一种能量管理系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种用于燃料电池汽车动力系统的能量管理系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着燃料电池汽车技术的发展，燃料电池汽车动力系统的研究也随之成为重点。燃料电池汽车动力系统的主要目标是为整车(车辆)提供起步、行驶和制动等运行状态下所需求的各类能量，要求具有节能、耐久的特点，并且，动力系统各个部件能够服务于整个车辆的生命周期。
3.现有的燃料电池汽车动力装置主要包括电机、电机控制器、动力电池、燃料电池系统等，还有一些其他燃料电池汽车动力装置还包括超级电容，或者直接利用超级电容作为动力电池等等。这些方案具有缺点如下：1、制动能量无法充分回收，造成能量浪费；2、有些动力装置虽然具有制动能量回收能力，但回馈制动能量的负载功率波动较大，不利于原始能量管理算法的稳定适用，造成燃料电池寿命和动力电池寿命下降，且产生较高的能耗。
4.因此，现有技术中需要提供一种能够解决上述至少一个技术问题的技术方案。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种能量管理系统，所述能量管理系统用于燃料电池汽车动力系统，包括：第一类储能装置，其用于在车辆进入电制动状态时，吸收从电机系统传输的制动能量；直流电压转换器，其位于所述第一类储能装置和第二类储能装置之间，用于按照预设功率将所述制动能量传递至所述第二类储能装置；所述第二类储能装置，其用于吸收所述制动能量并存储，以及在车辆进入起步或正常行驶状态时通过与燃料电池的配合来向所述电机系统提供车辆运行所需功率；所述燃料电池。
6.优选地，所述能量管理系统还包括：第一传输装置，其位于所述第一类储能装置和所述电机系统之间，用于在车辆进入电制动状态时，将所述制动能量从所述电机系统传输至所述第一类储能装置，以及在车辆进入起步或正常行驶状态时，截止所述第一类储能装置的电能输出；第二传输装置，其第一端分别与所述第二类储能装置和所述燃料电池连接，第二端与所述电机系统连接，用于在车辆进入电制动状态时，截止所述电机系统的所述制动能量传输至所述第二类储能装置和/或所述燃料电池，以及在车辆进入起步或正常行驶状态时，将所述第二类储能装置和/或所述燃料电池所输出的电能传输至所述电机系统。
7.优选地，所述第一传输装置的阳极与所述电机系统连接，所述第一传输装置的阴极与所述第一类储能装置连接；所述第二传输装置的阳极分别与所述第二类储能装置和所述电机系统连接，所述第二传输装置的阴极与所述电机系统连接。
8.优选地，所述第一类储能装置采用功率型电池或超级电容；所述第二类储能装置采用能量型电池。
9.优选地，所述系统还包括：控制装置，其分别与所述第一类储能装置、所述第二类
储能装置、所述直流电压转换器和所述燃料电池连接，用于对整车运行状态进行诊断，以及通过监测所述第一类储能装置和所述第二类储能装置的剩余电量，来对车辆运行的动力来源及能量回收进行控制。
10.优选地，所述控制装置，其还用于在检测到所述第一类储能装置的剩余电量超过预设的第一类电量高安全阈值时，控制车辆由电制动模式转换为气制动模式。
11.优选地，所述控制装置，其还用于在检测到所述第二类储能装置的剩余电量超过预设的第二类电量高安全阈值时，控制所述第二类储能装置为车辆提供运行能量，并且控制所述燃料电池按照预设的燃料电池低功率来运行或停止工作。
12.优选地，所述控制装置，其还用于在检测到所述第二类储能装置的剩余电量低于预设的第二类电量低安全阈值时，控制所述燃料电池为所述第二类储能装置充电，并且控制所述燃料电池和所述第二类储能装置同时为车辆提供运行能量，其中，当前所述燃料电池的运行功率为所述燃料电池的最大运行功率。
13.优选地，所述控制装置，其还用于在检测到所述第二类储能装置的剩余电量属于预设的第二类电量中等安全阈值范围内时，根据所述第二类储能装置的剩余电量，控制所述燃料电池按照预设的指定功率比例运行，使得所述第二类储能装置和所述燃料电池同时为车辆提供运行能量。
14.另一方面，本发明还提供了一种用于能量管理系统的控制方法，所述控制方法利用上述所述的能量管理系统执行，所述控制方法包括：在整车进入电制动状态时，第一类储能装置吸收从电机系统传输的制动能量；直流电压转换器按照预设功率将所述制动能量传递至第二类储能装置；所述第二类储能装置吸收所述制动能量并存储，其中，在车辆进入起步或正常行驶状态时，通过所述第二类储能装置与燃料电池的配合来向所述电机系统提供车辆运行所需功率。
15.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
16.本发明提供一种用于燃料电池汽车动力系统的能量管理系统及其控制方法。该系统及方法通过将功率型动力电池、能量型动力电池、燃料电池发动机三者通过变换传输装置进行连接，利用各自的特点来优化能量管理过程，达到节能和提升耐久性的目的。其中，在车辆处于电制动工况下，采用将功率型电池和能量型电池配合使用的方式，充分吸收电制动功率；在车辆处于起步或正常行驶工况下，采用能量型电池和/或燃料电池相互配合使用的方式，为整车提供运行所需能量。这样，本发明在充分回收制动能量而达到节能目的的同时，还保证了能量型电池soc波动下降，进而降低了燃料电池发动机的功率波动，有利于提升燃料电池寿命，提高燃料电池的耐久性。
17.虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
18.本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
19.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
20.图1为本技术实施例的能量管理系统的整体结构示意图的第一个示例。
21.图2为本技术实施例的能量管理系统的整体结构示意图的第二个示例。
22.图3为本技术实施例的能量管理系统的电路结构示意图。
23.图4为本技术实施例的用于能量管理系统的控制方法的步骤图。
具体实施方式
24.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
25.同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
26.随着燃料电池汽车技术的发展，燃料电池汽车动力系统的研究也随之成为重点。燃料电池汽车动力系统的主要目标是为整车(车辆)提供起步、行驶和制动等运行状态下所需求的各类能量，要求具有节能、耐久的特点，并且，动力系统各个部件能够服务于整个车辆的生命周期。
27.现有的燃料电池汽车动力装置主要包括电机、电机控制器、动力电池、燃料电池系统等，还有一些其他燃料电池汽车动力装置还包括超级电容，或者直接利用超级电容作为动力电池等等。这些方案具有缺点如下：1、制动能量无法充分回收，造成能量浪费；2、有些动力装置虽然具有制动能量回收能力，但回馈制动能量的负载功率波动较大，不利于能量管理算法的稳定适用，造成燃料电池寿命和动力电池寿命下降，且产生较高的能耗。
28.为了解决上述至少一个技术问题，本发明提供了一种用于燃料电池汽车动力系统的能量管理系统及其控制方法。该系统及方法至少包括：第一类储能装置、第二类储能装置、设置于两类储能装置之间的直流电压转换器和燃料电池(系统)。另外，该系统还包括：位于第一类储能装置和车辆电机系统之间的第一传输装置、以及第一端与第二类储能装置和燃料电池连接、并且第二端与车辆电机系统连接的第二传输装置。由此，利用这两类传输装置所具有的正向导通、反向截止的特性，在车辆处于电制动状态时，利用充电功率较高的第一类储能装置吸收制动能量，并通过直流电压转换器使得第二类储能装置存储当前制动能量，以在车辆处于起步或正常运行状态时，由第二类储能装置和/或燃料电池提供车辆行驶或起步等正常运行过程中所需的功率。这样，本发明利用上述拓扑结构能够充分回收制动能量、提升燃料电池的寿命，同时，减少燃料电池的功率波动。
29.图1为本技术实施例的能量管理系统的整体结构示意图的第一个示例。如图1所示，本发明所述的能量管理系统应用于燃料电动汽车动力系统。其中，能量管理系统至少包括：第一类储能装置10、第二类储能装置20、直流电压转换器30和燃料电池40。
30.第一类储能装置10用于在车辆进入电制动状态时，吸收从(车辆)电机系统传输的
制动能量，并以预设功率将当前吸收到的制动能量输出给直流电压转换器。直流电压转换器30位于第一类储能装置10和第二类储能装置20之间，用于按照预设功率将从第一类储能装置10获取到的当前制动能量传递至第二类储能装置20。第二类储能装置20用于吸收从直流电压转换器30获取到的当前制动能量并存储。其中，第二类储能装置20还用于在车辆进入起步或正常行驶状态时，在第二类储能装置20与燃料电池40的配合控制下来向(车辆)电机系统提供车辆运行所需功率。与此同时，第一类储能装置10还用于在车辆进入起步或正常行驶状态时，保持最低剩余电量状态。
31.在实际应用过程中，车辆电机系统作为车辆动力驱动装置，用来为车辆提供各类行驶状态所需动力的系统，包括电机和电机控制器。车辆电机系统在获得各种类动力源的动力能量后运转，并在相应的电机控制算法的作用下，控制车辆起步、正常行驶、制动、和转向等行驶状态。
32.具体地，第一类储能装置10采用功率型电池(例如：钛酸锂电池、锰酸锂电池等)或超级电容。第二类储能装置20采用能量型电池(例如：磷酸铁锂电池、锰酸锂等)。直流电压转换器30采用dc/dc转换器，直流电压转换器30的输入端与第一类储能装置10连接，并且第一类储能装置10的输出端与第二类储能装置20连接。直流电压转换器30用来以预设功率获取第一类储能装置10所传输的制动能量，并将该制动能量进行电压转换后，传输至第二类储能装置20中以进行存储。
33.当车辆进入电制动工况时，从电机系统处回馈的制动能量被第一类储能装置10所吸收，由于功率型电池的充电功率高，车辆电制动产生的高功率制动能量可以由第一类储能装置10充分吸收，然后通过直流电压转换器30以较小的功率慢慢充到第二类储能装置20中。另外，当车辆处于起步或正常运行工况时，第一类储能装置10保持最低电量状态；同时，第二类储能装置20利用其自身存储的能量在与燃料电池40的综合配合下，为车辆内的电机系统提供起步或正常运行时所需的全部能量。
34.需要说明的是，上述预设功率需要小于第一类储能装置10的充电功率，本发明对此不作具体限定。优选地，该预设功率的大小应与第一类储能装置10处于下述第一类电量低安全阈值的运行状态所对应的功率相符，从而使得功率型电池在平时工作时处于该类电池允许剩余电量范围的最低值，进一步使得dc/dc将功率型电池中的能量均匀的转移到能量型电池中。
35.这样，利用上述拓扑结构及功能，采用了功率型电池和能量型电池的配合使用，能够充分吸收电制动功率。
36.更进一步地说，为了简化能量管理系统的控制策略，本发明所述的能量管理系统还包括：第一传输装置50和第二传输装置60。图2为本技术实施例的能量管理系统的整体结构示意图的第二个示例。图3为本技术实施例的能量管理系统的电路结构示意图。如图2、图3所示，第一传输装置50位于第一类储能装置10和电机系统之间；第二传输装置60的第一端分别与第二类储能装置20和燃料电池40连接，第二传输装置60的第二端与电机系统连接。
37.在一个实施例中，第一传输装置50用于在车辆进入电制动状态时，将从电机系统获取到的制动能量传输至第一类储能装置10。并且，第二传输装置60用于在车辆进入电制动状态时，截止电机系统的制动能量传输至第二类储能装置20和/或燃料电池40。这样，在车辆处于电制动状态时，电机系统回馈的制动能量只会传输至第一类储能装置10中，而无
法传输至第二类储能装置20和/或燃料电池40内，从而使得电机系统回馈的制动能量只能被功率型电池以较高的充电功率吸收。
38.在另一实施例中，第一传输装置50用于在车辆进入起步或正常行驶状态时，截止第一类储能装置10的电能输出状态(也就是说，控制第一类储能装置10处于不输出电能状态)。并且，第二传输装置60用于在车辆进入起步或正常行驶状态时，将第二类储能装置20和/或燃料电池40所输出的电能传送至电机系统。这样，在车辆处于起步或正常行驶状态时，只将第二类储能装置20和/或燃料电池40作为车辆动力源提供装置，而不会利用到第一类储能装置10为电机系统提供能量，从而使得电机系统在车辆处于起步或正常行驶状态时，只获得回馈的第二类储能装置20和/或燃料电池40的能量，以驱动车辆的正常运行。
39.进一步，如图3所示，第一传输装置50采用二极管d1，第二传输装置60采用二极管d2。其中，第一传输装置50的阳极与电机系统连接，第一传输装置60的阴极与第一类储能装置10连接。第二传输装置60的阳极与第一类储能装置10和电机系统连接，第二传输装置60的阴极与电机系统连接。同时，第一传输装置50的阳极与第二传输装置60的阴极连接。
40.为了更好的实现能量管理系统内各类能量提供装置及能量回收装置之间的调度管理控制，本发明实施例所述的能量管理系统还包括：控制装置70。其中，控制装置70分别与第一类储能装置10、第二类储能装置20、直流电压转换器30和燃料电池40连接。控制装置70用于对整车运行状态进行诊断，以及通过监测第一类储能装置10的剩余电量(记为“第一剩余电量”)和第二类储能装置的剩余电量(记为“第二剩余电量”)，来对车辆行驶的动力来源及能量回收进行控制。
41.需要说明的是，在本发明实施例中，控制装置70可以独立配置，也可以配置于电机系统中的电机控制器内，本发明对此不作具体限定，本领域技术人员可根据实际情况进行设置。
42.具体地，在本发明实施例中，控制装置70用于在检测到当前车辆处于电制动工况时，若检测到第一类储能装置的剩余电量超过预设的第一类电量高安全阈值时，控制车辆由电制动模式转换为气制动模式。也就是说，当功率型电池soc超过其自身电量允许范围的最大值时，需要由控制装置70控制整车进入气制动模式，使车辆的制动方式由电制动转换为气制动，此时，功率型电池无需回收制动能量。
43.进一步，在本发明实施例中，控制装置70用于在检测到当前车辆处于电制动工况时，控制第一类储能装置10的剩余电量处于第一类电量低安全阈值运行状态，并以预设功率将当前吸收到的制动能量通过直流电压转换器30传输至第二类储能装置20，从而由第二类储能装置20将当前制动能量吸收。这样，本发明通过控制功率型电池的剩余电量处于其自身电量允许范围的最低值的方式来进行电量输出操作，从而使得dc/dc将功率电池中的能量均匀转移到能量型电池中。需要说明的是，上述第一类电量低安全阈值和第一类电量高安全阈值，为第一类储能装置10在正常工作状态下所允许的剩余电量的最小值和最大值，本发明实施例对这两种阈值的具体数值不作限定，本领域技术人员可功率型电池的性能(例如：充电功率)等各类实际需求进行设定。
44.进一步，在本发明实施例中，控制装置70用于在检测到当前车辆处于起步或正常行驶工况时，一方面，根据检测到的第二类储能装置20的剩余电量的大小，利用能量管理算法控制第二类储能装置20的剩余电量在正常工作范围内工作，使得在第二类储能装置20
和/或燃料电池40的相互配合下为车辆提供当前运行所需能量。
45.这样，本发明实施例利用控制装置70在车辆制动工况下对第一类储能装置10和第二类储能装置20的制动能量回收控制、以及在车辆处于起步或正常行驶工况下对第二类储能装置20和/或燃料电池40进行的车辆行驶时的动力源控制，保持燃料电池发动机的功率波动尽量少，同时保持整个系统氢耗较低。
46.在本发明实施例中，当车辆处于起步或正常行驶工况下，第二类储能装置20和/或燃料电池40均作为车辆行驶时的动力源驱动装置，二者的能量提供比率随着第二类储能装置20的剩余电量大小的不同而变化，该比率需要由控制装置70进一步进行检测与控制。
47.具体地，在第一个实施例中，控制装置70还用于在检测到当前车辆处于起步或正常行驶工况时，若检测到第二类储能装置20的剩余电量(第二剩余电量)超过预设的第二类电量高安全阈值时，控制第二类储能装置20为车辆提供运行能量，并且控制燃料电池40按照预设的燃料电池低功率来运行或停止工作。这样，当能量型电池soc过高时，整车需求的功率主要由能量型电池来提供，燃料电池内的发电机以较低功率运行甚至停止工作。需要说明的是，上述燃料电池低功率优选为燃料电池的最低运行功率，本发明对该参数不作具体限定，本领域技术人员可根据燃料电池的性能等因素来设定。
48.在第二个实施例中，控制装置70还用于在检测到当前车辆处于起步或正常行驶工况时，若检测到第二类储能装置20的剩余电量(第二剩余电量)低于预设的第二类电量低安全阈值时，控制燃料电池40为第二类储能装置20充电，并且控制燃料电池40和第二类储能装置20同时为车辆提供运行能量。其中，当前燃料电池的运行功率为燃料电池40的最大运行功率。
49.更进一步地说，控制装置70还用于在检测到当前车辆处于起步或正常行驶工况时，若检测到第二类储能装置20的剩余电量(第二剩余电量)低于预设的第二类电量低安全阈值时，控制燃料电池40为第二类储能装置20充电。此时，控制装置70还用于在控制燃料电池40为第二类储能装置20充电过程中，若还检测到当前整车所需的功率属于高需求功率状态时，控制燃料电池40和第二类储能装置20同时为车辆提供运行能量，其中，当前燃料电池的运行功率为燃料电池40的最大运行功率。也就是说，当能量型电池soc过低时，燃料电池内的发电机向能量型电池充电，若此时车辆需要较大功率，燃料电池内的发电机以最大功率在与能量型电池的配合下，一同向整车提供所需功率。
50.在第三个实施例中，控制装置70还用于在检测到当前车辆处于起步或正常行驶工况时，若检测到第二类储能装置20的剩余电量(第二剩余电量)属于预设的第二类电量中等安全阈值内时，根据第二类储能装置20的剩余电量，控制燃料电池40按照预设的额定(额定)功率比例运行，使得第二类储能装置20和燃料电池40同时为车辆提供运行所需能量。由此，当能量型电池soc处于中等水平时，燃料电池内的发动机的当前运行功率根据能量型电池soc的范围等级来确定，第二剩余电量的不同中等范围等级对应有相应的燃料电池发动机的指定运行功率。其中，第二剩余电量的数值水平越低，当前燃料电池发送机的指定运行功率越高。
51.优选地，在本发明实施例中，控制装置70进一步用于在检测到第二剩余电量属于第一中等范围时，控制燃料电池发动机以额定功率来运行。其中，第一中等范围为第二类储能装置20总电量的20％～40％(包括20％、40％的本数)。
52.优选地，在本发明实施例中，控制装置70进一步用于在检测到第二剩余电量属于第二中等范围时，控制燃料电池发动机以额定功率与第一比例阈值的乘积所对应的指定功率来运行。其中，第二中等范围为第二类储能装置20总电量的40％～60％(不包括40％本数，并且包括60％的本数)。第一比例阈值优选为60％。
53.优选地，在本发明实施例中，控制装置70进一步用于在检测到第二剩余电量属于第三中等范围时，控制燃料电池发动机以额定功率与第二比例阈值的乘积所对应的指定功率来运行。其中，第三中等范围为第二类储能装置20总电量的60％～80％(不包括60％本数，并且包括80％的本数)。第二比例阈值优选为30％。
54.需要说明的是，上述第二类电量低安全阈值和第二类电量高安全阈值，分别为第二类储能装置20在正常工作状态下所允许的剩余电量的最小值和最大值，本发明实施例对这两种阈值的具体数值不作限定，本领域技术人员可能量型电池的性能(例如：充电功率、放电功率)等各类实际需求进行设定。另外，上述第二类电量中等安全阈值为第二类储能装置20在正常工作状态下所允许的剩余电量范围，该剩余电量范围处于上述第二类电量低安全阈值和第二类电量高安全阈值之间。
55.综上所述，本发明实施例将功率型电池和能量型电池配合使用，能够充分吸收电制动功率，同时保证了能量型电池soc波动的下降，进而降低了燃料电池发动机的功率波动，有利于提升燃料电池寿命。
56.另一方面，基于上述能量管理系统，本发明还提出了一种用于能量管理系统的控制方法，该控制方法利用上述能量管理系统来执行。图4为本技术实施例的用于能量管理系统的控制方法的步骤图。
57.如图4所示，步骤s410在整车进入电制动状态时，第一类储能装置10吸收从电机系统传输的制动能量；步骤s420直流电压转换器30按照预设功率将当前吸收到的制动能量传递至第二类储能装置20；步骤s430第二类储能装置20从直流电压转换器30处吸收当前制动能量并存储。其中，在整车进入起步或正常行驶状态时，通过第二类储能装置20与燃料电池40的配合来向电机系统提供车辆运行所需功率。
58.本发明提出了一种用于燃料电池汽车动力系统的能量管理系统及其控制方法。该系统及方法通过将功率型动力电池、能量型动力电池、燃料电池发动机三者通过变换传输装置进行连接，利用各自的特点来优化能量管理过程，达到节能和提升耐久性的目的。其中，在车辆处于电制动工况下，采用将功率型电池和能量型电池配合使用的方式，充分吸收电制动功率；在车辆处于起步或正常行驶工况下，采用能量型电池和/或燃料电池相互配合使用的方式，为整车提供运行所需能量。这样，本发明在充分回收制动能量而达到节能目的的同时，还保证了能量型电池soc波动下降，进而降低了燃料电池发动机的功率波动，有利于提升燃料电池寿命，提高燃料电池的耐久性。
59.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
60.应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
61.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
62.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。