專利名稱：燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)，尤其是一種基于CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))的分布式控制系統(tǒng)。
燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是燃料電池電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一，本說明書中所說的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是指包括燃料電池堆、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔助支持系統(tǒng)以及燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制器在內(nèi)的可以獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)輸出期望電功率的電能供應(yīng)部件。
現(xiàn)有的燃料電池電動(dòng)汽車，其零部件如燃料電池，蓄電池，電動(dòng)機(jī)等，性能已經(jīng)有了很大的提高，能提供基本滿足要求的可實(shí)際裝車使用的產(chǎn)品，但卻比較缺乏從整車應(yīng)用角度出發(fā)來(lái)組裝成一個(gè)完善的汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)，缺乏一個(gè)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)配置使用這些零部件。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)，它包括有能源子系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，上述兩子系統(tǒng)間通過直流母線進(jìn)行電能傳輸，所述能源子系統(tǒng)中設(shè)有能源管理器、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力蓄電池組，所述燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力蓄電池組中均內(nèi)嵌有CAN通訊控制器，所述能源管理器分別與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力蓄電池組中的CAN通訊控制器相連接；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由車輛管理器和一帶有電機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，車輛管理器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)控制器相連接。
所述能源子系統(tǒng)中還設(shè)有內(nèi)嵌CAN通訊控制器的DC/DC變換器；所述能源子系統(tǒng)中還設(shè)有超級(jí)電容器。
能源子系統(tǒng)從能量轉(zhuǎn)化的角度看，主要是完成電能的輸出和存儲(chǔ)，所以該子系統(tǒng)至少包含一個(gè)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)部件和一個(gè)動(dòng)力蓄電池組，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)將儲(chǔ)存在所選燃料內(nèi)的化學(xué)能經(jīng)過燃料電池堆及輔助系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電能輸出到直流母線上；動(dòng)力蓄電池組能夠完成電能量的高效率存儲(chǔ)和釋放，因此可以在必要的時(shí)候提供附加的電功率輸出或臨時(shí)存儲(chǔ)一定的電能，從而與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)一起保證能源子系統(tǒng)期望的性能指標(biāo)。
由于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性與動(dòng)力蓄電池的輸出特性相差較大，因此根據(jù)實(shí)際需要，能源子系統(tǒng)還可以包括一個(gè)DC/DC變換器部件。
另外，因?yàn)槌?jí)電容器在效率和功率密度等方面與蓄電池相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此可以根據(jù)性能優(yōu)化的需要，根據(jù)實(shí)際部件性能指標(biāo)適當(dāng)選配超級(jí)電容，與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力蓄電池一起構(gòu)成優(yōu)化的燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)的能源子系統(tǒng)。
能源子系統(tǒng)的控制核心是能源管理器，它與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力蓄電池組、DC/DC變換器等部件的專屬控制器共同組成分布式控制系統(tǒng)，其中專屬控制器中內(nèi)嵌有上述CAN通訊控制器，根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的電功率輸出/存儲(chǔ)需求，提供相應(yīng)的功率輸出和存儲(chǔ)能力。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)從能量轉(zhuǎn)化的角度看，主要是完成電能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換，在驅(qū)動(dòng)模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將直流母線上由能源子系統(tǒng)提供的電功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率輸出到車輪上；在回饋制動(dòng)模式下，整車的動(dòng)能經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過直流母線輸送回能源子系統(tǒng)存儲(chǔ)。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的核心控制器是車輛管理器，它綜合考慮駕駛員的操縱指令、整車運(yùn)行狀態(tài)和能源子系統(tǒng)的狀態(tài)信息，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，使整車達(dá)到所期望的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。
由于采取了上述的方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是由于本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)，將燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)分為能源子系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)兩大部分，且兩子系統(tǒng)能通過直流母線傳輸電能，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得動(dòng)力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更加模塊化和靈活，能夠更為合理地配置使用其各零部件，充分地發(fā)揮其零部件的性能，使動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步優(yōu)化，為通用合理的動(dòng)力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
由于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)12的輸出特性與動(dòng)力蓄電池組13的輸出特性相差較大，因此根據(jù)實(shí)際需要，能源子系統(tǒng)1還可以包括一個(gè)DC/DC(直流/直流)變換器14部件。
另外，因?yàn)槌?jí)電容器在效率和功率密度等方面與蓄電池相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此可以根據(jù)性能優(yōu)化的需要，根據(jù)實(shí)際部件性能指標(biāo)適當(dāng)選配超級(jí)電容器15，與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力蓄電池一起構(gòu)成優(yōu)化的燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)的能源子系統(tǒng)。
如圖2所示，在上述燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)中，廣泛用到CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，分別構(gòu)成電能供應(yīng)子網(wǎng)和動(dòng)力控制系統(tǒng)主網(wǎng)。其中電能供應(yīng)子網(wǎng)是電能供應(yīng)子系統(tǒng)中包括燃料電池控制器121、蓄電池控制器131、DC/DC控制器141和能源管理器11間相互通信的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；而能源管理器11、車輛管理器21、電機(jī)控制器221以及顯示系統(tǒng)控制器3之間同樣通過CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，它們共同構(gòu)成動(dòng)力控制系統(tǒng)主網(wǎng)；而如有需要，動(dòng)力控制系統(tǒng)主網(wǎng)可以通過專門的CAN通訊網(wǎng)橋4連入到更上一級(jí)的車身局域網(wǎng)中，與其他車載控制單元相連接。
采用這樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要出與兩點(diǎn)考慮1、充分利用CAN網(wǎng)絡(luò)通訊的優(yōu)點(diǎn)；2、保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。
所以，在控制網(wǎng)絡(luò)中，將控制部件較多、交流信息多、且有一定實(shí)現(xiàn)性要求的能源子系統(tǒng)單獨(dú)組成一級(jí)子網(wǎng)，而部件很少的電機(jī)子系統(tǒng)沒有再獨(dú)立組網(wǎng)，從而構(gòu)成一主一子的兩級(jí)CAN總線通訊局域網(wǎng)。分布在系統(tǒng)中的各級(jí)控制器通過上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的CAN局域網(wǎng)相連后，一起構(gòu)成了一個(gè)基于CAN控制器局域網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)。上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符合整個(gè)燃料電池轎車動(dòng)力分布式控制的需求，在保證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理的同時(shí)具有很好的可擴(kuò)充性和模塊化特征。
本發(fā)明燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)的工作原理和形成過程是按將一定的功率配比，選定燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)12及動(dòng)力蓄電池組13，組成系統(tǒng)的電-電混合供能裝置。在組合時(shí)，可以選擇大功率的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)12搭配小功率的動(dòng)力蓄電池組13，組成以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)12為主能源，以動(dòng)力蓄電池組13為動(dòng)態(tài)緩沖及回收吸能裝置的供能方案；或大功率動(dòng)力蓄電池組13搭配小功率的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)12，以動(dòng)力蓄電池組13為主能源，以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)12為充電機(jī)的供能方案。如有需要時(shí)，在系統(tǒng)中配置DC/DC變換器14，將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)12的輸出通過DC/DC變換器14調(diào)節(jié)后，再與動(dòng)力蓄電池組13輸出相并聯(lián)，聯(lián)合供電。必要時(shí)，還可配置超級(jí)電容器15作為二級(jí)能源動(dòng)態(tài)緩沖調(diào)節(jié)裝置。上述各能源裝置各含一專屬控制器，直接控制部件的運(yùn)行。
在部件自身控制的基礎(chǔ)上，由能源管理器11，總體上控制各個(gè)能源裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)行。能源管理器11并不直接控制各部件，而是通過向各部件的專屬控制器發(fā)出一定的控制指令或控制信息來(lái)間接干預(yù)各裝置的工作。每個(gè)控制器內(nèi)部均內(nèi)嵌CAN通訊控制器，相互之間的信息和指令交流通過CAN總線通訊來(lái)完成，構(gòu)成電能供應(yīng)子網(wǎng)。上述各部件和CAN網(wǎng)絡(luò)一起構(gòu)成了獨(dú)立的能源子系統(tǒng)；該子系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的信息流接口為能源管理器的CAN通訊接口，而能量流接口為與電機(jī)相連的直流母線。
按整車設(shè)計(jì)要求選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)22，該驅(qū)動(dòng)電機(jī)22自帶一個(gè)電機(jī)控制器221；車輛管理器21與驅(qū)動(dòng)電機(jī)22一起構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)直接為車輛提供源驅(qū)動(dòng)力矩及一部分源制動(dòng)力矩；電機(jī)控制器221接受車輛管理器21的指令并直接控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)22的運(yùn)行，同時(shí)向車輛管理器21反回控制所需的當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行狀況信息。
車輛管理器21的主要功能在于1、接受司機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的輸出指令并加以處理；2、與能源管理器協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的功率平衡及能源的合理使用；3、在綜合司機(jī)指令和能源子系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)等信息后，對(duì)電機(jī)控制器發(fā)出控制指令。
電機(jī)控制器221、車輛管理器21、能源管理器11以及顯示系統(tǒng)控制器3接在同一個(gè)CAN局域網(wǎng)上，組成動(dòng)力控制系統(tǒng)主網(wǎng)；上述車輛管理器21與電機(jī)控制器221間的控制信息交流便是通過這一局域網(wǎng)來(lái)完成的。同時(shí)，能源管理器11、車輛管理器21還通過這一網(wǎng)絡(luò)，向顯示系統(tǒng)發(fā)送司機(jī)需了解的當(dāng)前動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀況有關(guān)信息，及向車輛檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)送有關(guān)檢測(cè)信息等。如有需要，引入CAN通訊網(wǎng)橋4，提供動(dòng)力控制系統(tǒng)局域網(wǎng)與上一級(jí)車身局域網(wǎng)信息交流的途徑。該功能也可集成在車輛管理器內(nèi)。
總之，通過上述方式構(gòu)成的動(dòng)力系統(tǒng)總成，在能量流上，由能源子系統(tǒng)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)提供所需能源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后，向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)車輪輸出汽車行駛的源驅(qū)動(dòng)力矩；或從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)車輪獲得機(jī)械能，將其轉(zhuǎn)化為電能后，回饋給能源子系統(tǒng)；在控制信息流上，司機(jī)直接向車輛管理器發(fā)出操作指令，再由車輛管理器協(xié)同能源管理器完成對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的總體控制，確保整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的正常動(dòng)行，從而滿足整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的要求。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)，其特征在于它包括有能源子系統(tǒng)(1)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)(2)，上述兩子系統(tǒng)間通過直流母線進(jìn)行電能傳輸，所述能源子系統(tǒng)中設(shè)有能源管理器(11)、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)(12)和動(dòng)力蓄電池組(13)，所述燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)(12)、動(dòng)力蓄電池組(13)中均內(nèi)嵌有CAN通訊控制器，所述能源管理器(11)分別與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)(12)、動(dòng)力蓄電池組(13)中的CAN通訊控制器相連接；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)(2)由車輛管理器(21)和一帶有電機(jī)控制器(221)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(22)組成，車輛管理器(21)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)(22)的電機(jī)控制器(221)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)，其特征在于所述能源子系統(tǒng)(1)中還設(shè)有內(nèi)嵌CAN通訊控制器的DC/DC變換器(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)，其特征在于所述能源子系統(tǒng)(1)中還設(shè)有超級(jí)電容器(15)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)，它包括有能源子系統(tǒng)(1)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)(2)，上述兩子系統(tǒng)間通過直流母線進(jìn)行電能傳輸，所述能源子系統(tǒng)中設(shè)有能源管理器(11)、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)(12)和動(dòng)力蓄電池組(13)，所述能源管理器分別與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力蓄電池組中的CAN通訊控制器相連接；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由車輛管理器(21)和一帶有電機(jī)控制器(221)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(22)組成，車輛管理器(21)與所述電機(jī)控制器(221)相連接。本發(fā)明燃料電池汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠合理配置使用其各零部件，充分地發(fā)揮其零部件的性能，為一通用優(yōu)化的動(dòng)力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B60L11/18GK1475383SQ02136499
公開日2004年2月18日 申請(qǐng)日期2002年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月14日
發(fā)明者萬(wàn)鋼, 孫澤昌, 余卓平, 鐘再敏, 魏學(xué)澤, 錢進(jìn), 鋼 萬(wàn) 申請(qǐng)人:上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司, 萬(wàn)鋼