一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统及控制方法，包括燃料电池电堆及控制单元、氢气储存及管路单元、锂电池组及电池管理单元、后备锂电池组单元、车辆控制器和操作及显示单元。本发明专利技术针对燃料电池的启动特点及运行中可能出现的状况，设计了具有后备储能的能量管理系统，在运行过程中，车辆控制器会监测动力锂电池组及后备锂电池组的荷电状态信息，并针对不同的状态执行相应的能量管理策略，同时可在动力锂电池组故障时通过后备锂电池组维持燃料电池的运行，使系统继续工作在纯燃料电池供电模式，避免停机，提高了系统可靠性及安全性。

A Hybrid Power System and Control Method for Backup Energy Storage Vehicle Fuel Cell

The invention discloses a backup energy storage vehicle fuel cell hybrid power system and control method, including fuel cell stack and control unit, hydrogen storage and pipeline unit, lithium battery pack and battery management unit, backup lithium battery pack unit, vehicle controller and operation and display unit. According to the start-up characteristics of fuel cells and the possible conditions in operation, an energy management system with backup energy is designed. During operation, the vehicle controller monitors the charging status information of power lithium batteries and backup lithium batteries, and executes corresponding energy management strategies according to different states. At the same time, it can pass through backup when power lithium batteries fail. The lithium battery pack maintains the operation of the fuel cell, keeps the system working in the pure fuel cell power supply mode, avoids shutdown, and improves the reliability and safety of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统及控制方法
本专利技术属于燃料电池混合动力
，特别是涉及一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统及控制方法。
技术介绍
近年来燃料电池技术得到了广泛的关注与发展，然而燃料电池自身高成本，易衰退，需额外设备等问题成为制约燃料电池技术商用化的阻碍。如何提高燃料电池运行可靠性，减少因使用不当或意外故障引起的燃料电池性能衰减甚至损坏是燃料电池动力系统在设计及使用中必须关注的问题。目前世界各国已经对燃油车引起的环境污染问题产生高度重视，并相继推出淘汰燃油车的规划及行动。燃料电池动力系统作为可能替代燃油动力系统成为新一代主流车用动力系统的重要能源领域技术，以日本丰田，本田等著名车企为代表，已经对燃料电池车用化做了许多探索并取得了丰硕的成果，发布了Mirai等燃料电池概念车型，并引起世界范围内对于燃料电池车的关注与研发。在燃料电池动力车中，燃料电池电堆的成本占据了主要因素，在目前技术环境下，电堆实际寿命通常在2000-5000小时之间，并与工况中的启停及剧烈变载有关，为燃料电池提供一个平稳的工作状态，能极大地延长燃料电池工作寿命及供电系统的可靠稳定程度。为使燃料电池在复杂工况下能维持平稳的工作环境，通常使用锂电池与燃料电池组合成混合动力系统，由锂电池提供剧烈变化的功率需求分量，燃料电池提供稳定的功率需求分量，同时多个供电源也提高了供电系统整体的可靠性。不同于锂电池等传统储能系统，燃料电池发电系统在工作中往往需要向辅助燃料电池电堆工作的燃料电池控制器等辅机设备供电来维持系统运行。由于燃料电池发电系统存在一定不稳定性，需要提供后备储能提高系统稳定性，目前车用燃料电池混合动力系统中，一般使用锂电池作为为燃料电池辅机系统供电的动力源。但在实际使用中往往会出现锂电池电量不足或锂电池出现故障而导致燃料电池无法正常启动的现象；并且在车辆运行过程中，经常出现上下车等系统短暂停止的状态，也大大影响了燃料电池的自身寿命。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统及控制方法，有效维持燃料电池的全时段正常运行，避免停机，提高了系统可靠性及安全性；保障燃料电池正常启动及根据各系统工作状态判断混合动力功率分配方式，提高系统能量利用效率，避免燃料电池停机引起频繁启停减少燃料电池寿命。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，包括燃料电池电堆及控制单元、氢气储存及管路单元、锂电池组及电池管理单元、后备锂电池组单元、车辆控制器和操作及显示单元；所述燃料电池电堆及控制单元包括燃料电池、燃料电池控制器和燃料电池管理器，所述氢气储存及管路单元连接至燃料电池的氢气入口，所述燃料电池的供电端通过燃料电池管理器连接至车辆动力装置，所述后备锂电池组单元的供电端通过燃料电池控制器连接至燃料电池，所述燃料电池控制器与车辆控制器信号连接；所述氢气储存及管路单元将高压氢气调节为燃料电池所需压力供给燃料电池；所述锂电池组及电池管理单元包括动力锂电池组及其配套的动力锂电池管理器，动力锂电池组通过动力锂电池管理器连接至车辆动力装置，动力锂电池组用于提供在车辆运行中燃料电池响应不及的突变功率；动力锂电池管理器检测动力锂电池状态信息并将检测的信息传达给车辆控制器；所述后备锂电池组单元包括后备锂电池及其配套的后备电池管理器，所述后备锂电池管理器分别连接燃料电池和后备锂电池，且所述后备锂电池连接至燃料电池控制器，所述后备锂电池管理器与车辆控制器信号连接；在动力锂电池组无法正常工作时，后备锂电池为燃料电池控制器提供电能维持燃料电池控制器驱动燃料电池的需求功率；同时由后备锂电池吸收燃料电池的多余能量；所述车辆控制器接收车辆控制器、动力锂电池管理器和后备电池管理器传递的数据信息，并通过能量管理算法控制燃料电池输出功率；所述操作及显示单元包括操作设备、车辆控制器和显示器，所述操作设备将操作信号送入车辆控制器，车辆控制器控制车辆运行，由显示器显示参数。进一步的是，使用后备锂电池组单元在动力锂电池组无法正常工作时，通过车辆控制器控制后备电池管理器由后备锂电池提供燃料电池运行所需电能，避免系统停机，提高系统安全性和可靠性。进一步的是，在燃料电池混合动力控制阶段，当系统出现短暂停机后又再次启动过程中，由燃料电池管理器控制燃料电池向后备锂电池以低输出功率运行，避免频繁起停引起的燃料电池寿命衰减。进一步的是，在非常规环境条件下，后备锂电池组单元为燃料电池提供启动所需功率，以改善环境条件的限制；所述非常规环境包括低温环境，在低温下通过后备锂电池组单元供电驱动加热器将环境温度提升至燃料电池启动温度。进一步的是，所述氢气储存及管路单元包括高压氢气储气罐和氢气管路，所述高压氢气储气罐通过氢气管路连通燃料电池氢气入口。进一步的是，所述动力锂电池管理器检测动力锂电池状态信息包括荷电状态信息、单片电压和故障信息，并将检测的信息传达给车辆控制器。进一步的是，所述操作及显示单元包括操作设备、车辆控制器和显示器，所述操作设备将操作信号包括油门踏板和档位信号送入车辆控制器，所述车辆控制器控制车辆运行；由显示器显示参数包括显示电池剩余电量、剩余氢气压力、运行状态和故障状态。另一方面，本专利技术还提供了一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统的控制方法，包括步骤：S100，由车辆控制器检测车辆状态，由车辆控制器监测燃料电池、动力锂电池组及后备锂电池组单元的状态信息，获取检测数据；S200，根据检测数据，判断混合动力系统的工作状态；S300，根据所述工作状态，通过车辆控制器执行相应的能量管理策略控制燃料电池、动力锂电池组以及后备锂电池组单元的工况；在动力锂电池组无法正常工作时，通过车辆控制器控制后备电池管理器由后备锂电池提供燃料电池运行所需电能；同时由后备锂电池吸收燃料电池的多余能量。进一步的是，所述能量管理策略的工作状态包括五个工作状态：状态一，纯锂电池工作状态：当车辆控制器接受车辆档位信息为纯电动档时进入此工作状态；当燃料电池控制器检测氢气储量不足或短时间使用时启动该此工作状态；在纯锂电池工作状态下，不启动燃料电池，由动力锂电池组直接向车辆进行供电，当动力锂电池组剩余电量不足时向车辆控制器发出警报并显示；状态二，锂电池-燃料电池混合动力工作状态：当车辆控制器接受车辆档位信息为混合动力档且动力锂电池组工作正常时进入此状态，此状态为车辆常态运行状态；在混合动力工作状态中，燃料电池与动力锂电池组共同向车辆进行供电，燃料电池依据功率跟随运行在电机平均附近且缓慢变化，提供主要平均功率，动力锂电池组提供车辆功率剧变时的动态响应功率及回收制动时的回馈能量；由动力锂电池为燃料电池控制器进行供电，判断若后备锂电池电量低于设定值，车辆控制器开启后备电池管理器对后备锂电池进行充电；状态三，纯燃料电池应急工作状态：当动力锂电池组电量不足或出现故障无法正常启动时，车辆控制器发出报警，进入燃料电池应急工作状态；在燃料电池应急工作状态下，后备锂电池向燃料电池控制器进行供电，燃料电池正常启动后直接向车辆进行供电；此状态下由于燃料电池提供功率峰值有限，将出现加速动力不足等性能不足，同时影响燃料电池寿命，仅用于应急状态下的短期运行；状态四，制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，其特征在于，包括燃料电池电堆及控制单元、氢气储存及管路单元、锂电池组及电池管理单元、后备锂电池组单元、车辆控制器和操作及显示单元；所述燃料电池电堆及控制单元包括燃料电池、燃料电池控制器和燃料电池管理器，所述氢气储存及管路单元连接至燃料电池的氢气入口，所述燃料电池的供电端通过燃料电池管理器连接至车辆动力装置，所述后备锂电池组单元的供电端通过燃料电池控制器连接至燃料电池，所述燃料电池控制器与车辆控制器信号连接；所述氢气储存及管路单元将高压氢气调节为燃料电池所需压力供给燃料电池；所述锂电池组及电池管理单元包括动力锂电池组及其配套的动力锂电池管理器，动力锂电池组通过动力锂电池管理器连接至车辆动力装置，动力锂电池组用于提供在车辆运行中燃料电池响应不及的突变功率；动力锂电池管理器检测动力锂电池状态信息并将检测的信息传达给车辆控制器；所述后备锂电池组单元包括后备锂电池及其配套的后备电池管理器，所述后备锂电池管理器分别连接燃料电池和后备锂电池，且所述后备锂电池连接至燃料电池控制器，所述后备锂电池管理器与车辆控制器信号连接；在动力锂电池组无法正常工作时，后备锂电池为燃料电池控制器提供电能维持燃料电池控制器驱动燃料电池的需求功率；同时由后备锂电池吸收燃料电池的多余能量；所述车辆控制器接收车辆控制器、动力锂电池管理器和后备电池管理器传递的数据信息，并通过能量管理算法控制燃料电池输出功率；所述操作及显示单元包括操作设备、车辆控制器和显示器，所述操作设备将操作信号送入车辆控制器，车辆控制器控制车辆运行，由显示器显示参数。...

【技术特征摘要】
1.一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，其特征在于，包括燃料电池电堆及控制单元、氢气储存及管路单元、锂电池组及电池管理单元、后备锂电池组单元、车辆控制器和操作及显示单元；所述燃料电池电堆及控制单元包括燃料电池、燃料电池控制器和燃料电池管理器，所述氢气储存及管路单元连接至燃料电池的氢气入口，所述燃料电池的供电端通过燃料电池管理器连接至车辆动力装置，所述后备锂电池组单元的供电端通过燃料电池控制器连接至燃料电池，所述燃料电池控制器与车辆控制器信号连接；所述氢气储存及管路单元将高压氢气调节为燃料电池所需压力供给燃料电池；所述锂电池组及电池管理单元包括动力锂电池组及其配套的动力锂电池管理器，动力锂电池组通过动力锂电池管理器连接至车辆动力装置，动力锂电池组用于提供在车辆运行中燃料电池响应不及的突变功率；动力锂电池管理器检测动力锂电池状态信息并将检测的信息传达给车辆控制器；所述后备锂电池组单元包括后备锂电池及其配套的后备电池管理器，所述后备锂电池管理器分别连接燃料电池和后备锂电池，且所述后备锂电池连接至燃料电池控制器，所述后备锂电池管理器与车辆控制器信号连接；在动力锂电池组无法正常工作时，后备锂电池为燃料电池控制器提供电能维持燃料电池控制器驱动燃料电池的需求功率；同时由后备锂电池吸收燃料电池的多余能量；所述车辆控制器接收车辆控制器、动力锂电池管理器和后备电池管理器传递的数据信息，并通过能量管理算法控制燃料电池输出功率；所述操作及显示单元包括操作设备、车辆控制器和显示器，所述操作设备将操作信号送入车辆控制器，车辆控制器控制车辆运行，由显示器显示参数。2.根据权利要求1所述的一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，其特征在于，使用后备锂电池组单元在动力锂电池组无法正常工作时，通过车辆控制器控制后备电池管理器由后备锂电池提供燃料电池运行所需电能。3.根据权利要求2所述的一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，其特征在于，在燃料电池混合动力控制阶段，当系统出现短暂停机后又再次启动过程中，由燃料电池管理器控制燃料电池向后备锂电池以低输出功率运行。4.根据权利要求3所述的一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，其特征在于，在非常规环境条件下，后备锂电池组单元为燃料电池提供启动所需功率，以改善环境条件的限制；所述非常规环境包括低温环境，在低温下通过后备锂电池组单元供电驱动加热器将环境温度提升至燃料电池启动温度。5.根据权利要求1所述的一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述氢气储存及管路单元包括高压氢气储气罐和氢气管路，所述高压氢气储气罐通过氢气管路连通燃料电池氢气入口。6.根据权利要求1所述的一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述动力锂电池管理器检测动力锂电池状态信息包括荷电状态信息、单片电压和故障信息，并将检测的信息传达给车辆控制器。7.根据权利要求1所述的一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述操作设备将操作信号包括油门踏板和档位信号送入...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈维荣，李锦程，李奇，王天宏，孟翔，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51