阅读说明：本技术 一种氢能汽车的燃料电池能量管理系统 (Fuel cell energy management system of hydrogen energy automobile ) 是由 程飞 郝义国 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种氢能汽车的燃料电池能量管理系统,包括整车控制器VCU、电驱动系统EDU、电池管理系统BMS、超级电容+双向DC系统SCMS和氢燃料电池系统FCU；EDU包括电机控制器MCU和电机,各ECU之间通过CAN通讯进行信息的传递和控制；其中,VCU在计算出电机的目标扭矩后,计算得到EDU的需求功率；SCMS和BMS由超级电容、动力电池的电量、单节电容和电池信息以及电容、电池衰减系数,确定超级电容和动力电池可充放电功率；最终,通过VCU将EDU的需求功率、超级电容和动力电池的可充放电功率作为FCU的放电功率依据,结合燃料电池的性能及响应特性,计算FCU的最终输出功率,控制FCU按照设定的最终输出功率输出。(The invention discloses a fuel cell energy management system of a hydrogen energy automobile, which comprises a vehicle control unit VCU, an electric drive system EDU, a battery management system BMS, a super capacitor and bidirectional DC system SCMS and a hydrogen fuel cell system FCU; the EDU comprises a motor controller MCU and a motor, and information is transmitted and controlled among the ECUs through CAN communication; the method comprises the following steps that a VCU calculates the target torque of a motor and then calculates the required power of an EDU; the SCMS and the BMS determine the chargeable and dischargeable power of the super capacitor and the power battery through the super capacitor, the electric quantity of the power battery, the single capacitor and battery information, the capacitor and the battery attenuation coefficient; and finally, the VCU takes the required power of the EDU, the super capacitor and the chargeable and dischargeable power of the power battery as the discharging power basis of the FCU, and the VCU is combined with the performance and the response characteristic of the fuel battery to calculate the final output power of the FCU and control the FCU to output according to the set final output power.)

一种氢能汽车的燃料电池能量管理系统

技术领域

本发明涉及新能源汽车能量管理与控制领域，更具体地说，涉及一种高压架构下的氢燃料电池汽车的能量管理系统。

背景技术

氢燃料电池新能源汽车作为新能源汽车领域的一个分支，随着制氢技术和氢燃料电池技术的进步和普及，氢燃料电池汽车将作为国家的一个重要支柱型产业发展。

在目前现有技术状态下，氢燃料电池汽车的能量管理技术及其方案不成熟，针对不同的高压架构其变化性较大，本发明是提供一种特定高压架构下的氢燃料电池汽车的能量管理方法，此方法能更高效的使氢燃料电池工作在高效工作区间，并兼顾辅助能源的产品使用特性，使得在保证高效能量利用率的同时兼顾汽车的动力性及驾驶感受。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的针对不同高压架构下，能量管理技术及其方案无法保证高效能量利用率的缺陷，提供一种特定高压架构下的氢燃料电池汽车的能量管理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种氢能汽车的燃料电池能量管理系统，包括：整车控制器VCU、电驱动系统EDU、能量供应模块和氢燃料电池系统FCU，所述氢燃料电池系统FCU、电驱动系统EDU、能量供应模块和整车控制器VCU采集各自的数据信息后，通过CAN通讯网络，进行相关系统或模块之间的信息传递：

所述电驱动系统EDU包括电机控制器MCU和电机；

所述能量供应模块包括电池管理系统BMS和超级电容，其中，所述能量供应模块用于根据超级电容及动力电池中包括的超级电池、动力电池的电量，当前超级电容和动力电池的单节电容、电池信息，以及各自的衰减系数，分别计算出超级电容和动力电池的可充放电功率；

所述电机控制器MCU用于获取电机的转速，响应VCU的目标扭矩；

所述整车控制器VCU用于通过CAN总线获取到电机的转速，以及超级电容和动力电池的可充、放电功率数据，一方面根据车内油门踏板开度、刹车踏板开度、电机控制器MCU获取到的电机转速，以及电机和电机控制器MCU的系统效率，计算出电机的目标扭矩和EDU的需求功率；另一方面，基于EDU的需求功率、超级电容和动力电池的可充放电功率，以及燃料电池的性能及响应特性，计算得到氢燃料电池的系统输出功率；

所述氢燃料电池系统FCU包括氢燃料电池反应堆，FCU供气系统，升压DC系统和FCU冷却系统，用于通过CAN总线从整车控制器VCU处获取到氢燃料电池的系统输出功率，控制氢燃料电池系统对外的输出功率，所述氢燃料电池系统对外的输出功率包括驱动电机所需消耗的功率，以及为动力电池和超级电容进行充电所需消耗的功率；最后，通过控制FCU，使其按照设定的最终输出功率输出。

进一步的，所述能量供应模块中包括动力电池工作区间分配模块和超级电容工作区间分配模块，上述两个模块用于根据动力电池、超级电容的单节电池、电容信息，以及动力电池、超级电容当前的电量和衰减系数，分别确定动力电池、超级电容的可充放电功率；并根据动力电池和超级电容的当前电量，进行动力电池、超级电容的工作区间分配；其中，所述工作区间包括充电区间、放电区间、中间区间和纯电区间；

处于充电区间时，动力电池、超级电容的需求功率均为负值；

处于放电区间和纯电区间时，动力电池、超级电容的需求功率均为正值；

处于中间区间时，动力电池、超级电容的需求功率在趋近充电区间区域时为负值，且在趋近放电区间区域时为正值；其中，在动力电池、超级电容处于中间区间时，所述动力电池、超级电容均包含两种工作状态，一种是能量补充的工作状态，一种是处于高效工作区间的工作状态。

进一步的，能量供应模块中还包括工作模式分配模块，用于组合动力电池和超级电容的四种工作区间，进行工作模式的分配，其中，包括第一～七工作模式，所述第一工作模式下，动力电池和超级电容均处于充电区间；

所述第二工作模式下，动力电池和超级电容中，将有一方处于充电区间，另一方处于中间区间；

所述第三工作模式下，动力电池和超级电容均处于中间区间；

所述第四工作模式下，动力电池和超级电容中，将有一方处于中间区间，另一方处于放电区间；

所述第五工作模式下，动力电池和超级电容均处于放电区间；

所述第六工作模式下，动力电池和超级电容中，将有一方处于充电区间，另一方处于放电区间；

所述第七工作模式下，动力电池和超级电容中至少有一方处于纯电区间。

进一步的，在第一工作模式下，氢燃料电池在整车允许的功率范围内以最大功率输出，由其在为电机提供驱动能量的同时，且为动力电池和超级电容充电；在随着动力电池和超级电容的电量的提高，其工作模式由工作模式一跳转至工作模式二，该模式下，动力电池和超级电容将继续维持充电状态，当前控制氢燃料电池继续保持在整车允许的功率范围内以最大功率输出，由其为处于充电区间的辅助能源充电，其中，氢燃料电池发出的能量一部分用于驱动电机。

进一步的，随着动力电池和超级电容的电量的进一步提高，其工作模式由工作模式二跳转至工作模式三，在处于第三工作模式下，超级电容和动力电池均处于中间区间，当动力电池和超级电容中至少有一方的电量低于预设的高效工作电量阈值时，将氢燃料电池的输出功率设为其处于高效工作区间状态下的功率最大值Pe-max；

当前氢燃料电池用于为电机提供驱动能量，且在能量有富余的情况下，其剩余能量用于为动力电池和超级电容充电。

进一步的，随着超级电容和动力电池的电量增加，工作模式由三切换至模式四，在处于第四工作模式下，超级电容和动力电池中，将有一方的电量步入放电间区，此时将燃料电池的输出功率设为其处于高效工作区间状态下的功率最小值Pe-min；

当所述功率最小值Pe-min大于驱动电机所消耗的功率时，所述氢燃料电池发出的能量一部分用于驱动电机，其余能量部分用于给超级电容和动力电池充电，其中，超级电容和动力电池中，电量少的一方，其能量的流入大于电量多的一方；

其他情况下，氢燃料电池输出的全部能量将用于驱动电机，且在其能量供应不足的情况下，由超级电容和动力电池为电机提供能量，其中，超级电容和动力电池中，电量多的一方，其能量流出大于电量少的一方，且在超级电容和动力电池的电量均低于放电区时，其工作模式由四切换至模式三。

进一步的，随着超级电容和动力电池的电量增加，工作模式由四切换至模式五，当前模式下，超级电容和动力电池均维持放电状态，当前以怠速功率作为氢燃料电池的输出功率，且所述怠速功率小于驱动电机所消耗的功率时，则氢燃料电池发出的全部能量将用于驱动电机，且在其能量供应不足的情况下，由超级电容和动力电池为电机提供剩下所需能量；

在超级电容和动力电池中至少有一方的电量低于放电区间时，当前工作模式由五切换至模式四。

进一步的，在第三工作模式下，随着持续为动力电池和超级电容充电，在动力电池和超级电容的电量均大于其处于高效工作电量阈值时，设定燃料电池的功率控制区间，其中，所述功率控制区间以其处于高效工作区间状态下的功率最大值Pe-max作为上限值，以处于高效工作区间状态下的功率最小值Pe-min作为下限值；将燃料电池的输出功率控制在功率控制区间的范围内，且其输出功率随动力电池和超级电容电量的增加呈递减趋势。

进一步的，在第五工作模式下，当怠速功率大于驱动电机所消耗的功率时，当前超级电容和动力电池将切换到充电状态，继续由氢燃料电池为其充电，并在超级电容或动力电池的电量达到纯电区间切换阈值时，控制氢燃料电池下电，当前工作模式将由模式五切换至模式七，进入到纯电区间，在纯电区间下，驱动电机所需的能量将直接由超级电容和动力电池提供。

进一步的，在处于第六种工作模式时，此时氢燃料电池将以其最大功率输出，其中，氢燃料电池的能量一部分用于驱动电机，剩余能量部分将用于给处于当前充电区间的动力电池或超级电容充电，使动力电池或超级电容的电量趋近充电区间区域；且当电量处于充电区间的一方的电量步入中间区间时，当前工作模式将由六切换至模式四。

在本发明所述的一种氢能汽车的燃料电池能量管理系统中，根据氢燃料电池特性，VCU在发送氢燃料电池输出功率时进行斜率限制，使得每个周期的燃料电池需求功率的变化率不超过燃料电池系统允许的最大变化率；其优点在于，将经斜率限制的燃料电池需求功率限制在基于燃料电池特性确定的功率范围内，满足氢燃料电池的使用需求，同时使得能量管理的控制精度更高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明氢燃料电池汽车能量管理系统架构图；

图2为本发明氢燃料电池汽车能量管理系统原理图；

图3为本发明系统能量流向框图；

图4为氢燃料电池汽车能量管理工作模式跳转流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参阅图1，其为本发明氢燃料电池汽车能量管理系统架构图，本发明提供一种在高压架构下氢燃料电池汽车能量管理系统，该系统包括整车控制器(VCU)、电机控制器(MCU)、氢燃料电池系统(FCU)、电池管理系统(BMS)、超级电容+双向DC(SCMS)、电机(Motor)参与能量管理过程；其中各ECU通过采集各自的相关信息并通过CAN通讯网络进行信息的传递和完成相应控制，最终实现符合本架构的氢燃料汽车的能量管理系统的控制方法。

所述能量管理系统的控制方法包括：

首先，VCU根据油门踏板开度、刹车踏板开度、MCU采集的电机转速以及电机和电机控制器的系统效率计算出电机的目标扭矩和EDU的需求功率；

然后，SCMS根据超级电容的电量、当前超级电容单节电容信息和超级电容衰减系数，确定超级电容的可充放电功率；

其次，BMS根据动力电池单节电池信息、动力电池当前电量和动力电池衰减系数，确定动力电池的可充放电功率；

最终，VCU通过CAN总线获取这些信息，并根据EDU的需求功率、超级电容可充放电功率、动力电池可充放电功率，以及燃料电池的性能曲线和响应特性计算出最终的氢燃料电池系统输出功率，并将其作为氢燃料电池系统设定输出功率发给FCU，控制FCU按照设定功率输出。

如图2所示，其为本发明氢燃料电池汽车能量管理系统原理图，其中，VCU通过电机转速、油门踏板开度和刹车踏板开度信息，确定目标扭矩，再由目标扭矩、电机转速和电机及控制器系统效率计算出EDU的需求功率，并接收电池管理系统(BMS)通过动力电池单节电池信息、动力电池当前电量和动力电池衰减系数计算得到动力电池可充放电功率，同时接受超级电容系统(SCMS)通过超级电容的电量、当前超级电容单节电容信息和超级电容衰减系数计算得到超级电容可充放电功率，最终结合EDU的需求功率、超级电容可充放电功率、动力电池可充放电功率，以及燃料电池的性能曲线和响应特性得到最终的氢燃料电池系统的输出功率，并将其作为燃料电池设定输出功率发给FCU，控制FCU按照设定功率输出。

为了实现超级电容和动力电池的工作区间、工作模式的分配，本实施例中，在该系统中设置了动力电池工作区间分配模块、超级电容工作区间分配模块和工作模式分配模块，所述动力电池工作区间分配模块、超级电容工作区间分配模块用于根据动力电池、超级电容的单节电池、电容信息，以及动力电池、超级电容当前的电量和衰减系数，分别确定动力电池、超级电容的可充放电功率；并根据动力电池和超级电容的当前电量，进行动力电池、超级电容的工作区间分配；其中，所述工作区间包括充电区间、放电区间、中间区间和纯电区间；根据所述区间分配阈值进行动力电池、超级电容的工作区间分配；其中：

处于充电区间时，动力电池、超级电容的需求功率均为负值；

处于放电区间和纯电区间时，动力电池、超级电容的需求功率均为正值；

处于中间区间时，动力电池、超级电容的需求功率在趋近充电区间区域时为负值，且在趋近放电区间区域时为正值；其中，在动力电池、超级电容处于中间区间时，其包含两种工作状态，一种是能量补充状态，一种是高效工作区间状态。

所述工作模式分配模块，用于结合动力电池和超级电容的四种工作区间，进行工作模式的分配，所述工作模式共包括第一～七工作模式(其中，系统能量流向请参考图3)。

如图4所示，氢燃料电池汽车能量管理工作模式跳转流程过程大致如下：

当工作模式为工作模式一时，此时超级电容和动力电池的电量均在0％到30％之间，超级电容和动力电池均处于充电区间，此时氢燃料电池将在整车允许的范围内以最大功率Pfmax输出，由于动力电池和超级电容都处于需要补电的状态，氢燃料发出的电的一部分能量用于驱动电机，剩余能量部分用于给动力电池和超级电容充电，此时约束条件为动力电池和超级电容可充电功率之和＞(氢燃料电池允许的范围内最大功率Pfmax-驱动电机需求功率)，否则氢燃料电池的输出功率为动力电池和超级电容可充电功率之和+驱动电机需求功率。

当工作模式为工作模式二时，此时辅助能源中将有一个处于充电区间，且其电量在0％到30％，将一个处于中间区间，且其电量在30％到75％，此时氢燃料电池将继续保持允许的范围内以最大功率Pfmax输出；当前，动力电池和超级电容依旧都处于充电状态，氢燃料电池输出的能量的一部分用于驱动电机，剩余能量部分依然用于给动力电池和超级电容充电，此时约束条件为动力电池和超级电容可充电功率之和＞(氢燃料电池允许的范围内最大功率Pfmax-驱动电机需求功率)，否则氢燃料电池的输出功率为动力电池和超级电容可充电功率之和+驱动电机需求功率。

当工作模式为工作模式三时，此时辅助能源中超级电容和动力电池均处于中间区间，两者电量均在30％到75％，在此工作模式有两种状态，一种是动力电池和超级电容至少有一个的电量低于中间区间的高效工作电量阈值，另一种是动力电池和超级电容的电量均高于高效工作电量阈值，高效工作电量阈值为50％；其中：

当动力电池和超级电容至少有一个电量低于中间区间的高效工作电量阈值50％时，此时燃料电池的输出功率为其高效工作区间的功率最大值Pe-max，此时约束条件为动力电池和超级电容可充电功率之和＞(氢燃料电池高效工作区间的功率最大值Pe-max-驱动电机需求功率)，否则氢燃料电池的输出功率为动力电池和超级电容可充电功率之和+驱动电机需求功率。此时能量的流向为氢燃料电池的能量一部分用于驱动电机消耗掉了，多余的部分将给辅助能源补电，若驱动电机消耗功率大于氢燃料电池的输出功率，则辅助能源提供额外电机需求功率；

当动力电池和超级电容的电量均高于高效工作电量阈值50％时，到此区间后氢燃料电池的输出功率最大为高效工作区间最大值Pe-max，最小为高效区间最小值Pe-min，输出功率具体数值按照高效工作电量阈值到放电区间阈值呈阶梯式下降，其输出功率Pe公式为Pe-min+(Pe-max-Pe-min)*((Bsoc+Csoc-100)/50),此时约束条件为动力电池和超级电容可充电功率之和＞氢燃料电池输出功率-驱动电机需求功率，否则氢燃料电池的输出功率为动力电池和超级电容可充电功率之和-驱动电机需求功率。

当工作模式由三切换至模式四时，超级电容或者动力电池之间，将有一个电量步入放电区，且其电量在75％到90％之间，此时氢燃料电池将以其高效工作区间的最小值Pe-min恒功率输出，氢燃料电池的能量一大部分用于驱动电机，其余部分用于给超级电容和动力电池补电，且两者电量少的充电功率较大，依旧满足约束条件；此时约束条件为动力电池和超级电容可充电功率之和＞氢燃料电池输出功率-驱动电机需求功率，否则氢燃料电池的输出功率为动力电池和超级电容可充电功率之和+驱动电机需求功率。

当工作模式为工作模式五时，超级电容和动力电池电量均步入放电区，两者电量均在75％到90％之间，此时氢燃料电池将以怠速功率进行输出，此时驱动电机的能量来源于氢燃料电池，若能量不够则多余部分将由动力电池和超级电容提供，依旧满足约束条件；此时约束条件为动力电池和超级电容可充电功率之和＞氢燃料电池输出功率-驱动电机需求功率，否则氢燃料电池的输出功率为动力电池和超级电容可充电功率之和+驱动电机需求功率。

若怠速功率依旧大于驱动电机消耗功率，超级电容和动力电池电量将继续增加，当超级电容和动力电池电量至少有一个达到纯电模式区间时，即电量达到90％，工作模式切换至工作模式七，此时VCU将控制燃料电池堆下电，整车进入纯电模式。辅助能源将提供所需全部能量，此时约束条件为动力电池和超级电容可放电功率之和＞驱动电机需求功率，否则驱动电机需求功率为动力电池和超级电容可放电功率之和。

当工作模式为工作模式六时：一个在充电区间，一个在放电区间时，此时氢燃料电池将以最大功率Pfmax输出，其中一部分能量用于驱动电机所消耗，其余部分中大部分将给处于充电区间的辅助能源充电，使该辅助能源电量向中间区间迈进，依旧满足约束条件；此时约束条件为动力电池和超级电容可充电功率之和＞氢燃料电池输出功率-驱动电机需求功率，否则氢燃料电池的输出功率为动力电池和超级电容可充电功率之和+驱动电机需求功率。

根据燃料电池特性，VCU在发送氢燃料电池系统设定的输出功率时进行斜率限制，使得每个周期的氢燃料电池系统设定输出功率的变化率不超过燃料电池系统允许的最大变化率。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。