口去控制管理高壓氫氣輸入的電磁閥以及繼電器Sl ；其次它通過CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、電池管理系統(tǒng)以及電機控制器進行通訊，實現(xiàn)對整個動力系統(tǒng)的控制和管理。具體的控制方法詳見具體實施方式
。所述氫氣罐壓力為100_700bar，氫氣通過一級減壓閥后壓力為0_10bar，通過二級減壓閥后壓力為Ο-lbar，再通過電磁閥為燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)所需燃料，燃料電池通過氫氣與空氣中的氧氣在質(zhì)子交換膜上發(fā)生反應(yīng)生成直流電和水，其中直流電則通過后級 DC/DC變換器為磷酸鐵鋰動力電池包充電，從而提高磷酸鐵鋰動力電池包的在線電量，延長整車續(xù)駛里程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。(1)在動力蓄電池包前級增加燃料電池系統(tǒng)及DC/DC變換器，解決了車載動力電池能量儲存的不足，增加了車輛的行駛里程。(2)以質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機作為車載發(fā)電裝置，具有零排放、 零污染、低噪音、高效能的優(yōu)點。(3)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)工作在穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)下，相比燃料電池電動汽車動力結(jié)構(gòu)來說，燃料電池壽命更高，成本更低。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明整車控制器信號流圖。圖3為本發(fā)明整車控制器控制方法執(zhí)行流程圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實施方式。本發(fā)明基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)的連接方式如圖1所示高壓氫氣罐的輸出端通過一級減壓閥、二級減壓閥和可控電磁閥連接質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)；燃料電池系統(tǒng)的輸出端通過可控繼電器Sl與DC/DC變換器輸入端相接，DC/ DC變換器輸出端則與磷酸鐵鋰電池包輸入端連接；磷酸鐵鋰電池包輸出端連接到電機控制器的輸入端，電機控制器輸出端連接驅(qū)動電機；驅(qū)動電機再通過變速箱、驅(qū)動橋去驅(qū)動車輪行駛。整車控制器VMS通過I/O 口去控制電磁閥和繼電器Si，并通過CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、電池管理系統(tǒng)以及電機控制器進行通訊。整車控制器VMS負責整個動力系統(tǒng)的安全高效運行。下面將具體描述整個動力系統(tǒng)的控制及管理方法。首先，根據(jù)電動汽車整車類型不同劃分為三種不同的動力配置如下表
權(quán)利要求
1.一種基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)，包括配備氫氣罐的燃料電池系統(tǒng)、 DC/DC變換器、動力蓄電池系統(tǒng)、電機控制器及驅(qū)動電機、整車控制器VMS，所述燃料電池系統(tǒng)包括氫氣供給裝置、燃料電池發(fā)電裝置及燃料電池控制器，其特征在于所述氫氣罐通過減壓閥以及可控電磁閥為燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)所需氫氣；燃料電池系統(tǒng)輸出端通過繼電器Sl與DC/DC變換器輸入相連；DC/DC變換器輸出與動力蓄電池系統(tǒng)相連；動力蓄電池系統(tǒng)與電機控制器的高壓輸入相連，電機控制器三相輸出連接驅(qū)動電機；整車控制器VMS通過I/O 口直接控制氫氣輸出的電磁閥和繼電器Si，整車控制器VMS通過CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、動力蓄電池系統(tǒng)、電機控制器進行通訊，從而控制電機驅(qū)動整車行駛并管理整個動力系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)，其特征在于所述燃料電池系統(tǒng)為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池發(fā)電裝置及燃料電池控制器，燃料電池控制器獲得發(fā)電裝置的電壓、電流、壓力、溫度信息，并控制進入發(fā)電裝置的氫氣及空氣，從而產(chǎn)生電能；所述減壓閥分為兩級，所述氫氣罐儲存的氫氣通過一級減壓閥、二級減壓閥以及可控電磁閥為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)用氫氣；所述DC/DC變換器包括DC/DC拓撲變換及DC/DC控制器，燃料電池系統(tǒng)傳輸過來的電能通過DC/DC變換器的變換，給動力蓄電池系統(tǒng)進行可控充電，而可控充電功率則由整車控制器VMS通過CAN總線發(fā)給DC/DC控制器；所述動力蓄電池系統(tǒng)包括磷酸鐵鋰動力電池包和電池管理系統(tǒng)，動力電池包輸入端與 DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出端相連，輸出端則連接電機控制器的輸入端，磷酸鐵鋰動力電池包為電動汽車的驅(qū)動電機提供電能，當磷酸鐵鋰電池電流不足時，則由燃料電池系統(tǒng)通過DC/DC變換器為其充電，從而來提高整車續(xù)駛里程，電池管理系統(tǒng)則用于獲取磷酸鐵鋰動力電池包的SOC電量值、電壓、電流及溫度信息；所述電機控制器及驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，結(jié)合驅(qū)動變速箱以及驅(qū)動橋來實現(xiàn)對整車的驅(qū)動及行駛；整車控制器為整個動力系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件，首先它根據(jù)磷酸鐵鋰電池包電量SOC及燃料電池狀態(tài)，直接通過I/O 口去控制管理氫氣輸入的電磁閥以及繼電器Sl ；其次它通過 CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、電池管理系統(tǒng)以及電機控制器進行通訊，實現(xiàn)對整個動力系統(tǒng)的控制和管理。
3.如權(quán)利要求2所述的基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)，其特征在于所述氫氣罐壓力為100-700bar，氫氣通過一級減壓閥后壓力為0_10bar，通過二級減壓閥后壓力為Ο-lbar，再通過電磁閥為燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)所需燃料，燃料電池通過氫氣與空氣中的氧氣在質(zhì)子交換膜上發(fā)生反應(yīng)生成直流電和水，其中直流電則通過后級DC/DC變換器為磷酸鐵鋰動力電池包充電，從而提高磷酸鐵鋰動力電池包的在線電量，延長整車續(xù)駛里程。
4.如權(quán)利要求2所述的基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)，其控制方法是整車控制器VMS獲得點火開關(guān)信號、油門踏板模擬信號、剎車踏板模擬信號，通過I/O 口輸出電磁閥開閉信號及繼電器Sl開閉信號，通過CAN總線獲得磷酸鐵鋰動力電池電量SOC值、 磷酸鐵鋰動力電池包狀態(tài)、燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)、DC/DC變換器狀態(tài)、驅(qū)動電機及控制器狀態(tài)、DC/DC輸入輸出電壓電流，通過CAN總線控制驅(qū)動電機的輸出扭矩以及DC/DC變換器的輸出功率，從而實現(xiàn)驅(qū)動整車行駛及燃料電池系統(tǒng)對磷酸鐵鋰電池包的在線充電。
5.如權(quán)利要求4所述的基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述電動汽車包括微型電動汽車、電動轎車和電動客車，所述對DC/DC變換器輸出功率的具體控制方法依據(jù)不同的電動汽車實施相對應(yīng)的控制方法。
6.如權(quán)利要求5所述的基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述電動汽車為微型電動汽車，其控制方法為(1)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC大于70%時，控制DC/DC變換器輸出功率為0，斷開Sl及電磁閥；(2)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC位于50%和70%之間時，閉合Sl及電磁閥，控制 DC/DC變換器輸出功率為IkW ；(3)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC位于30%和50%之間時，閉合Sl及電磁閥，控制 DC/DC變換器輸出功率為1. 5kff ；(4)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC低于30%時，閉合Sl及電磁閥，控制DC/DC變換器輸出功率為2kW。
7.如權(quán)利要求5所述的基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述電動汽車為電動轎車，其控制方法為(1)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC大于70%時候，控制DC/DC變換器輸出功率為0， 斷開Sl及電磁閥；(2)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC位于50%和70%之間時，閉合Sl及電磁閥，控制 DC/DC變換器輸出功率為3kW ；(3)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC位于30%和50%之間時，閉合Sl及電磁閥，控制 DC/DC變換器輸出功率為4kW ；(4)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC低于30%時，閉合Sl及電磁閥，控制DC/DC變換器輸出功率為5kW。
8.如權(quán)利要求5所述的基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述電動汽車為電動客車，其控制方法為(1)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC大于70%時候，控制DC/DC變換器輸出功率為0， 斷開Sl及電磁閥；(2)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC位于50%和70%之間時，閉合Sl及電磁閥，控制 DC/DC變換器輸出功率為IOkW ；(3)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC位于30%和50%之間時，閉合Sl及電磁閥，控制 DC/DC變換器輸出功率為13kW ；(4)當磷酸鐵鋰動力電池包電量SOC低于30%時，閉合Sl及電磁閥，控制DC/DC變換器輸出功率為15kW。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統(tǒng)及控制方法，其配備氫氣罐的燃料電池系統(tǒng)輸出端通過可控繼電器S1與DC/DC變換器輸入相連；DC/DC變換器輸出與磷酸鐵鋰動力電池包相連；磷酸鐵鋰動力電池包與電機控制器的高壓輸入端相連，電機控制器三相輸出端連接驅(qū)動電機；整車控制器VMS通過I/O口直接控制管理氫氣輸出的電磁閥和繼電器S1，并通過CAN總線與燃料電池系統(tǒng)、DC/DC變換器、電池管理系統(tǒng)、電機控制器進行通訊，從而控制電機驅(qū)動整車行駛并管理整個動力系統(tǒng)。帶氫氣罐的燃料電池系統(tǒng)作為磷酸鐵鋰動力電池包的車載充電器，可提供一種電動汽車車載增程器方案。燃料電池系統(tǒng)作車載增程器效率高于內(nèi)燃機，且低噪聲，零排放零污染。
文檔編號B60L11/18GK102358201SQ20111022551
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者全書海, 孫曉明, 張立炎, 沈迪, 石英, 謝長君, 鄧堅, 陳啟宏, 黃亮 申請人:武漢理工大學