阅读说明：本技术 一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统 (Fuel cell braking energy recovery system of hydrogen energy automobile ) 是由 程飞 郝义国 陈华明 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统,包括：整车控制器VCU、电机控制器MCU、超级电容+双向DC组件SCMS和氢燃料电池系统FCU；SCMS用于检测超级电容的剩余电量SOC和超级电容可充电功率；FCU用于控制燃料电池的输出功率,并控制燃料电池为超级电容充电功率；MCU用于获取电机的转速和电机最大回馈扭矩,并控制电机的扭矩；VCU通过获取油门踏板的开度信号作为能量回收的触发开关信号,通过获取制动踏板的开度信号作为能量回收功率大小的判断依据,通过获取SCMS的SOC和可充电功率、MCU的电机转速和电机最大回馈扭矩以及燃料电池的工作状态,进行制动能量回收。本发明的有益效果是：提高了氢能燃料电池汽车的能量利用率。(the invention provides a fuel cell braking energy recovery system of a hydrogen energy automobile, which comprises: the system comprises a vehicle control unit VCU, a motor controller MCU, a super capacitor + bidirectional DC component SCMS and a hydrogen fuel cell system FCU; the SCMS is used for detecting the residual capacity SOC of the super capacitor and the chargeable power of the super capacitor; the FCU is used for controlling the output power of the fuel cell and controlling the fuel cell to charge power for the super capacitor; the MCU is used for acquiring the rotating speed of the motor and the maximum feedback torque of the motor and controlling the torque of the motor; the VCU recovers the braking energy by acquiring the opening degree signal of the accelerator pedal as a trigger switch signal of energy recovery, acquiring the opening degree signal of the brake pedal as a judgment basis of the energy recovery power, and acquiring the SOC and the chargeable power of the SCMS, the motor rotating speed and the maximum feedback torque of the MCU and the working state of the fuel cell. The invention has the beneficial effects that: the energy utilization rate of the hydrogen energy fuel cell automobile is improved.)

一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统。

背景技术

为了应对国际环境问题与能源危机，新能源汽车得到了大力发展。续驶里程作为新能源汽车发展一大制约条件，所以如何提高能量利用率是一个非常重要的课题。

在目前现有技术状态下，制动能量回收已经有了很多技术方案；但是，针对氢燃料电池与其它辅助能源(超级电容)的氢燃料汽车还未有较为成熟且适合的技术方案，能量回收策略的不完善会影响辅助能源寿命和使用性能，并对制动性能和驾驶感受产生影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统；一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统，包括：整车控制器VCU、电机控制器MCU、超级电容+双向DC组件SCMS和氢燃料电池系统FCU；

SCMS、FCU、MCU和VCU之间通过CAN总线进行数据传输；

SCMS用于检测超级电容的剩余电量SOC和超级电容可充电功率；

FCU用于控制燃料电池的输出功率，控制燃料电池为超级电容的充电功率；

MCU用于获取电机的转速和电机最大回馈扭矩，并控制电机的扭矩；

其特征在于：

所述氢燃料电池系统主要由氢燃料电池堆、空压机、冷却系统、升压DC和增湿器组成，用于将氢气通过质子交换膜转化成电能；所述超级电容和双向DC组件主要由超级电容和双向升压降压DCDC组成，所述超级电容用来储存和释放能量，所述双向升压降压DCDC用于对所述超级电容进行充电，以补充能量，同时将所述超级电容的能量以电压电流的方式对外释放；

VCU通过获取油门踏板的开度信号作为能量回收的触发开关信号，通过获取制动踏板的开度信号作为能量回收功率大小的判断依据，通过获取SCMS的SOC和可充电功率、MCU的电机转速和电机最大回馈扭矩以及燃料电池的工作状态，进行制动能量回收。

进一步地，所述氢能汽车包括三种工作模式：

模式一：超级电容作为动力源输出的纯电状态；

模式二：燃料电池和超级电容作为动力源输出的混动状态；

模式三：燃料电池作为动力源输出的纯燃料电池状态。

进一步地，所述的VCU通过获取油门踏板的开度信号作为能量回收的触发开关信号包括：当所述氢能汽车处于模式一时，若油门踏板开度＜3％，且未踩制动踏板制动，则制动能量回收系统开始工作，并根据在油门踏板开度＜3％的情况下的车速、超级电容可充电功率和MCU电机最大回馈扭矩，计算出电机控制器发电所要发出的最大制动负扭矩限值，并以该最大制动负扭矩限值为最大值依据生成一个制动负扭矩，然后发送给到电机执行，进行电机反拖，最终实现制动的同时进行能量回收。

进一步地，当所述氢能汽车处于模式一时，在油门踏板开度＜3％之后，且同时踩制动踏板制动，为了实现更合理且高效的能量回收功能，制动能量回收系统在计算制动负扭矩时，将制动踏板的开度信号也包括在内。

进一步地，在模式一时，当车速下降至8Km/h时，制动能量回收系统停止工作；此时，在驾驶人员没有主动进行加速和制动的情况下，车辆将按此车速进入蠕行模式；蠕行模式的行驶速度为8Km/h。

进一步地，当所述的制动能量回收系统处于所述的模式二时；若氢能汽车处于低功率状态下行驶，且燃料电池功率大于整车消耗功率，此时超级电容处于充电状态，燃料电池的输出功率一部分给电机驱动氢能汽车行驶，一部分给超级电容充电；这种工况下，需要根据超级电容的可充电功率和燃料电池给超级电容充电的功率的差值和MCU电机最大回馈扭矩对制动负扭矩进行计算，并将计算出来的制动负扭矩作为最大值对电机控制器发电所要发出的制动负扭矩进行限制，以免制动负扭矩过大，超过超级电容可充电功率和MCU电机最大回馈扭矩；当氢能汽车的整车消耗功率小于预设值x时，判定氢能汽车处于低功率状态。

进一步地，在氢燃料电池工作时，通过计算燃料电池的输出功率与电机功率，判定超级电容所处充放电状态；若超级电容处于放电状态，此时制动能量回收将按照模式一进行；若超级电容处于充电状态，以油门踏板开度＜3％作为制动能量回收系统开启触发信号，此时制动能量回收最大允许功率是超级电容可充电功率与燃料电池对超级电容的输入功率的功率差值，然后依据此功率差值和MCU电机最大回馈扭矩取较小值作为电机制动负扭矩计算依据；再将计算出的制动负扭矩与车速进行逻辑运算，得出电机所能输出的实际输出负扭矩，从而实现实际输出负扭矩、可充电功率、电机最大回馈扭矩和实时车速动态相关联，保证正常使用超级电容的前提下，实现能量回收的实时控制，在保证整车制动性能和舒适性前提下，实现最大化的制动能量回收；若燃料电池的输出功率大于或者等于电机功率，则超级电容处于充电状态；否则，超级电容处于放电状态；MCU电机最大回馈扭矩由电机控制器检测得到。

进一步地，当氢能汽车处于所述的模式二时，若车速下降至8Km/h，系统将自动退出制动能量回收模式；此时，在驾驶人员没有主动进行加速和制动的情况下，车辆将按此车速进入蠕行模式。

进一步地，当氢能汽车处于所述的模式三时，VCU将禁止制动能量回收功能，此时由氢燃料电池供应整车所有功耗，不支持能量回收。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案提高了氢能燃料电池汽车的能量利用率，设计了一种符合特定氢能燃料电池汽车架构的制动能量回收策略。

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是本发明实施例中一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统的原理图；

图2是本发明实施例中一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统的结构图。

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。

本发明的实施例提供了一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统的原理图；包括：整车控制器VCU、电机控制器MCU、超级电容+双向DC组件SCMS和氢燃料电池系统FCU；

SCMS、FCU、MCU和VCU之间通过CAN总线进行数据传输；

SCMS用于检测超级电容的剩余电量SOC和超级电容可充电功率；

FCU用于控制燃料电池的输出功率，并控制燃料电池为超级电容充电功率；

MCU用于获取电机的转速和电机最大回馈扭矩，并控制电机的扭矩；

所述氢燃料电池系统主要由氢燃料电池堆、空压机、冷却系统、升压DC和增湿器组成，用于将氢气通过质子交换膜转化成电能；所述超级电容和双向DC组件主要由超级电容和双向升压降压DCDC组成，所述超级电容用来储存和释放能量，所述双向升压降压DCDC用于对所述超级电容进行充电，以补充能量，同时将所述超级电容的能量以电压电流的方式对外释放；

VCU通过获取油门踏板的开度信号作为能量回收的触发开关信号，通过获取制动踏板的开度信号作为能量回收功率大小的判断依据，通过获取SCMS的SOC和可充电功率、MCU的电机转速和电机最大回馈扭矩以及燃料电池的工作状态，进行制动能量回收。

所述氢能汽车包括三种工作模式：

模式一：超级电容作为动力源输出的纯电状态；

模式二：燃料电池和超级电容作为动力源输出的混动状态；

模式三：燃料电池作为动力源输出的纯燃料电池状态。

所述的VCU通过获取油门踏板的开度信号作为能量回收的触发开关信号包括：当所述氢能汽车处于模式一时，若油门踏板开度＜3％，且未踩制动踏板制动，则制动能量回收系统开始工作，并根据在油门踏板开度＜3％的情况下的车速、超级电容可充电功率和MCU电机最大回馈扭矩，计算出电机控制器发电所要发出的最大制动负扭矩限值，并以该最大制动负扭矩限值为最大值依据生成一个制动负扭矩，然后发送给到电机执行，进行电机反拖，最终实现制动的同时进行能量回收。

其中，最大制动负扭矩限值的计算原理如下：

上式中，p为超级电容可充电功率，由SCMS提供提供给VCU；z为电机转速，由MCU提供给VCU；y为待求的最大回收负扭矩限值，能量回收系统工作时电机控制器发电所要发出的制动负扭矩不能超过该最大回收负扭矩限值。

车速v计算公式如下：

上式中，i为减速器速比，r为车辆的轮子半径，在本发明实施例中，i为7.82，r为0.29m。

在模式一时，在油门踏板开度＜3％之后，且同时踩制动踏板制动，为了实现更合理且高效的能量回收功能，制动能量回收系统在计算制动负扭矩时，将制动踏板的开度信号也包括在内；所以此时制动负扭矩的计算依据包括：油门踏板开度＜3％时的车速、制动踏板开度、电机最大回馈扭矩以及超级电容可充电功率；在制动能量回收过程中，制动负扭矩随着车速、制动开度、电机最大回馈扭矩和超级电容可充电功率的变化而相应变化，保证每一时刻能量回收的最大化且同时能够保证驾驶人员在制动过程中能感受到明显的制动力和舒适性；具体为：

首先根据此时的超级电容可充电功率和车速求出此时超级电容的能量回收所需要的第一负扭矩，并将所述第一负扭矩和电机最大回馈扭矩做对比，取二者中的较小值，然后再根据制动踏板开度生成第二负扭矩；并将取出的较小值与所述第二负扭矩比较，取二者中的最小值作为制动负扭矩；最后将制动负扭矩发送给到电机执行，进行电机反拖，实现制动的同时进行能量回收。其中，第二负扭矩的大小与制动踏板开度关系为预设的，在本发明实施例中，第二负扭矩的大小与制动踏板开度大小成正比，比例系数根据实际驾乘需求设置。

在模式一时，当车速下降至8Km/h时，制动能量回收系统停止工作；此时，在驾驶人员没有主动进行加速和制动的情况下，车辆将按此车速进入蠕行模式；蠕行模式的行驶速度为8Km/h。

当所述的制动能量回收系统处于所述的模式二时；若氢能汽车处于低功率状态下行驶，且燃料电池输出功率大于整车消耗功率，此时超级电容处于充电状态，燃料电池的输出功率一部分给电机驱动氢能汽车行驶，一部分给超级电容充电；这种工况下，需要根据超级电容的可充电功率和燃料电池给超级电容充电的功率的差值和MCU电机最大回馈扭矩对制动负扭矩进行计算，并将计算出来的制动负扭矩作为最大值对电机控制器发电所要发出的制动负扭矩进行限制，以免制动负扭矩过大，超过超级电容可充电功率和MCU电机最大回馈扭矩；当氢能汽车的整车消耗功率小于预设值x时，判定氢能汽车处于低功率状态；举例如下：

当所述的制动能量回收系统处于所述的模式二时，若氢能汽车处于低功率状态下行驶，且此时燃料电池输出功率为40kW，大于整车消耗功率，则超级电容处于充电状态，若此时燃料电池给超级电容的充电功率为10kW，超级电容的可充电功率为15kW，则制动负扭矩所产生的充电功率需要小于或者等于15-10＝5kW，并根据5kW所计算出来的制动负扭矩作为最大值对电机控制器发电所要发出的制动负扭矩进行限制。

在氢燃料电池工作时，通过计算燃料电池的输出功率与电机功率，判定超级电容所处充放电状态；若超级电容处于放电状态，此时制动能量回收将按照模式一进行；若超级电容处于充电状态，以油门踏板开度＜3％作为制动能量回收系统开启触发信号，此时制动能量回收最大允许功率是超级电容可充电功率与燃料电池对超级电容的输入功率的功率差值，然后依据此功率差值和MCU电机最大回馈扭矩取较小值作为电机制动负扭矩计算依据；再将计算出的制动负扭矩与车速进行逻辑运算，得出电机所能输出的实际输出负扭矩，从而实现实际输出负扭矩、可充电功率、电机最大回馈扭矩和实时车速动态相关联，保证正常使用超级电容的前提下，实现能量回收的实时控制，在保证整车制动性能和舒适性前提下，实现最大化的制动能量回收；若燃料电池的输出功率大于或者等于电机功率，则超级电容处于充电状态；否则，超级电容处于放电状态；MCU电机最大回馈扭矩由电机控制器检测得到。

当氢能汽车处于所述的模式二时，若车速下降至8Km/h，系统将自动退出制动能量回收模式；此时，在驾驶人员没有主动进行加速和制动的情况下，车辆将按此车速进入蠕行模式。

当氢能汽车处于所述的模式三时，VCU将禁止制动能量回收功能，此时由氢燃料电池供应整车所有功耗，不支持能量回收。

请参考图2，图2是本发明实施例中一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统的结构图；整车控制器VCU中集成了制动能量回收管理子系统和充放电控制子系统，分别用于控制所述一种氢能汽车的燃料电池制动能量回收系统的能量回收状态和用于控制燃料电池输出功率和超级电容充电功率。

本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案提高了氢能燃料电池汽车的能量利用率，设计了一种符合特定氢能燃料电池汽车架构的制动能量回收策略。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。