车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种车用燃料电池‑锂离子电容器复合电源系统及控制方法，该系统包括作为主要能源的燃料电池电堆、作为辅助能源的超级电容器电池组和电池管理子系统，所述的电池管理子系统由电池控制单元、单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器组成，所述的电池控制单元与整车控制单元连接，所述的电池控制单元通过温度传感器采集燃料电池电堆温度，所述的车载驱动控制单元与汽车发动机连接与现有技术相比，本发明专利技术可实现启动、加速、制动等不同情况下燃料电池、超级电容器电池组的协调控制，可实现反拖制动和制动系统的协同，可以有效降低氢气消耗量，提高电堆使用寿命，提高制动系统耐久性。

【技术实现步骤摘要】
车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统及控制方法
本专利技术涉及氢氧燃料电池动力整车领域，尤其是涉及一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统及控制方法。
技术介绍
在汽车上应用燃料电池，由于汽车运行工况复杂需频繁启停、加减速和制动，而燃料电池为保证其寿命需要尽量保持稳定的功率输出，同时出于降低氢气消耗量，提高续航里程的考虑，把燃料电池和其他电力储能元件耦合，组成复合电源系统是较好的选择，用以提高燃料电池使用寿命。超级电容器可实现大功率输出，其循环寿命长，是作为燃料电池辅助动力源的理想选择，但汽车运行工况复杂，不同情况下复合电源系统控制策略也应有所不同，超级电容器也不同于其他电池型储能元件，因此需要实现不同情况下燃料电池-超级电容器复合电源系统的控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统及控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统，该复合电源系统包括作为主要能源的燃料电池电堆、作为辅助能源的超级电容器电池组和电池管理子系统，所述的电池管理子系统由电池控制单元、单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器组成，所述的电池控制单元与整车控制单元连接，所述的电池控制单元通过温度传感器采集燃料电池电堆温度，并且与车载驱动控制单元通信，所述的单向DC/DC变换器分别与燃料电池电堆、车载驱动控制单元通信和电池控制单元连接，所述的双向DC/DC变换器分别与超级电容器电池组、车载驱动控制单元通信和电池控制单元连接，所述的车载驱动控制单元与汽车发动机连接。所述的电池控制单元通过整车控制单元获取整车控制单元采集到的制动踏板行程信号、加速踏板开度信号、汽车当前运行速度和汽车当前运行坡度信号。所述的超级电容器电池组采用锂离子超级电容器电池组，所述的燃料电池为质子交换膜燃料电池。一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统的控制方法，该控制方法具体包括汽车启动控制、汽车正常定速或加速运行控制以及汽车制动控制。所述的汽车启动控制具体为：11)当超级电容器电池组的SOC不低于放电阀值SOCmin时，超级电容器电池组以功率Preq放电，启动汽车，所述的功率Preq的表达式为：其中，v为汽车运行速度，m为整车质量，i为当前坡度；12)当燃料电池电堆温度达到启动阀值Tstart或者超级电容器电池组的SOC低于放电阀值SOCmin时，燃料电池电堆启动，汽车开始启动，功率渐升，在达到第一功率P1时不再增加，燃料电池电堆稳定运转，当燃料电池电堆启动到稳定运转期间时，电池组输出功率渐减至零。所述的汽车正常定速或加速运行控制具体为：21)汽车以低于第一车速v0的速度运行，当超级电容器电池组的SOC低于放电阀值SOCmin时，燃料电池电堆运转，驱动汽车并给超级电容器电池组充电，功率选择为Preq+Pc和P1两者中的较小值；当超级电容器电池组的SOC低于常用荷电状态SOCcom但不低于放电阀值SOCmin时，燃料电池电堆的功率在第一功率P1和额定功率Pe之间运转，驱动汽车并给超级电容器电池组充电，当超级电容器电池组的SOC位于常用荷电状态SOCcom和充电阀值SOCmax之间时，停止给超级电容器电池组充电，燃料电池电堆以功率P1稳定运转，汽车定速运行，当加速踏板开度信号Sacc超过限值ΔSacc时，燃料电池电堆运转，功率为P1和Preq中的较大值；22)汽车以高于第一车速v0且低于第二车速v1的速度运行，当超级电容器电池组的SOC低于SOCcom时，燃料电池电堆运转，驱动汽车并给超级电容器电池组充电，功率选择为Preq+Pc和额定功率Pe两者中的较小值；当超级电容器电池组的SOC位于常用荷电状态SOCcom和充电阀值SOCmax之间时，停止给超级电容器电池组充电，燃料电池电堆以功率Preq稳定运转，汽车定速运行，当加速踏板开度信号Sacc超过限值ΔSacc，且超级电容器电池组的SOC不低于放电阀值SOCmin时，超级电容器电池组放电，放电功率为Sacc×Pmax-Preq，与燃料电池电堆共同为汽车加速，当加速踏板开度信号Sacc超过限值ΔSacc且超级电容器电池组的SOC低于放电阀值SOCmin时，燃料电池电堆输出功率渐升至Sacc×Pmax为止，功率Pc的表达式为：Pc＝(VLIc+IR)I其中，VLIC为锂离子超级电容器电池组端电压，R为锂离子超级电容器电池组内阻，I为最大充电电流；23)汽车以高于第二车速v1且低于最高车速vmax的速度运行，当超级电容器电池组的SOC低于SOCcom时，燃料电池电堆运转，驱动汽车并给超级电容器电池组充电，功率选择为Preq+Pc和最大功率Pmax两者中的较小值；当超级电容器电池组的SOC位于常用荷电状态SOCcom和充电阀值SOCmax之间时，停止给超级电容器电池组充电，燃料电池电堆以功率Preq稳定运转，汽车定速运行，当加速踏板开度信号Sacc超过限值ΔSacc且超级电容器电池组的SOC不低于放电阀值SOCmin时，超级电容器电池组放电，功率为Sacc×Pmax-Preq，与燃料电池电堆共同为汽车加速，当加速踏板开度信号Sacc超过限值ΔSacc且超级电容器电池组的SOC低于放电阀值SOCmin时，燃料电池电堆输出功率渐升至Sacc×Pmax为止；24)汽车以最高车速vmax运行，此时，燃料电池电堆以最大功率Pmax运转，驱动汽车，超级电容器电池组既不充电也不放电。根据电堆的功率-电流曲线和电堆的效率-电流曲线选择最高效率区间，即电堆的最佳运行区，在最佳运行区左端点对应的功率值即为第一功率P1，最佳运行区右端点对应的功率值即为额定功率Pe，第一车速v0、第二车速v1以及最高车速vmax根据以下公式确定：P＝29.394v+0.512v2+0.0056v3其中，P为燃料电池电堆功率，v为车速，将第一功率P1、额定功率Pe、最大功率Pmax依次代入上式求解得到的较大解即为对应的第一车速v0、第二车速v1以及最高车速vmax。所述的超级电容器电池组的SOC的计算式为：SOC＝-0.2197×(VLIC/nc)2+1.81×(VLIC/nc)+2.193其中，nc为锂离子超级电容器电池组串联单体数，VLIC为锂离子超级电容器电池组端电压。所述的汽车制动控制具体为：31)当制动踏板位置传感器输入电信号Sbrake时，计算驾驶员意图施加的制动力Fbrake，当制动力Fbrake超过第一限值Fdrag且低于第二限值Furgent时，制动系统制动，制动力大小为Fbrake-Fdrag，此时，切断燃料电池电堆至电动机的功率输出，燃料电池电堆功率变化至P1，电动机转变为发电机反拖制动，反拖功率为Fdrag×v；当超级电容器电池组的SOC低于放电阀值SOCmin时，发电机和电堆共同给电池组充电，当超级电容器电池组的SOC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统，其特征在于，该复合电源系统包括作为主要能源的燃料电池电堆、作为辅助能源的超级电容器电池组和电池管理子系统，所述的电池管理子系统由电池控制单元、单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器组成，所述的电池控制单元与整车控制单元连接，所述的电池控制单元通过温度传感器采集燃料电池电堆温度，并且与车载驱动控制单元通信，所述的单向DC/DC变换器分别与燃料电池电堆、车载驱动控制单元通信和电池控制单元连接，所述的双向DC/DC变换器分别与超级电容器电池组、车载驱动控制单元通信和电池控制单元连接，所述的车载驱动控制单元与汽车发动机连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统，其特征在于，该复合电源系统包括作为主要能源的燃料电池电堆、作为辅助能源的超级电容器电池组和电池管理子系统，所述的电池管理子系统由电池控制单元、单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器组成，所述的电池控制单元与整车控制单元连接，所述的电池控制单元通过温度传感器采集燃料电池电堆温度，并且与车载驱动控制单元通信，所述的单向DC/DC变换器分别与燃料电池电堆、车载驱动控制单元通信和电池控制单元连接，所述的双向DC/DC变换器分别与超级电容器电池组、车载驱动控制单元通信和电池控制单元连接，所述的车载驱动控制单元与汽车发动机连接。


2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统，其特征在于，所述的电池控制单元通过整车控制单元获取整车控制单元采集到的制动踏板行程信号、加速踏板开度信号、汽车当前运行速度和汽车当前运行坡度信号。


3.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统，其特征在于，所述的超级电容器电池组采用锂离子超级电容器电池组，所述的燃料电池为质子交换膜燃料电池。


4.一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统的控制方法，其特征在于，该控制方法具体包括汽车启动控制、汽车正常定速或加速运行控制以及汽车制动控制。


5.根据权利要求4所述的一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统的控制方法，其特征在于，所述的汽车启动控制具体为：
11)当超级电容器电池组的SOC不低于放电阀值SOCmin时，超级电容器电池组以功率Preq放电，启动汽车，所述的功率Preq的表达式为：



其中，v为汽车运行速度，m为整车质量，i为当前坡度；
12)当燃料电池电堆温度达到启动阀值Tstart或者超级电容器电池组的SOC低于放电阀值SOCmin时，燃料电池电堆启动，汽车开始启动，功率渐升，在达到第一功率P1时不再增加，燃料电池电堆稳定运转，当燃料电池电堆启动到稳定运转期间时，电池组输出功率渐减至零。


6.根据权利要求5所述的一种车用燃料电池-锂离子电容器复合电源系统的控制方法，其特征在于，所述的汽车正常定速或加速运行控制具体为：
21)汽车以低于第一车速v0的速度运行，当超级电容器电池组的SOC低于放电阀值SOCmin时，燃料电池电堆运转，驱动汽车并给超级电容器电池组充电，功率选择为Preq+Pc和P1两者中的较小值；
当超级电容器电池组的SOC低于常用荷电状态SOCcom但不低于放电阀值SOCmin时，燃料电池电堆的功率在第一功率P1和额定功率Pe之间运转，驱动汽车并给超级电容器电池组充电，当超级电容器电池组的SO位于常用荷电状态SOCcom和充电阀值SOCmax之间时，停止给超级电容器电池组充电，燃料电池电堆以功率P1稳定运转，汽车定速运行，当加速踏板开度信号Sacc超过限值ΔSacc时，燃料电池电堆运转，功率为P1和Preq中的较大值；
22)汽车以高于第一车速v0且低于第二车速v1的速度运行，当超级电容器电池组的SOC低于SOCcom时，燃料电池电堆运转，驱动汽车并给超级电容器电池组充电，功率选择为Preq+Pc和额定功率Pe两者中的较小值；当超级电容器电池组的SOC位于常用荷电状态SOCcom和充电阀值SOCmax之间时，停止给超级电容器电池组充电，燃料电池电堆以功率Preq稳定运转，汽车定速运行，当加速踏板开度信号Sacc超过限值ΔSacc，且超级电容器电池组的SOC不低于放电阀值SOCmin时，超级电容器电池组放电，放电功率为Sacc×Pmax-Preq，与燃料电池电堆共同为汽车加速，当加速踏板开度信号Sacc超过限值ΔSacc且超级电容器电池组的SOC低于放电阀值SOCmin时，燃料电池电堆输出功率渐升至Sacc×Pmax为止，功率Pc的表达式为：
Pc＝(VLIC+IR)I
其中，VLIC为锂离子超级电容器电池组端电压，R为锂离子超级电容器电池组内阻，I为最大充电电流；
23)汽车以高于第二车速v1且低于最高车速vmax的速度运行，当超级电容器电池组的SOC低于SOCcom时，燃料电池电堆运转，驱动汽车并...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑俊生，张存满，袁建民，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31