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CN113415179B - 一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统及控制方法 - Google Patents

一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统及方法，驱动系统包括氢燃料电池单元、动力电池包、电子接口设备、电机控制器、驱动电机、传动装置、车轮和整车控制器，氢燃料电池单元通过与动力电池包串联，动力电池包通过电子接口设备与电机控制器电连接，电机控制器连接驱动电机，驱动电机连接传动装置，传动装置连接车轮，车轮、电机控制器、电子接口设备、动力电池包和氢燃料电池单元分别电连接整车控制器，整车控制器电连接制动踏板和加速踏板。本发明利用动力电池包可以回收汽车制动时的部分动能，增加整车的能量效率，提高氢燃料电池单元的效率，且大大降低了整车成本。

Description

一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统及控制方法
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统及控制方法。
背景技术
面对日益突出的环境问题和能源危机，世界各国都在大力发展新型汽车，而燃料电池汽车以其自身的优势成为了发展的重点领域之一。
燃料电池汽车是把燃料电池系统作为汽车的动力的一类新能源汽车，燃料电池可以把化学能转换为电能。但是纯燃料电池汽车只有一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担，纯燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电机，驱动电机将电能转化成机械能再传给传动系，从而驱动汽车前进。该种电驱系统结构简单、部件少、便于实现系统控制、整体布置和整车轻量化，能量的传递效率与整车的燃料经济性高，但是其有着致命的缺点：1）对燃料电池系统的功率要求较大，从而造成整车成本较高；2）不能对制动能量进行回收，存在能源浪费。
发明内容
基于上述问题，本发明提出一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统及控制方法，利用氢燃料电池单元+动力电池包联合驱动的方式，降低整车成本，回收制动能量，提高整车能量利用率。
本发明采用的技术方案是，一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统，包括氢燃料电池单元、动力电池包、电子接口设备、电机控制器、驱动电机、传动装置、车轮和整车控制器，电子接口设备连接到氢燃料电池单元、动力电池包、电机控制器和整车控制器，整车控制器连接氢燃料电池单元、动力电池包、电机控制器、车轮测速传感器、制动踏板和加速踏板，电机控制器连接驱动电机，驱动电机通过传动装置连接车轮，车轮上安装车轮测速传感器。
优选地，氢燃料电池单元和动力电池包之间通过电子接口设备中的DC/DC变换器连接，动力电池包和电机控制器之间通过电子接口设备中的DC/AC变换器和DC/AC逆变器连接。
一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统的控制方法，整车控制器从制动踏板或加速踏板获取指令信号，并向电子接口设备和电机控制单元发出指令信号，若驱动电机输入功率大于氢燃料电池单元额定功率，氢燃料电池单元和动力电池包同时向驱动电机供电；若驱动电机输入功率小于氢燃料电池单元预设的最小功率，且动力电池包的储电量SOC小于20%，氢燃料电池单元向驱动电机供电，动力电池包的储电量SOC大于90%，由动力电池包向驱动电机供电；驱动电机输入功率小于氢燃料电池单元额定功率且不小于氢燃料电池单元预设的最小功率时，氢燃料电池向驱动电机供电。
优选地，驱动电机输入功率小于氢燃料电池单元预设的最小功率，且动力电池包的储电量SOC小于20%时，氢燃料电池单元对动力电池包充电。
优选地，驱动电机输入功率小于氢燃料电池单元额定功率不小于氢燃料电池单元预设的最小功率，且动力电池包的储电量SOC小于20%时，氢燃料电池单元以额定功率运行，并对动力电池包充电。
优选地，车辆停顿时，氢燃料电池单元和动力电池包都不向驱动电机供电，氢燃料电池单元在空载状态下运行。
优选地，车辆制动时，氢燃料电池系统运行于空载状态下，动力电池包依靠制动系统运行特性吸收再生制动能量。
相较现有技术，本发明的有益效果是：
1）氢燃料电池单元和动力电池包一起为汽车提供动力，在汽车制动时，驱动电机变成发电机，动力电池包将储存回馈的能量，提高整车能量利用率，在氢燃料电池单元和动力电池包联合供能时，氢燃料电池单元的能量输出变化较为缓慢，随时间变化波动较小，能量需求变化高频部分由动力电池包担当，整车对氢燃料电池单元的功率要求较纯燃料电池系统结构形式有很大的降低，从而大大降低了整车成本；
2）工作时氢燃料电池单元的效率较高，氢燃料电池单元受外界以及车辆行驶速度影响小，适合于车辆需要频繁启停、加速、低速运行的城市道路工况。
附图说明
图1为本发明的控制原理示意图；
图2为本发明氢燃料电池单元和动力电池包连接示意图；
图中标记：1、氢燃料电池单元，2、动力电池包，3、电子接口设备，31、DC/DC变换器，32、DC/AC变换器，33、DC/AC逆变器，4、电机控制器，5、驱动电机，6、传动装置，7、车轮，71、车轮测速传感器，8、整车控制器，9、制动踏板，10、加速踏板。
具体实施方式
以下将结合说明书附图对本发明进一步解释说明，以便于本领域专业技术人员理解。
实施例1：
如图1-2所示，一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统，包括氢燃料电池单元1、动力电池包2、电子接口设备3、电机控制器4、驱动电机5、传动装置6、车轮7和整车控制器8，车轮7上安装有车轮测速传感器71。电子接口设备3连接到氢燃料电池单元1、动力电池包2、电机控制器4和整车控制器8，整车控制器8连接氢燃料电池单元1、动力电池包2、电机控制器4、车轮测速传感器71、制动踏板9和加速踏板10，电机控制器4连接驱动电机5，驱动电机5通过传动装置6连接车轮7，所述传动装置为车桥。
具体地，氢燃料电池单元1和动力电池包2之间通过电子接口设备3中的DC/DC变换器31连接，动力电池包2和电机控制器4之间通过电子接口设备3中的DC/AC变换器32和DC/AC逆变器33连接。
如图2所示，氢燃料电池单元1和动力电池包2产生的电力通过变换器和逆变器传给驱动电机5用来驱动车轮7或者给动力电池包2进行充电。当驱动电机5需求功率大时，氢燃料电池单元1跟动力电池包2共同驱动，动力电池包2在氢燃料电池单元1的输出和驱动电机5的需求上面起调节中作用，而且动力电池包2作为辅助动力可以起到增加续驶里程的作用。
实施例2：
一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统的控制方法，该方法为：整车控制器8根据来自制动踏板9或加速踏板10的指令信号（制动指令信号或牵引指令信号），向电子接口设备3和电机控制器4发出指令信号，根据驱动电机5输入功率控制以氢燃料电池单元1供电或氢燃料电池单元1+动力电池包2的方式共同供电。具体而言，在急剧极速状态下，对应于峰值功率信号，氢燃料电池单元1与动力电池包2两者都向驱动电机5提供功率引擎；在制动状态下，驱动电机5运行于发电机状态，将部分制动能量转化为电能，并储存于动力电池包2中；当负载功率小于氢燃料电池单元1的额定功率时，动力电池包2中也能从氢燃料电池单元1得到能量，恢复其能量，因此动力电池包2不需要由车辆外部给予充电。
上述方法包括以下模式：
1）停顿模式：氢燃料电池单元1和动力电池包2都不向驱动电机5供给功率，氢燃料电池单元1可运行在空载状态下；
2）制动模式：氢燃料电池单元1运行于空载状态下，而动力电池包2依靠制动系统运行特性吸收再生制动能量（通过制动时减速产生的热能转换成机械能、电能，并将其转换的电能储存于动力电池包中）；
3）牵引模式：
a、若受指令控制的驱动电机5输入功率大于氢燃料电池单元1的额定功率，则应用混合牵引模式，此时氢燃料电池单元1运行在其额定功率状态下，而剩余的功率需求由动力电池包2供应，氢燃料电池单元1的额定功率设置在氢燃料电池单元1最佳运行区的顶线处；
b、若受指令控制的驱动电机5输入功率小于氢燃料电池单元1预设的最小功率，且动力电池包2的储电量SOC小于20%时（需要充电），则氢燃料电池单元1以空载状态下运行，其一部分功率向驱动电机5供电，而另一部分功率用于动力电池包2充电；若动力电池包2的储电量SOC大于90%时（不需要充电），则氢燃料电池单元1处于空载状态，且由动力电池包2单独驱动车辆，在后一情况下，动力电池包2提供的功率需大于受指令控制驱动电机5的输入功率；
c、若驱动电机5输入功率大于或等于氢燃料电池单元1所预设的最小功率，且小于氢燃料电池单元1的额定功率，同时动力电池包2的储电量SOC大于90%，则由氢燃料电池单元1单独驱动车辆；若动力电池包2需要充电，则氢燃料电池单元1以额定功率运行，其一部分功率用于驱动电机5，另一部分的功率向动力电池包2充电；
d、若驱动电机5输入功率等于氢燃料电池单元1的额定功率，则此时氢燃料电池单元1运行在其额定功率状态下，由氢燃料电池单元1单独驱动车辆待其消耗完，剩余的功率需求由动力电池包2供应。
本发明采用混合动力驱动系统，主要由氢燃料电池单元1和动力电池包2组成，氢燃料电池单元1和动力电池包2连接，它们产生的电力通过变换器和逆变器传给驱动电机5用来驱动车轮7或者给动力电池包2进行电。在汽车制动时，驱动电机5变成发电机，动力电池包2将储存回馈的能量，提高整车能量利用率，作为辅助动力可以起到增加续驶里程的作用；在氢燃料电池单元1和动力电池包2联合供能时，氢燃料电池单元1的能量输出变化较为缓慢，随时间变化波动较小，能量需求变化高频部分由动力电池包2担当，整车对氢燃料电池单元1的功率要求较纯燃料电池系统结构形式有很大的降低，从而大大降低了整车成本；并且氢燃料电池单元1的效率提高，受外界以及车辆行驶速度影响小，适合于车辆需要频繁启停、加速、低速运行的城市道路工况。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种氢燃料电池客车混合动力驱动系统的控制方法，其特征在于，该方法用于氢燃料电池客车混合动力驱动系统，该系统包括氢燃料电池单元（1）、动力电池包（2）、电子接口设备（3）、电机控制器（4）、驱动电机（5）、传动装置（6）、车轮（7）和整车控制器（8），电子接口设备（3）连接到氢燃料电池单元（1）、动力电池包（2）、电机控制器（4）和整车控制器（8），整车控制器（8）连接氢燃料电池单元（1）、动力电池包（2）、电机控制器（4）、车轮测速传感器（71）、制动踏板（9）和加速踏板（10），电机控制器（4）连接驱动电机（5），驱动电机（5）通过传动装置（6）连接车轮（7），车轮上安装车轮测速传感器（71），所述氢燃料电池单元（1）和动力电池包（2）之间通过电子接口设备中的DC/DC变换器（31）连接，动力电池包（2）和电机控制器（4）之间通过电子接口设备中的DC/AC变换器（32）和DC/AC逆变器（33）连接；
上述混合动力驱动系统的控制方法为：整车控制器（8）从制动踏板（9）或加速踏板（10）获取指令信号，并向电子接口设备（3）和电机控制器（4）发出指令信号，若驱动电机（5）输入功率大于氢燃料电池单元（1）额定功率，氢燃料电池单元（1）和动力电池包（2）同时向驱动电机（5）供电；若驱动电机（5）输入功率小于氢燃料电池单元（1）预设的最小功率，且动力电池包（2）的储电量SOC小于20%时，氢燃料电池单元（1）向驱动电机（5）供电，动力电池包（2）的储电量SOC大于90%时，由动力电池包（2）向驱动电机（5）供电；驱动电机（5）输入功率小于氢燃料电池单元（1）额定功率且不小于氢燃料电池单元（1）预设的最小功率时，氢燃料电池单元（1）向驱动电机（5）供电；
驱动电机（5）输入功率小于氢燃料电池单元（1）预设的最小功率，且动力电池包（2）的储电量SOC小于20%时，氢燃料电池单元（1）对动力电池包（2）充电；
驱动电机（5）输入功率小于氢燃料电池单元（1）额定功率不小于氢燃料电池单元（1）预设的最小功率，且动力电池包（2）的储电量SOC小于20%时，氢燃料电池单元（1）以额定功率运行，并对动力电池包（2）充电；
车辆停顿时，氢燃料电池单元（1）和动力电池包（2）都不向驱动电机（5）供电，氢燃料电池单元（1）在空载状态下运行；
车辆制动时，氢燃料电池单元（1）运行于空载状态下，动力电池包（2）依靠制动系统运行特性吸收再生制动能量。
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