CN100404306C - 一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统，属燃料电池汽车研发技术领域。电堆输出端通过功率二极管阳极与单向DC/DC变换器输入端相连接；蓄电池组输出端和单向DC/DC变换器输出端相连接，同时接在电机控制器输入端上；燃料电池辅助设备输入端和24VDC/DC变换器输入端通过开关K₁接在功率二极管阴极，同时通过另一个开关K₂接在单向DC/DC变换器输出端；系统先由蓄电池组启动，正常工作后由燃料电池系统为整个系统提供动力。本发明控制燃料电池系统输出功率平缓跟踪负载的变化；延长了燃料电池系统使用寿命；燃料电池系统和蓄电池组的额定输出功率相同，降低了成本，加大燃料电池汽车续驶里程，提高了系统运行的可靠性和效率。

Description

一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统技术领域本发明涉及一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统，属于燃料电池汽车研发技术领域。 背景技术二十世纪九十年代以来，全球的石油危机以及大气污染使汽车的节能与环保性能日益得 到重视，虽然发动机的电控技术和三元催化等排气净化技术的应用，使汽车的排放和油耗已 经很低，但未能从根本上解决汽车排污和能源问题。燃料电池汽车由于其安静、高效和零排 放等优良性能被广泛认为是未来汽车工业的发展趋势。面对存在于能源环境问题和汽车工业 发展之间的尖锐矛盾，国家"十五"863计划专门设立了燃料电池轿车和燃料电池城市客车 的项目，燃料电池汽车的研发己经成为推动我国汽车工业实现跨越式发展的重大举措。燃料 电池汽车动力系统的相关技术是燃料电池汽车研发技术领域内的关键技术之一。燃料电池动力系统是燃料电池汽车的核心部分，是决定燃料电池汽车整车性能的关键， 也是其不同于传统内燃机汽车、蓄电池电动汽车以及油-电混合动力汽车的重要标志。 一般来说，燃料电池汽车的动力系统主要由燃料电池系统（包括燃料电池电堆、燃料电池辅助设备 以及燃料电池控制器等）、蓄电池组（或超级电容）及其管理系统、电机及其电机控制器以及 电力电子装置（如DC/DC变换器、逆变器、电子开关等）等组成。它使用高效（工作效率可 达40%以上）、清洁（排放物为洁净的水）的燃料电池系统替代了效率较低且工作时会产生 污染物排放的内燃发动机，并辅助以可以充放电的辅助动力装置——蓄电池组（或超级电容 等），弥补了燃料电池系统峰值功率输出能力差、动态响应慢以及不能回收制动能量等缺陷。 因此，这样的燃料电池混合动力系统被广泛认为是未来汽车的理想的动力系统之一。目前的技术关键在于，如何确定燃料电池混合动力系统的结构方式以及如何确定作为主 动力源的燃料电池系统和作为辅助动力源的蓄电池组（或超级电容）的输出功率大小和功率 分配方式。图1和图2为目前国内外各汽车厂商和研究机构常采用的混合动力系统结构方式。图l是现有的一种燃料电池汽车混合动力系统结构图。对于图l:燃料电池系统之后连 接单向的DC/DC变换器，而后与电机控制器相连接，通过电机控制器驱动电机工作；在单向 DC/DC变换器与电机控制器相连接的直流母线上，并接蓄电池组。在这种动力系统结构中， 燃料电池系统作为主要的动力来源，而蓄电池组作为辅助动力装置，在动力系统启动之前， 蓄电池组为燃料电池辅助设备、24V蓄电池和各个控制部件或管理部件提供的电能，而动力 系统启动后，燃料电池系供的电能要流经单向DC/DC变换器，由于单向DC/DC变换器存在着能量损失，因此会降低整 个动力系统的工作效率。同时，与燃料电池辅助设备、24V蓄电池和各个控制部件或管理部 件的供电不经过单向DC/DC变换器而直接由燃料电池系统提供的情况相比，单向DC/DC变换 器的功率容量就必须做的要大的多，导致它的体积、重量以及造价也会大的多。图2是现有的另外一种燃料电池汽车混合动力系统结构图。对于图2:燃料电池系统之 后连接双向的DC/DC变换器，而后与电机控制器相连接，通过电机控制器驱动电机工作；在 双向DC/DC变换器与电机控制器相连接的直流母线上，并接蓄电池组。在这种动力系统结构 中，燃料电池系统作为主要的动力来源，而蓄电池组作为辅助动力装置，在动力系统启动之 前，蓄电池组通过双向DC/DC变换器为燃料电池辅助设备、24V蓄电池和各个控制部件或管 理部件提供的电能，而动力系统启动后，燃料电池系统直接为燃料电池辅助设备、24V蓄电 池和各个控制部件或管理部件提供的电能。在动力系统启动过程中，蓄电池组（或超级电容) 通过双向DC/DC变换器为燃料电池辅助设备、24V蓄电池和各个控制部件或管理部件提供的 电能在双向DC/DC变换器产生一定的损失，会降低整个动力系统的工作效率。同时，双向DC/DC 变换器技术难度较大，成本也较高。目前，国内外各汽车厂商和研究机构倾向于在燃料电池汽车混合动力系统中使用大容量 燃料电池系统，而辅助以小容量的蓄电池组，这样做带来的后果是，由于燃料电池系统的成 本过高而使整个动力系统乃至整车成本较高。同时，当燃料电池系统出现故障的时候，小容 量的蓄电池组不足以长时间驱动整车运行，使燃料电池汽车的可靠行降低。另外，大容量燃 料电池系统的制造工艺和生产技术要求较高，从一定程度上也限制了燃料电池汽车的发展。发明内容本发明的目的是为了提供一种燃料电池汽车的混合动力系统。这种动力系统将采用燃料 电池系统作为主动力源，蓄电池组作为辅助动力源，实现两个动力源之间功率和能量的合理 分配。为了达到上述目的，本发明的解决方案是：提供一种以质子交换膜燃料电池系统为主动 力源，蓄电池组为辅助动力源，电机及其控制器为驱动装置的能量混合型燃料电池汽车混合 动力系统。本发明采用功率容量适当燃料电池系统和蓄电池组的方案，二者的额定输出功率 相等。一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统，该动力系统包括：由燃料电池电堆、燃料电 池辅助设备和燃料电池控制器组成的燃料电池系统，由蓄电池组、蓄电池管理系统组成的蓄 电池系统、由电机和电机控制器组成的电机驱动系统以及功率二极管、单向DC/DC变换器、 24VDC/DC变换器、24V蓄电池和整车控制器；燃料电池系统的电堆输出端连接功率二极管阳极； 二极管阴极与单向DC/DC变换器的输入端相连接；蓄电池组输出端和单向DC/DC变换器的输出端相连接，共同接在电机控制器输入端上； 电机控制器的输出端连接电机；单向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器输出端、24V蓄电 池、燃料电池控制器、电机控制器、蓄电池管理系统及整车控制器具有电气连接， 其特征在于，该动力系统包括两个开关；燃料电池辅助设备的输入端和24VDC/DC变换器的输入端通过一个开关接在功率二极管 的阴极，同时通过另外一个开关接在单向DC/DC变换器的输出端。动力系统中的燃料电池控制器、单向DC/DC变换器、电机控制器及蓄电池管理系统、开 关K和K2分别通过CAN网络连接整车控制器，整车控制器协调和控制动力系统中每个关键部 件的运行和工作。为了实现燃料电池系统和蓄电池组的合理功率分配，本发明实现：l)根据蓄电池组的荷 电状态，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输出功率，使其输出 功率平缓的跟踪负载的变化；2)当电机需求最大功率时，燃料电池系统和蓄电池组输出最大 功率；3)当汽车等速行驶或减速行驶时，燃料电池系统根据蓄电池组荷电状态对蓄电池组充 电，以保证蓄电池组荷电状态在一个工况循环前后基本保持相等；4)当汽车制动时，蓄电池 组吸收制动回馈能量；5)当燃料电池系统出现故障时，蓄电池组单独驱动电机工作，并在汽 车停库存放状态下，对蓄电池组进行充电，加大汽车的续驶里程。在整个动力系统启动之初，燃料电池系统不会立即启动，它需要辅助设备现开始工作后 才能启动。此时整车控制器控制开关Id打开、K2闭合，由蓄电池组提供能量启动燃料电池辅 助设备。同时蓄电池组也通过24VDC/DC变换器向24V蓄电池和各个控制部件或管理部件供电， 使这些控制器或管理系统开始工作；燃料电池辅助设备开始工作后，燃料电池系统被启动并 开始正常工作。燃料电池系统以及整个动力系统完成启动过程之后，将由燃料电池系统来为整个动力系 统提供动力，此时整车控制器控制开关K2打开、ld闭合，燃料电池系统为燃料电池辅助设备 提供能量。同时燃料电池系统通过24VDC/DC变换器向24V蓄电池和各个控制部件或管理部件 供电，使这些控制器或管理系统工作。由于此时燃料电池辅助设备和24V蓄电池和各个控制 部件或管理部件所需要能量全部直接来源于燃料电池系统，不经过单向DC/DC变换器，因此 整个动力系统的工作效率会提高。另外，在燃料电池系统发生故障时，整车控制器控制开关Id打开、K2闭合，蓄电池组为 整个动力系统提供动力， 一方面通过电机控制器直接驱动电机，另一方面为24VDC/DC变换器 及24V蓄电池、各个控制部件或管理部件供电。这样就使得在燃料电池系统发生故障时，整个动力系统仍然可以正常运行。由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比有以下优点：1)本发明的能量混合型混合动力系统由于采用较小容量燃料电池系统，因此成本较低，运行较为可靠；2)本发明可以 较好地实现燃料电池汽车动力系统中燃料电池系统和蓄电池组合理的功率和能量分配，同时 由于控制燃料电池输出功率平缓地变化，大大延长燃料电池系统的使用寿命；3)通过对开关 ld、 K2的自动控制，使整个动力系统工作效率较高，从而提高了整车的燃油经济性；4)由于 蓄电池组可以在汽车停库存放状态下进行充电，加大了整车的续驶里程，并保证了整车运行 的可靠性。附图说明图1是现有的一种燃料电池汽车混合动力系统结构示意图。图2是现有的另外一种燃料电池汽车混合动力系统结构示意图图3是本发明提出的能量混合型燃料电池汽车动力系统结构示意图。具体实施方式下面结合附图来说明本发明。图3是本发明提出的能量混合型燃料电池汽车动力系统结构示意图.一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统，该系统包括：由燃料电池电堆、燃料电池辅 助设备和燃料电池控制器组成的燃料电池系统，由蓄电池组、蓄电池管理系统构成的蓄电池 系统、由电机和电机控制器组成的电机驱动系统以及功率二极管、单向DC/DC变换器、 24VDC/DC变换器、24V蓄电池和整车控制器、两个开关；燃料电池系统的电堆输出端连接功 率二极管阳极；二极管阴极与单向DC/DC变换器的输入端相连接；蓄电池组输出端和单向 DC/DC变换器的输出端相连接，共同接在电机控制器输入端上；电机控制器的输出端连接电 机;燃料电池辅助设备的输入端和24VDC/DC变换器的输入端通过一个开关K,接在功率二极管 的阴极，同时通过另一个开关K2接在单向DC/DC变换器的输出端;单向DC/DC变换器、24VDC/DC 变换器输出端、24V蓄电池、燃料电池控制器、电机控制器、蓄电池管理系统及整车控制器 具有电气连接；动力系统中的燃料电池控制器、单向DC/DC变换器、电机控制器及蓄电池管 理系统、开关Ki和K2分别通过CAN网络连接整车控制器，整车控制器协调和控制动力系统中 每个关键部件的运行和工作。参照图3，本发明系统：1) 由燃料电池电堆、燃料电池附属设备和燃料电池控制器组成的燃料电池系统，通过功 率二极管与外面负载相连，保证外部高压不会施加在燃料电池电堆上，保证了燃料电池系统 工作可靠性；2) 本发明所确定动力系统中燃料电池系统和蓄电池组的额定输出功率相等；燃料电池系统的输出功率平缓地跟踪负载需求变化，借此来缓冲复杂的工况对燃料电池系统 的冲击；4) 蓄电池组输出端、单向DC/DC变换器输出端和电机控制器输入端连接在一起，保证燃 料电池系统输出能量通过单向DC/DC变换器和蓄电池组输出能量进行混合，共同用来驱动电 机；5) 电机与电机控制器输出侧相连，用来将电能转化为机械能，驱动车辆；6) 燃料电池辅助设备、24VDC/DC变换器通过K,与单向DC/DC变换器输入侧相连，通过 1(2与单向DC/DC变换器输出侧相连，通过K,和K2自动互锁切换完成供电电源的转换；7) 整车控制器通过CAN总线和燃料电池控制器、单向DC/DC变换器、蓄电池管理系统、 电机控制器、开关K,和K2相连。整车控制器根据动力系统启动状态控制开关K,和K2的开关状 态，根据司机的钥匙信号来启动或关闭动力系统，同时根据加速踏板信号和制动踏板信号， 输出电机的转矩需求信号，并根据电机控制器通过CAN送回的转速信号，得到电机的功率需 求。应用此功率需求信号，通过给定单向DC/DC变换器输出电流信号来合理分配燃料电池系 统和蓄电池组的输出功率和能量，并保证燃料电池系统输出功率平缓地变化，同时蓄电池组 荷电状态在一个完整工况前后基本保持不变。本发明成本较低，较好地实现燃料电池汽车动力系统中燃料电池系统和蓄电池组合理的 功率和能量分配，由于控制燃料电池输出功率平缓地变化，大大延长燃料电池系统的使用寿 命；通过对开关K,、 K2的自动控制，使整个动力系统工作效率较高，提高了整车的燃油经济 性，可靠性高。

Claims (3)

1. 一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统，该动力系统包括：由燃料电池电堆、燃料电池辅助设备和燃料电池控制器组成的燃料电池系统，由蓄电池组、蓄电池管理系统组成的蓄电池系统、由电机和电机控制器组成的电机驱动系统以及功率二极管、单向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器、24V蓄电池和整车控制器；燃料电池系统的电堆输出端连接功率二极管阳极；二极管阴极与单向DC/DC变换器的输入端相连接；蓄电池组输出端和单向DC/DC变换器的输出端相连接，共同接在电机控制器输入端上；电机控制器的输出端连接电机；单向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器输出端、24V蓄电池、燃料电池控制器、电机控制器、蓄电池管理系统及整车控制器具有电气连接，其特征在于，该动力系统包括两个开关； 燃料电池辅助设备的输入端和24VDC/DC变换器的输入端通过一个开关接在功率二极管的阴极，同时通过另外一个开关接在单向DC/DC变换器的输出端。

2、 根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统，其特征在于，所述 燃料电池控制器、单向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器、电机控制器、两个开关及蓄电池管 理系统分别通过CAN网络连接整车控制器。

3、 根据权利要求l所述的一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统，其特征在于，所述 燃料电池系统和蓄电池组额定输出功率相等。