專利名稱：基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于混合動(dòng)力裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于燃料電池的電電混合動(dòng)力裝
置，特別涉及混合動(dòng)力裝置的能量管理。
背景技術(shù)：
由于混合動(dòng)力裝置的低排放特點(diǎn)，已成為目前動(dòng)力領(lǐng)域的研究重點(diǎn)?；旌蟿?dòng)力裝 置目前有兩種分類按照能量類型的不同分為電電混合和油電混合；按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的形式 的不同分為并聯(lián)式和串聯(lián)式。 目前基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置大都為電電混合串聯(lián)式，燃料電池系統(tǒng)采用被 動(dòng)控制方式，根據(jù)負(fù)載電流來控制燃料電池的工作功率和直流變換器的輸出。這種基于燃 料電池的混合動(dòng)力裝置的不足是控制具有滯后性，往往造成動(dòng)力電池放電電流變化幅度 過大，導(dǎo)致動(dòng)力電池組的壽命短，安全性低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn) 對(duì)燃料電池系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制和動(dòng)力電池組充電電流的隨動(dòng)控制，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
本發(fā)明的技術(shù)方案是基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，包括由動(dòng) 力線和信號(hào)線連接的燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)和直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的基于 燃料電池的混合動(dòng)力裝置能量管理系統(tǒng)還包括能量管理控制器，所述能量管理控制器包括 負(fù)載能量需求和燃料電池輔助能量需求模型單元、荷電狀態(tài)計(jì)算單元和荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器， 荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器預(yù)先輸入期望荷電狀態(tài)值，負(fù)載能量需求和燃料電池輔助能量需求模型單 元和荷電狀態(tài)計(jì)算單元與荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器分別屬于能量控制器中的不同程序模塊，根據(jù)中 斷響應(yīng)各模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行，能量管理控制器從外部采集負(fù)載控制信號(hào)傳輸給負(fù)載能量需求和 燃料電池輔助能量需求模型單元，荷電狀態(tài)計(jì)算單元從動(dòng)力電池系統(tǒng)采集動(dòng)力電池的輸入 輸出電流計(jì)算動(dòng)力電池的即時(shí)荷電狀態(tài)值，能量管理控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)與燃料電池系統(tǒng) 的燃料電池控制器(FCS)和直流變換器(DCDC)連接，發(fā)送控制信號(hào)。 本發(fā)明所述的基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，其特征在于所述能 量管理系統(tǒng)運(yùn)行的程序流程是能量管理控制器(VMS)從外部采集負(fù)載控制信號(hào)，負(fù)載能 量需求和燃料電池輔助能量需求模型單元根據(jù)采集到的負(fù)載控制信號(hào)計(jì)算出動(dòng)力裝置的 能量需求，荷電狀態(tài)計(jì)算單元從測(cè)得的動(dòng)力電池的累計(jì)充放電電流和當(dāng)前電壓，計(jì)算出動(dòng) 力電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)值(SOC值)，荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器根據(jù)預(yù)置的期望荷電狀態(tài)值和當(dāng)前的 荷電狀態(tài)值進(jìn)行充放電判斷當(dāng)動(dòng)力電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)值(S0C值)低于期望荷電狀態(tài) 值時(shí)，則向燃料電池系統(tǒng)發(fā)出給動(dòng)力電池充電指令，燃料電池系統(tǒng)以定值向動(dòng)力電池充電， 當(dāng)動(dòng)力電池的當(dāng)前荷電狀態(tài)達(dá)到動(dòng)力電池的期望荷電狀態(tài)值時(shí)，停止充電，既燃料電池系 統(tǒng)向動(dòng)力電池充電的電流為零；當(dāng)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)值高于期望荷電狀態(tài)值時(shí)，燃料電 池系統(tǒng)不向動(dòng)力電池充電，既燃料電池系統(tǒng)向動(dòng)力電池充電的電流為零，能量管理控制器(VMS)根據(jù)負(fù)載能量需求和燃料電池系統(tǒng)能量需求模型計(jì)算出動(dòng)力裝置的能量需求和荷
電狀態(tài)調(diào)節(jié)器根據(jù)預(yù)置的期望荷電狀態(tài)值和動(dòng)力電池的當(dāng)前荷電狀態(tài)值進(jìn)行充放電判斷
的結(jié)果計(jì)算總體能量需求，將計(jì)算的總體能量需求傳輸給燃料電池控制系統(tǒng)和直流變換器
(DCDC)，直流變換器(DCDC)根據(jù)計(jì)算的總體能量需求控制直流轉(zhuǎn)換器輸出。 本發(fā)明所述的基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，其特征在于所述混
合動(dòng)力裝置的燃料電池系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)是以直流無刷電機(jī)為動(dòng)力的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器配有
CAN通訊接口 。 本發(fā)明所述的基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，其特征在于所述混 合動(dòng)力裝置的燃料電池系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)的直流無刷電機(jī)是48V 96V、2. 2kw、3500RPM的直流無 刷電機(jī)。 本發(fā)明的基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，其混合動(dòng)力裝置屬于電 電混合串聯(lián)式動(dòng)力裝置，能量管理系統(tǒng)采用最小二乘法(RLS)分別建立負(fù)載能量需求和 燃料電池系統(tǒng)輔助能量需求的黑箱模型；應(yīng)用電量累積法計(jì)算出動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài) (SOC)值。根據(jù)所建立的負(fù)載能量需求和燃料電池系統(tǒng)輔助能量需求模型，通過采集到的負(fù) 載控制信號(hào)和當(dāng)前動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)(SOC)值，預(yù)測(cè)出總能量需求，提前控制燃料電 池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以減少燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，并控制直流變換器(Buck DCDC) 的輸出，滿足負(fù)載系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)和動(dòng)力電池組充電狀態(tài)的能量需求。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 1、采用直流無刷電機(jī)組裝成直流風(fēng)機(jī)，替代異步電機(jī)，在系統(tǒng)中應(yīng)用直流電機(jī)驅(qū) 動(dòng)器替代變頻器，可減少一個(gè)升壓直流變換器(Boost DCDC)，可以降低成本，增加系統(tǒng)的可靠性。 2、本發(fā)明管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電池組充電電流的隨動(dòng)控制。 3、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能量均衡匹配，根據(jù)模型預(yù)測(cè)能量需求，提 前控制燃料電池工作功率和DCDC輸出電流提高了燃料電池系統(tǒng)在動(dòng)力裝置運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài) 性能、延長(zhǎng)了動(dòng)力電池組的使用壽命并增強(qiáng)了動(dòng)力電池的安全性。 4、采用CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)能量管理控制器(VMS)、燃料電池系統(tǒng)控制器(FCS) 、 Buck DCDC及整車系統(tǒng)的通訊，具有智能化、高可靠性和成本低等優(yōu)點(diǎn)。


本發(fā)明有附圖三幅 圖1是本發(fā)明的供電系統(tǒng)原理圖，圖中實(shí)線箭頭表示正線，虛線箭頭表示負(fù)線；
圖2是本發(fā)明的能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中細(xì)實(shí)線箭頭表示控制信號(hào)流向，粗實(shí) 線箭頭表示能量流向； 圖3是本發(fā)明的能量管理系統(tǒng)控制程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 附圖1給出的是電電混合串聯(lián)式動(dòng)力裝置。由按照?qǐng)D1所示的方式連接各子系統(tǒng) 構(gòu)成。該實(shí)施例中，當(dāng)閉合開關(guān)K1時(shí)為純電動(dòng)模式，當(dāng)開關(guān)K1、 K2同時(shí)閉合時(shí)為混合動(dòng)力模式。 圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其能量管理控制器(VMS)的負(fù)載能量需求和燃料電池輔助能
量需求模型單元采用最小二乘法(RLS)建立負(fù)載和燃料電池系統(tǒng)的能量需求模型。荷電狀
態(tài)計(jì)算單元與荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器為能量管理控制器中的功能模塊，具體由程序?qū)崿F(xiàn)。 能量管理控制器(VMS)從外部采集負(fù)載控制信號(hào)，負(fù)載能量需求和燃料電池輔助
能量需求模型單元根據(jù)采集到的負(fù)載控制信號(hào)計(jì)算出動(dòng)力裝置的能量需求，荷電狀態(tài)計(jì)算
單元從測(cè)得的動(dòng)力電池組的累計(jì)充放電電流和電壓，計(jì)算出動(dòng)力電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)值
(S0C值)，荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器根據(jù)預(yù)置的期望荷電狀態(tài)值和動(dòng)力電池的當(dāng)前荷電狀態(tài)值進(jìn)行
充放電判斷當(dāng)動(dòng)力電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)值(S0C值)低于期望荷電狀態(tài)值時(shí)，則向燃料電
池系統(tǒng)發(fā)出給動(dòng)力電池充電指令，燃料電池系統(tǒng)以定值向動(dòng)力電池充電，當(dāng)動(dòng)力電池充電
達(dá)到動(dòng)力電池期望荷電狀態(tài)值時(shí)，停止充電，既燃料電池系統(tǒng)向動(dòng)力電池充電的電流為零；
當(dāng)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)值高于期望荷電狀態(tài)值時(shí)，燃料電池系統(tǒng)不向動(dòng)力電池充電，既燃
料電池系統(tǒng)向動(dòng)力電池充電的電流為零。該動(dòng)力裝置的總需求能量計(jì)算公式為 E = E負(fù)載+E燃料電池輔助系統(tǒng)+E動(dòng)力電池組充電 在上式中，E為總能量需求，E負(fù)載為負(fù)載能量需求，E燃料電池輔助系統(tǒng)為燃料電池輔助系 需求，E^力w^^^為動(dòng)力電池組充電能量需求。 荷電狀態(tài)計(jì)算公式為
統(tǒng)能
4) 二 (bc x皿(& -1) - J" /0M,&+J" / 在上述計(jì)算式中，BC代表電池容量，soc(k)代表電池組當(dāng)前時(shí)刻的SOC值，
soc(k-l)代表前一時(shí)刻的SOC值、i。ut代表動(dòng)力電池放電電流、iin代表動(dòng)力電池組充電電
流。該SOC值每隔一段時(shí)間存入控制器內(nèi)電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(E2PR0M)，以便下次 啟動(dòng)時(shí)讀取該值作為初始值；首次使用動(dòng)力電池時(shí)，假定soc(k-l)為90%，以后每次進(jìn)行 動(dòng)力電池組的SOC計(jì)算時(shí)，首先讀取E2PR0M中的SOC值作為soc (k_l)，然后根據(jù)SOC計(jì)算 公式進(jìn)行此次的動(dòng)力電池組的SOC計(jì)算。能量管理控制器控制程序流程如圖三所示。能量 管理控制器(VMS)根據(jù)負(fù)載能量需求和燃料電池輔助能量需求模型單元計(jì)算出動(dòng)力裝置 的能量需求和荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器根據(jù)預(yù)置的期望荷電狀態(tài)值和動(dòng)力電池當(dāng)前荷電狀態(tài)值進(jìn) 行充放電判斷的結(jié)果計(jì)算總體能量需求，將計(jì)算的總體能量需求通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸給燃料 電池控制系統(tǒng)和直流變換器(DCDC)，直流變換器(DCDC)根據(jù)計(jì)算的總體能量需求控制直 流轉(zhuǎn)換器輸出。燃料電池控制器(FCS)根據(jù)總體能量需求提前控制燃料電池系統(tǒng)的工況， 提高燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，直流變換器(DCDC)根據(jù)總體能量需求采用恒電流模 式輸出所需求能量，滿足混合動(dòng)力裝置中各子裝置的能量需求。動(dòng)力電池組SOC值的計(jì)算 采用電量累計(jì)法。第一次使用動(dòng)力電池組時(shí)，先用充電器把動(dòng)力電池組充滿電，假定動(dòng)力電 池組SOC為90%，則計(jì)算SOC的當(dāng)前電量值為總電量XO. 9。以后每次進(jìn)行動(dòng)力電池組的 SOC計(jì)算時(shí)，首先讀取E2PR0M中的SOC值作為當(dāng)前SOC值，然后根據(jù)SOC計(jì)算公式進(jìn)行此次 的動(dòng)力電池組的SOC計(jì)算。該能量管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，DCDC輸出電流近似等于燃料 電池輔助系統(tǒng)電流與負(fù)載電流之和。這是由于動(dòng)力裝置完全用燃料電池供電，且動(dòng)力電池 組初始使用，其SOC近似為85%，故動(dòng)力電池充放電電流接近為零。
權(quán)利要求
基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，包括由動(dòng)力線和信號(hào)線連接的燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)和直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置能量管理系統(tǒng)還包括能量管理控制器，所述能量管理控制器包括負(fù)載能量需求和燃料電池輔助能量需求模型單元、荷電狀態(tài)計(jì)算單元和荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器，負(fù)載能量需求和燃料電池輔助能量需求模型單元、荷電狀態(tài)計(jì)算單元和荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器是能量控制器中的程序模塊，根據(jù)中斷響應(yīng)各模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行，能量管理控制器從外部采集負(fù)載控制信號(hào)傳輸給負(fù)載能量需求和燃料電池輔助能量需求模型單元，荷電狀態(tài)計(jì)算單元從動(dòng)力電池系統(tǒng)采集動(dòng)力電池的輸入輸出電流計(jì)算動(dòng)力電池的即時(shí)荷電狀態(tài)值，荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器預(yù)先輸入期望荷電狀態(tài)值，能量管理控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)與燃料電池系統(tǒng)的燃料電池控制器(FCS)和直流變換器(DCDC)連接，發(fā)送控制信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，其特征在于 所述能量管理系統(tǒng)運(yùn)行的程序流程是能量管理控制器(VMS)從外部采集負(fù)載控制信號(hào)， 負(fù)載能量需求和燃料電池輔助能量需求模型單元根據(jù)采集到的負(fù)載控制信號(hào)計(jì)算出動(dòng)力 裝置的能量需求，荷電狀態(tài)計(jì)算單元從測(cè)得的動(dòng)力電池的累計(jì)充放電電流和當(dāng)前電壓，計(jì) 算出動(dòng)力電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)值(S0C值)，荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器根據(jù)預(yù)置的期望荷電狀態(tài)值和動(dòng)力電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)值 進(jìn)行充放電判斷當(dāng)動(dòng)力電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)值(S0C值)低于期望荷電狀態(tài)值時(shí)，則向燃 料電池系統(tǒng)發(fā)出給動(dòng)力電池充電指令，燃料電池系統(tǒng)以定值向動(dòng)力電池充電，當(dāng)動(dòng)力電池 的當(dāng)前荷電狀態(tài)值達(dá)到期望荷電狀態(tài)值時(shí)，停止充電，既燃料電池系統(tǒng)向動(dòng)力電池充電的 電流為零；當(dāng)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)值高于期望荷電狀態(tài)值時(shí)，燃料電池系統(tǒng)不向動(dòng)力電池 充電，既燃料電池系統(tǒng)向動(dòng)力電池充電的電流為零，能量管理控制器(VMS)根據(jù)負(fù)載能量 需求和燃料電池輔助能量需求模型單元計(jì)算出動(dòng)力裝置的能量需求和荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器根 據(jù)預(yù)置的期望荷電狀態(tài)值和動(dòng)力電池的當(dāng)前荷電狀態(tài)值進(jìn)行充放電判斷的結(jié)果計(jì)算總體 能量需求，將計(jì)算的總體能量需求傳輸給燃料電池控制系統(tǒng)和直流變換器(DCDC)，直流變 換器(DCDC)根據(jù)計(jì)算的總體能量需求控制直流轉(zhuǎn)換器輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，其特征在于 所述混合動(dòng)力裝置的燃料電池系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)是以直流無刷電機(jī)為動(dòng)力的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器 配有CAN通訊接口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，其特征在于 所述混合動(dòng)力裝置的燃料電池系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)的直流無刷電機(jī)是48V 96V、2. 2kw、3500RPM的 直流無刷電機(jī)。
全文摘要
基于燃料電池的混合動(dòng)力裝置的能量管理系統(tǒng)，包括由負(fù)載能量需求和燃料電池輔助能量需求模型單元、荷電狀態(tài)計(jì)算單元和荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)器用信號(hào)線連接組成的能量管理控制器，能量管理控制器采集負(fù)載控制信號(hào)，荷電狀態(tài)計(jì)算模塊采集計(jì)算動(dòng)力電池的即時(shí)荷電狀態(tài)值，能量管理控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)與燃料電池系統(tǒng)的燃料電池控制器和直流變換器連接及發(fā)送控制信號(hào)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以降低成本，增加系統(tǒng)的可靠性；實(shí)現(xiàn)了燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能量均衡匹配和動(dòng)力電池組充電電流的隨動(dòng)控制；提高了燃料電池系統(tǒng)在動(dòng)力裝置運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)性能、延長(zhǎng)了動(dòng)力電池組的使用壽命并增強(qiáng)了動(dòng)力電池的安全性；具有智能化、高可靠性和成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M10/44GK101786413SQ20101010828
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者侯中軍, 劉常福, 孫德堯, 明平文, 李加良, 王克勇, 高全勇 申請(qǐng)人:新源動(dòng)力股份有限公司