一种燃料电池发动机系统及其控制方法与流程

1.本发明属于发动机技术领域，更具体的说，尤其涉及一种燃料电池发动机系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着质子交换膜燃料电池发动机(以下简称“发动机”)，在重型商用车上的应用越来越广泛，重型商用车对发动机的功率需求与发动机当前的功率密度之间的矛盾愈发突出。
3.一种常用的解决方案是增加发动机中电堆的单片数，以此来实现发动机更高的输出功率。但增加电堆单片数的同时，发动机的输出电压就会处于更高水平，甚至出现发动机输出电压高于动力电池输入电压的情况。
4.目前，市场上最常用的车用大功率dc/dc转换器，一般都是单一模式的转换器，无法满足汽车的输出需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池发动机系统及其控制方法，用于满足燃料电池发动机能量的输出。
6.本技术第一方面公开了一种燃料电池发动机系统，包括：燃料电池发动机、单向升降压变换单元、驱动电机、动力电池和控制器；
7.所述燃料电池发动机的输出端与所述单向升降压变换单元的输入端相连；其中，单向升降压变换单元的工作模式包括：升压模式和降压模式；
8.所述单向升降压变换单元的输出端通过高压母线，分别与所述动力电池和所述驱动电机相连；
9.所述单向升降压变换单元受控于所述控制器。
10.可选的，上述燃料电池发动机系统中，所述单向升降压变换单元包括：升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器；
11.所述升压dc/dc变换器与所述降压dc/dc变换器并联连接。
12.本技术第二方面公开了一种燃料电池发动机系统的控制方法，应用于如本技术第一方面任一项所述的燃料电池发动机系统中的控制器，所述控制方法，包括：
13.判断所述燃料电池发动机系统是否具备输出能力；
14.若是，则依据所述燃料电池发动机系统中燃料电池发动机的输出电压与所述燃料电池发动机系统中动力电池的输入电压的大小关系，控制所述单向升降压变换单元的工作模式，以使高压母线上的能量供驱动电机和动力电池使用。
15.可选的，上述燃料电池发动机系统的控制方法中，判断所述燃料电池发动机系统是否具备输出能力，包括：
16.获取所述燃料电池发动机的工作状态；
17.依据所述燃料电池发动机的工作状态判断所述燃料电池发动机是否完成启动，且其输出是否满足预设的输出能量条件；
18.若所述燃料电池发动机完成启动且其输出满足预设的输出能量条件，则判定所述燃料电池发动机系统具备输出能力；
19.若所述燃料电池发动机未完成启动或其输出满足预设的输出能量条件，则返回执行获取所述燃料电池发动机的工作状态的步骤。
20.可选的，上述燃料电池发动机系统的控制方法中，在判定所述燃料电池发动机系统具备输出能力之前，还包括：
21.判断所述单向升降压变换单元是否具备拉载条件；
22.若是；则判定所述燃料电池发动机系统具备输出能力；
23.否则，返回执行所述依据所述燃料电池发动机的工作状态判断所述燃料电池发动机是否完成启动，且其输出是否满足预设的输出能量条件的步骤。
24.可选的，上述燃料电池发动机系统的控制方法中，依据所述燃料电池发动机系统中燃料电池发动机的输出电压与所述燃料电池发动机系统中动力电池的输入电压的大小关系，控制所述单向升降压变换单元的工作模式，以使高压母线上的能量供驱动电机和动力电池使用，包括：
25.判断所述燃料电池发动机的输出电压是否大于所述动力电池的输入电压；
26.若是，则控制所述单向升降压变换单元处于降压模式；
27.若否，则控制所述单向升降压变换单元处于升压模式。
28.可选的，上述燃料电池发动机系统的控制方法中，在所述单向升压变换单元包括：升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器时，控制所述单向升降压变换单元处于降压模式，包括：
29.控制所述降压dc/dc变换器开管且拉载；以及，控制所述升压dc/dc变换器关管。
30.可选的，上述燃料电池发动机系统的控制方法中，在所述单向升压变换单元包括：升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器时，控制所述单向升降压变换单元处于升压模式，包括：
31.控制所述升压dc/dc变换器开管且拉载；以及，控制降压dc/dc变换器关管。
32.可选的，上述燃料电池发动机系统的控制方法中，控制所述单向升降压变换单元处于降压模式之前，还包括：判断降压需求是否在所述单向升降压变换单元的降压比范围内；若是，则执行控制所述单向升降压变换单元处于降压模式的步骤；
33.控制所述单向升降压变换单元处于升压模式之前，还包括：判断升压需求是否在所述单向升降压变换单元的升压比范围内；若是，则执行控制所述单向升降压变换单元处于升压模式的步骤。
34.可选的，上述燃料电池发动机系统的控制方法中，在所述判断降压需求是否在所述单向升降压变换单元的降压比范围内，以及，判断升压需求是否在所述单向升降压变换单元的升压比范围内之后，若否，则还包括：
35.所述单向升压变换单元和升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器均保持开管但不拉载。
36.从上述技术方案可知，本发明提供的一种燃料电池发动机系统，其燃料电池发动
机的输出端与单向升降压变换单元的输入端相连；其中，单向升降压变换单元的工作模式包括：升压模式和降压模式；单向升降压变换单元的输出端通过高压母线，分别与动力电池和驱动电机相连；单向升降压变换单元受控于控制器；也即，通过控制器控制单向升降压变换单元不同工作模式的，有效实现了当发动机输出电压范围和动力电池输入电压范围有冲突或重叠时，如何高效控制发动机输出能量的问题，扩大了发动机和动力电池等高压平台部件之间的选择范围，降低了发动机在重型商用车上的配套难度。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1是本发明实施例提供的一种燃料电池发动机系统的示意图；
39.图2是本发明实施例提供的一种燃料电池发动机系统的控制方法的流程图；
40.图3是本发明实施例提供的另一种燃料电池发动机系统的控制方法的流程图；
41.图4是本发明实施例提供的另一种燃料电池发动机系统的控制方法的流程图；
42.图5是本发明实施例提供的另一种燃料电池发动机系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.在本技术中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
45.本技术实施例提供了一种燃料电池发动机系统，用于解决现有技术中，目前，市场上最常用的车用大功率dc/dc转换器，一般都是单一模式的转换器，无法满足汽车的输出需求的问题。
46.参见图1，该燃料电池发动机系统，包括：燃料电池发动机、单向升降压变换单元、驱动电机、动力电池和控制器。
47.燃料电池发动机的输出端与单向升降压变换单元的输入端相连。
48.单向升降压变换单元的输出端通过高压母线，分别与动力电池和驱动电机相连。
49.其中，单向升降压变换单元的工作模式包括：升压模式和降压模式。
50.具体的，单向升降压变换单元的输出端与高压母线相连；该动力电池的输入端和该驱动电机的输入端，分别连接至该高压母线。
51.单向升降压变换单元受控于控制器。也就是说，该控制器可以控制该单向升降压
变换器的工作模式，如控制该单向升降压变换器处于升压模式；控制该单向升降压变换器处于降压模式。
52.当然，控制器的具体工作过程，不仅限于上述示例，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本技术的保护范围内。
53.需要说明的是，该控制器可以是集成于该燃料电池发动机中，也可以独立设置于系统中，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本技术的保护范围内。
54.在本实施例中，通过控制器控制单向升降压变换单元的不同工作模式，有效实现了当发动机输出电压范围和动力电池输入电压范围有冲突或重叠时，如何高效控制发动机输出能量的问题，扩大了发动机和动力电池等高压平台部件之间的选择范围，降低了发动机在重型商用车上的配套难度。
55.在实际应用中，单向升降压变换单元包括：升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器。
56.升压dc/dc变换器与降压dc/dc变换器并联连接。
57.具体的，升压dc/dc变换器的低压侧与降压dc/dc变换器的高压侧相连后，作为单向升降压变换单元的输入端、与燃料电池发动机的输出端相连。
58.升压dc/dc变换器的高压侧与降压dc/dc变换器的低压侧相连后，作为单向升降压变换单元的输出端、连接至高压母线。
59.在本实施例中，借用市场已成熟使用的单向升压dc/dc变换和降压dc/dc转换器，通过对不同工作模式的dc/dc转换器的有效组合和系统控制，有效实现了当发动机输出电压范围和动力电池输入电压范围有冲突或重叠时，如何高效控制发动机输出能量的问题，扩大了发动机和动力电池等高压平台部件之间的选择范围，降低了发动机在重型商用车上的配套难度。
60.需要说明的是，现有技术还提供了双向dc/dc转换器有选择地将二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作，与，使用燃料电池组的输出电能对二次电池进行充电的动作(充电动作)。
61.虽然其也提供了双向dc/dc转换器模式控制电路，但是其系统结构和dc/dc转换器的具体作用并不一样。dc/dc转换器的放电动作和充电动作，分别对应将二次电池和燃料电池组的电能转换为外部用电器件可以使用的能量。这种技术方案无法解决仅使用燃料电池组作为dc/dc转换器输入端的能量来源时，可能出现的发动机输出电压范围和动力电池输入电压范围有冲突或重叠，而无法使用只具备升压工作模式或只具备降压工作模式的dc/dc转换器的情况。
62.也即，现有技术方案中，dc/dc变换器的输入能量源有2个，这两个能量源可以由控制系统控制，分别向dc/dc变换器输入能量，经dc/dc变换器转换后提供给其他部件。而本技术中dc/dc变换器的输入能量源只有1个，即燃料电池发动机。
63.本技术另一实施例提供了一种燃料电池发动机系统的控制方法，该控制方法应用于上述任一实施例提供燃料电池发动机系统中的控制器。
64.该燃料电池发动机系统的具体结构和原理，详情参见上述实施例提供的燃料电池发动机系统，此处不再一一赘述，均在本技术的保护范围内。
65.参见图2，该燃料电池发动机系统的控制方法，包括：
66.s101、判断燃料电池发动机系统是否具备输出能力。
67.需要说明的是，该燃料电池发动机系统的输出能力，主要体现在燃料电池发动机和单向升降压变换单元的工作状态。
68.另外，若燃料电池发动机系统具备输出能力，则该燃料电池发动机系统可以进行输出；若该燃料电池发动机系统不具备输出能力，则该燃料电池发动机系统无法进行输出。
69.因此，需要判断燃料电池发动机系统是否具备输出能力，来判断是否执行下述步骤。
70.具体的，若燃料电池发动机系统具备输出能力，则执行步骤s102。
71.s102、依据燃料电池发动机系统中燃料电池发动机的输出电压与燃料电池发动机系统中动力电池的输入电压的大小关系，控制单向升降压变换单元的工作模式，以使高压母线上的能量供驱动电机和动力电池使用。
72.也就是说，在燃料电池发动机系统开始输出之后，可以依据司机情况来确定单向升降压变换单元的工作模式，如控制单向升降压变换单元处于升压模式，或者，控制单向升降压变换单元处于降压模式等。
73.具体的控制过程，此处不做具体限定，只要保证高压母线上的能量能够供驱动电机和动力电池使用即可。
74.另外，该动力电池能够使用高压母线上的能量时，需保持该高压母线上的电压高于动力电池的电压，也即电压流向的基本要求。
75.在本实施例中，通过控制单向升降压变换单元的不同工作模式，有效实现了当发动机输出电压范围和动力电池输入电压范围有冲突或重叠时，如何高效控制发动机输出能量的问题，扩大了发动机和动力电池等高压平台部件之间的选择范围，降低了发动机在重型商用车上的配套难度。
76.在实际应用中，参见图3，步骤s101、判断燃料电池发动机系统是否具备输出能力，的具体过程为：
77.s201、获取燃料电池发动机的工作状态。
78.s202、依据燃料电池发动机的工作状态判断燃料电池发动机是否完成启动，且其输出是否满足预设的输出能量条件。
79.若燃料电池发动机完成启动且其输出满足预设的输出能量条件，则执行步骤s203；若燃料电池发动机未完成启动或其输出满足预设的输出能量条件，则返回执行步骤s201。
80.s203、判定燃料电池发动机系统具备输出能力。
81.在实际应用中，参见图4，在步骤s203、判定燃料电池发动机系统具备输出能力之前，还包括：
82.s301、控判断单向升降压变换单元是否具备拉载条件。
83.若是，则执行步骤s203、判定燃料电池发动机系统具备输出能力。
84.否则，返回执行步骤s202、依据燃料电池发动机的工作状态判断燃料电池发动机是否完成启动，且其输出是否满足预设的输出能量条件。
85.具体的，发动机首先要完成启动，满足其输出能量的条件；按照控制时序再确认单向升降压变换单元中的升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器是否同时已具备拉载条件。
86.其中，该控制时序为步骤s202与步骤s301的时序。
87.在实际应用中，参见图5，s201、依据燃料电池发动机系统中燃料电池发动机的输出电压与燃料电池发动机系统中动力电池的输入电压的大小关系，控制单向升降压变换单元的工作模式，以使高压母线上的能量供驱动电机和动力电池使用的具体过程为：
88.s401、判断燃料电池发动机的输出电压是否大于动力电池的输入电压。
89.若是，则执行步骤s402。
90.s402、控制单向升降压变换单元处于降压模式。
91.在实际应用中，在单向升压变换单元包括：升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器时，控制单向升降压变换单元处于降压模式，包括：
92.控制降压dc/dc变换器开管且拉载；以及，控制升压dc/dc变换器关管。
93.在步骤s402、控制单向升降压变换单元处于降压模式之前，还包括：
94.判断降压需求是否在单向升降压变换单元的降压比范围内；若是，则执行控制单向升降压变换单元处于降压模式的步骤。
95.也就是说，在当燃料电池发动机的输出电压高于动力电池的输入电压且降压需求在降压dc/dc变换器的降压比范围内时，则控制降压dc/dc变换器拉载，拉载电流的具体值取决于当前系统的需求电流；同时应保持升压dc/dc变换器关管，不拉载；此时升压dc/dc变换器作为预备器件，随时准备切入工作并拉载电流。
96.需要说明的是，降压需求为燃料电池发动机的输出电压除以动力电池的输入电压的比值。
97.若否，则执行步骤s403。
98.s403、控制单向升降压变换单元处于升压模式。
99.在实际应用中，在单向升压变换单元包括：升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器时，控制单向升降压变换单元处于升压模式，包括：
100.控制升压dc/dc变换器开管且拉载；以及，控制降压dc/dc变换器关管。
101.在步骤s403、控制单向升降压变换单元处于升压模式之前，还包括：
102.判断升压需求是否在单向升降压变换单元的升压比范围内。
103.若是，则执行控制单向升降压变换单元处于升压模式的步骤。
104.也就是说，当燃料电池发动机输出电压低于动力电池输入电压且升压需求(动力电池输入电压/燃料电池发动机输出电压)在升压dc/dc变换器的升压比范围内时，则控制升压dc/dc变换器拉载，拉载电流的具体值取决于当前系统的需求电流；同时应保持降压dc/dc变换器关管，不拉载；此时降压dc/dc变换器作为预备器件，随时准备切入工作并拉载电流。
105.在实际应用中，在判断降压需求是否在单向升降压变换单元的降压比范围内，以及，判断升压需求是否在单向升降压变换单元的升压比范围内之后，若否，则还包括：
106.单向升压变换单元和升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器均保持开管但不拉载。
107.也就是说，当升压需求(动力电池输入电压/燃料电池发动机输出电压)或降压需求(燃料电池发动机输出电压/动力电池输入电压)均不满足升压dc/dc变换器的升压比或降压dc/dc变换器的降压比范围时，则升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器保持开管但不拉载，系统随时准备相应整车端功率需求。
108.需要说明的是，任一个dc/dc变换器均按照此时当前系统的需求电流进行拉载，同
时燃料电池发动机也控制自身零部件产生能力，供应驱动电机和动力电池使用。
109.现在车用燃料电池发动机能量装置，需求电流一般是来自整车动力系统，即整车动力系统将需求电流(功率)发给燃料电池发动机，由发动机控制自身部件和/或dc/dc变换器输出能量给整车动力系统消耗(电机或其他用电器)或储存(动力电池)电能的零部件。
110.当燃料电池发动机输出电压与动力电池输入电压的高低关系切换时，升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器切换完成拉载，满足不同燃料电池发动机输出电压和动力电池输入电压关系时，燃料电池发动机都可以输出能量的要求。也即，在不同的燃料电池发动机输出电压和动力电池输入电压关系，燃料电池发动机都可以输出能量。
111.这里指的是“不同的”“发动机输出电压和动力电池输入电压关系“。动力电池的输入电压和输出电压在整车实际运行时都是变化的，我们要做的就是克服这种变化，保持在任何相关电压关系下，发动机都可以通过dc/dc变换器向整车动力系统输出电能。
112.关管是指dc/dc变换器内部igbt的晶体管电路不导通，即断开。此时因为电路断开，自然也无法拉载电流，所以dc/dc变换器在此时是不拉载电流的。
113.保持开管就是指dc/dc变换器内部igbt的晶体管电路导通，此时dc/dc已具备进行电流转换的能力。
114.dc/dc变换器拉载时，是通过其内部igbt完成发动机电压和整车电压不匹配时的电能转换，使发动机直接输出的电流/电压通过转换后，符合整车动力系统的要求并输出给整车动力系统。
115.系统随时准备相应整车端功率需求是指此时发动机和升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器的工作状态都已就绪，只要整车动力系统发出功率(电流)需求给燃料电池发动机、升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器的整个控制系统控制器，则燃料电池发动机、升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器就可以输出能量。
116.对于某款dc/dc产品来说，一般的升压范围/降压范围都是比较宽的，就我们目前的系统设计及开发中，没有出现降压需求超过降压比范围或升压需求超过升压比范围的情况。原来在交底书里面写这一点是考虑到特殊情况或者系统匹配有问题的工况，如果此时确实出现了降压需求超过降压比范围或升压需求超过升压比范围的情况，则发动机及升压dc/dc变换器和降压dc/dc变换器不响应整车动力系统的电流(功率需求)即可。
117.在本实施例中，同过在燃料电池发动机向外输出时配备并联的2个dc/dc变换器，其中一个为升压工作模式，另外一个为降压工作模式。当发动机输出电压与动力电池输入电压关系变化时，可以通过及时调整仅使用升压dc/dc变换器或降压dc/dc变换器拉载电流而另外一个变换器关管，适用不同发动机输出电压与动力电池输入电压关系的要求，实现系统在发动机输出电压与动力电池输入电压高地关系出现变化时的无缝切换；并且使用该方案，可以避免开发或采购同时具备升压工作模式和降压工作模式的dc/dc变换器，有效降低对dc/dc变换器技术先进性和可靠性的依赖，使用市场已成熟使用的单向升压或降压dc/dc变换器，完成发动机能量输出控制。
118.本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性
的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
119.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
120.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。