技术领域
[0001] 本
发明属于新
能源汽车技术领域，具体涉及一种基于
燃料电池的电动汽车动力系统及其控制方法。
背景技术
[0002] 当前汽车工业可持续发展
正面临着严峻的能源和环境挑战，而我国石油对外依存度逐年攀升，今年一季度依存度已升至69％，
原油日均进口量303万桶，预计原油进口将在2020年翻倍，严重威胁着国家的能源安全。另一方面，我国已成为全球最大的二
氧化
碳排放国，交通耗能约占能源消耗总量的30％，汽车尾气已成为大中城市
温室气体的首要来源，交通领域的PM2.5贡献率超过25％，雾霾天气频发，汽车节能减排任务艰巨。因而，发展新能源汽车已是全球的共识，同时也是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，已成为我国的基本国策之一。
[0003] 新能源汽车主流路线包括纯电动汽车和燃料电池汽车；纯电动汽车主要以
锂离子电池提供动力，存在着充电时间长(＞60分钟)、
能量密度低(电池系统＜150Wh/kg)、续航里程短(＜300公里)以及安全性差等
瓶颈问题。燃料电池汽车则以燃料电池提供动力，将氢气和氧气通入电池内二者即发生电催化反应产生纯
水并释放出
电能，具有零排放无污染、
能量密度高(电池系统＞350Wh/kg)、续航里程与传统汽车相当、加注燃料(压缩氢气)时间短(5-10分钟)等优点，因而业内一致认为燃料电池汽车将是汽车工业的终极目标。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于燃料电池的电动汽车动力系统及其控制方法。
[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0006] 本发明
实施例提供一种基于燃料电池的电动汽车动力系统，其包括：
[0007] 整车
控制器VCU，用于根据
钛酸锂动力电池系统的
荷电状态SOC值控制位于燃料电池系统和充电控制器之间的第一继电器的断开和闭合、根据电动汽车的运行状态
信号控制位于充电控制器和高压配电器之间的第二继电器的断开和闭合、以及根据燃料电池系统的
温度情况控制燃料电池系统、钛酸锂动力电池系统之间的第三继电器的断开和闭合；
[0008] 燃料电池系统，用于当所述第一继电器闭合、第二继电器和第三继电器断开时向单向DC/DC变换器输出电能、以及当所述第三继电器闭合、第一继电器和第二继电器断开时接收钛酸锂动力电池系统输出的电能进行预热；
[0009] 单向DC/DC变换器，用于将所述燃料电池系统输出的电能变换后输出至充电控制器；
[0010] 充电控制器，用于将所述单向DC/DC变换器变换后的电能以及
电机动力回馈或外接充电设备经由高压配电器的电能输出至钛酸锂动力电池系统；
[0011] 钛酸锂动力电池系统，用于所述充电控制器对输入的电能进行存储并且按需向高压配电器输出电能；还用于当所述第三继电器闭合、第一继电器和第二继电器断开时，对所述燃料电池系统进行供电加热；
[0012] 高压配电器，用于向电机控制器、燃料电池系统、整车控制器VCU、单向DC/DC变换器、充电控制器分配电能；还用于当第二继电器闭合、第一继电器和第三继电器断开时，向所述充电控制器输出电能；
[0014] 上述方案中，其进一步还包括充电
接口，所述充电接口与高压配电器连接，用于接收外部充电设备输出的电能；
[0015] 所述高压配电器，还用于将通过充电接口接收的电能输出到充电控制器。
[0016] 上述方案中，所述整车控制器VCU，还用于采集燃料电池系统、钛酸锂动力电池系统、单向DC/DC变换器、充电控制器、高压配电器、电机控制器的信号并且采集电动汽车的状态信号。
[0017] 上述方案中，所述燃料电池系统为
质子交换膜燃料电池系统，包括质子交换膜燃料电池电堆、质子交换膜燃料电池辅助系统和质子交换膜燃料电池控制器；
[0018] 所述质子交换膜燃料电池电堆为由若干个质子交换膜燃料电池
单体串联而成的堆栈；
[0019] 所述质子交换膜燃料电池辅助系统包括氢气子系统、空气子系统和温控子系统，并与质子交换膜燃料电池电堆进行气液双向流的交互；
[0020] 所述温控子系统至少包括
冷却水加热器；
[0021] 所述质子交换膜燃料电池控制器，用于获得质子交换膜燃料电池电堆的
电压、
电流、压力、温度，接收整车控制器VCU的
控制信号经由质子交换膜燃料电池辅助系统控制进入质子交换膜燃料电池电堆的氢气和空气的量从而产生电能，并通过控制温控子系统对质子交换膜燃料电池电堆进行
热管理。
[0022] 上述方案中，所述单向DC/DC变换器包括单向DC/DC拓扑变换器和单向DC/DC控制器，所述单向DC/DC拓扑变换器，用于将所述质子交换膜燃料电池系统输出的电能变换并通过充电控制器为钛酸锂动力
电池组进行可控充电；所述单向DC/DC控制器，用于接收整车控制器VCU给定的数值进行充电功率的控制。
[0023] 本发明实施例还提供一种根据上述方案中任意一项所述的基于燃料电池的电动汽车动力系统的控制方法，其特征在于，该方法为：当整车控制器VCU获取钥匙启动信号并且钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于启动区间时，所述整车控制器VCU控制第一继电器、第二继电器和第三继电器断开，所述钛酸锂动力电池系统的放电电流经由高压配电器分配进入电机控制器，所述电机控制器控制驱动电机，电动汽车开始启动行驶；当所述钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于充电区间时，所述整车控制器VCU控制第一继电器闭合、第二继电器和第三继电器断开，所述燃料电池系统向钛酸锂动力电池系统进行实时充电；当所述钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于停止充电区间时，所述整车控制器VCU控制第一继电器断开。
[0024] 上述方案中，该方法还包括：当所述整车控制器VCU获取钥匙启动信号、所述钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于充电区间并且所述燃料电池系统的温度低于低温设定区时，所述整车控制器VCU控制第三继电器闭合、第一继电器和第二继电器断开，所述钛酸锂动力电池系统向燃料电池系统进行供电加热，直至所述燃料电池系统的温度高于低温设定区时，所述整车控制器VCU控制第一继电器闭合、第二继电器和第三继电器断开，所述燃料电池系统向钛酸锂动力电池系统进行实时充电。
[0025] 上述方案中，该方法还包括：当电动汽车停放在有充电设备的区域时，将充电枪插入外接充电接口中，所述整车控制器VCU控制第二继电器闭合、第一继电器和第三继电器断开，外接电流经由充电控制器为钛酸锂电池组进行外接充电。
[0026] 上述方案中，该方法还包括：当电动汽车下坡、减速、停车时，所述整车控制器VCU控制第二继电器闭合、第一继电器和第三继电器断开，并且向电机控制器、高压配电器和充电控制器发送信号将电动汽车
制动的动力回馈能量转
化成电能经由充电控制器充入钛酸锂动力电池系统中。
[0027] 与
现有技术相比，本发明以高功率密度的钛酸锂动力电池系统为车载动力输出源，以高能量密度的质子交换膜燃料电池系统作为“移动充电桩”通过控制系统经由单向DC/DC变换器为钛酸锂动力电池充电，从而大幅提升电动汽车的续驶里程并从根本上规避燃料电池作为动力输出源所面临的车载动工况下频繁变载对燃料电池系统的冲击，进而有效保障燃料电池的可靠性、耐久性及长寿命，此外还可有效降低整个动力系统的成本。
附图说明
[0028] 图1为本发明实施例提供一种基于燃料电池的电动汽车动力系统的结构示意图。
[0029] 图2为本发明实施例提供一种基于燃料电池的电动汽车动力系统中高压配电器的分配供电示意图。
[0030] 图3为本发明实施例提供一种基于燃料电池的电动汽车动力系统的控制方法流程示意图。
具体实施方式
[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0032] 本发明实施例提供一种基于燃料电池的电动汽车动力系统，如图1所示，其包括：
[0033] 整车控制器VCU用于根据钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值控制位于燃料电池系统和充电控制器之间的第一继电器的断开和闭合、根据电动汽车的运行状态信号控制位于充电控制器和高压配电器之间的第二继电器的断开和闭合、以及根据燃料电池系统的温度情况控制燃料电池系统、钛酸锂动力电池系统之间的第三继电器的断开和闭合；
[0034] 具体地，所述整车控制器VCU为整个动力系统的核心执行部件，一方面它根据钛酸锂电池组的荷电状态SOC值直接通过I/O口控制燃料电池系统输出直流高压线上的第一继电器K1的闭合和断开，根据平稳运行、下坡、减速、停车等实际车况或停车充电等情况控制充电控制器与高压配电器之间的第二继电器K2的闭合和断开，在燃料电池系统启动时根据燃料电池电堆是否处于低温状态控制钛酸锂电池组与燃料电池辅助系统温控子系统之间的第三继电器K3的闭合和断开；另一方面通过CAN网络通讯线与燃料电池系统中的燃料电池控制器、单向DC/DC控制器、充电控制器、钛酸锂动力电池系统中的
电池管理系统、高压配电器以及电机控制器进行通讯，以协调和控制动力系统中每个关键部件的运行和工作，实现对整个动力系统的控制和管理。
[0035] 所述电动汽车的运行状态包括钥匙启动信号、
加速踏板信号、制动踏板信号。
[0036] 所述整车控制器VCU还用于采集燃料电池系统、钛酸锂动力电池系统、单向DC/DC变换器、充电控制器、高压配电器、电机控制器的信号并且采集电动汽车的运行状态信号。
[0037] 燃料电池系统用于当所述第一继电器闭合、第二继电器和第三继电器断开时向单向DC/DC变换器输出电能、以及当所述第三级电器闭合、第一继电器和第二继电器断开时接收钛酸锂动力电池系统输出的电能进行系统预热；
[0038] 具体地，所述燃料电池系统为质子交换膜燃料电池系统，包括质子交换膜燃料电池电堆、质子交换膜燃料电池辅助系统和质子交换膜燃料电池控制器；
[0039] 所述质子交换膜燃料电池电堆为由若干个质子交换膜燃料电池单体串联而成的堆栈；
[0040] 所述质子交换膜燃料电池单体包括
膜电极组件(MEA)、
石墨或超薄金属双极板，两端的质子交换膜燃料电池单体外侧紧贴气体分配集流板刻有流道的一侧，气体分配集流板的另一侧(未刻流道)贴合导电集流板，导电集流板外侧贴合电堆紧固端板，并由紧固
螺栓将依次叠放的若干个质子交换膜燃料电池单体和气体分配集流板、导电集流板和电堆紧固端板紧固从而形成质子交换膜燃料电池电堆。
[0041] 所述质子交换膜燃料电池辅助系统包括氢气子系统、空气子系统和温控子系统，并与质子交换膜燃料电池电堆进行气液双向流的交互；
[0042] 所述氢气子系统包括储氢罐、氢气压力
传感器、氢气调节
阀、氢气减压阀、氢气
加湿器、入口温度传感器、氢气压力表、
压力传感器、氢气排放
电磁阀、氢
循环泵、补水箱及补水泵；其中，氢气压力传感器用于测试储氢罐内的压力，氢气调节阀和氢气减压阀用于调节和稳定进入氢气加湿器中的气压，氢气加湿器、入口温度传感器、氢气压力表、压力传感器用于调节进入燃料电池堆的氢气压力和温度，氢气排放电磁阀定时排放未利用的氢气并由氢
循环泵将未利用的氢气通过氢气加湿器回收以实现氢气的充分利用，当加湿器水位不足时补水泵从补水箱抽水为加湿器补水。
[0043] 所述空气子系统包括滤清器、空气增湿器、空气
压缩机、气压表、空气入口温度传感器、压力传感器及空气出口温度传感器等；空气经滤清器滤出固体颗粒等杂质后进入增湿器增湿，然后由空气压缩机将滤净增湿后的空气压入质子交换膜燃料电池电堆；空气入口温度传感器和压力传感器用于测量质子交换膜燃料电池电堆空气入口处的空气温度和压力，空气出口温度传感器用于测量质子交换膜燃料电池电堆空气出口处的温度，出口处排放的空气经空气增湿器回收水汽后排出。
[0044] 所述温控子系统包括
循环水箱、循环水泵、冷却水压力表、冷却水
散热器、冷却水加热器、冷却水压力传感器、冷却水入口温度传感器和冷却水出口温度传感器；循环水泵用于输送循环水箱中的冷却水至冷却水
散热器，冷却水加热器用于低温环境下电加热循环冷却水进入燃料电池堆实现电堆的低温启动，冷却水压力传感器用于显示进入散热器的冷却水压力，冷却水压力表用于显示散热后的冷却水进入燃料电池电堆前的水压，入口温度传感器和出口温度传感器用于测量燃料电池电堆入口和出口的水温，然后冷却水又回收至循环水箱开始下一轮
水循环。
[0045] 所述质子交换膜燃料电池控制器用于获得质子交换膜燃料电池电堆的电压、电流、压力、温度，接收整车控制器VCU的控制信号经由质子交换膜燃料电池辅助系统控制进入质子交换膜燃料电池电堆的氢气和空气的量从而产生电能，并通过控制温控子系统对质子交换膜燃料电池电堆进行热管理，以确保质子交换膜燃料电池电堆在各种温度环境中的正常启动及在发电过程中的安全可靠运行。
[0046] 单向DC/DC变换器用于将所述燃料电池系统输出的电能变换后输出至充电控制器；
[0047] 具体地，所述单向DC/DC变换器包括单向DC/DC拓扑变换和单向DC/DC控制器，质子交换膜燃料电池系统输出的电能通过单向DC/DC变换器的变换并通过充电控制器为钛酸锂动力电池组进行可控充电，充电功率的大小则由整车控制器VCU通过CAN总线发给单向DC/DC控制器给定电流的数值进行控制。
[0048] 充电控制器用于将所述单向DC/DC变换器变换后的电能以及电机动力回馈或外接充电设备经由高压配电器的电能输出至钛酸锂动力电池系统；
[0049] 具体地，所述充电控制器用于对正在充电的钛酸锂电池进行精细化控制及过压
过热等附加保护，并通过CAN总线与整车控制器VCU进行信息交互。
[0050] 钛酸锂动力电池系统用于所述充电控制器对输入的电能进行存储并且按需向高压配电器输出电能；还用于当所述第三继电器闭合、第一继电器和第二继电器断开时，对所述燃料电池系统进行供电加热；
[0051] 具体地，所述钛酸锂动力电池系统包括钛酸锂电池组和电池管理系统BMS；
[0052] 所述的钛酸锂电池组为电动汽车在各工况下行驶所需电力的唯一输出口并接受燃料电池、外接充电设备及动力回馈的电能，在低温环境中为燃料电池辅助系统的温控子系统的冷却水加热器提供电能为燃料电池电堆预热升温以实现电堆的
冷启动；
[0053] 所述电池管理系统BMS用于获取钛酸锂电池组的荷电状态SOC值、电压、电流及温度等信息，当检测到钛酸锂电量不足时则通过CAN总线发送给整车控制器，而整车控制器则通过CAN总线向燃料电池控制器、单向DC/DC控制器发送命令并闭合继电器启动燃料电池系统为钛酸锂电池组进行充电。
[0054] 高压配电器用于向电机控制器、燃料电池系统、整车控制器VCU、单向DC/DC变换器、充电控制器分配电能；还用于当第二继电器闭合、第一继电器和第三继电器断开时，向所述充电控制器输出电能；
[0055] 具体地，所述高压配电器为直流高压能量流的输入输出分配单元，它一方面接收钛酸锂电池组传输过来的直流高压能量流进行分配输出，主要为电机控制器输送直流高压电能，如图2所示，另一部分为燃料电池辅助系统高压器件和电动转向、电动打气、电
空调等车载用电设备以及通过DC/DC变换为整车控制器VCU、充电控制器、高压配电器、电机控制器、车载低压用电元器件等各个控制部件或管理部件配电，此外在燃料电池系统启动和工作时将钛酸锂电池组输出的电能经由DC/DC变换后为燃料电池辅助系统的氢气循环泵、空气压缩机、增湿器、散热
风扇、水泵、电磁阀、传感器等电气件供电；另一方面接收电动汽车制动时的动力回馈能量或外部充电设备输送过来的电能输送到充电控制器为钛酸锂电池组充电。
[0056] 电机控制器用于控制驱动电机。
[0057] 具体地，所述电机控制器和驱动电机用于将高压配电器配送过来的电能转化为机械能，实现对整车的驱动及行驶。
[0058] 进一步地，所述燃料电池系统的输出端通过第一继电器K1与单向DC/DC变换器的输入端连接，单向DC/DC变换器的输出端与充电控制器的一个输入端连接，充电控制器的另一个输入端通过第二继电器K2与高压配电器的一个输出端连接，充电控制器的输出端与钛酸锂动力电池系统中的钛酸锂电池组的充电输入端连接，钛酸锂电池组的一个放电输出端通过第三继电器K3与燃料电池辅助系统的温控子系统中的冷却水加热器连接，所述钛酸锂电池组的另一个放电输出端与高压配电器的一个输入端连接，所述高压配电器的另一个输入端与外接充电接口连接，所述高压配电器的另一个输出端与电机控制器的输入端连接，所述电机控制器的三相输出端与驱动电机连接；所述整车控制器VCU通过I/O口直接控制K1、K2和K3，还通过CAN网络通讯线与燃料电池系统中的燃料电池控制器、单向DC/DC控制器、充电控制器、钛酸锂动力电池系统中的电池管理系统、高压配电器以及电机控制器进行通讯，所述整车控制器VCU协调和控制动力系统中每个关键部件的运行和工作。
[0059] 进一步，该系统还包括充电接口，所述充电接口与高压配电器连接，用于接收外部充电设备输出的电能；
[0060] 所述高压配电器，还用于将通过充电接口接收的电能输出到充电控制器。
[0061] 本发明以高功率密度的钛酸锂动力电池系统为车载动力输出源，以高能量密度的质子交换膜燃料电池系统作为“移动充电桩”通过控制系统经由DC/DC变换器为钛酸锂动力电池充电，从而大幅提升电动汽车的续驶里程并从根本上规避燃料电池作为动力输出源所面临的车载动工况下频繁变载对燃料电池系统的冲击，进而有效保障燃料电池的可靠性、耐久性及长寿命，此外还可有效降低整个动力系统的成本。
[0062] 本发明实施例还提供一种基于燃料电池的电动汽车动力系统的控制方法，如图3所示，该方法为：当整车控制器VCU获取钥匙启动信号并且钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于启动区间时，所述整车控制器VCU控制第一继电器、第二继电器和第三继电器断开，所述钛酸锂动力电池系统的放电电流经由高压配电器分配进入电机控制器，所述电机控制器控制驱动电机，电动汽车开始启动行驶；当所述钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于充电区间时，所述整车控制器VCU控制第一继电器闭合、第二继电器和第三继电器断开，所述燃料电池系统向钛酸锂动力电池系统进行实时充电；当所述钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于停止充电区间时，所述整车控制器VCU控制第一继电器断开。
[0063] 当所述钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于充电区间时，所述整车控制器VCU控制第一继电器闭合、第二继电器和第三继电器断开，所述燃料电池系统向钛酸锂动力电池系统进行实时充电；
[0064] 具体地，所述整车控制器VCU通过CAN总线向燃料电池系统的燃料电池控制器发送燃料电池启动信号同时通过I/O口直接控制第一继电器K1闭合，并通过对单向DC/DC变换器给定电流的控制来控制燃料电池系统的输出功率；所述燃料电池控制器则根据获得燃料电池电堆的
输出电压、电流、压力、温度等信息，控制燃料电池辅助系统中的氢气电磁阀、氢气减压阀、空气压缩机电机
频率、增湿器的转速、散热风扇的启停及转速、冷却水泵的启停以确保燃料电池电堆按照要求的功率进行稳定输出和安全可靠的运行，从而为钛酸锂电池组进行在线充电。
[0065] 当所述钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于停止充电区间时，所述整车控制器VCU控制第一继电器断开；
[0066] 具体地，所述整车控制器VCU通过CAN总线向燃料电池系统的燃料电池控制器发送燃料电池关闭信号同时通过I/O口直接控制第一继电器K1断开，从而停止对钛酸锂电池组充电。
[0067] 所述荷电状态SOC值的启动区间为100％＞SOCO≥35％，充电区间为0％≤SOCC≤40％，停止充电区间为100％≥SOCS≥90％。
[0068] 进一步地，该方法还包括：所述整车控制器VCU获取钥匙启动信号后通过CAN总线获知各部件状态均正常时，同时获取钛酸锂电池组的荷电状态SOC值处于启动区间及电池组状态(电压、电流及温度)正常，符合启动要求则通过CAN总线给高压配电器和电机控制器发送导通信号，则钛酸锂电池组放电电流经由高压配电器分配进入电机控制器，电机控制器控制驱动电机，电动汽车开始启动行驶。
[0069] 当所述整车控制器VCU获取钥匙启动信号、所述钛酸锂动力电池系统的荷电状态SOC值处于充电区间并且所述燃料电池系统的温度低于低温设定区时，所述整车控制器VCU控制第三继电器闭合、第一继电器和第二继电器断开，所述钛酸锂动力电池系统向燃料电池系统进行供电加热，直至所述燃料电池系统的温度高于低温设定区时，所述整车控制器VCU控制第一继电器闭合、第二继电器和第三继电器断开，所述燃料电池系统向钛酸锂动力电池系统进行实时充电。
[0070] 具体地，所述整车控制器VCU则通过I/O口直接控制第三继电器K3闭合，所述钛酸锂电池组开始为燃料电池辅助系统中温控子系统的冷却水加热器供电，冷却水加热器开始为冷却水加热以对燃料电池电堆进行预热升温；当所述燃料电池控制器检测到燃料电池电堆温度升至设低温定区间以上时启动燃料电池电堆开始为钛酸锂电池组充电，并通过CAN总线反馈给整车控制器VCU，所述整车控制器VCU则通过I/O口直接控制第三继电器K3断开，所述冷却水加热器停止工作。
[0071] 所述燃料电池系统的低温设定区间为0℃＞TL≥-40℃。
[0072] 当电动汽车停放在有充电设备的区域时，将充电枪插入外接充电接口中，所述整车控制器VCU控制第二继电器闭合、第一继电器和第三继电器断开，外接电流经由充电控制器为钛酸锂电池组进行外接充电。
[0073] 具体地，所述整车控制器VCU通过I/O口直接控制继电器K2闭合继电器K1、K2断开，外接电流经由充电控制器为钛酸锂电池组进行外接充电。
[0074] 当电动汽车下坡、减速、停车时，所述整车控制器VCU控制第二继电器闭合、第一继电器和第三继电器断开，并且向电机控制器、高压配电器和充电控制器发送信号将电动汽车制动的动力回馈能量转化成电能经由充电控制器充入钛酸锂动力电池系统中，实现能量的高效利用和回收。
[0075] 进一步地，在电动汽车启动和行驶过程中，钛酸锂动力电池组还为系统提供启动电力；在电动汽车行驶过程中，所述整车控制器VCU通过CAN总线向高压配电器发送使能信号将钛酸锂电池组输出的电能经由高压配电器的分配为电动转向、电动打气、电空调以及通过DC/DC变换为各个控制部件或管理部件配电；在所述燃料电池系统启动和运行时，所述整车控制器VCU通过CAN总线向高压配电器发送使能信号将钛酸锂电池组输出的电能经由DC/DC变换后为燃料电池辅助系统的氢气循环泵、空气压缩机、增湿器、散热风扇、水泵、电磁阀、传感器等电气件配电。
[0076] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
