燃料电池混合动力汽车混合动力结构及方案

燃料电池由于其特性曲线较软的特点,不适宜作为电动汽车的唯一驱动能源,必须采取辅助能源与之配合,才能构成整个燃料电池电动汽车的动力系统。而动力蓄电池由于其各方面都具有成为车载辅助能源的优势,完全能与燃料电池匹配构成多能源动力系统为整车提供能量。

1.不同的连接结构

由于燃料电池和辅助动力电源提供的都是电功率,它们将各自的功率输出到直流母线上,然后通过电动机带动传动系。它是一个并联的系统,在并联方案上也有很多不同的拓扑结构。

(1)镍氢蓄电池组并联直连混合方案。

燃料电池经单向DC/DC变换器后与Ni－MH电池组直接并联,并通过电动机控制器为电动机提供能量,如图8-7所示。

图8-7　镍氢蓄电池组并联直连混合方案

控制方案一般采用功率取电方式,通过相应工况下的踏板信号给定负荷的功率需求,是单向的DC/DC斩波控制燃料电池的输出功率,并与镍氢电池组并联,共同向电动机供电。引入的单向DC/DC变换器,将燃料电池的输出电压和系统电压分开,功率母线上的电压可以设定较高,一方面在固定输出功率下可以降低驱动系统电流值,有利于延长各功率器件的寿命;

另一方面更高的系统电压可以充分满足动力电池的充电需要。更重要的是单向DC/DC的引入可以有效地解决燃料电池输出电压受功率变化影响较大的缺点。

(2)并联混合方案。

该方案在前一方案的基础上,在镍氢电池组与直流母线间也增加了一个双向DC/DC转换器,对辅助能源的输出加以控制,这是考虑了镍氢电池组特性后为使其安全稳定工作的改进方案,如图8-8所示。

图8-8　主辅能量均通过DC/DC转换器并联混合方案

此方案仍采用功率取电方式工作,因此并未对上一方案的缺点有实质的改进,并且增加了一套双向DC/DC转换器,降低了镍氢电池组的能量转换效率,同时也增加了系统开发的成本。

(3)燃料电池并联直连混合方案。

该方案的燃料电池与电动机控制器之间的能量是单向流动的,镍氢电池的输出能量可以通过能量管理单元输送到母线上。电动机回馈能量通过能量管理单元后由镍氢电池组吸收,如图8-9所示。

图8-9　燃料电池并联直连混合方案

这种方案利用能量管理单元中的主要部件双向功率变换器来实现控制,从成本及其拓扑结构的复杂程度以及工程实现上来说,不如镍氢蓄电池组并联直连混合方案对控制策略修改更加方便,对系统的设计、改造更加高效。

2.能量控制系统组成

由于燃料电池混合动力汽车运行的实际情况,在控制方面有一些特殊的要求,从能量(功率)流的角度出发,燃料电池混合动力汽车能量流控制系统的工作原理如图8-10所示。

能量管理系统主要由能量流控制器、燃料电池、Ni－MH电池组、DC/DC变换器和CAN总线等几个主要部分组成。图8-10中粗线箭头表示能量流动的方向,粗实线为CAN总线通信网络,细实线箭头表示控制信号及输入信号流向,虚线箭头表示再生制动时的能量回馈方向。燃料电池和镍氢电池组采取这种并联的组合结构,既可以让燃料电池长时间、高效、稳定向外供电,又能发挥镍氢蓄电池组响应快、能量回馈容易的特点,以弥补燃料电池由于成本和体积等因素导致最大功率难以提高的不足和无法实现再生能量回收的缺陷。同时也使系统结构简单明了,有利于进一步开发和利用。

图8-10　燃料电池混合动力汽车能量流控制系统的工作原理框图

3.CAN总线

如果把上述能量流控制器比作人的“大脑”,那么CAN总线就是人的“中枢神经”,大部分控制命令和状态信息都要通过CAN总线传送和接收。

控制区域网络(Controller Area Network,CAN)属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行控制网络。CAN总线是为了解决汽车监控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字信号通信协议,它属于总线式串行通信网络。由于采用了许多新技术和独特的设计思想,与同类产品相比,CAN总线在数据通信方面具有可靠、实时和灵活的优点,在汽车电气系统以及其他一些实时控制单元中得到了广泛的应用。

CAN总线的主要特点:①CAN总线为多主总线,网络上的任意节点在任意时刻都可以主动地向其他节点发送信息,不分主次,方式灵活;②通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤等,非常方便快捷;③CAN支持优先级处理,网络节点依据优先权进行总线访问,以满足和协调不同的实时性要求;④基于优先权的无破坏性仲裁,按优先级高低顺序通信,节省总线冲突仲裁时间,避免网络瘫痪;⑤通信速率最高可达1Mb/s(40m),最长传递距离达10km(速率≤5kb/s);⑥网络节点目前可达110个,报文标识符2032种,扩展标准中报文标志符几乎不受限制;⑦短帧数据结构,传输时间短、抗干扰能力强、检错效果好,网络节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能,脱离网络。

CAN总线自诞生之后就被广泛地应用于工业控制领域,特别是在汽车行业中,有着特殊的优越性:CAN总线可以很方便地将分布于汽车内不同位置的检测模块所采集到的信息送给中央处理器进行处理,中央处理器可以方便地通过CAN总线向各控制节点发送控制命令,实现对整车的控制;将CAN总线应用于汽车控制系统中,有利于促进系统的智能化,提高其可靠性,以获得较好的性价比。基于CAN总线的控制系统已经被BMW、福特等世界上多家大型汽车制造商所采用的,CAN总线已经成为当今车辆控制系统发展的潮流与趋势。