專利名稱：燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)，尤其是一種基于CAN(控制器局域網(wǎng)絡)的分布式控制系統(tǒng)。
燃料電池發(fā)動機技術是燃料電池電動汽車的核心技術之一，本說明書中所說的燃料電池發(fā)動機是指包括燃料電池堆、燃料電池發(fā)動機輔助支持系統(tǒng)以及燃料電池發(fā)動機控制器在內(nèi)的可以獨立運轉(zhuǎn)輸出期望電功率的電能供應部件。
現(xiàn)有的燃料電池電動汽車，其零部件如燃料電池，蓄電池，電動機等，性能已經(jīng)有了很大的提高，能提供基本滿足要求的可實際裝車使用的產(chǎn)品，但卻比較缺乏從整車應用角度出發(fā)來組裝成一個完善的汽車動力控制系統(tǒng)，缺乏一個合理的系統(tǒng)結構來配置使用這些零部件。
為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是一種燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)，它包括有能源子系統(tǒng)和電機驅(qū)動子系統(tǒng)，上述兩子系統(tǒng)間通過直流母線進行電能傳輸，所述能源子系統(tǒng)中設有能源管理器、燃料電池發(fā)動機和動力蓄電池組，所述燃料電池發(fā)動機、動力蓄電池組中均內(nèi)嵌有CAN通訊控制器，所述能源管理器分別與燃料電池發(fā)動機、動力蓄電池組中的CAN通訊控制器相連接；所述電機驅(qū)動子系統(tǒng)由車輛管理器和一帶有電機控制器的驅(qū)動電機組成，車輛管理器與驅(qū)動電機的電機控制器相連接。
所述能源子系統(tǒng)中還設有內(nèi)嵌CAN通訊控制器的DC/DC變換器；所述能源子系統(tǒng)中還設有超級電容器。
能源子系統(tǒng)從能量轉(zhuǎn)化的角度看，主要是完成電能的輸出和存儲，所以該子系統(tǒng)至少包含一個燃料電池發(fā)動機部件和一個動力蓄電池組，燃料電池發(fā)動機將儲存在所選燃料內(nèi)的化學能經(jīng)過燃料電池堆及輔助系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電能輸出到直流母線上；動力蓄電池組能夠完成電能量的高效率存儲和釋放，因此可以在必要的時候提供附加的電功率輸出或臨時存儲一定的電能，從而與燃料電池發(fā)動機一起保證能源子系統(tǒng)期望的性能指標。
由于燃料電池發(fā)動機的輸出特性與動力蓄電池的輸出特性相差較大，因此根據(jù)實際需要，能源子系統(tǒng)還可以包括一個DC/DC變換器部件。
另外，因為超級電容器在效率和功率密度等方面與蓄電池相比具有一定的優(yōu)勢，因此可以根據(jù)性能優(yōu)化的需要，根據(jù)實際部件性能指標適當選配超級電容，與燃料電池發(fā)動機、動力蓄電池一起構成優(yōu)化的燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)的能源子系統(tǒng)。
能源子系統(tǒng)的控制核心是能源管理器，它與燃料電池發(fā)動機、動力蓄電池組、DC/DC變換器等部件的專屬控制器共同組成分布式控制系統(tǒng)，其中專屬控制器中內(nèi)嵌有上述CAN通訊控制器，根據(jù)電機驅(qū)動子系統(tǒng)的電功率輸出/存儲需求，提供相應的功率輸出和存儲能力。
電機驅(qū)動子系統(tǒng)從能量轉(zhuǎn)化的角度看，主要是完成電能與機械能之間的相互轉(zhuǎn)換，在驅(qū)動模式下，驅(qū)動電機將直流母線上由能源子系統(tǒng)提供的電功率轉(zhuǎn)化為機械功率輸出到車輪上；在回饋制動模式下，整車的動能經(jīng)過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)換成電能，通過直流母線輸送回能源子系統(tǒng)存儲。
電機驅(qū)動子系統(tǒng)的核心控制器是車輛管理器，它綜合考慮駕駛員的操縱指令、整車運行狀態(tài)和能源子系統(tǒng)的狀態(tài)信息，控制電機驅(qū)動控制器，使整車達到所期望的動力性和經(jīng)濟性指標。
由于采取了上述的方案，本實用新型與現(xiàn)有技術相比所具有的優(yōu)點是
由于本實用新型采用模塊化設計，將燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)分為能源子系統(tǒng)與電機驅(qū)動子系統(tǒng)兩大部分，且兩子系統(tǒng)能通過直流母線傳輸電能，該系統(tǒng)結構使得動力控制系統(tǒng)設計和實現(xiàn)更加模塊化和靈活，能夠更為合理地配置使用其各零部件，充分地發(fā)揮其零部件的性能，使動力系統(tǒng)設計得到進一步優(yōu)化，為通用合理的動力控制系統(tǒng)結構。
由于燃料電池發(fā)動機12的輸出特性與動力蓄電池組13的輸出特性相差較大，因此根據(jù)實際需要，能源子系統(tǒng)1還可以包括一個DC/DC(直流/直流)變換器14部件。
另外，因為超級電容器在效率和功率密度等方面與蓄電池相比具有一定的優(yōu)勢，因此可以根據(jù)性能優(yōu)化的需要，根據(jù)實際部件性能指標適當選配超級電容器15，與燃料電池發(fā)動機、動力蓄電池一起構成優(yōu)化的燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)的能源子系統(tǒng)。
如圖2所示，在上述燃料電池電動汽車動力控制系統(tǒng)中，廣泛用到CAN控制器局域網(wǎng)絡進行通信。根據(jù)動力系統(tǒng)的結構特點，對CAN網(wǎng)絡的拓撲結構進行了優(yōu)化，分別構成電能供應子網(wǎng)和動力控制系統(tǒng)主網(wǎng)。其中電能供應子網(wǎng)是電能供應子系統(tǒng)中包括燃料電池控制器121、蓄電池控制器131、DC/DC控制器141和能源管理器11間相互通信的內(nèi)部網(wǎng)絡；而能源管理器11、車輛管理器21、電機控制器221以及顯示系統(tǒng)控制器3之間同樣通過CAN控制器局域網(wǎng)絡進行通信，它們共同構成動力控制系統(tǒng)主網(wǎng)；而如有需要，動力控制系統(tǒng)主網(wǎng)可以通過專門的CAN通訊網(wǎng)橋4連入到更上一級的車身局域網(wǎng)中，與其他車載控制單元相連接。
采用這樣的網(wǎng)絡拓撲結構主要出與兩點考慮1、充分利用CAN網(wǎng)絡通訊的優(yōu)點；2、保證控制系統(tǒng)的實時性要求。
所以，在控制網(wǎng)絡中，將控制部件較多、交流信息多、且有一定實現(xiàn)性要求的能源子系統(tǒng)單獨組成一級子網(wǎng)，而部件很少的電機子系統(tǒng)沒有再獨立組網(wǎng)，從而構成一主一子的兩級CAN總線通訊局域網(wǎng)。分布在系統(tǒng)中的各級控制器通過上述拓撲結構的CAN局域網(wǎng)相連后，一起構成了一個基于CAN控制器局域網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)。上述網(wǎng)絡拓撲結構符合整個燃料電池轎車動力分布式控制的需求，在保證拓撲結構合理的同時具有很好的可擴充性和模塊化特征。
本實用新型燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)的工作原理和形成過程是按將一定的功率配比，選定燃料電池發(fā)動機12及動力蓄電池組13，組成系統(tǒng)的電-電混合供能裝置。在組合時，可以選擇大功率的燃料電池發(fā)動機12搭配小功率的動力蓄電池組13，組成以燃料電池發(fā)動機12為主能源，以動力蓄電池組13為動態(tài)緩沖及回收吸能裝置的供能方案；或大功率動力蓄電池組13搭配小功率的燃料電池發(fā)動機12，以動力蓄電池組13為主能源，以燃料電池發(fā)動機12為充電機的供能方案。如有需要時，在系統(tǒng)中配置DC/DC變換器14，將燃料電池發(fā)動機12的輸出通過DC/DC變換器14調(diào)節(jié)后，再與動力蓄電池組13輸出相并聯(lián)，聯(lián)合供電。必要時，還可配置超級電容器15作為二級能源動態(tài)緩沖調(diào)節(jié)裝置。上述各能源裝置各含一專屬控制器，直接控制部件的運行。
在部件自身控制的基礎上，由能源管理器11，總體上控制各個能源裝置的協(xié)調(diào)運行。能源管理器11并不直接控制各部件，而是通過向各部件的專屬控制器發(fā)出一定的控制指令或控制信息來間接干預各裝置的工作。每個控制器內(nèi)部均內(nèi)嵌CAN通訊控制器，相互之間的信息和指令交流通過CAN總線通訊來完成，構成電能供應子網(wǎng)。上述各部件和CAN網(wǎng)絡一起構成了獨立的能源子系統(tǒng)；該子系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的信息流接口為能源管理器的CAN通訊接口，而能量流接口為與電機相連的直流母線。
按整車設計要求選定驅(qū)動電機22，該驅(qū)動電機22自帶一個電機控制器221；車輛管理器21與驅(qū)動電機22一起構成電機驅(qū)動子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)直接為車輛提供源驅(qū)動力矩及一部分源制動力矩；電機控制器221接受車輛管理器21的指令并直接控制驅(qū)動電機22的運行，同時向車輛管理器21反回控制所需的當前電機運行狀況信息。
車輛管理器21的主要功能在于1、接受司機操縱機構的輸出指令并加以處理；2、與能源管理器協(xié)同工作，實現(xiàn)動力系統(tǒng)的功率平衡及能源的合理使用；3、在綜合司機指令和能源子系統(tǒng)當前狀態(tài)等信息后，對電機控制器發(fā)出控制指令。
電機控制器221、車輛管理器21、能源管理器11以及顯示系統(tǒng)控制器3接在同一個CAN局域網(wǎng)上，組成動力控制系統(tǒng)主網(wǎng)；上述車輛管理器21與電機控制器221間的控制信息交流便是通過這一局域網(wǎng)來完成的。同時，能源管理器11、車輛管理器21還通過這一網(wǎng)絡，向顯示系統(tǒng)發(fā)送司機需了解的當前動力系統(tǒng)運行狀況有關信息，及向車輛檢測系統(tǒng)發(fā)送有關檢測信息等。如有需要，引入CAN通訊網(wǎng)橋4，提供動力控制系統(tǒng)局域網(wǎng)與上一級車身局域網(wǎng)信息交流的途徑。該功能也可集成在車輛管理器內(nèi)。
總之，通過上述方式構成的動力系統(tǒng)總成，在能量流上，由能源子系統(tǒng)向電機驅(qū)動子系統(tǒng)提供所需能源，電機驅(qū)動子系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機械能后，向傳動機構及驅(qū)動車輪輸出汽車行駛的源驅(qū)動力矩；或從傳動機構及驅(qū)動車輪獲得機械能，將其轉(zhuǎn)化為電能后，回饋給能源子系統(tǒng)；在控制信息流上，司機直接向車輛管理器發(fā)出操作指令，再由車輛管理器協(xié)同能源管理器完成對動力系統(tǒng)的總體控制，確保整個動力系統(tǒng)的正常動行，從而滿足整車動力性及經(jīng)濟性的要求。
權利要求1.一種燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)，其特征在于它包括有能源子系統(tǒng)(1)和電機驅(qū)動子系統(tǒng)(2)，上述兩子系統(tǒng)間通過直流母線進行電能傳輸，所述能源子系統(tǒng)中設有能源管理器(11)、燃料電池發(fā)動機(12)和動力蓄電池組(13)，所述燃料電池發(fā)動機(12)、動力蓄電池組(13)中均內(nèi)嵌有CAN通訊控制器，所述能源管理器(11)分別與燃料電池發(fā)動機(12)、動力蓄電池組(13)中的CAN通訊控制器相連接；所述電機驅(qū)動子系統(tǒng)(2)由車輛管理器(21)和一帶有電機控制器(221)的驅(qū)動電機(22)組成，車輛管理器(21)與驅(qū)動電機(22)的電機控制器(221)相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)，其特征在于所述能源子系統(tǒng)(1)中還設有內(nèi)嵌CAN通訊控制器的DC/DC變換器(14)。
3.根據(jù)權利要求2所述燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)，其特征在于所述能源子系統(tǒng)(1)中還設有超級電容器(15)。
專利摘要本實用新型公開了一種燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)，它包括有能源子系統(tǒng)(1)和電機驅(qū)動子系統(tǒng)(2)，上述兩子系統(tǒng)間通過直流母線進行電能傳輸，所述能源子系統(tǒng)中設有能源管理器(11)、燃料電池發(fā)動機(12)和動力蓄電池組(13)，所述能源管理器分別與燃料電池發(fā)動機、動力蓄電池組中的CAN通訊控制器相連接；所述電機驅(qū)動子系統(tǒng)由車輛管理器(21)和一帶有電機控制器(221)的驅(qū)動電機(22)組成，車輛管理器(21)與所述電機控制器(221)相連接。本實用新型燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)，采用模塊化設計，能夠合理配置使用其各零部件，充分地發(fā)揮其零部件的性能，為一通用優(yōu)化的動力控制系統(tǒng)結構。
文檔編號B60K1/00GK2586604SQ02261400
公開日2003年11月19日 申請日期2002年11月7日 優(yōu)先權日2002年11月7日
發(fā)明者萬鋼, 孫澤昌, 余卓平, 鐘再敏, 魏學澤, 錢進 申請人:上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司, 萬鋼