燃料电池车辆及燃料电池车辆的控制方法与流程

1.本发明涉及车辆驱动技术领域，尤其是涉及具有燃料电池、蓄电池和电机的混合动力车辆。


背景技术：

2.专利文献1：cn113085588a公开了一种搭载有燃料电池的燃料电池车辆(以下，将燃料电池称为“fc(fuel cell)”，将燃料电池车辆称为“fcv(fuel cell vehicle)”。)。该fcv具备fc系统；蓄电装置，作为剩余电力的储存器、再生制动时的再生能量储存器、与车辆的加速或减速相伴的负荷波动时的能量缓冲器(energy buffer)发挥功能；驱动装置，从fc系统和蓄电装置中的至少一方接受电力来产生行驶功率；以及控制装置，控制fc系统的输出，使得从fc系统向驱动装置供给电力，并且蓄电装置的soc(荷电状态(soc：state of charge))被调整为目标soc。控制装置还控制fc系统的输出，使得蓄电装置的输出不超过蓄电装置的输出上限。蓄电装置的输出上限被设定为在soc低于阈值的情况下该蓄电装置的输出上限随着soc降低而降低。并且，目标soc高于上述的阈值。
3.上述专利文献1所记载的技术基于系统输出上限来计算目标soc；进一步，根据目标soc计算蓄电装置充放电请求；进一步，根据蓄电装置充放电请求计算fc系统输出。由于系统输出上限是跟随fcv不同工况而变化的，进而fc系统输出功率会跟随fcv运行工况的切换频繁变化，增加了fc系统控制难度，同时fc使用寿命会降低。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述问题而提出的，本发明目的在于提供一种能减少fc系统频繁升降功率，延长fc使用寿命及提升燃料利用率的燃料电池车辆及燃料电池车辆的控制方法。其实施方案如下：
5.本专利的fcv具备：fc，是使用蓄存于罐的燃料(如氢气，附图未显示)和氧化剂(如空气，附图未显示)进行电化学反应的膜发电装置；第一蓄电装置；第二蓄电装置；fc辅机，是支撑fc系统正常运转所需的装置；功率控制单元(以下，将功率控制单元称为“pcu(power control unit)”)，控制fcv在不同运行模式下的功率分配；电机(以下，将电机称为“mg(motor generator)”)，作为动力马达从第一蓄电装置或第二蓄电装置中的至少一方接收电力来驱动fcv行驶，或作为发电机获取fcv制动力为第一蓄电装置或第二蓄电装置充电；控制单元(以下，将控制单元称为“vcu(vehicle control unit)”)，fcv动力系统总成控制器；充电口，构成为第一蓄电装置和第二蓄电装置能外接充电桩外延电缆的连接器。
6.根据本发明的一些实施例，上述fc辅机包括：空气压机，为fc供应氧化剂(空气)；燃料循环泵，使fc中参与反应的燃料循环使用，并带出废气和水；冷却泵，为fc的冷却剂循环提供动力。
7.根据本发明的一些实施例，上述pcu包括：fc转换器，设置于fc与第三继电器和第四继电器之间，构成为控制fc的电力输出，并构成为将来自fc的电力升压并向第一蓄电装
置或第二蓄电装置进行充电，且电力只能完成由fc向第一蓄电装置转换器或第二蓄电装置转换器单向转换；第一蓄电装置转换器，设置于第一蓄电装置与第一继电器和第三继电器之间，构成为将来自第一蓄电装置的电力升压并向电机逆变器输出，并构成为将来自电机逆变器产生的再生电力或fc发出的电力降压而用于第一蓄电装置的充电；第二蓄电装置转换器，设置于第二蓄电器与第二继电器和第四继电器之间，构成为将来自第二蓄电装置的电力升压并向电机逆变器输出，并构成为将来自电机逆变器产生的再生电力或fc发出的电力降压而用于第二蓄电装置的充电；第一继电器，设置于第一蓄电装置转换器与电机逆变器之间，切换将第一蓄电装置转换器与电机逆变器电气连接的连接状态和将第一蓄电装置转换器与电机逆变器电气切断的断开状态；第二继电器；设置于第二蓄电装置转换器与电机逆变器之间，切换将第二蓄电装置转换器与电机逆变器电气连接的连接状态和将第二蓄电装置转换器与电机逆变器电气切断的断开状态；第三继电器，设置于fc转换器与第一蓄电装置转换器和第一继电器之间，切换将fc转换器与第一蓄电装置转换器电气连接的连接状态和将fc转换器与第一蓄电装置转换器电气切断的断开状态；第四继电器，设置于fc转换器与第二蓄电装置转换器和第二继电器之间，切换将fc转换器与第二蓄电装置转换器电气连接的连接状态和将fc转换器与第二蓄电装置转换器电气切断的断开状态。
8.根据本发明的一些实施例，上述vcu包括：燃料电池控制器(以下，将燃料电池控制器称为“fcu(fuel cell control unit)”)，负责fc系统整体过程控制；蓄电装置控制器(以下，将蓄电装置控制器称为“bms(battery management system)”)，监测第一蓄电装置和第二蓄电装置soc状态，防止出现过充电和过放电，延长使用寿命；电机控制器(以下，将电机控制器称为“mcu(motor control unit)”)，控制mg逆变器使电机作为动力马达驱动fcv行驶，或获取fcv制动力而作为发电机产生再生电力为第一蓄电装置或第二蓄电装置充电。
9.根据本发明的一些实施例，第一蓄电装置设置有第一蓄电装置目标soc1和第一蓄电装置阈值s1，当第一蓄电装置实时soc高于上述阈值s1时，第一蓄电装置处于带载状态，当第一蓄电装置实时soc低于上述阈值s1时，将fc转换器输出电力设置为第一蓄电装置目标soc1，对第一蓄电装置进行充电。第二蓄电装置设置有第二蓄电装置目标soc2和第二蓄电装置阈值s2，当第二蓄电装置实时soc高于上述阈值s2时，第二蓄电装置处于带载状态，当第二蓄电装置实时soc低于上述阈值s2时，将fc转换器输出电力设置为第二蓄电装置目标soc2，对第二蓄电装置进行充电。上述阈值s1和阈值s2被设定为第一蓄电装置和第二蓄电装置亏电荷电状态，蓄电装置处在亏电荷电状态下对外输出能力将下降，且持续处于亏电荷电状态会影响蓄电装置使用寿命。上述第一蓄电装置目标soc1高于上述阈值s1，上述第二蓄电装置目标soc2高于上述阈值s2。
附图说明
10.附图1为本技术所述搭载有fc系统的fcv简要构成图；
11.附图2为本技术第一蓄电装置和第二蓄电装置soc状态曲线图；
12.附图3为本技术fcv“起步模式”电力分配图；
13.附图4为本技术fcv“增程模式”电力分配图；
14.附图5为本技术fcv“高负荷模式”电力分配图；
15.附图6为本技术fcv“再生制动模”电力分配图；
16.附图7为本技术fcv“驻车发电模式”电力分配图；
17.附图标记如下：
18.10-fc；11-燃料电池转换器；12-第四继电器；13-第三继电器；20-第一蓄电装置；21-第一蓄电装置转换器；22-第一继电器；30-第二蓄电装置；31-第二蓄电装置转换器；32-第二继电器；40-pcu；50-充电口；51-第五继电器；60-mg；61-电机逆变器；70-fc辅机；71-空压机逆变器；72-燃料循环泵逆变器；73-冷却泵逆变器；74-冷却泵；75-燃料循环泵；76-空压机；80-vcu；81-fcu；82-bms；83-mcu；100-fcv。
具体实施方式
19.下面结合附图对本技术做进一步详细描述。
20.图1为本技术所述搭载有fc系统的fcv简要构成图。如图1所示，fcv100具备fc10、第一蓄电装置20、第二蓄电装置30、pcu40、充电口50、第五继电器51、mg60、电机逆变器61、fc辅机70及vcu80。
21.所述fc10是使用蓄存于罐的燃料(如氢气，附图未显示)和氧化剂(如空气，附图未显示)进行电化学反应的膜发电装置，fc10是由多个串联层叠在一起的单体电池构成，单体电池由膜电极、阳极板及阴极板构成，氢气供给至膜电极阳极侧与被供给至膜电极阴极侧的空气发生电化学反应进行发电。
22.所述fc辅机70是支撑fc10正常运转所需的装置，fc辅机70消耗第一蓄电装置20或fc10发出的电力。fc辅机70具有：空压机逆变器71、燃料循环泵逆变器72、冷却泵逆变器73、冷却泵74、燃料循环泵75及空压机76。
23.fc10空气供给：通过空压机76叶片向一个方向旋转来压缩空气，将包含氧化剂气体氧气的空气向fc10供给。本实施方式中的空压机76是涡轮式压缩机，在其他实施方式中，空压机76并不局限于涡轮式，也可以是罗茨式或轴流式。
24.fc10氢气供给：fcv具有储存作为燃料气体氢气的储存罐(未图示)，氢气从储存罐经过减压后供给到fc10，燃料循环泵75使从fc10排出的氢气回流至fc10，并带出废弃和水。
25.fc10冷却方式：冷却泵74为fc的冷却剂循环提供动力，冷却剂将fc10发电时产生的热量带出，通过外置的散热器(未图示)将热量置换到大气中。本实施方式中的冷却剂是去离子水，在其他实施方式中，冷却剂不局限于去离子水，也可以是乙二醇与去离子水的混合液或气体。
26.所述第一蓄电装置20与第二蓄电装置30被配置为能充放电的电池。本实施方式中第一蓄电装置20与第二蓄电装置30被配置为锂离子电池，在其他实施方式中，蓄电装置不局限于锂离子电池，也可以是固态电池、镍氢电池或超级电容。
27.fcv100在不同运行模式下，通过vcu80控制pcu40实现各种模式的功率分配，最大程度降低fc10变载频率，使fc10工作在最佳效率点。
28.所述pcu40具有燃料电池转换器11，构成为将fc10输出电压升压至第一蓄电装置20或第二蓄电装置30充电电压。第三继电器13设置于燃料电池转换器11与第一蓄电装置转换器21和第一继电器22之间，第四继电器12设置于燃料电池转换器11与第二蓄电装置转换器31和第二继电器32之间。当第三继电器13处于连接状态且第四继电器12处于断开状态时，fc10输出电力被输送至第一蓄电装置转换器21与第一继电器22之间的电缆上，构成为
fc10输出电力对第一蓄电装置20充电。当第三继电器13处于断开状态且第四继电器12处于连接状态时，fc10输出电力被输送至第二蓄电装置转换器31与第二继电器32之间的电缆上，构成为fc10输出电力对第二蓄电装置30充电。燃料电池转换器11是单向转换装置，fc10输出的电力只能单向传输到第一蓄电装置20或第二蓄电装置30，第一蓄电装置20或第二蓄电装置30输出的电流不能反向传输到fc10。
29.所述pcu40具有第一蓄电装置转换器21，构成为将来自第一蓄电装置20输出电压升压至电机逆变器61驱动电机60所需的电压，并构成为将来自mg60生产的再生电力或fc10输出的电力降压用于为第一蓄电装置20充电。第一继电器22设置于第一蓄电装置转换器21与逆变器61之间。当第一继电器22处于断开状态时，第一蓄电装置20无法向电机逆变器61输出电力。当第一继电器22处于连接状态时，第一蓄电装置20输出电力被输送至电机逆变器61给mg60提供电力驱动fcv100行驶，或mg60获取fcv100的制动力产生再生电力为第一蓄电装置20充电。
30.所述pcu40具有第二蓄电装置转换器31，构成为将来自第二蓄电装置30输出电压升压至电机逆变器61驱动电机60所需的电压，并构成为将来自mg60生产的再生电力或fc10输出的电力降压用于为第二蓄电装置30充电。第二继电器32设置于第二蓄电装置转换器31与电机逆变器61之间。当第二继电器32处于断开状态时，第二蓄电装置30无法向电机逆变器61输出电力。当第二继电器32处于连接状态时，第二蓄电装置30输出电力被输送至电机逆变器61给mg60提供电力驱动fcv100行驶，或mg60获取fcv100的制动力产生再生电力为第二蓄电装置30充电。
31.图2所示，第一蓄电装置20和第二蓄电装置30的soc状态曲线，如图所示当第一蓄电装置20实时soc和第二蓄电装置30实时soc低于相应阈值s1和阈值s2时，第一蓄电装置20和第二蓄电装置30输出能力随实时soc的下降而降低，过低的实时soc会影响蓄电装置使用寿命。目标soc1处于阈值s1与100％soc之间，目标soc2处于阈值s2与100％soc之间，在这个区间内蓄电装置能稳定输出电力，且充放电循环对蓄电装置寿命影响最小。目标soc1与目标soc2不是固定值，是由vcu80根据fcv100行驶模式和蓄电装置实时soc状态计算得出。
32.所述电机逆变器61与mg60连接，在mg60作为动力马达驱动fcv100行驶时，电机逆变器61将从fc10、第一蓄电装置20或第二蓄电装置30供给的直流电力转换为三相交流电。在mg60作为发电机进行动作时，电机逆变器61将从mg60制动再生的三相交流电力转换为直流电力。
33.所述充电口50经由第五继电器51连接至第一继电器22与第二继电器32之间的电缆上。充电口50构成为能外接充电桩外延电缆的连接器，接受从充电桩输入的电力为第一蓄电装置20或第二蓄电装置30充电。第五继电器51，设置于充电口50与第一继电器22和第二继电器32之间，切换将充电口50与第一蓄电装置20连通的连接状态和将充电口50与第一蓄电装置20切断的断开状态，或切换将充电口50与第二蓄电装置30连通的连接状态和将充电口50与第二蓄电装置30切断的断开状态。
34.所述vcu80通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图,通过监测fcv100行驶状态，由vcu80判断处理后，向fc10、第一蓄电装置20、第二蓄电装置30、pcu40和电机逆变器61发送控制指令，控制fcv100在不同运行模式下切换。vcu80包含fcu81、bms82和mcu83，分别配置有cpu、储存器及输入输出接口。cpu将储存在储存器中的程
序展开并执行。
35.下面详细说明fcv100在不同行驶模式下的控制方法：
36.起步模式：图3所示，正常fcv100起动情况下，当第一蓄电装置20实时soc高于阈值s1时，将第一继电器22置于连接状态，第二继电器32、第三继电器13和第四继电器12置于断开状态，此时第一蓄电装置20向电机逆变器61提供电力，驱动fcv100起步。当第一蓄电装置20实时soc低于阈值s1时，且第二蓄电装置30实时soc高于阈值s2时，将第二继电器32置于连接状态，第一继电器32、第三继电器13和第四继电器12置于断开状态，此时第二蓄电装置30向电机逆变器61提供电力，驱动fcv100起步。
37.增程模式：图4所示，正常fcv100行驶情况下，当第一蓄电装置20实时soc高于阈值s1时，将第一继电器22和第四继电器12置于连接状态，第二继电器32和第三继电器13置于断开状态，此时第一蓄电装置20持续向电机逆变器61提供电力，驱动fcv100行驶，同时vcu80计算第二蓄电装置30实时soc状态，如果低于阈值s2,起动fc10以目标soc2向第二蓄电装置30充电。当第一蓄电装置20实时soc低于阈值s1时，将第一继电器22和第四继电器12置于断开状态，第二继电器32和第三继电器13置于连接状态，此时第二蓄电装置30持续向电机逆变器61提供电力，驱动fcv100行驶，同时起动fc10以目标soc1向第一蓄电装置20充电。因此，fc10输出功率不受电机逆变器61需求功率影响，不会出现频繁改变输出功率的情况，有利于fc10延长使用寿命，提高发电效率节省燃料使用。
38.高负荷模式：图5所示，在fcv100需要大扭矩驱动时(如上坡起动或高速超车等)，将第一继电器22和第二继电器32置于连接状态，第三继电器13和第四继电器12置于断开状态，此时第一蓄电装置20和第二蓄电装置30同时向电机逆变器61输送电力，驱动fcv100行驶。
39.再生制动模式：图6所示，在fcv100刹车制动时，mg60获得制动力而作为发电机产生电力，此时将第一继电器22置于连接状态，第二继电器32、第三继电器13和第四继电器12置于断开状态，产生的再生电力通过电机逆变器61向第一蓄电装置20充电。或将第二继电器32置于连接状态，第一继电器22、第三继电器13和第四继电器12置于断开状态，产生的再生电力通过电机逆变器61向第二蓄电装置30充电。
40.驻车发电模式：图7所示，在fcv100原地驻车或启停驻车时，当第一蓄电装置20实时soc低于目标soc1时，将第三继电器13置于连接状态，第一继电器22、第二继电器32和第四继电器12置于断开状态，起动fc10以目标soc1向第一蓄电装置20充电。当第一蓄电装置20实时soc高于目标soc1，第二蓄电装置30实时soc低于目标soc2时，将第四继电器12置于连接状态，第一继电器22、第二继电器32和第三继电器13置于断开状态，起动fc10以目标soc2向第二蓄电装置20充电。
41.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换方法，都应涵盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种燃料电池车辆，其特征在于，具备：燃料电池，所述燃料电池是使用燃料和氧化剂进行电化学反应的膜发电装置；第一蓄电装置；第二蓄电装置；燃料电池辅机，所述燃料电池辅机是支撑所述燃料电池正常运转所需的装置；功率控制单元，所述功率控制单元是控制所述燃料电池车辆在不同运行模式下电力分配的装置；电机，所述电机作为动力马达从所述第一蓄电装置或所述第二蓄电装置中的至少一方接收电力来驱动所述燃料电池车辆行驶，或作为发电机获取所述燃料电池车辆制动力为所述第一蓄电装置或所述第二蓄电装置充电；电机逆变器，所述电机逆变器与所述电机连接，在所述电机作为动力马达驱动所述燃料电池车辆行驶时，所述电机逆变器将所述燃料电池、所述第一蓄电装置或所述第二蓄电装置供给的直流电力转换为三相交流电，在所述电机作为发电机进行动作时，所述电机逆变器将从所述电机制动再生的三相交流电力转换为直流电力；控制单元，所述控制单元为所述燃料电池车辆总成控制器，构成对所述燃料电池、所述第一蓄电装置、所示第二蓄电装置、所述功率控制单元及所述电机进行控制；充电口，所述充电口构成为所述第一蓄电装置和所述第二蓄电装置能外接充电桩外延电缆的连接器。2.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述第一蓄电装置和所述第二蓄电装置，构成为能充放电力的蓄电装置，可配置为锂离子电池、镍氢电池、固态电池、超级电容或钠离子电池中的一种或两种。3.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述第一蓄电装置设置有第一蓄电装置目标soc1和阈值s1，所述第二蓄电装置设置有第二蓄电装置目标soc2和阈值s2，构成为所述第一蓄电装置目标soc1高于所述阈值s1，所述第二蓄电装置目标soc2高于所述阈值s2。4.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述功率控制单元包括：燃料电池用转换器、第一蓄电装置转换器、第二蓄电装置转换器、第一继电器、第二继电器、第三继电器及第四继电器。5.如权利要求1-4所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述燃料电池转换器，设置于所述燃料电池与所述第三继电器和所述第四继电器之间；所述第一蓄电装置转换器，设置于所述第一蓄电装置与所述第一继电器和所述第三继电器之间；所述第二蓄电装置转换器，设置于所述第二蓄电装置与所述第二继电器和所述第四继电器之间。6.如权利要求1-5所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述第一继电器，设置于所述第一蓄电装置转换器与所述电机逆变器之间；所述第二继电器；设置于所述第二蓄电装置转换器与所述电机逆变器之间；所述第三继电器，设置于所述燃料电池转换器与所述第一蓄电装置之间；所述第四继电器，设置于所述燃料电池转换器与所述第二蓄电装置之间。7.如权利要求4所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述第一继电器、所述第二继电器、所述第三继电器及所述第四继电器，具有断开状态或连接状态，可配置为电磁继电器或固态继电器。
8.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述燃料电池车辆具备所述充电口，该充电口可通过外部充电桩对所述第一蓄电装置和所述第二蓄电装置进行充电。

技术总结
本发发明公开了一种燃料电池车辆及燃料电池车辆的控制方法，所述FCV100包括：FC10，是使用燃料和氧化剂进行电化学反应的膜发电装置；第一蓄电装置20；第二蓄电装置30；FC辅机70，是支撑FC10正常运转所需的装置；PCU40，控制FCV100在不同运行模式下的功率分配；MG60，作为动力马达从第一蓄电装置20或第二蓄电装置30中的至少一方接收电力来驱动FCV100行驶，或作为发电机获取FCV100制动力为第一蓄电装置20或第二蓄电装置30充电；VCU80，FCV100动力系统总成控制器；充电口50，构成为第一蓄电装置20和第二蓄电装置30与外部充电桩延长线的连接器。根据本发明实施的FCV100能减少FC10系统频繁升降功率，延长FC10使用寿命及提升燃料利用率。利用率。利用率。


技术研发人员：李伟 龚兴军 胡玉凤 李鑫杰
受保护的技术使用者：张家口市氢能科技有限公司
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/11