CN102555765B

CN102555765B - 一种燃料电池-锂离子电池混合动力系统

Info

Publication number: CN102555765B
Application number: CN201210038662.9A
Authority: CN
Inventors: 廖世军; 夏建伟; 李小凤; 李慧琪; 曾建皇; 江沿源; 郭文杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: CN102555765A

Abstract

本发明提供一种燃料电池-锂离子电池混合动力系统，包括燃料电池子系统、锂电池子系统、充电控制子系统、智能混合电源管理系统，电机及电机控制系统；本发明以燃料电池为主要工作电源，锂离子电池组为辅助电源，解决了纯燃料电池汽车燃料电池寿命缩短以及能量不能回收的问题，以及纯锂离子电动汽车充电时间长、连续大电流放电可能出现的燃烧爆炸、以及衰减及自放电问题，可以有效延长燃料电池和锂离子电池使用寿命，降低动力系统成本，提高可靠性和安全性，实现能量回收，是解决电动汽车动力源问题的一种很好的方案。

Description

一种燃料电池-锂离子电池混合动力系统

技术领域

本发明涉及燃料电池汽车的动力系统，具体涉及一种燃料电池-锂离子电池混合动力系统。

背景技术

众所周知，第一代动力系统蒸汽机和第二代动力系统内燃机消耗了大量不可再生的化石能源资源，且造成了严重的环境污染。人类社会的可持续发展问题正面临严峻挑战。根据国际能源机构预测，随着经济的发展、社会的进步和人口的增长，全世界的能源消耗在今后二十年至少增加一倍。如果没有新型的能源动力，世界将从目前的能源短缺很快走向能源枯竭。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成了十分紧迫的任务。而燃料电池汽车被普遍认为是可以同时解决能源问题和环境问题的绿色环保汽车，是今后汽车发展的主要方向之一。

目前，铅酸电池、镍氢电池或者锂离子电池作为动力源，各有不同的缺点。例如，使用铅酸电池时，电池容量低，电池使用寿命短；使用镍氢或锂离子电池时成本高、续航里程短（一般为几十公里至100多公里）等。此外使用这些电池时都存在电池衰减及自放电严重、充电时间长（一般6小时左右）、电池热管理困难、过充过放造成电池损坏及安全隐患等缺点，这在一定程度上制约了以二次电池为电源的汽车的发展。

燃料电池汽车续航里程可达400公里以上，燃料加注可在5－10分钟之内完成。然而，单独使用燃料电池作为动力的汽车存在成本过高的问题，汽车频繁的变载使得燃料电池的使用寿命过短，这些因素也同样制约着燃料电池电动汽车的发展。

燃料电池汽车通常使用小功率的锂离子电池组作为启动电源，燃料电池作为汽车运行时的驱动电源，由于汽车的频繁变载，使得燃料电池的寿命缩短；为了解决这一问题，人们设计了各种燃料电池增程汽车和燃料电池混合动力汽车。

燃料电池增程汽车是以燃料作为车辆行驶的主要能源，汽油为备用能源。在一辆燃料电池增程汽车行驶时，车辆全程由燃料电池系统来驱动的，在行驶距离较短的情况下，汽车的行驶仅仅依靠车载燃料电池组提供的能量来完成；而在相对较长的行驶距离情况下，可以由内燃机提供额外的能量来驱动车辆。但是燃料电池增程汽车具有明显的缺点：当燃料电池增程汽车行驶时，由燃料电池单独提供动力，汽车频繁的变载会导致燃料电池寿命大大缩短；当燃料不足时，内燃机系统启动，需要用汽油驱动，虽然能大大提高汽车的续航里程，但同时会有一定的环境污染物排放。而且由于存在内燃机和燃料电池两套发电系统，价格高昂。

中国专利ZL200610011555.1报道了“一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统”，该动力系统主要包括：由燃料电池堆、燃料电池辅助设备和燃料电池检测控制装置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等。其优点主要有：（1）采用较小容量的燃料电池系统，因此成本较低，运行较为可靠；（2）能较好地实现混合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；（3）由于混合动力系统中，燃料电池提供稳定的功率输出，大大延长燃料电池的使用寿命；（4）蓄电池可以在汽车停库存放状态下进行充电，加大了整车的续航里程，并保证了整车运行的可靠性，该车中燃料电池系统和蓄电池组的输出功率为1：1。如果燃料电池的功率太小的话，就可能存在动力不足而造成运行不稳定的情况，如果功率较大的话，则蓄电池的功率也同样较大，这样会存在蓄电池成本增高的问题，该专利中缺少燃料电池主动力技术的关键参数。

中国专利ZL200610155955.X公开了“混合动力汽车的燃料电池动力系统”。该发明报道的动力系统由驱动电机和电机控制器构成的驱动系统组成，锂离子蓄电池与驱动系统相连；燃料电池发动机包括燃料电池发动机控制器和燃料电池堆，燃料电池发动机经由DC/DC变换器与驱动系统相连。锂离子蓄电池、燃料电池发动机控制器和DC/DC变换器通过光纤CAN控制线与整车控制器相连。该发明缺少对燃料电池运行时的关键数据描述。

专利申请文件200410101812.1申请了“一种燃料电池汽车混合动力系统”，该系统由燃料电池子系统、蓄电池子系统、功率二极管、双向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器和电机控制器组成。该动力系统虽然避免了燃料电池和蓄电池各自的缺点，但是没有给出汽车能量回收和燃料电池富于电力回收机制。

国外也有燃料电池混合动力汽车的报道，如美国专利US7810595报道了一种燃料电池混合动力汽车，该电动汽车由燃料电池系统、蓄电池、空气压缩器、超级电容器、DC/DC交换器、制动电阻器、控制器和驱动电机等组成。该燃料电池混合电动汽车有安全可靠、电池寿命长等优点，但增加超级电容器等附件较大的增加了汽车本身的成本，而且使能源管理更加困难。

这些燃料电池混合动力电动汽车倾向于使用较大容量的燃料电池和小容量的二次电池组，这种组合存在明显的缺点：小容量的辅助动力不足以实现有效的调峰和回收能量，不足以保障燃料电池系统的平稳运行和保障燃料电池的长寿命；也不能实现汽车和燃料电池富余能量的回收。

发明内容

为解决现有相关技术的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池-锂离子电池混合动力系统，为电动汽车提供一种性能优良的新型动力系统，为建设资源节约型、环境友好型社会提供一种价格更优、质量更高的混合电动汽车，降低电池成本、延长电池使用寿命。

本发明采用的技术方案：

一种燃料电池-锂离子电池混合动力系统包括电机控制系统，由燃料电池堆、燃料电池辅助设备、燃料电池检测控制装置构成的燃料电池子系统，由锂离子电池组和锂离子电池控制装置组成的锂电池子系统，由DC/DC变换器、充电控制器、可控硅、继电器构成的充电控制子系统，以及智能混合电源管理系统；

其中燃料电池检测控制装置的输出端分别与燃料电池辅助设备的输入端及燃料电池堆的输入端连接，锂离子电池控制装置与锂离子电池组的输入端连接，并且燃料电池堆的输出端和锂离子电池组的输出端分别通过继电器和可控硅与DC-DC变换器的输入端连接，DC-DC变换器的输出端再分别与电机控制系统的输入端和充电控制器的输入端连接，充电控制器的输出端再与锂离子电池组连接，电机控制系统的输出端再与电机连接；

智能混合电源管理系统分别与燃料电池检测控制装置、锂离子电池控制装置、继电器、可控硅以及充电控制器连接，以实现对燃料电池堆和锂离子电池组的电源管理。

进一步的，本发明的混合动力系统还包括电机及发电机，其中电机控制系统与电机连接，发电机与充电控制器连接。

智能混合电源管理系统由燃料电池控制系统、锂离子电源控制系统、混合电源协调控制系统，以及能量回收系统构成

所述燃料电池堆与锂离子电池组的配置为1KW:1.0KWH～1KW:1.8KWH。

所述燃料电池堆为常（微）压（气体压力小于10KPa）电池堆；所使用膜电极为免增湿膜电极，因此对于氢气和空气既可增湿，也可不增湿。

本发明的控制系统包括智能混合电源管理系统和电机控制系统。智能混合电源管理系统保证本发明混合动力系统的平稳运行，所述智能混合电源管理系统除对燃料电池堆和锂离子电池组这两种电源系统实行总体管理和监测，根据汽车运行状况及能量需求，为汽车提供最佳的供电方案和能量回收方案外，还可以提供关于燃料电池检测控制装置、锂离子电池控制装置和充电控制器的运行信息及参数。

电机控制系统则对汽车的整体运行状况进行管理。

在本发明的混合动力系统中，采用燃料电池作为主要动力源。汽车一般情况下运行时主要由燃料电池系统提供电力；锂离子电池作为辅助动力源，主要起调峰、增容、回收能量的作用。当汽车加速、上坡时，锂离子电池作为辅助电池提供电力；汽车下坡、减速时，锂离子电池组通过充电的方式回收燃料电池的富余电能；还可通过两种电池同时工作的方式，提高汽车的能量容量和续航里程，其中燃料电池堆的最大可输出功率与锂离子电池组的最大可输出功率之比为1:0.1～1:0.7。本发明的混合动力系统充分结合了燃料电池和锂离子电池的优点，从而提高动力系统的可靠性、延长燃料电池和锂离子电池的使用寿命，同时可满足汽车能量回收等方面的要求。

上述燃料电池子系统为高度稳定的免增湿质子交换膜燃料电池系统，该系统可在燃料和氧化剂气体完全不增湿的情况下运行，能量转换效率可高达60%；燃料电池可连续长时间（8小时以上）稳定工作；每平方厘米铂载量低于0.5mg。

智能混合电源管理系统能够保证在高负载（汽车加速、爬坡等）情况下，锂离子电池能够迅速介入工作；通过在两种电池之间设置合适的电压差（10－20V）, 使得在低负载（汽车下坡、减速、怠速）的情况下，燃料电池富余的电能能够充入锂离子电池组，实现了电能的有效回收和100％利用；并且保证了燃料电池的负载不会随着汽车的状态变化而出现频繁变化的情况，有效延长了燃料电池的使用寿命。

在本发明的混合动力系统中，锂离子电池组还承担了启动电池的功能，在系统启动时，为系统提供启动电力。

当燃料电池堆启动后，切换到由燃料电池堆给整车系统提供动力。

当汽车平稳行驶时， DC/DC转换器正向工作，燃料电池堆产生的一部分能量提供给自身的燃料电池辅助设备，其余能量则通过DC/DC转换器传递给电机带动汽车行驶。

当汽车加速或爬坡时，汽车负载增加，燃料电池堆的输出电流增大，电压降低，智能混合电源管理系统控制系统检测到这种变化时，会通过可控硅适时补充锂离子电池组的电力给汽车，实现两种电池的同步输出。

当汽车车辆怠速、下坡或减速时，随着汽车负载的减小，燃料电池的输出电流减小，输出电压上升；智能混合电源管理系统检测到这种变化时，会停止锂离子电池组的供电，并且会适时启动充电控制系统，将发电机产生的电能和燃料电池的富余电能充入锂离子电池组。实现能量的高效利用和回收。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）可有效延长燃料电池和锂离子电池的使用寿命

单独将燃料电池用作汽车动力时，频繁的变载会使得燃料电池的使用寿命下降；同时，能量回收也无法得到实现。采用本发明的混合动力方案后，燃料电池可基本保持在稳定负荷下工作，汽车启动、爬坡、加速过程所需要的额外电力可由锂离子电池提供；而汽车怠速、下坡等时，燃料电池的富余电能可充入锂离子电池。

在本发明中，由于采用双电混合模式，锂离子电池作为辅助动力系统可有效降低汽车在变载过程中对燃料电池的依赖和要求，始终保持燃料电池在恒定输出功率下运行，避免负载响应过度，从而有效地解决了燃料电池汽车由于频繁变载引起的寿命缩短的问题，可大幅度提高其运行寿命。同时，由于燃料电池在运行时输出电力相对平稳，锂离子电池不会存在过流放电和深度放电，因此可以大大提高锂离子电池的使用寿命；

（2）降低动力系统的成本

本发明在汽车变载时采用锂离子电池进行电力供应，大大降低了对燃料电池系统本身的要求，因此可大幅简化燃料电池控制系统，降低燃料电池的制作和控制成本。

（3）锂离子电池的高成本制约着其作为独立的车用动力系统的大规模应用，本发明采用相对较小容量的锂离子电池作为发动机的辅助能源系统，可满足启动、加速和能量回收等需求，故在本方案中锂离子电池的成本也相对较低。

（4）可大大提高电动汽车的可靠性和安全性

本发明使用燃料电池和锂离子电池双电源，汽车的可靠性将会大大提高，同时，由于锂离子电池只是短时间间歇工作，不会由于过热、过放电而出现安全方面的问题。

（5）可实现能量回收，大大降低汽车的运行成本

本发明采用燃料电池-锂离子电池混合动力驱动，可有效回收燃料电池在汽车怠速、下坡、减速时的富余电力，通过锂离子电池储存起来，并作为汽车启动、爬坡、加速时所需的额外动力。在车轮处加装发电机，还可回收汽车下坡时的动力。因此本发明实现最大限度的能量回收，进而实现运行时能耗最低，以此降低运行成本。

附图说明

图1是本发明燃料电池-锂离子电池混合动力系统的结构图；

图2是应用本发明燃料电池-锂离子电池混合动力系统的汽车负载变化示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的燃料电池-锂离子电池混合动力系统的结构图，该混合动力系统包括电机控制系统、电机、发电机，由燃料电池堆、燃料电池辅助设备、燃料电池检测控制装置构成的燃料电池子系统，由锂离子电池组和锂离子电池控制装置组成的锂电池子系统，由DC/DC变换器、充电控制器、可控硅、继电器构成的充电控制子系统，以及智能混合电源管理系统；

其中燃料电池检测控制装置的输出端分别与燃料电池辅助设备的输入端及燃料电池堆的输入端连接，锂离子电池控制装置与锂离子电池组的输入端连接，并且燃料电池堆的输出端和锂离子电池组的输出端分别通过继电器和可控硅与DC-DC变换器的输入端连接，DC-DC变换器的输出端再分别与电机控制系统的输入端和充电控制器的输入端连接，充电控制器的输出端再与锂离子电池组连接，电机控制系统的输出端再与电机连接；电机控制系统与电机连接，发电机与充电控制器连接。

智能混合电源管理系统分别与燃料电池检测控制装置、锂离子电池控制装置、继电器、可控硅以及充电控制器连接，以实现对燃料电池堆电源堆和锂离子电池组电源的管理和监测。该智能混合电源管理系统由燃料电池控制系统、锂离子电源控制系统、混合电源协调控制系统，以及能量回收系统构成。

所述燃料电池堆包括电极、石墨双极板、气体分配集流板、导电集流母板、电堆紧固端板组。电池堆的主要技术参数：功率密度（0.35W/cm²）、能量输出效率(大于92％)、稳定性（单次连续运行时间超过8小时）等指标均达到国际先进水平；解决了燃料电池水热管理困难和稳定性不够高的问题，实现了燃料电池的高度稳定运行。

所述燃料电池子系统包括燃料电池堆、燃料电池辅助设备和燃料电池检测控制装置。

燃料电池辅助设备由氢气供应装置、空气供应装置和冷却水循环及散热装置构成，其主要目的是为燃料电池堆提供所需的燃料、氧气及冷却液。

所述氢气供给装置包括储氢罐、氢气压力传感器PT1、氢气调节阀、氢气减压阀、氢气加湿器、入口温度传感器TT1、氢气压力表PI2、压力传感器PT2、氢气排放电磁阀、氢循环泵、补水箱及补水泵；氢气压力传感器PT1位于储氢罐和氢气电磁阀之间，用于测试储氢罐内的压力，氢气电磁阀连接氢气调压阀，共同调节和稳定进入氢气加湿器中的气压；氢气加湿器和燃料电池堆入口处之间分别连接压力表PI2、温度控制器TT1和压力传感器PT2，共同调节进入燃料电池堆的氢气压力和温度，燃料电池堆的氢气出口处连接有氢气排放电磁阀，以便定时排放未利用的氢气，并由氢循环泵将未利用的氢气通过氢气加湿器回收，实现氢气的充分利用。

氢气加湿器上有水位显示器LT，当水位小于规定水位后，就由控制器控制补水泵工作，从补水箱中抽出一定量的水到氢气加湿器，保证氢气加湿器正常工作；当氢气加湿器需要换水时，可以打开氢气加湿器底部的排放阀排空氢气加湿器。

所述冷却水循环及散热装置包括依次连接的循环水箱、循环水泵、冷却水压力表PI3、冷却水散热器、冷却水压力传感器PT4、冷却水入口温度传感器TT4及冷却水出口温度传感器TT5。循环水泵将循环水箱中的冷却水输送到冷却水散热器，冷却水压力传感器PT4位于循环水泵和冷却水散热器之间，用于显示进入散热器的冷却水压力，散热后的冷却水进入电池堆前由冷却水压力表PI3显示水压，并由入口温度传感器TT4和出口温度传感器TT5分别测量电池堆入口和出口的水温，然后冷却水又回收至循环水箱开始下一轮水循环。

所述空气供给装置包括依次连接的滤清器、空气增湿器、空气鼓风机、气压表PI1、空气入口温度传感器TT2、压力传感器PT3及空气出口温度传感器TT3等。空气经滤清器滤出固体颗粒等杂质后，再经增湿器增湿，然后由电机带动空气鼓风机将增湿后的空气鼓入燃料电池堆，并由温度传感器TT2和压力传感器PT3测量燃料电池堆空气入口处的空气温度和压力；燃料电池堆空气出口处的温度由温度传感器TT3感应，出口处排放的空气经空气增湿器回收水汽后排出。空气鼓风机的压力接近常压，氢气运行压力不超过0.5bar，因此，燃料电池堆运行安全可靠。由于采用鼓风机，发电系统自身消耗功率极小，因此系统发电效率高，能达到50%左右的能量利用效率。

单电池巡检元件对燃料电池堆中单电池安全检测以确保燃料电池堆在安全的状态下运行；在氢气供应装置中，根据对堆输出电流大小的检测，来控制氢气供给的电磁阀和调压阀，并定时控制氢气出口排放电磁阀；氢气增湿器中水位的高低由水位传感器LT检测，并控制补水泵的启停。在空气供应装置中，随着燃料电池堆输出电流的变化来控制空气鼓风机的起停和电机频率；并根据燃料电池堆空气入口和出口的温度或压力的变化，来调节和控制增湿器的转速。在冷却水循环及散热装置中，根据对冷却水入口和出口温度的检测，来控制散热风扇的启闭及转速，并根据对冷却水压力的检测，来控制冷却水泵的起停。

燃料电池检测与控制装置是由燃料电池检测部件和燃料电池控制部件组成。燃料电池检测部件主要包括电压检测、电流检测、温度检测、压力检测和单电池检测等检测元件。燃料电池控制系统主要通过温度传感器、压力传感器等检测元件的检测信息的处理，来实现对燃料电池子系统的控制。

在氢气供应装置中，根据对燃料电池堆输出电流大小的检测，来控制氢气供给的氢气电磁阀和氢气调压阀，并定时控制氢气排放电磁阀；氢气增湿器中水位的高低由水位传感器LT检测，并控制补水泵的启停。在空气供应装置中，随着电堆输出电流的变化来控制空气鼓风机的起停和电机频率；并根据燃料电池堆空气入口和出口的温度或压力的变化，来调节和控制增湿器的转速。在冷却水循环及散热装置中，根据对冷却水入口和出口温度的检测，来控制散热风扇的启闭及转速，并根据对冷却水压力的检测，来控制冷却水泵的起停。

汽车启动时由锂离子电池组提供启动动力，，启动燃料电池系统；当车辆平稳行驶时，由燃料电池子系统提供电机驱动控制系统和自身系统运行能量；当车辆加速或爬坡等情况时，锂离子电池开启，提供给系统变载荷所需的能量；当车辆怠速、下坡或减速时，可以将燃料电池产生的富余电力通过锂离子电池进行充电储存，以达到节能的效果。而当燃料电池出现故障或燃料用尽时，可以通过锂离子电池为整车提供动力，以保障混合动力系统平稳运行，提高整个系统的稳定性。

图2为应用本发明燃料电池-锂离子电池混合动力系统后的车负载变化示意图，燃料电池提供平稳的动力，而变载情况则由锂离子电池承担，这样既能简化燃料电池控制系统的难度，也可排除因变载导致燃料电池寿命降低的情况。燃料电池基本保持在稳定负荷下工作，汽车启动、爬坡、加速过程所需要的额外电力由锂离子电池提供；而汽车怠速、下坡等时，燃料电池的富裕电可充入锂离子电池。

Claims

1.一种燃料电池-锂离子电池混合动力系统，包括电机控制系统；其特征在于还包括由燃料电池堆、燃料电池辅助设备、燃料电池检测控制装置构成的燃料电池子系统，由锂离子电池组和锂离子电池控制装置组成的锂电池子系统，由DC-DC变换器、充电控制器、可控硅、继电器构成的充电控制子系统，以及智能混合电源管理系统；

智能混合电源管理系统分别与燃料电池检测控制装置、锂离子电池控制装置、继电器、可控硅以及充电控制器连接。

2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于还包括电机及发电机，其中电机控制系统与电机连接，发电机与充电控制器连接。

3.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于所述燃料电池堆与锂离子电池组的配置为1KW:1.0KWH～1KW:1.8KWH，燃料电池堆与锂离子电池组的最大可输出功率的比例为1:0.1～1:0.7。

4.根据权利要求3所述的混合动力系统，其特征在于所述燃料电池堆为气体压力小于100KPa的常压或微压电堆，该电堆使用的膜电极为免增湿膜电极。