[发明专利]一种基于辅助能源系统的氢能汽车燃料电池能量管理系统

权利要求书

1.一种基于辅助能源系统的氢能汽车燃料电池能量管理系统，包括：整车控制器VCU、电驱动系统EDU、辅助能源系统和氢燃料电池系统FCU，所述辅助能源系统、氢燃料电池系统FCU、电驱动系统EDU和整车控制器VCU采集各自的数据信息后，通过CAN通讯网络，进行相关系统或模块之间的信息传递，其特征在于：

所述电驱动系统EDU包括电机控制器MCU和电机；

所述辅助能源系统包括电池管理系统BMS或超级电容系统SCMS，其中，在所述辅助能源系统为超级电容系统SCMS时，用于根据超级电容的电量、当前超级电容的单节电容信息，以及其衰减系数，计算出超级电容的可充、放电功率；在所述辅助能源系统为电池管理系统BMS时，用于根据BMS系统中包括的动力电池的电量、当前动力电池的单节电池信息，以及其衰减系数，计算出动力电池的可充、放电功率；

所述电机控制器MCU用于获取电机的转速，并响应VCU的目标扭矩；

所述整车控制器VCU用于通过CAN总线获取到电机的转速，以及辅助能源系统的可充、放电功率数据，一方面根据得到车内油门踏板开度、刹车踏板开度、电机控制器MCU采集到的电机转速，以及电机和电机控制器MCU的系统效率，计算出电机的目标扭矩和EDU的需求功率；另一方面，基于EDU的需求功率、辅助能源系统的可充、放电功率，以及燃料电池的性能及响应特性，计算得到氢燃料电池的系统输出功率；

所述氢燃料电池系统FCU包括氢燃料电池反应堆、FCU供气系统、升压DC系统和FCU冷却系统，用于通过CAN总线从整车控制器VCU处获取到氢燃料电池的系统输出功率，进一步控制氢燃料电池系统对外的输出功率，所述氢燃料电池系统对外的输出功率包括驱动电机所需的消耗功率，且控制FCU按照所述氢燃料电池系统的对外输出功率输出；

当所述辅助能源系统为超级电容系统SCMS时，所述辅助能源系统中包括超级电容工作区间分配模块，上述模块用于根据超级电容的单节电容信息，以及超级电容当前的电量和衰减系数，确定超级电容的可充、放电功率；并根据超级电容的当前电量，进行超级电容的工作区间分配；其中，所述工作区间包括充电区间、放电区间、中间区间和纯电区间；

当所述辅助能源系统为动力电池系统BMS时，所述辅助能源系统中包括动力电池工作区间分配模块，上述模块用于根据动力电池的单节电池信息，以及动力电池当前的电量和衰减系数，确定动力电池的可充放电功率；并根据动力电池的当前电量，进行动力电池的工作区间分配；其中，所述工作区间包括充电区间、放电区间、中间区间和纯电区间；其中：

处于充电区间时，所述辅助能源系统的需求功率均为负值；

处于放电区间和纯电区间时，所述辅助能源系统的需求功率均为正值；

处于中间区间时，所述辅助能源系统的需求功率在趋近充电区间区域时为负值，且在趋近放电区间区域时为正值；其中，在辅助能源系统处于中间区间时，其包含两种工作状态，一种是能量补充状态，另一种是高效工作区间状态；

其中，无论在任何分配到的工作区间内，辅助能源系统的需求功率均不超过其对应的可充放电功率；

所述辅助能源系统中还包括工作模式分配模块，用于结合上述四种工作区间，进行辅助能源系统的工作模式分配，其中，包括第一、二、三和四工作模式，所述第一工作模式下，辅助能源系统处于充电区间；所述第二工作模式下，辅助能源系统的动力电池或超级电容处于中间区间；此时，辅助能源系统有两种工作状态：一是动力电池或超级电容电量低于其高效工作电量阈值的工作状态，另一种是动力电池或超级电容的电量高于其高效工作电量阈值的工作状态；其中，高效工作电量阈值为预设值；其中，上述两种工作状态下，氢燃料电池的输出功率的计算流程为：

当超级电容或动力电池的电量低于其高效工作电量阈值时：

此时氢燃料电池的输出功率为其高效工作区间的功率最大值Pe-max，此时约束条件为超级电容或动力电池可充电功率之和＞(氢燃料电池高效工作区间的功率最大值Pe-max-驱动电机需求功率)，否则氢燃料电池的输出功率为超级电容或动力电池可充电功率+驱动电机需求功率；

当超级电容或动力电池的电量高于高效工作电量阈值时：

此时氢燃料电池的输出功率最大为其高效工作区间的最大功率Pe-max，最小为高效区间最小功率Pe-min，当前氢燃料电池的输出功率按照其高效工作电量阈值到放电区间阈值呈阶梯式下降，约束条件为超级电容或动力电池可充电功率＞氢燃料电池输出功率-驱动电机需求功率，否则氢燃料电池的输出功率为超级电容或动力电池可充电功率+驱动电机需求功率；

所述第三工作模式下，辅助能源系统处于放电区间；

所述第四工作模式下，辅助能源系统处于的电量达到预设的纯电区间，进入纯电模式；

在第一工作模式下，氢燃料电池在整车允许的功率范围内以最大功率输出，由其在为电机提供驱动能量的同时，且为辅助能源系统充电；在随着辅助能源系统的电量的提高，其工作模式由第一工作模式跳转至第二工作模式，该模式下，辅助能源系统的电量处于中间区间，当辅助能源系统的电量低于预设的高效工作电量阈值时，将氢燃料电池的输出功率设为其高效工作区间的功率最大值Pe-max；

当前氢燃料电池用于为电机提供驱动能量，且在能量有富余的情况下，其剩余能量用于为辅助能源系统充电；

其他情况下，氢燃料电池发出的最大功率用于驱动电机，且在其能量供应不足的情况下，由辅助能源系统供应能量，且在辅助能源系统的电量低于中间区间时，其工作模式由第二工作模式切换至第一工作模式；

在第二工作模式下，随着持续为辅助能源系统充电，在辅助能源系统的电量大于高效工作电量阈值时，设定燃料电池的功率控制区间，其中，所述功率控制区间以高效工作区间的功率最大值Pe-max作为上限值，以高效工作区间的功率最小值Pe-min作为下限值；将燃料电池的输出功率控制在功率控制区间的范围内，且其输出功率随辅助能源系统的电量增加呈递减趋势；

随着辅助能源系统的电量增加，由第二工作模式切换至第三工作模式，处于第三工作模式下，辅助能源系统的电量将步入放电区间，此时设定燃料电池的输出功率为氢燃料电池的怠速功率；

当所述怠速功率大于驱动电机的消耗功率时，所述氢燃料电池发出的能量一部分用于驱动电机，其余部分用于给辅助能源系统充电；

其他情况下，氢燃料电池发出的怠速功率全部用于驱动电机，且在其能量供应不足的情况下，由辅助能源系统提供能量；其中，在辅助能源系统的电量低于放电区间时，其工作模式由第三工作模式切换至第二工作模式；

在第三工作模式下，当怠速功率大于驱动电机所消耗的功率时，当前辅助能源系统将切换到充电状态，继续由氢燃料电池为辅助能源系统充电，并在辅助能源系统的电量达到纯电区间切换阈值时，控制氢燃料电池下电，当前工作模式将由第三工作模式切换至第四工作模式，进入到纯电区间模式中，在纯电模式下，驱动电机所需的能量将直接由辅助能源系统提供。