CN116788064A - 用于车辆的动力系统和用于车辆的动力系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆的动力系统，至少包括：燃料电池；电机，电机通过母线与燃料电池电连接并且被配置成适于在车辆的不同行驶状态中作为发电机或电动机起作用；第一储能单元，第一储能单元连接到母线上并且与燃料电池并联连接；DC/DC转换器，DC/DC转换器与第一储能单元串联连接并且被配置成适于调节第一储能单元的输入电压或输出电压；第二储能单元，第二储能单元连接到母线上并且分别与第一储能单元和燃料电池并联连接；第一开关，第一开关被配置成适于接通或断开第二储能单元与母线的连接。本发明还涉及一种用于车辆的动力系统的控制方法。能够减小DC/DC转换器的体积和成本。

Description

用于车辆的动力系统和用于车辆的动力系统的控制方法

技术领域

本发明涉及车辆领域，尤其是涉及一种用于车辆的动力系统以及一种相应的用于车辆的动力系统的控制方法。

背景技术

近年来，随着技术的发展和环保意识的增强，燃料电池由于零排放、能量效率高、续航能力强等优点尤其受到广泛的关注，由燃料电池驱动运行的燃料电池车辆成为研发的热点。然而，由于燃料电池在峰值输出能力以及动态响应等方面不能满足要求，通常需要附加的辅助电源在输出能力方面进行补充和改善。

在现有的燃料电池混合动力车辆中，燃料电池负责主要的能量输出，附加的辅助电源负责动态性能的改善和回收车辆的制动能量，其中，辅助电源可以通过燃料电池或者车辆的电机进行充电。为了满足符合要求的动态性能，通常使用单个电容量大的辅助电源，并且针对辅助电源设置有DC/DC转换器，通过所述DC/DC转换器能够调节辅助电源的输入电压和输出电压，从而有效地改善辅助电源的充放电行为。然而，DC/DC转换器所占据的体积和制造成本与DC/DC转换器的功率相关，大功率的DC/DC转换器的体积甚至与燃料电池的体积相同，这增大了整个动力系统的结构空间。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种改进的用于车辆的动力系统，通过所述动力系统能够减小DC/DC转换器的体积和成本，从而在整体上减小动力系统的体积并且提高功率密度。

根据本发明的第一方面，提出一种用于车辆的动力系统，其中，所述动力系统至少包括：

-燃料电池；

-电机，所述电机通过母线与所述燃料电池电连接并且被配置成适于在所述车辆的不同行驶状态中作为发电机或电动机起作用；

-第一储能单元，所述第一储能单元连接到所述母线上并且与所述燃料电池并联连接；

-DC/DC转换器，所述DC/DC转换器与所述第一储能单元串联连接并且被配置成适于调节所述第一储能单元的输入电压或输出电压；

-第二储能单元，所述第二储能单元连接到所述母线上并且分别与所述第一储能单元和所述燃料电池并联连接；

-第一开关，所述第一开关被配置成适于接通或断开所述第二储能单元与所述母线的连接。

相比于现有技术，在根据本发明的动力系统中设置有两个储能单元、即第一储能单元和第二储能单元作为燃料电池的辅助电源，以用于改善燃料电池的输出性能并且进行能量回收，其中，燃料电池分别与第一储能单元和第二储能单元并联连接。在此，第一储能单元和第二储能单元承担不同的功能，其中，第一储能单元构造成用于改善燃料电池的输出性能并且通过燃料电池和电机进行充电，而第二储能单元构造成用于回收制动时的能量并且在制动后进行电机的驱动，为此，仅需针对第一储能单元设置DC/DC转换器，该DC/DC转换器与第一储能单元串联连接并且其需求功率较小，使得DC/DC转换器的体积相对较小并且制造费用相对较低，从而减小整个动力系统的结构空间并且提高功率密度。

本发明的第二方面提出一种相应的用于车辆的动力系统的控制方法，所述控制方法通过根据本发明的动力系统实施，所述控制方法至少包括以下步骤：

S1：获取所述车辆的行驶状态；

S2：基于所述行驶状态，根据能量管理策略控制所述动力系统的各个组件的连接状态和工作状态。

附图说明

下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力系统的示意性框图；

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在此，出于简要性的原因，具有相同附图标记的元件在附图中仅标出一次。

应理解，在本文中，表述“第一”、“第二”等仅用于描述性目的，而不应理解为指示或暗示相对重要性，也不应理解为隐含指明所指示的技术特征的数量。限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地表示包括至少一个该特征。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力系统100的示意性框图。在此，所述车辆是燃料电池混合动力车辆。

如图1所示，动力系统100包括燃料电池10和电机20，其中，燃料电池10以氢气为燃料，生成电能和水，并且为电机20提供主要的驱动能量，其中，电机20通过母线30与燃料电池10电连接，所述母线30是动力系统100的不同组件的共用的能量通路，这些组件以并列分支的形式连接在该能量通路上。在此，电机20在车辆的不同行驶状态中可以作为发电机或电动机起作用，其中，在车辆的定速巡航或加速的行驶状态中，电机20在接收电能的情况下作为电动机输出扭矩并且驱动车辆的传动机构，而在车辆的缓慢减速或制动的行驶状态中，电机20作为发电机起作用并且产生可回收的电能，通过回收所述电能可以节约能量并且提高车辆的续航里程。在本发明的框架下，“缓慢减速”应理解为，车辆的驾驶员松开油门踏板，车辆处于惯性滑行状态并且在摩擦力、风阻等因素的影响下自动地减速，在该过程中，电机20根据车辆速度产生相对应的回收扭矩，基于所述回收扭矩形成可回收的电能。在本发明的框架下，“制动”应理解为，车辆的驾驶员踩下制动踏板并且车辆在刹车卡钳和刹车盘的共同作用下相对较快地降速，在该过程中，电机20在滑行状态下产生的回收扭矩的基础上继续叠加附加的回收扭矩，所述附加的回收扭矩同样与车辆速度相关，基于整体的回收扭矩形成可回收的电能。与缓慢减速的行驶状态相比，电机20在制动的行驶状态中能够产生更多的可回收的电能和更大的充电电压。

如图1所示，动力系统100还包括第一储能单元40和第二储能单元50，所述第一储能单元40和所述第二储能单元50分别与燃料电池10并联连接并且通过母线30与电机20电连接。在此，第一储能单元40和第二储能单元50共同承担由电机20产生的电能的回收工作，其中，第一储能单元40构造成用于改善燃料电池10的输出性能并且能够通过燃料电池10进行充电。为此，针对第一储能单元40设置有DC/DC转换器60，该DC/DC转换器60与第一储能单元40串联连接。通过DC/DC转换器60能够调节第一储能单元40的输入电压或输出电压，从而实现第一储能单元40的有效充放电并且满足电机20在车辆定速巡航和加速时的峰值功率需求。

如图1所示，动力系统100还包括第一开关L1，所述第一开关L1构造成用于接通或断开第二储能单元50与母线30的连接，从而控制第二储能单元与电机20的电连接。由此能够在车辆的不同行驶状态下控制第一储能单元40和第二储能单元50分别承担能量回收工作或者电机20的辅助驱动工作，从而避免构造体积过大的DC/DC转换器60或者为第二储能单元50设置附加的DC/DC转换器，这在整体上减小了动力系统100的结构空间和制造成本。

示例性地，动力系统100还包括第二开关L2，所述第二开关L2布置在母线30上并且燃料电池10和第一储能单元40在并联连接之后经由第二开关L2连接至电机20，由此第二开关L2构造成接通或断开由燃料电池10和第一储能单元40形成的并联电路与电机20的连接。此外，动力系统还包括第三开关L3，所述第三开关L3构造成用于接通或断开燃料电池10与母线30的连接，具体地，第三开关L3可以布置在燃料电池10所在的支路上，所述支路连接到母线30上。通过第二开关L2和第三开关L3能够更灵活地控制动力系统100的各个能量源在车辆的不同行驶状态下的工作状态，对此的详细描述参见下文。

示例性地，第二储能单元50的电容量大于第一储能单元40的电容量，由此可以使第二储能单元50回收更多的电能并且更多地承担驱动电机20的工作，可选择地，第二储能单元50的充放电功率大于第一储能单元40的充放电功率，从而使用于第一储能单元40的DC/DC转换器60相应更小地构型。

示例性地，第一储能单元40和第二储能单元50可以构造为蓄电池，例如锂离子电池或钠离子电池。此外可以考虑，第一储能单元40和第二储能单元50以超级电容的形式构造，所述超级电容具有充电速度快、工作效率高、使用寿命长等优点。在此，第一储能单元40和第二储能单元50能够构造为不同类型的储能单元，尤其地，第一储能单元40构造为锂离子电池，而第二储能单元50构造为超级电容。当然也可以考虑另外的本领域技术人员认为有意义的储能单元类型。

示例性地，动力系统100还包括变流器70，所述变流器70与电机20连接并且可以作为逆变器或整流器起作用，从而将电机20的输入电压转换成交流电压或者将电机20的输出电压转换成直流电压。通过变流器70能够实现电机20与各个能量源有效地作用连接。在此，电机20经由变流器70连接到动力系统100的母线30上。

示例性地，动力系统100还包括控制器80，所述控制器80能够通过控制各个开关L1、L2、L3的开闭来控制动力系统100的燃料电池10、电机20、第一储能单元40和第二储能单元50的连接。在此，控制器80基于车辆的行驶状态根据能量管理策略控制动力系统100的各个组件的连接状态和工作状态，以实现车辆的正常行驶。

示例性地，动力系统100通过母线30与车辆的至少一个耗电器200电连接，以用于给所述耗电器200供应电能。在此，耗电器200例如是空调单元、照明单元、电动辅助控制单元等。在此，燃料电池10、第一储能单元40和第二储能单元50的电能均可以供应给耗电器200。

示例性地，动力系统100的第一储能单元40和第二储能单元50能够相互充电，以在必要时平衡这两个辅助电源的电量。

在此，动力系统100的第一储能单元40和第二储能单元50作为燃料电池10的辅助电源用于改善燃料电池的输出性能并且进行能量回收，其中，仅仅第一储能单元40需要通过燃料电池10进行充电，而第二储能单元50仅用于回收制动时的能量并且在制动后进行电机20的驱动，燃料电池10并不直接给第二储能单元50充电。为此，仅需针对第一储能单元40设置DC/DC转换器60，以便稳定燃料电池10给第一储能单元40充电时的输入电压，该DC/DC转换器60相比于传统的动力系统中的DC/DC转换器而言承担显著降低的负载功率，使得该DC/DC转换器60的体积相对较小并且制造费用相对较低，由此减小整个动力系统100的结构空间并且提高功率密度。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力系统100的控制方法的流程图。所述控制方法通过根据本发明的动力系统100实施。

如图2所示，所述控制方法至少包括以下步骤：

S1：获取所述车辆的行驶状态；

S2：基于所述行驶状态，根据能量管理策略控制动力系统100的各个组件的连接状态和工作状态。

在此，车辆的行驶状态至少从以下组中选择出：正常加速，定速巡航，缓慢减速，制动，制动后加速。在本发明的框架下，“正常加速”应理解为车辆的驾驶员在没有预先踩制动踏板的情况下踩油门踏板进行加速，而“制动后加速”应理解为车辆的驾驶员在踩制动踏板进行制动之后紧接着踩油门踏板进行加速。与正常加速的行驶状态相比，在制动后加速的行驶状态中需要进行电机的反向扭矩和正向扭矩之间的转变，这要求较大的功率输入。在本发明的框架下，“定速巡航”应理解为车辆以基本上相同的速度行驶。在此，车辆的行驶状态通过检测所述车辆的车速变化、油门踏板以及制动踏板的状态等方式确定。

示例性地，所述车辆的行驶状态可以通过设置在车辆中的传感器检测，例如速度传感器、加速度传感器或者踏板开度传感器。当然也可以考虑另外的本领域技术人员认为有意义的传感器。由传感器检测到的所述车辆的行驶状态被传输给动力系统100的控制器80，从而获取所述车辆的行驶状态。控制器80基于车辆的行驶状态，根据能量管理策略控制动力系统100的各个组件的连接状态和工作状态。在此，通过所述能量管理策略能够合理地调用燃料电池10、第一储能单元40和第二储能单元50并且充分利用各能量源的优势，由此使它们以有利的方式相互协作，从而使车辆的动力系统100达到更好的动力性和经济性并且延长燃料电池10的使用寿命。

示例性地，根据所述能量管理策略，在车辆的定速巡航或正常加速的行驶状态中，将第一开关L1断开，并且将第二开关L2和第三开关L3接通，其中，通过燃料电池10和第一储能单元40给电机20和耗电器200提供电能，所述电机20作为电动机起作用并且驱动车辆的传动机构。尤其地，在车辆定速巡航的过程中，当第一储能单元40的荷电水平较低时，可以通过燃料电池10给第一储能单元40充电。在此，第二储能单元50不参与电机20的能量供应过程，并且燃料电池10不给第二储能单元50充电，由此不需要针对第二储能单元50设置DC/DC转换器以稳定燃料电池10的输出电压，这明显降低了动力系统100的成本和体积。

示例性地，根据所述能量管理策略，在车辆的缓慢减速的行驶状态中，将第一开关L1断开，并且将第二开关L2接通，电机20作为发电机起作用，从而将滑动过程中产生的可回收能量经由DC/DC转换器60供应给第一储能单元40。在此，示例性地将第三开关L3接通，通过燃料电池10与电机20共同给第一储能单元40充电。但也可以考虑将第三开关L3断开，使得燃料电池10在车辆缓慢减速的过程中不工作。在此，第二储能单元50不参与能量回收过程。

示例性地，根据所述能量管理策略，在车辆的制动的行驶状态中，将第一开关L1连接，电机20作为发电机起作用，从而将制动过程中产生的可回收能量供应给第二储能单元50。相比于缓慢减速的行驶状态，车辆在制动的行驶状态中产生更多的可回收能量并且作为发电机的电机20的输出电压相对较大。在此，第二开关L2断开，由此仅由第二储能单元50进行能量回收。但也可以考虑，将第二开关L2接通，第三开关L3断开，燃料电池10不工作，并且由第一储能单元40和第二储能单元50共同进行能量回收，其中，第二储能单元50的电容量尤其大于第一储能单元40的电容量，由此避免对用于第一储能单元40的DC/DC转换器60造成过大的负担。

示例性地，根据所述能量管理策略，在车辆的制动后加速的行驶状态中，将第一开关L1连接，由此通过第二储能单元50给电机20和耗电器200提供电能，所述电机20作为电动机起作用并且驱动车辆的传动机构。示例性地，在车辆的制动后加速的行驶状态中，首先将第二开关L2和第三开关L3断开，从而防止在状态转换时对燃料电池10和第一储能单元40造成冲击；当电机20的性能参数达到第一阈值时，将第二开关L2接通并且保持第三开关L3断开，此时由第一储能单元40和第二储能单元50共同为电机20和耗电器200提供电能；当电机20的性能参数达到第二阈值时，将第三开关L3接通并且将第一开关L1断开，此时由燃料电池10和第一储能单元40共同为电机20和耗电器200提供电能。通过各个开关的上述控制能够在满足电机20和耗电器200的输出需求的情况下避免燃料电池10和第二储能单元50之间发生能量交互，从而取消用于第二储能单元50的DC/DC转换器的设置，这能够减少部件数量并且在整体上减小动力系统100的体积。此外，能够实现车辆在制动后的快速加速过程以及各个电源之间的平滑过渡，从而避免在状态转换时对电机20的输出性能的影响并且防止对第一储能单元40以及用于第一储能单元40的DC/DC转换器60的冲击。在此，电机20的性能参数可以从以下组中选择一个或多个：扭矩，转速，输出功率，输入电压。当然也可以考虑另外的本领域技术人员认为有意义的参数。在此，用于求取第一阈值和第二阈值的计算公式可以通过实验或经验数据获取。示例性地，当电机20的性能参数是转速时，第二阈值大于第一阈值，并且第一阈值和第二阈值的具体数值取决于电机20的转速；而当电机20的性能参数是扭矩时，第二阈值小于第一阈值，并且第一阈值和第二阈值的具体数值取决于电机20的扭矩、尤其取决于扭矩和转速。

示例性地，用于控制动力系统100的能量管理策略可以存储在控制器80中，所述控制器80基于车辆的行驶状态根据能量管理策略控制动力系统100的各个组件的连接状态和工作状态。在此，通过能量管理策略还能够调节燃料电池的输出功率及电压范围，以用于满足电机20和耗电器200的工作需求。

前面对于实施方式的阐释仅在所述示例的框架下描述本发明。当然，只要在技术上有意义，实施方式的各个特征能够自由地相互组合，而不偏离本发明的框架。

对于本领域的技术人员而言，本发明的其他优点和替代性实施方式是显而易见的。因此，本发明就其更宽泛的意义而言并不局限于所示和所述的具体细节、代表性结构和示例性实施例。相反，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下进行各种修改和替代。

Claims (10)

1.一种用于车辆的动力系统(100)，其特征在于，所述动力系统(100)至少包括：

-燃料电池(10)；

-电机(20)，所述电机(20)通过母线(30)与所述燃料电池(10)电连接并且被配置成适于在所述车辆的不同行驶状态中作为发电机或电动机起作用；

-第一储能单元(40)，所述第一储能单元(40)连接到所述母线(30)上并且与所述燃料电池(10)并联连接；

-DC/DC转换器(60)，所述DC/DC转换器(60)与所述第一储能单元(40)串联连接并且被配置成适于调节所述第一储能单元(40)的输入电压或输出电压；

-第二储能单元(50)，所述第二储能单元(50)连接到所述母线(30)上并且分别与所述第一储能单元(40)和所述燃料电池(10)并联连接；

-第一开关(L1)，所述第一开关(L1)被配置成适于接通或断开所述第二储能单元(50)与所述母线(30)的连接。

2.根据权利要求1所述的动力系统(100)，其特征在于，

所述动力系统(100)还包括第二开关(L2)，所述第二开关(L2)布置在所述母线(30)上并且被配置成适于接通或断开由所述燃料电池(10)和所述第一储能单元(40)形成的并联电路与所述电机(20)的连接；和/或

所述动力系统(100)还包括第三开关(L3)，所述第三开关(L3)被配置成适于接通或断开所述燃料电池(10)与所述母线(30)的连接。

3.根据权利要求1或2所述的动力系统(100)，其特征在于，

所述第二储能单元(50)的电容量大于所述第一储能单元(40)的电容量；和/或

所述第二储能单元(50)的充放电功率大于所述第一储能单元(40)的充放电功率。

4.根据前述权利要求中任一项所述的动力系统(100)，其特征在于，

所述第一储能单元(40)构造为蓄电池或超级电容，并且所述第二储能单元(50)构造为蓄电池或超级电容。

5.根据前述权利要求中任一项所述的动力系统(100)，其特征在于，

所述动力系统还包括变流器(70)，所述变流器(70)与所述电机(20)连接并且被配置成适于将所述电机(20)的输入电压转换成交流电压或者将所述电机(20)的输出电压转换成直流电压。

6.根据前述权利要求中任一项所述的动力系统(100)，其特征在于，

所述动力系统(100)包括控制器(80)，所述控制器(80)被配置成适于控制所述动力系统(100)的所述燃料电池(10)、所述电机(20)、所述第一储能单元(40)和所述第二储能单元(50)的连接；和/或

所述动力系统(100)通过所述母线(30)与所述车辆的至少一个耗电器(200)电连接，以用于给所述耗电器(200)供应电能；和/或

所述第一储能单元(40)和所述第二储能单元(50)适于相互充电。

7.一种用于车辆的动力系统(100)的控制方法，所述控制方法通过根据权利要求1至6中任一项所述的动力系统(100)实施，所述控制方法至少包括以下步骤：

S1：获取所述车辆的行驶状态；

S2：基于所述行驶状态，根据能量管理策略控制所述动力系统(100)的各个组件的连接状态和工作状态。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，包括：

根据所述能量管理策略：

在所述车辆的定速巡航或正常加速的行驶状态中，所述第一开关(L1)断开，通过所述燃料电池(10)和所述第一储能单元(40)给所述电机(20)提供电能，所述电机作为电动机起作用；和/或

在所述车辆的缓慢减速的行驶状态中，所述第一开关(L1)断开，所述电机(20)作为发电机起作用以提供电能，所述第一储能单元(40)通过所述电机(20)充电。

9.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于，包括：

根据所述能量管理策略：

在所述车辆的制动的行驶状态中，所述第一开关(L1)接通，所述电机(20)作为发电机起作用以提供电能，所述第二储能单元(50)通过所述电机(20)充电；和/或

在所述车辆的制动后加速的行驶状态中，所述第一开关(L1)接通，所述第二储能单元(50)给所述电机(20)提供电能，所述电机作为电动机起作用。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，包括：

根据所述能量管理策略：

在所述车辆的制动的行驶状态中，所述第二开关(L2)断开；和/或

在所述车辆的制动后加速的行驶状态中，在所述电机(20)的性能参数达到第一阈值时，所述第二开关(L2)接通并且所述第三开关(L3)断开，在所述电机(20)的性能参数达到第二阈值时，所述第三开关(L3)接通并且所述第一开关(L1)断开，其中，所述电机(20)的性能参数从以下组中选择：扭矩，转速，输出功率，输入电压。