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二次电池输出不足?丰田这样保证充沛动力输出

时间:  2019-09-17 14:33  来源:  燃料电池专利情报   作者:  网络转载

燃料电池电电混动是通过控制燃料电池、二次电池、控制单元以及电机等部件的协同作用,快速响应车辆不同工况下的功率需求。其中二次电池在电电混动过程中起到了至关重要的作用,不仅能够提升动力输出响应速度,还能大大提高能量利用率。

然而在车辆实际运转过程中,不可避免地会出现一些造成二次电池功率输出不足的情况,如二次电池SOC(即荷电状态,反映电池的剩余容量)过低、低温、二次电池故障等。而燃料电池功率调节速度较慢,在燃料电池功率不能及时响应整车功率需求的情况下,二次电池为整车的驱动系统和燃料电池辅助设备(如氢气泵、空压机、水泵、加热器等)提供电能。因此,若二次电池输出功率不足,则会在整车加速过程等功率需求较大的情况下,不能向燃料电池系统辅助设备提供充足电力,导致空压机转速难以迅速提升并向燃料电池提供充足的氧化剂气体,最终使得燃料电池无法迅速响应整车的高功率需求。在这种情况下,驾驶员会明显感到车辆的加速性能下降,影响驾驶体验。

为了解决上述问题,丰田提供了至少两种解决思路,其中一种解决思路是提高怠速工况下的燃料电池动力系统输出功率,即让燃料电池怠速工况下的功率输出高于维持该工况下系统运转所需的功率,并将多余的电力消耗或储存,然后在控制系统接收到加速指令时,将这部分多余的电力用于加速工况下的系统需求,这样就可以在二次电池不能正常运转的情况下,快速响应车辆的加速请求(JP2017085694A,JP2018074901A);另一种解决思路是通过直接提高燃料电池空气系统的加速响应速度,来提升燃料电池电力输出的响应速度,从而解决车辆的动力响应速度(JP2018074901A)。

基于上述第一种解决思路,丰田在专利中至少提到了2种解决方案,第一是将燃料电池怠速过程中的功率输出提高并用于辅助设备消耗,并在加速启动时将上述功率输出转移为车辆的实时动力需求,以此来提高加速时的功率输出(JP2017085694A)。第二是将燃料电池怠速过程的功率输出提高并存储到指定电容中,从而提高加速时的功率输出(JP2018074901A)。

其中,JP2017085694A的解决方案具体为:在判断电池故障后,断开二次电池和动力系统之间的连接,并在怠速工况下,使得车辆燃料电池动力系统辅助设备以高于怠速需求的功率Pg1运转,并将燃料电池输出的功率Pg1全部用于辅助设备的功率消耗Pa1,当接收到加速信息时,燃料电池动力系统减少辅助设备的功率消耗至Pa2,这样就能够直接为驱动电机输出(Pa1-Pa2)的功率,使得驱动电机的功率需求得到快速响应,从而消除蓄电池故障带来的动力系统响应延迟问题。

  图1 怠速状态下的燃料电池功率输出分布图

  图2 加速工况下的燃料电池功率输出分布图

JP2017085694A还指出不同功率与控制系统接收指令值(油门大小)大致的对应关系(参见图3):燃料电池功率输出为Pa,驱动电机所需功率输出为Pm,在指令值M处于0-M1代表上述控制过程的怠速工况,此时燃料电池的电力输出对应Pa1,当指令值大于M1的加速工况时,燃料电池输出功率随着M增大而增大;驱动电机所需电力输出Pm在MTh时,Pm随着M的增大而增大。M1对应的Pa1大于维持空转辅助设备所需最小功率Pa min,且小于辅助设备可消耗最大功率Pa max。

  图3 指令值M(加速踏板的踩下量)与功率供需关系示意图

此外,JP2018074901A中提到了在二次电池SOC低或者低温情况下,不能在加速工况下保障空压机的加速功率,燃料电池的功率提升会延迟,驱动电机动力响应也会变慢,还可能会影响二次电池的使用寿命。JP2018074901A通过在燃料电池动力系统中设置电容器来存储燃料电池怠速阶段输出的多余的电力。参考附图4,在检测到二次电池供电无法维持空压机加速工况所需功率最低需求时,利用燃料电池发电将电容器保持在增压状态(如650v);收到加速指令后,利用电容器提供的电力输出来保证空压机的加速运转,确保动力响应速度。

  图4  JP2018074901A系统关系拓扑图

JP2018074901A中还提到了解决加速响应问题的第二个解决思路,就是将怠速工况下的空压机转速保持在高响应状态,并通过对空压机旁通阀的控制来提高空气系统在加速过程中的响应速度,从而提高车辆动力响应速度。参见图5,在检测到二次电池供电无法维持空压机加速工况所需功率最低需求时,利用燃料电池对空压机供电,并将燃料电池空气阀门Va、Vb、Vc全部打开,保证空压机MG1的转速与要求车辆加速时所需转速大致相同,当收到加速请求时,控制系统通过关闭旁通阀Vc或减小旁通阀Vc的开度来调节供应到燃料电池的空气量,这样既可以保证加速阶段空压机的正常运转,增加燃料电池的发电量,保障动力响应速度。
 

  图5 燃料电池空气循环系统

 

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