阅读说明：本技术 一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统 (braking energy recovery system of hydrogen fuel cell 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燃料电池汽车制动能量回收系统,包括整车控制器VCU、电机控制器MCU、氢燃料电池子系统FCU、电池管理子系统BMS、超级电容+双向DC子系统SCMS；VCU采集电机转速和减速器速比信息得出车速信息,通过采集油门开度信号作为能量回收的触发开关信号,同时采集制动踏板的开度作为回收功率大小的判断依据；然后通过BMS获取动力电池的SOC和最大可充充电功率、通过SCMS获取超级电容的电容电量和最大可充电功率、通过MCU获取电机转速和电机最大回馈扭矩以及通过FCU获取燃料电池的工作状态,以进行制动能量回收。(The invention provides a braking energy recovery system of a hydrogen fuel cell automobile, which comprises a vehicle control unit VCU, a motor controller MCU, a hydrogen fuel cell subsystem FCU, a battery management subsystem BMS, a super capacitor and a bidirectional DC subsystem SCMS; the VCU acquires the information of the rotating speed of the motor and the speed ratio of the speed reducer to obtain vehicle speed information, acquires an accelerator opening signal as a trigger switch signal for energy recovery, and simultaneously acquires the opening of a brake pedal as a judgment basis for the magnitude of the recovered power; then, the SOC and the maximum chargeable power of the power battery are acquired through the BMS, the capacitor electric quantity and the maximum chargeable power of the super capacitor are acquired through the SCMS, the motor rotating speed and the maximum feedback torque of the motor are acquired through the MCU, and the working state of the fuel battery is acquired through the FCU so as to recover the braking energy.)

一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统

技术领域

本发明涉及新能源汽车能量分配与管理技术领域，具体涉及一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统。

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(动力电池和超级电容)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

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前针对氢燃料汽车尚未有成熟且适合的制动能量回收技术方案的技术问题，提供一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统解决上述技术缺陷。

一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统，包括整车控制器VCU、电机控制器MCU、氢燃料电池子系统FCU、电池管理子系统BMS、超级电容+双向DC子系统SCMS；

BMS、FCU、MCU、SCMS和VCU之间通过CAN总线进行数据传输；

BMS用于检测动力电池的剩余电量SOC和动力电池可充电功率；

FCU用于控制燃料电池的输出功率，并控制燃料电池为动力电池充电功率；

MCU用于获取电机转速和电机最大回馈扭矩，并控制电机的扭矩；

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；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，同时可将所述超级电容的能量以电压电流的方式对外释放；

系统工作过程包括：VCU采集电机转速和减速器速比信息得出车速信息，通过采集油门开度信号作为能量回收的触发开关信号，同时采集制动踏板的开度作为回收功率大小的判断依据；然后通过BMS获取动力电池的SOC和最大可充充电功率、获取SCMS的超级电容的电容电量和最大可充电功率、通过MCU获取电机转速和电机最大回馈扭矩以及通过FCU获取燃料电池的工作状态，以进行制动能量回收。

进一步的，所述的制动能量回收系统包括七种工作模式：

模式一：动力电池作为动力源输出的半纯电状态；

模式二：超级电容作为动力源输出半纯电的状态；

模式三：动力电池和超级电容作为动力源输出的全纯电状态；

模式四：燃料电池和动力电池作为动力源输出的状态；

模式五：燃料电池和超级电容作为动力源输出的状态；

模式六：燃料电池、动力电池和超级电容共同作为动力源输出的状态；

模式七：仅燃料电池作为动力源输出的纯燃料电池状态。

进一步的，当制动能量回收系统处于所述模式一或模式二时，氢燃料电池汽车制动时只需考虑动力电池的工作状态或超级电容的工作状态；当油门踏板开度＜3％时，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、制动踏板开度、电机最大回馈扭矩、动力电池最大可充电功率或超级电容的最大可充电功率，计算出电机控制器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，然后将所述制动负扭矩发送给电机执行，进行电机反拖，实现制动的同时进行能量回收。

在油门踏板开度＜3％之后，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即也包括在内。

进一步的，当制动能量回收系统处于所述模式三时，氢燃料电池汽车制动时需考虑动力电池的工作状态和超级电容的工作状态；当油门踏板开度＜3％时，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、制动踏板开度、电机最大回馈扭矩、动力电池包最大可充充电功率和超级电容的最大可充充电功率之和，计算出电机控制器发电所要发出负扭矩，然后发送给到电机执行，实现制动的同时进行能量回收；

在油门踏板开度＜3％之后，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即也包括在内。

进一步的，当制动能量回收系统处于所述模式四时，若氢燃料电池汽车处于低功率状态下行驶，且氢燃料电池功率大于整车消耗功率，此时动力电池处于充电状态，氢燃料电池的功率一部分给电机驱动，一部分给动力电池；这种工况下，需要根据动力电池的可充电功率和燃料电池给动力电池充电的功率的差值和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，超过动力电池可充电功率和电机最大回馈扭矩；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；

在氢燃料电池工作时，通过计算氢燃料电池的实时输出功率与电机实时功率，判定动力电池所处充放电状态，若动力电池处于放电状态，此时制动能量回收将按照模式一进行；若动力电池处于充电状态，以油门踏板开度＜3％作为制动能量回收开启触发信号，此时制动能量回收最大允许功率是动力电池最大的可充充电功率与氢燃料电池对动力电池的输入功率的差值，然后依据此功率和电机最大允许发电功率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、电机最大回馈扭矩、最大可充充电功率和实时车速动态相关联，保证正常使用动力电池的前提下，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，则动力电池处于充电状态；否则，动力电池处于放电状态；电机最大回馈扭矩由电机控制器MCU检测得到。

进一步的，当制动能量回收系统处于所述模式五时，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；

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；电机最大回馈扭矩由电机控制器MCU检测得到。

进一步的，当制动能量回收系统处于所述模式六时，若氢燃料电池汽车处于低功率状态下行驶，且氢燃料电池功率大于整车消耗功率，此时动力电池和超级电容处于充电状态，氢燃料电池的功率一部分给电机驱动，一部分给动力电池和超级电容。这种工况下，需要根据动力电池的可充电功率和超级电容的可充电功率和燃料电池给动力电池充电的功率的差值和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；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；

在氢燃料电池工作时，通过计算氢燃料电池的实时输出功率与电机实时功率，判定动力电池和超级电容所处充放电状态，若动力电池和超级电容处于放电状态，此时制动能量回收将按照模式三进行；若动力电池和超级电容处于充电状态，以油门踏板开度＜3％作为制动能量回收开启触发信号，此时制动能量回收最大允许功率是动力电池和超级电容最大的可充充电功率之和与氢燃料电池对动力电池的输入功率的差值，然后依据此功率和电机最大允许发电功率取较小值作为电机制动负扭矩计算依据；再将计算出的负扭矩与车速进行逻辑运算，得出电机所能输出的实际负扭矩，从而实现实际输出负扭矩、电机最大回馈扭矩、最大可充充电功率和实时车速动态相关联，保证正常使用动力电池的前提下，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。

进一步的，在模式一、模式二、模式三、模式四、模式五和模式六下，当车速下降至8Km/h时，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，车辆将保持8Km/h车速行驶。

进一步的，当制动能量回收系统处于所述模式七时，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。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在满足动力电池和超级电容产品使用特性以及保证整车驾驶性和制动性条件下，实现制动能量的最大回收。

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为本发明一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统原理图；

图2为本发明一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统结构图。

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。

一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统，如图1所示，包括整车控制器VCU、电机控制器MCU、氢燃料电池子系统FCU、电池管理子系统BMS、超级电容+双向DC子系统SCMS；

BMS、FCU、MCU、SCMS和VCU之间通过CAN总线进行数据传输；

BMS用于检测动力电池的剩余电量SOC和动力电池可充电功率；

FCU用于控制燃料电池的输出功率，并控制燃料电池为动力电池充电功率；

MCU用于获取电机转速和电机最大回馈扭矩，并控制电机的扭矩；

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；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，同时可将所述超级电容的能量以电压电流的方式对外释放；

一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统，如图2所示，图2是本发明实施例中一种氢燃料电池汽车制动能量回收系统的结构图；其中，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燃料电池汽车制动能量回收系统的能量回收状态、氢燃料电池输出功率、动力电池充电功率和超级电容充电功率。

系统工作过程包括：VCU采集电机转速和减速器速比信息得出车速信息，通过采集油门开度信号作为能量回收的触发开关信号，同时采集制动踏板的开度作为回收功率大小的判断依据；然后通过BMS获取动力电池的SOC和最大可充充电功率、通过SCMS获取超级电容的电容电量和最大可充电功率、通过MCU获取电机转速和电机最大回馈扭矩以及通过FCU获取燃料电池的工作状态，以进行制动能量回收。所述的制动能量回收系统包括七种工作模式：

模式一：动力电池作为动力源输出的半纯电状态；

模式二：超级电容作为动力源输出半纯电的状态；

模式三：动力电池和超级电容作为动力源输出的全纯电状态；

模式四：燃料电池和动力电池作为动力源输出的状态；

模式五：燃料电池和超级电容作为动力源输出的状态；

模式六：燃料电池、动力电池和超级电容共同作为动力源输出的状态；

模式七：仅燃料电池作为动力源输出的纯燃料电池状态。

当制动能量回收系统处于所述模式一或模式二时，氢燃料电池汽车制动时只需考虑动力电池的工作状态或超级电容的工作状态；当油门踏板开度＜3％时，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、制动踏板开度、电机最大回馈扭矩、动力电池最大可充电功率或超级电容的最大可充电功率，计算出电机控制器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，然后将所述制动负扭矩发送给电机执行，进行电机反拖，实现制动的同时进行能量回收。

在油门踏板开度＜3％之后，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即也包括在内。

当制动能量回收系统处于所述模式三时，氢燃料电池汽车制动时需考虑动力电池的工作状态和超级电容的工作状态；当油门踏板开度＜3％时，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、制动踏板开度、电机最大回馈扭矩、动力电池包最大可充充电功率和超级电容的最大可充充电功率之和，计算出电机控制器发电所要发出负扭矩，然后发送给到电机执行，实现制动的同时进行能量回收；

在油门踏板开度＜3％之后，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即也包括在内。

当制动能量回收系统处于所述模式四时，若氢燃料电池汽车处于低功率状态下行驶，且氢燃料电池功率大于整车消耗功率，此时动力电池处于充电状态，氢燃料电池的功率一部分给电机驱动，一部分给动力电池；这种工况下，需要根据动力电池的可充电功率和燃料电池给动力电池充电的功率的差值和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，超过动力电池可充电功率和电机最大回馈扭矩；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；

在氢燃料电池工作时，通过计算氢燃料电池的实时输出功率与电机实时功率，判定动力电池所处充放电状态，若动力电池处于放电状态，此时制动能量回收将按照模式一进行；若动力电池处于充电状态，以油门踏板开度＜3％作为制动能量回收开启触发信号，此时制动能量回收最大允许功率是动力电池最大的可充充电功率与氢燃料电池对动力电池的输入功率的差值，然后依据此功率和电机最大允许发电功率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、电机最大回馈扭矩、最大可充充电功率和实时车速动态相关联，保证正常使用动力电池的前提下，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，则动力电池处于充电状态；否则，动力电池处于放电状态；电机最大回馈扭矩由电机控制器MCU检测得到。

当制动能量回收系统处于所述模式五时，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；

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；电机最大回馈扭矩由电机控制器MCU检测得到。

当制动能量回收系统处于所述模式六时，若氢燃料电池汽车处于低功率状态下行驶，且氢燃料电池功率大于整车消耗功率，此时动力电池和超级电容处于充电状态，氢燃料电池的功率一部分给电机驱动，一部分给动力电池和超级电容。这种工况下，需要根据动力电池的可充电功率和超级电容的可充电功率和燃料电池给动力电池充电的功率的差值和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；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；

在氢燃料电池工作时，通过计算氢燃料电池的实时输出功率与电机实时功率，判定动力电池和超级电容所处充放电状态，若动力电池和超级电容处于放电状态，此时制动能量回收将按照模式三进行；若动力电池和超级电容处于充电状态，以油门踏板开度＜3％作为制动能量回收开启触发信号，此时制动能量回收最大允许功率是动力电池和超级电容最大的可充充电功率之和与氢燃料电池对动力电池的输入功率的差值，然后依据此功率和电机最大允许发电功率取较小值作为电机制动负扭矩计算依据；再将计算出的负扭矩与车速进行逻辑运算，得出电机所能输出的实际负扭矩，从而实现实际输出负扭矩、电机最大回馈扭矩、最大可充充电功率和实时车速动态相关联，保证正常使用动力电池的前提下，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。

在模式一、模式二、模式三、模式四、模式五和模式六下，当车速下降至8Km/h时，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，车辆将保持8Km/h车速行驶。

当制动能量回收系统处于所述模式七时，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。

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。