具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法與流程

本發明屬于燃料電池汽車系統設計與控制技術領域。

背景技術：

燃料電池混合動力汽車被認為是具有廣闊應用前景的新能源汽車動力系統，在經濟型以及排放方面具有較大的技術優勢。燃料電池混合動力系統以其無污染，控制操作方便，安全性可靠性高等技術有點已經得到廣泛關注。

由于燃料電池混合動力系統的動力電池存在容量衰減問題，使得動力系統純電續駛里程受限，進而使得系統運行成本逐漸增加；此外，在動力系統運行在制動或減速階段時存在制動能量，目前制動能量僅由動力電池回收，當電池剩余容量達到上限時，制動能量需要靠機械裝置損耗，導致能量利用率下降。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有的燃料電池混合動力系統電池由于頻繁充放電導致的容量衰減問題以及制動能量利用率低的問題，提出了一種具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法。

本發明所述的具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法，基于具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統實現，所述具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統包括燃料電池系統1、燃料電池控制器2、單向dc/dc轉換器3、動力電池4、電池管理系統5、逆變器6、驅動電機7、離合器8、彈性儲能機構9、變速器10和整車控制單元11；

燃料電池系統1的電流信號輸出端與單向dc/dc轉換器3的電流信號輸入端連接，單向dc/dc轉換器3的電流輸出端與逆變器6的電流信號輸入端連接，逆變器6的電流信號輸入端同時與動力電池4的電流信號輸出端連接；

逆變器6的電流信號輸出端連接驅動電機7的驅動信號輸入端，驅動電機7的輸出軸與變速器10的輸入軸同軸連接，變速器10通過差速器12驅動汽車車輪；

彈性儲能機構9的軸承通過離合器8與變速器10傳動連接，整車控制單元11控制離合器8的開啟或閉合；整車控制單元11的充放電控制信號輸出端連接燃料電池控制器2的充放電控制信號輸入端，整車控制單元11的電池狀態信號輸入端連接燃料電池控制器2的電池狀態信號輸出端；燃料電池控制器2的放電功率控制信號輸出端連接燃料電池系統1的放電功率控制信號輸入端，燃料電池控制器2的燃料電池狀態信號輸入端連接燃料電池系統1的電池狀態信號輸出端；

整車控制單元11的轉換控制信號輸出與轉換狀態輸入端連接單向dc/dc轉換器3的轉換控制信號輸入與轉換狀態輸出端連接；

整車控制單元11的放電功率控制信號輸出端連接電池管理系統5的放電功率控制信號輸入端，整車控制單元11的動力電池狀態信號輸入端連接電池管理系統5的動力電池狀態信號輸出端；電池管理系統5的電能輸出控制信號輸出端連接動力電池4輸出開關控制信號輸入端，電池管理系統5的電池狀態信號輸入端連接動力電池4電能狀態輸出端；

驅動電機7的轉速和轉矩信號輸出端連接整車控制單元11的電機狀態信號輸入端；

整車控制單元11的逆變器轉換控制信號輸出端連接逆變器6的電流轉換控制信號輸入端；

整車控制單元11的儲能機構功率輸出控制信號輸出與儲能機構儲能狀態輸入端連接彈性儲能機構9的輸出控制輸入與儲能狀態輸出端；

整車控制單元11的變速器狀態輸入與變速器功率控制信號輸出端連接變速器10的狀態信號輸出與功率控制信號輸入端；

整車控制單元11與燃料電池控制器2、單向dc/dc轉換器3、電池管理系統5、逆變器6、驅動電機7、彈性儲能機構9和變速器10之間均通過can總線連接；

具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法的具體步驟為：

步驟一、采用整車控制單元11獲得彈性儲能機構9的儲能狀態q、通過電池管理系統5獲得動力電池4的剩余電量、通過燃料電池控制器2獲得燃料電池系統1的工作狀態、通過車載傳感器獲得車速、油門踏板開度和制動踏板開度信號；整車控制單元11利用車速、油門踏板開度和制動踏板開度信號計算汽車動力系統需求總功率pdem，其中，q為彈性儲能機構實時儲能值與最大儲能值之比；

步驟二、利用步驟一計算獲得的汽車動力系統需求總功率pdem，結合動力電池4的剩余電量和彈性儲能機構9的儲能狀態，整車控制單元11采用基于頻域分配算法分別向燃料電池控制器2、電池管理系統5及彈性儲能機構9發送功率輸出控制信號；

步驟三、燃料電池控制器2向燃料電池系統1發送控制信號，控制燃料電池系統1輸出電能；電池管理系統5向動力電池4發送輸出功率控制信號，動力電池4輸出電能；彈性儲能機構9接收控制信號并輸出功率信號；實現對具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量控制。

進一步地，步驟二中所述的整車控制單元11采用基于頻域分配算法分別向燃料電池控制器2、電池管理系統5及彈性儲能機構9發送功率輸出控制信號的具體方法為：

步驟二一、判斷汽車動力系統需求總功率pdem是否大于0，若是，則執行步驟二二，否則執行步驟二三；

步驟二二、判定動力電池剩余電量是否小于電池電量的最小閥值a，若是，則執行步驟二四，否則執行步驟二五；其中，a為動力電池最大電量的20％，

步驟二三、判定彈性儲能機構9的儲能狀態q是否小于或等于1，若是，則整車控制單元11控制離合器8閉合，彈性儲能機構9回收汽車的制動能量，否則，整車控制單元11控制離合器8分離，汽車的制動能量通過機械機構釋放；

步驟二四、采用低通濾波器對汽車動力系統需求總功率pdem進行濾波，經低通濾波器后輸出的低頻功率信號發送給動力電池管理系統5，動力電池管理系統5控制動力電池4輸出與低頻功率相等的功率信號，再利用汽車動力系統需求總功率pdem減去經低通濾波器后輸出的低頻功率，獲得汽車動力系統需求的高頻功率信號，整車控制單元11控制離合器8閉合，控制彈性儲能機構9輸出汽車動力系統需求的高頻功率；

步驟二五、整車控制單元11通過燃料電池控制器2控制燃料電池系統1輸出恒定功率為動力電池4充電。

本發明的具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統，在原有燃料電池混合動力系統基礎上增加了彈性儲能機構，按照本發明的控制方法進行切換，可以有效的回收動力系統在剎車或減速階段的制動能量；此外，采用低通濾波器對驅動階段功率分配，能夠通過控制使動力電池在低頻域工作，能夠有效的降低動力電池容量衰減程度，實現燃料電池混合動力汽車的最優控制。

附圖說明

圖1為本發明所述的基于具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的原理框圖；

圖2為變速裝置的結構示意圖；

圖3為彈性儲能器的結構示意圖；

圖4為拉力傳感器安裝結構示意圖；

圖5為制動器的結構示意圖；

圖6為本發明所述方法流程圖。

具體實施方式

具體實施方式一、結合圖1和圖6說明本實施方式，本實施方式所述的具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法，基于具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統實現，所述具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統它包括燃料電池系統1、燃料電池控制器2、單向dc/dc轉換器3、動力電池4、電池管理系統5、逆變器6、驅動電機7、離合器8、彈性儲能機構9、變速器10和整車控制單元11；

燃料電池系統1的電流信號輸出端與單向dc/dc轉換器3的電流信號輸入端連接，單向dc/dc轉換器3的電流輸出端與逆變器6的電流信號輸入端連接，逆變器6的電流信號輸入端同時與動力電池4的電流信號輸出端連接；

逆變器6的電流信號輸出端連接驅動電機7的驅動信號輸入端，驅動電機7的輸出軸與變速器10的輸入軸同軸連接，變速器10通過差速器12驅動汽車車輪；

彈性儲能機構9的軸承通過離合器8與變速器10傳動連接，整車控制單元11控制離合器8的開啟或閉合；整車控制單元11的充放電控制信號輸出端連接燃料電池控制器2的充放電控制信號輸入端，整車控制單元11的電池狀態信號輸入端連接燃料電池控制器2的電池狀態信號輸出端；燃料電池控制器2的放電功率控制信號輸出端連接燃料電池系統1的放電功率控制信號輸入端，燃料電池控制器2的燃料電池狀態信號輸入端連接燃料電池系統1的電池狀態信號輸出端；

整車控制單元11的轉換控制信號輸出與轉換狀態輸入端連接單向dc/dc轉換器3的轉換控制信號輸入與轉換狀態輸出端連接；

整車控制單元11的放電功率控制信號輸出端連接電池管理系統5的放電功率控制信號輸入端，整車控制單元11的動力電池狀態信號輸入端連接電池管理系統5的動力電池狀態信號輸出端；電池管理系統5的電能輸出控制信號輸出端連接動力電池4輸出開關控制信號輸入端，電池管理系統5的電池狀態信號輸入端連接動力電池4電能狀態輸出端；

驅動電機7的轉速和轉矩信號輸出端連接整車控制單元11的電機狀態信號輸入端；

整車控制單元11的逆變器轉換控制信號輸出端連接逆變器6的電流轉換控制信號輸入端；

整車控制單元11的儲能機構功率輸出控制信號輸出與儲能機構儲能狀態輸入端連接彈性儲能機構9的輸出控制輸入與儲能狀態輸出端；

整車控制單元11的變速器狀態輸入與變速器功率控制信號輸出端連接變速器10的狀態信號輸出與功率控制信號輸入端；

整車控制單元11與燃料電池控制器2、單向dc/dc轉換器3、電池管理系統5、逆變器6、驅動電機7、彈性儲能機構9和變速器10之間均通過can總線連接；

具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法的具體步驟為：

步驟一、采用整車控制單元11獲得彈性儲能機構9的儲能狀態q、通過電池管理系統5獲得動力電池4的剩余電量、通過燃料電池控制器2獲得燃料電池系統1的工作狀態、通過車載傳感器獲得車速、油門踏板開度和制動踏板開度信號；整車控制單元11利用車速、油門踏板開度和制動踏板開度信號計算汽車動力系統需求總功率pdem，其中，q為彈性儲能機構實時儲能值與最大儲能值之比；

步驟二、利用步驟一計算獲得的汽車動力系統需求總功率pdem，結合動力電池4的剩余電量和彈性儲能機構9的儲能狀態，整車控制單元11采用基于頻域分配算法分別向燃料電池控制器2、電池管理系統5及彈性儲能機構9發送功率輸出控制信號；

步驟三、燃料電池控制器2向燃料電池系統1發送控制信號，控制燃料電池系統1輸出電能；電池管理系統5向動力電池4發送輸出功率控制信號，動力電池4輸出電能；彈性儲能機構9接收控制信號并輸出功率信號；實現對具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量控制。

具體實施方式二、結合圖2說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法的進一步說明，彈性儲能機構9包括變速裝置和彈性儲能箱；所述變速裝置包括一號箱體、一號傳動軸911、儲能齒輪912、釋能齒輪913、二號傳動軸914、一號開關管組916、一號電磁鐵917、一號永磁鐵918、換擋叉919和中間齒輪920；

儲能齒輪912和釋能齒輪913均套接在一號傳動軸911的上，且儲能齒輪912位于釋能齒輪913的上側，中間齒輪920為一個軸承上套接有兩個齒輪構成，且兩個齒輪分別位于所述軸承的上、下兩端；儲能齒輪912與中間齒輪920的上齒輪的一側傳動連接，中間齒輪920上齒輪的另一側位于換擋叉919的插頭內，一號永磁鐵918固定在換擋叉919的插頭底座的下端，一號電磁鐵917位于一號永磁鐵918的正下方，一號電磁鐵917的正負電源接線端通過一號開關管組916與汽車電池的正負電極連接；

中間齒輪920的下齒輪與二號傳動軸914通過齒輪咬合連接；儲能齒輪912、釋能齒輪913和中間齒輪920均位于一號箱體內；一號傳動軸911的頂端穿過一號箱體與二號離合器8同軸連接；二號傳動軸914下端穿過一號箱體與彈性儲能箱的軸承同軸連接。

具體實施方式三、結合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法的進一步說明，彈性儲能箱包括三號傳動軸921、儲能渦簧922、制動器923、二號箱體924和拉力傳感器925；

三號傳動軸921位于二號箱體924的中部，橫向穿過二號箱體924，儲能渦簧922、制動器923和拉力傳感器925均設置在二號箱體924內，儲能渦簧922和制動器923均套設在三號傳動軸921上，儲能渦簧922的內端與三號傳動軸921的側壁固定連接，拉力傳感器925固定在儲能渦簧922的外端，且儲能渦簧922和制動器923不接觸。

具體實施方式四、結合圖5說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法的進一步說明，制動器923包括固定彈簧9231、制動栓9232、彈簧夾片9233、制動輪9234、四號傳動軸9235、二號開關管組9237、二號永磁鐵9238、二號電磁鐵9239和三號箱體；

制動輪9234套設在四號傳動軸9235上，制動輪9234上邊緣等間隔開有四個“u”型凹槽，所述四個“u”型凹槽用于插入制動栓9232，所述制動栓9232的末端嵌有二號永磁鐵9238，所述二號永磁鐵9238卡接在三號箱體內的豎直隔板上，所述三號箱體的左側內壁與隔板之間設有固定彈簧9231，三號箱體的上下內壁上相對設有彈簧夾片9233，所述彈簧夾片9233設置在隔板的右側，二號永磁鐵9238與二號電磁鐵9239相對設置，所述二號電磁鐵9239設置在三號箱體的左側內壁與隔板之間，二號電磁鐵9239的正負電源接線端通過二號開關管組9237與汽車電池的正負電極連接，制動輪9234設置在三號箱體的右側內壁與隔板之間。

本發明采用發動機與彈性儲能系統通過轉矩耦合器實現機械耦合，配合能量分配方法，二者可以以不同的組合方式向整車提供能量。轉矩耦合器由兩個曲面齒錐齒輪嚙合而成，可以實現不同軸向上的轉矩耦合。彈性儲能系統由彈性儲能箱、變速箱軸連而成；所述傳動系統由齒輪變速箱與差速器軸連而成。彈性儲能箱由儲能渦簧、軸承、制動器、拉力傳感器與箱體組成；渦簧一端與軸承直接相連，另一端與拉力傳感器相連；軸承的轉動帶動渦簧旋轉形變進行儲存能量，渦簧的形狀恢復帶動軸承的旋轉進行能量釋放；拉力傳感器感應拉力的大小反應儲能渦簧的能量狀態；制動器與箱體相連，制動器對軸承起到制動作用。彈性儲能系統的變速裝置由箱體、儲能齒輪、釋能齒輪、中間齒輪、磁鐵、電磁鐵組成，中間齒輪通過移動分別可以和儲能齒輪和釋能齒輪嚙合達到為渦簧儲能和釋能的目的；中間齒輪的移動通過換擋叉的撥動完成；換擋叉的一端固定磁鐵，受電磁鐵的吸引和排斥完成中間齒輪的移動；電磁鐵的兩個引線通過兩組開關管直接與汽車蓄電池相連，蓄電池通過開關管的通斷對電磁鐵提供不同方向的電流，從而產生不同方向的磁極對磁鐵進行吸引或排斥。彈性儲能箱的制動器由制動輪、電磁鐵、磁鐵、制動栓、固定彈簧、彈簧夾片及兩組開關管構成，制動輪與軸承軸連，且制動輪上開凹槽，便于制動栓插入起到制動作用；制動栓末端嵌入一塊永久磁鐵，制動栓的移動靠電磁鐵通不同方向的電流產生對永久磁鐵的吸引力或排斥力所實現，制動栓的位置由固定彈簧和彈簧夾片決定；電磁鐵的兩個引線通過兩組開關管直接與汽車電池相連，電池通過開關管的通斷對電磁鐵提供不同方向的電流，由于彈簧夾片和固定彈簧的存在，蓄電池只需通一小段時間的電流便可以對制動栓進行控制。

具體實施方式五、本實施方式是對具體實施方式一所述的具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法的進一步說明，步驟二中所述的整車控制單元11采用基于頻域分配算法分別向燃料電池控制器2、電池管理系統5及彈性儲能機構9發送功率輸出控制信號的具體方法為：

步驟二一、判斷汽車動力系統需求總功率pdem是否大于0，若是，則執行步驟二二，否則執行步驟二三；

步驟二二、判定動力電池剩余電量是否小于電池電量的最小閥值a，若是，則執行步驟二四，否則執行步驟二五；其中，a為動力電池最大電量的20％，

步驟二三、判定彈性儲能機構9的儲能狀態q是否小于或等于1，若是，則整車控制單元11控制離合器8閉合，彈性儲能機構9回收汽車的制動能量，否則，整車控制單元11控制離合器8分離，汽車的制動能量通過機械機構釋放；

步驟二四、采用低通濾波器對汽車動力系統需求總功率pdem進行濾波，經低通濾波器后輸出的低頻功率信號發送給動力電池管理系統5，動力電池管理系統5控制動力電池4輸出與低頻功率相等的功率信號，再利用汽車動力系統需求總功率pdem減去經低通濾波器后輸出的低頻功率，獲得汽車動力系統需求的高頻功率信號，整車控制單元11控制離合器8閉合，控制彈性儲能機構9輸出汽車動力系統需求的高頻功率；

步驟二五、整車控制單元11通過燃料電池控制器2控制燃料電池系統1輸出恒定功率為動力電池4充電。

具體實施方式六、本實施方式是對具體實施方式五所述的具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法的進一步說明，低通濾波器的截止頻率為0.016hz。

具體實施方式七、本實施方式是對具體實施方式五所述的具有彈性儲能機構的燃料電池混合動力系統的能量分配方法的進一步說明，步驟一所述的整車控制單元11利用車速、油門踏板開度和制動踏板開度信號計算汽車動力系統需求總功率pdem的具體方法為：通過公式：

t＝tmax·α(1)

pdem＝t·ω(2)

計算獲得，式中，t為驅動電機目標驅動轉矩；tmax為驅動電機最大驅動轉矩；α為油門踏板開度或者制動踏板開度；ω為電機實際轉速，即車速值。