一种氢燃料车辆的能量系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及新能源车辆领域，尤其涉及氢燃料汽车的能量系统及其控制方法。


背景技术：

2.新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料，但采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括有：混合动力汽车(hev)、纯电动汽车(bev)、燃料电池汽车(fcev)、氢发动机汽车以及燃气汽车、醇醚汽车等等。
3.其中，氢燃料车辆由于采用氢燃料电池作为能量来源。氢燃料电池的整个运行过程中，除了消耗氧气和空气之外，没有其他的能源消耗，没有加油也没有充电，节能性能毋庸置疑。同时，氢燃料电池堆栈在生产电能的过程中只产生水，因此其最大的优势就是真正的实现了“零排放”目标。
4.请参考图1，以氢燃料电池为能量源的电动汽车动力控制系统中包含了氢燃料电池和锂电池两套电源系统，其中氢燃料电池作为整个系统的主要供电电源、锂电池系统作为辅助电源。为了实现氢燃料电池的高密度集成及轻量化设计，氢燃料电池的输出电压相对较低假设在200～400v之间。可知其并不是一个稳定电压，氢燃料电池的电压功率曲线如图2所示。假设主驱电机工作电压通常在450～750v之间，因此在氢燃料电池与主驱电机中间有一个boost dcdc相连，完成稳定的电压及功率输出变换。锂电池作为主驱电机输入电压的支撑其电压范围与主驱电机需求电压范围一致，也可用超级电容替代。同样假设高速空压机、氢循环泵、水泵等其它高压配件的需求电压范围为300～400v之间。此处由于要先启动空压机且氢燃料电池电压的输出不稳定性，因而不能直接用氢燃料电池作为高速空压机等的供电源，需要增设一个降压变换器为高速空压机等设备供电。而高速空压机降速或急停，会造成输入端电压急速上升，此时必须迅速将空压机输入端的能量释放掉否则将有烧坏空压机的危险。
5.另外，由于氢燃料电池是有氢电池单元串并联而成，对输入电流纹波相当敏感，过大的电流纹波将严重影响氢电池单元的一致性甚至于可能造成氢电池单元单节电池过低的危险，因此必须控制电流纹波在限制范围之内
6.现有的降压变换器包括隔离型双向dc/dc变换器、非隔离bdc，即双向半桥dc/dc变换器等。但是对于隔离型双向dc/dc变换器，储能变压器设计要求高、控制复杂、效率相对较低，从经济实用角度不适合于当前氢燃料电动系统设计中。对于非隔离bdc，即双向半桥dc/dc变换器，虽然可以实现dc/dc双向工作，可工作于电压控制模式或电流控制模式，但是存在着输出纹波难以控制、对开关功率管频率难以提高、动态响应慢及大功率设计时功率管的耐压等级及过流等级过高等问题。
7.因此，亟需要增设一个供电源变换器，能够实现双向能量流动、动态响应速度快且电流纹波波动符合要求的变换器，以期通过控制该变换器提供一种符合要求的氢燃料车辆能量系统。


技术实现要素：

8.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
9.为了使氢燃料车辆能量系统符合工作要求，本发明的一方面提供了一种氢燃料车辆的能量系统，包括氢燃料电池、锂电池、空压机和交错并联双向半桥dc/dc变换器；其中
10.上述空压机向上述氢燃料电池提供反应所需的气压；
11.上述交错并联双向半桥dc/dc变换器为上述空压机的稳压电源；
12.上述氢燃料电池为上述交错并联双向半桥dc/dc变换器的主输入电源；
13.上述锂电池为上述交错并联双向半桥dc/dc变换器的辅助输入电源，在上述氢燃料电池未工作时，上述锂电池为上述交错并联双向半桥dc/dc变换器提供能量，以使上述空压机工作并带动上述氢燃料电池工作。
14.在上述能量系统的一实施例中，可选的，上述交错并联双向半桥dc/dc变换器的输出电流纹波小于额定电流的1.5％。
15.在上述能量系统的一实施例中，可选的，上述交错并联双向半桥dc/dc变换器的输出母线电压的超调量不超过5％。
16.在上述能量系统的一实施例中，可选的，上述交错并联双向半桥dc/dc变换器的动态响应时间小于15ms。
17.在上述能量系统的一实施例中，可选的，上述交错并联双向半桥dc/dc变换器的两个桥臂分别采用集成的碳化硅mos模块。
18.本发明的另一方面还提供了一种氢燃料车辆的能量系统的控制方法，上述动力系统为如上任意一项实施例所描述的动力系统，上述控制方法包括：
19.采集上述动力系统的交错并联双向半桥dc/dc变换器的输入电压、输出电压、输出电流；
20.根据上述输出电压和稳压目标值的偏差确定电流目标值；
21.根据上述电流目标值和上述输出电流的偏差确定上述交错并联双向半桥dc/dc变换器中功率管的开关函数；
22.根据上述输入电压和上述输出电压确定前馈量；
23.根据上述前馈量修正上述开关函数；以及
24.基于修正后的开关函数控制上述功率管的通断，以控制上述交错并联双向半桥dc/dc变换器的输出电压稳定在上述稳压目标值。
25.在上述控制方法的一实施例中，可选的，上述输出电流包括第一电感电流和第二电感电流；其中
26.确定功率管的开关函数进一步包括：
27.根据上述电流目标值确定第一电感电流目标值和第二电感电流目标值；
28.根据上述第一电感电流目标值和上述第一电感电流的偏差确定第一桥臂的功率管的第一开关函数；以及
29.根据上述第二电感电流目标值和上述第二电感电流的偏差确定第二桥臂的功率
管的第二开关函数。
30.在上述控制方法的一实施例中，可选的，根据上述前馈量修正上述开关函数进一步包括：
31.根据上述前馈量修正上述第一开关函数；以及
32.根据上述前馈量修正上述第二开关函数。
33.在上述控制方法的一实施例中，可选的，上述第一桥臂和上述第二桥臂分别采用集成的碳化硅mos模块；其中
34.基于修正后的开关函数控制上述功率管的通断进一步包括：
35.基于修正后的第一开关函数的占空比参数控制上述碳化硅mos模块；以及
36.基于修正后的第二开关函数的占空比参数控制上述碳化硅mos模块。
37.在上述控制方法的一实施例中，可选的，上述第一电感电流目标值和上述第二电感电流目标值分别为上述电流目标值的一半。
38.在上述控制方法的一实施例中，可选的，上述前馈量为上述输入电压与上述输出电压的比值。
39.在上述控制方法的一实施例中，可选的，修正上述开关函数进一步包括：
40.叠加上述前馈量和上述开关函数为修正后的开关函数。
41.根据本发明所提供的氢燃料车辆的能量系统及其控制方法，实现了交错并联双向半桥dc/dc变换器的输出低纹波、大功率波动的迅速动态响应及交错并联的主动均流。并且根据上述的控制方法，能够实现交错并联双向半桥dc/dc变换器的输入/输出无模式切换控制。
附图说明
42.在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
43.图1示出了本发明所提供的氢燃料车辆的能量系统所在的动力控制系统的结构。
44.图2示出了本发明所提供的氢燃料电池的电压功率曲线及功率密度曲线。
45.图3示出了本发明所提供的交错并联双向半桥dc/dc变换器能够达到的输出电压响应。
46.图4a示出了本发明所提供的交错并联双向半桥dc/dc变换器的拓扑结构。
47.图4b示出了图4所示出的交错并联双向半桥dc/dc变换器的等效电路模型。
48.图5a-图5d示出了本发明所提供的交错并联双向半桥dc/dc变换器的工作能量流向。
49.图6示出了本发明所提供的交错并联双向半桥dc/dc变换器的工作时序及输出电流波形。
50.图7示出了本发明所提供的交错并联双向半桥dc/dc变换器的控制电路结构。
51.图8示出了本发明所提供的交错并联双向半桥dc/dc变换器的控制策略原理。
52.图9示出了本发明所提供的交错并联双向半桥dc/dc变换器的控制方法的流程。
53.图10a示出了现有技术中输出总电流纹波。
54.图10b示出了本技术中输出总电流纹波。
55.图11a示出了现有技术中大功率瞬间加载的ibdc输出母线电压。
56.图11b示出了本发明中大功率瞬间加载的ibdc输出母线电压。
57.图12a示出了现有技术中瞬间能量回馈的ibdc输出母线电压。
58.图12b示出了本发明中瞬间能量回馈的ibdc输出母线电压。
59.图13a示出了现有技术中两桥臂支路的均流效果。
60.图13b示出了本发明中两桥臂支路的均流效果。
具体实施方式
61.以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
62.给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。
63.在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。
64.请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。
65.注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
66.注意，在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。
67.以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
68.为了使氢燃料车辆能量系统符合工作要求，本发明的一方面提供了一种氢燃料车辆的能量系统，请参考图1来理解本发明所提供的能量系统及其所在的动力系统。本发明所提供的能量系统包括氢燃料电池、锂电池、空压机和交错并联双向半桥dc/dc变换器；其中上述空压机向上述氢燃料电池提供反应气体；上述交错并联双向半桥dc/dc变换器为上述空压机的稳压电源；上述氢燃料电池为上述交错并联双向半桥dc/dc变换器的主输入电源；上述锂电池为上述交错并联双向半桥dc/dc变换器的辅助输入电源，在上述氢燃料电池未
工作时，上述锂电池为上述交错并联双向半桥dc/dc变换器提供能量，以使上述空压机工作并带动上述氢燃料电池工作。
69.在实际的应用中，考虑到空压机的窄输入电压范围需求、氢燃料电池(简称氢堆)输出低纹波、大电流需求及氢燃料电动系统的大功率随动特性(即不确定的负载功率扰动)，本发明所提供的变换器采用了非隔离ibdc拓扑结构，如图4a所示。本发明所提供的交错并联双向半桥dc/dc变换器(以下简称ibdc)采用sic集成功率模块设计方案，并提供了一种ibdc电压外环-并联电流内环输出电压前馈的新型控制策略。该方案实现了ibdc的输出低纹波、大功率波动的迅速动态响应及交错并联的主动均流。同时，通过dsp软件算法实现了输入/输出无模式切换控制。
70.也就是说，本发明所提供的ibdc具有如下特点：
71.(1)ibdc低纹波：小于额定电流的1.5％；
72.(2)ibdc输出端电压的闭环响应速度快，包括应对瞬间拉载及瞬间能量回馈；
73.(3)输出并联支路电感电流均流；
74.(4)输入/输出无模式切换控制。
75.对于上述的第二点，响应速度快不仅对于响应时间有要求，还对于响应的幅度有要求，也就是对电压的超调量有要求，即其超调量不能超过5％。请结合图3来理解，假设空压机最大-最小输入电压范围之差《100v，考虑到ibdc的双向能量流动，取安全范围其输出侧电压δv1、δv2波动限制在
±
35v内，响应时间δt1、δt2在15ms以内，因此，其瞬间拉载和瞬间能量回馈的响应如图3所示意的。
76.在一优选的实施例中，ibdc的两个桥臂分别采用集成的碳化硅mos模块。sic mos具有高耐压，低导通电阻的优点。同igbt相比，sic mos在关断过程中没有电流拖尾，可以在高电压，大电流的应用场合下工作在更高的开关频率。采用sic封装模块，更有利于对交错并联的idbc这种电路的控制。
77.上述的ibdc的扑结构如图4a所示，根据系统大功率、大电流的需求设计ibdc工作于连续电流模式，即ccm模式。
78.图5a-5d示意了上述ibdc在占空比d《0.5时的能量双向工作原理。请一并结合图6来理解在占空比d《0.5时，上述ibdc的工作时序、输出电流波形和工作工程中能量流向。占空比d＝0.5或者d》0.5的相关情况与d《0.5的类似。
79.如图5a所示出的，在t0～t1时间段内，支路1的功率管q1开通，电感l1储能；支路2的功率管q3关闭，二极管d3续流，电感l2放能。
80.如图5b所示出的，在t1～t2时间段内，支路1和支路2的功率管q1、q3均关闭，二极管d1、d3续流，电感l1、l2放能。
81.如图5c所示出的，在t2～t3时间段内，支路1的功率管q1关闭，二极管d1续流，电感l1继续放能；支路2的功率管q3开通，电感l2储能。
82.如图5b所示出的，在t3～t4时间段内，支路1和支路2的功率管q1、q3均关闭，二极管d1、d3续流，电感l1、l2放能，随后周期循环。
83.本发明的另一方面还提供了一种氢燃料车辆的能量系统的控制方法，上述动力系统为如上任意一项实施例所描述的动力系统，
84.对于上述的ibdc，为了控制的方便，可以如图4b所示出的，将图4a中的ibdc等效为
如图4b中的拓扑结构。如图4b所示出的，其中的等效电感和等效输入-输出增益m可以通过下述的公式1和公式2来表示。
[0085][0086][0087]
另外，为了使得ibdc工作在连续电流模式，对于储能电感l，需要满足下述的公式3。
[0088][0089]
其中，i
out
为平均输出电流，d
min
为最小设计占空比。
[0090]
类似的，对于输出电容，需要满足下述的公式4。
[0091][0092]
其中，τ
rc
为常数、δi
l
为纹波电流、vr为纹波电压、δt
min
为动态变化时间、δv
max
为动态变化最大幅度，实际应用过程中采用大小电容并联的方式。
[0093]
本发明的另一方面还提供了一种上述ibdc的控制方法。为了实现上述的控制方法，ibdc的控制电路可以如图7所示出的，其中的功率主电路即上文描述的ibdc，输入电源即氢燃料电池经过boost变换器之后的输出。辅助电源即锂电池，输出负载即空压机、氢循环泵、水泵等高压配件，通过对输入电压、输出电压、电流采样，通过数字处理器dsp的控制来控制ibdc的驱动电路从而带动功率主电路工作。
[0094]
随后进行控制参数的计算和参数校正。根据ibdc小信号模型计算，可得到占空比对输出电压与电感电流的传递函数g
vd
(s)、g
id
(s)，如下述的公式5和公式6所示出的。
[0095][0096][0097]
代入控制参数，可知系统本身稳定但高频对系统扰动很大，需要进行补偿。可根据所提控制策略图8所示，对系统进行补偿设计。所提控制策略中，由于电流内环的响应速度比电压外环快，故先对电流内环进行设计再对外环进行设计，可设计内环补偿后截止频率f
ic
＝500hz，外环截止频率f
vc
＝100hz，最后求得补偿参数。
[0098]
请进一步结合图9来理解本发明的控制方法。如图9所示出的，本发明的控制方法包括：
[0099]
1、采集动力系统的交错并联双向半桥dc/dc变换器的输入电压ui、输出电压uo、输出电流(i
l
为i
l1
与i
l2
之和)；
[0100]
2、根据上述输出电压uo和稳压目标值u
o_ref
的偏差确定电流目标值；
输出电压前馈的控制方法，可以通过编写对应数字处理芯片c/c 控制程序，通过dsp软件算法实现了输入/输出无模式切换控制。也就是说，可以直接根据采集得到的输入电压ui、输出电压uo、输出电流(i
l
为i
l1
与i
l2
之和)进行占空比及响应的补偿处理，并不需要进行额外的输入/输出模式的判断和转换，从而更进一步地提高了响应速度。
[0114]
根据本发明所提供的氢燃料车辆的能量系统及其控制方法，能够以下三种效果：
[0115]
(a)输出电流纹波极小，保证了氢堆电流的稳定输出；
[0116]
(b)动态响应迅速、母线电压波动小，适应恶劣工况；
[0117]
(c)支路电流均流效果好，可降低功率模块、储能电感等的设计要求。
[0118]
请参考图10a、10b、11a、11b、12a、12b、13a、13b来验证本发明所提供的方案的实际应用效果。
[0119]
其中，图10a示出了现有技术中输出总电流纹波，图10b示出了本技术中输出总电流(下方的浅灰色图形)纹波。对比图10a和10b，可以看出，根据本技术的技术方案能够有效地控制输出总电流纹波，从而实现输出电流纹波极小、保证氢堆电流稳定输出的效果。
[0120]
图11a示出了现有技术中大功率瞬间加载的ibdc输出母线电压(上方的直线)，图11b示出了本发明中大功率瞬间加载的ibdc输出母线电压(上方的直线)。对比图11a和11b，可以看出，根据本技术的技术方案能够快速地动态响应外部大功率瞬间加载，从而保证母线电压波动小，能够适应于恶劣工况。
[0121]
图12a示出了现有技术中瞬间能量回馈的ibdc输出总电流，图12b示出了本发明中瞬间能量回馈的ibdc输出总电流。对比图12a和12b，可以看出，根据本技术的技术方案能够快速地动态响应外部瞬间能量回馈，输出总电流的跃迁平稳，从而保证母线电压波动小，能够适应于恶劣工况。
[0122]
图13a示出了现有技术中两桥臂支路的均流效果，图13b示出了本发明中两桥臂支路的均流效果。对比图13a和13b，可以看出，根据本技术的技术方案能够实现更好的支路电流均流效果，从而可降低功率模块、储能电感等的设计要求，降低硬件要求。
[0123]
至此已经描述了本发明所提供的一种氢燃料车辆的能量系统及其控制方法的具体实现方法。根据本发明所提供的氢燃料车辆的能量系统及其控制方法，实现了交错并联双向半桥dc/dc变换器的输出低纹波、大功率波动的迅速动态响应及交错并联的主动均流。并且根据上述的控制方法，能够实现交错并联双向半桥dc/dc变换器的无输入/输出模式切换的控制。
[0124]
结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
[0125]
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom、或本领域中所知的任
何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在asic中。asic可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
[0126]
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(dsl)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(cd)、激光碟、光碟、数字多用碟(dvd)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
[0127]
提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求书为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。