CN103227487A - 电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统 - Google Patents

电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统 Download PDF

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本发明公开了一种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,包括一用于管理所述燃料电池系统单元向锂离子电池单元充电及混合动力系统对外供电,并分别与所述燃料电池系统单元、锂离子电池单元进行电连接的能量管理单元。本发明根据实时可靠地钳位燃料电池单元的输出功率,优化燃料电池系统单元的输出性能;结合锂离子电池工作温度实时估算所述锂离子电池单元的欠压浮充充电电压,在确保降低锂离子电池容量损失的基础上避免锂离子电池单元的过充,能够提高所述锂离子电池单元的浮充安全性,进一步提高燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车系统的整车安全性和经济性。

Description

电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统。
背景技术
[0002] 随着人们对绿色出行需求的不断增加和环保意识的不断增强,以轻便灵活、节能环保为特征的燃料电池/锂离子电池电动自行车逐渐进入人们的视野。目前电动自行车配置直流电机的额定电压通常为36V和48V,因而在这种低压直流应用中,燃料电池/锂离子电池混合动力系统的主要制式为在燃料电池级联直流变换器的输出直流总线上挂接锂离子电池组,该直流总线的电压变化范围,即锂离子电池组充放电电压范围与电动自行车电机及其控制器的工作电压范围相匹配。这种混合动力配置形式降低了对燃料电池功率和动态性能的要求,提高了系统效率,同时也降低了燃料电池系统的成本和锂离子电池组充放电管理的成本,改善了供电的灵活性和系统的运行性能。
[0003] 为了在既有混合动力配置形式基础上进一步提高燃料电池/锂离子电池混合动力系统的运行性能,延长燃料电池和锂离子电池组的使用寿命,在燃料电池混合动力电动自行车设计中已提出基于最优功率分配和直接功率跟随的燃料电池/锂离子电池混合动力系统能量管理策略,通过实时采集燃料电池和锂离子电池的运行参数以及自行车的行驶参数等,以最优功率分配或功率实时跟随调整为不同目标,通过对燃料电池级联直流变换器的调整实现燃料电池与锂离子电池组输出功率的动态分配和调整。上述能量管理策略由燃料电池汽车(FCV)能量管理策 略转化而来,需要采集大量参数进行实时运算和参量预测估计,并且需要燃料电池及其级联直流变换器进行耦合控制,因而需要采用额外的高性能的微处理器或微控制器作为系统的控制核心,以提高运算和控制精度,最大限度地优化系统输出,以提高整个电源系统的运行性能。
[0004] 但上述计及燃料电池系统控制器及其辅助外设成本后的能量管理系统控制器复杂度较高,控制器所占空间较大、灵活性较差,并会大幅增加系统的寄生功耗,而且系统控制器集成成本在系统构建成本中所占比例较大,可达20%以上,这都严重制约了燃料电池/锂电池混合动力电动自行车的商业化推广,因而需要在实际的供电系统设计中有效的平衡系统控制性能、功耗和整车成本。考虑到燃料电池系统和锂离子电池本身的相对独立性和燃料电池系统独特的输出特性,并且根据电动自行车的工况特性确定的能量管理策略可以进一步精简,因而燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统可以进行有效的解耦控制,在计及燃料电池输出特性和锂离子电池组充放电特性的基础上,进行合理的能量分配,实现整车系统稳定可靠的运行。
发明内容
[0005] 有鉴于现有技术的以上不足,本发明的目的是为燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车提供一种满足实际运行需求的能量管理系统。该混合动力能量管理系统不仅需要对燃料电池和动力锂离子电池组进行必要的保护,以延长系统的循环使用寿命,并且以集成成本较高的燃料电池系统为核心提高燃料电池的能效;能够根据电动自行车的负载需求和锂离子电池组的充放电状态及其环境特性,以电压前馈钳位技术和锂离子电池欠压浮充技术为基础,动态分配燃料电池和锂离子电池组的功率输出,以满足电动自行车对快速启动和变速性能的要求,确保系统正常、稳定、高效地运行。
[0006] 本发明的目的是通过以下的手段实现的。
[0007] —种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,包括:一燃料电池系统单元接口,该燃料电池系统单元接口用于连接至少包括一燃料电池模块的燃料电池系统单元;一锂离子电池单元接口,该锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互串并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元;其特征在于,所述电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统包括一能量管理单元16,该能量管理单元通过前馈燃料电池系统单元输出电压,实时钳位燃料电池单元输出功率,并对锂离子电池单元进行浮充充电及放电管理;
[0008] 所述能量管理单元16包括:
[0009] 一用于用 于检测并调理所述燃料电池系统单元工作电压的燃料电池系统单元工作电压检测电路172、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电流的锂离子电池单元工作电流检测电路174、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电压的锂离子电池单元工作电压检测电路176 ;
[0010] 一用于加权并前馈所述燃料电池系统单元工作电压检测电路172的检测信号和加权并反馈锂离子电池单元工作电流检测电路174及锂离子电池单元工作电压检测电路176的检测信号于功率控制电路170及信号处理与逻辑控制电路190的信号加权前馈与反馈电路178 ;
[0011] 一受所述信号处理与逻辑控制电路使能并用于管理所述燃料电池系统单元对所述锂离子电池单元充电并向负载供电的功率控制电路170,所述功率控制电路根据所述燃料电池系统单元工作电压检测电路172所得电压信号,经信号加权前馈与反馈电路178实施前馈,并钳位所述燃料电池系统单元的输出功率;
[0012] 一用于控制所述燃料电池/锂离子电池混合动力系统开始或停止对外供电的过放保护电路194 ;
[0013] 一用于控制所述燃料电池系统单元开始或停止对所述锂离子电池充电并对负载供电的输入检测保护与反馈电路192 ;
[0014] 一用于使所述能量管理单元向外放电的第一输出端160和一第二输出端161 ;
[0015] 一用于检测并调理锂离子电池单元工作温度的锂离子电池单元工作温度检测电路 196。
[0016] 一用于根据所述信号加权前馈与反馈电路178的反馈信号及所述锂离子电池单元工作温度检测电路196的反馈信号估计所需荷电状态对应的工作电压并控制所述功率控制电路170、输入检测保护与反馈电路192及过放保护电路194的工作状态的信号处理与逻辑控制电路190。
[0017] 在实际实施时,所述功率控制电路170根据所述燃料电池系统单元工作电压检测电路所得电压信号,经信号加权前馈与反馈电路作用于功率控制电路实施前馈,并钳位所述燃料电池系统单元的输出功率。
[0018] 所述信号处理与逻辑控制电路190通过温度检测电路检测锂离子电池单元的工作温度,设置其放电截止电压并实施实施温度校正;当所述锂离子电池单元的工作电压低于或等于该放电截止电压时,过放保护电路194断开功率控制电路170与第二输出端的电连接,避免锂离子电池过放电;信号处理与逻辑控制电路190实施欠压浮充充电电压校正,当锂离子电池单元的工作电压等于该欠压浮充电压时,所述锂离子电池单元的工作电压被钳位于该欠压浮充电压,由功率控制电路170对锂离子电池单元进行浮充管理,实现燃料电池系统单元与锂离子电池单元同时对外部负载供电,所述欠压浮充电压低于所述锂离子电池单元的浮充电压。
[0019] 所述锂离子电池单元工作电流检测电路174检测锂离子电池单元的充电电流,当锂离子电池单元的充电电流等于其预设定的最大充电电流时,通过信号加权前馈与反馈电路178控制功率控制电路170使锂离子电池单元的充电电流被钳位于该最大充电电流,保证锂离子电池安全充电。
[0020] 所述能量管理单元16包括一用于使所述能量管理单元向外放电的第一输出端和一第二输出端,当所述锂离子电池单元的工作电压高于放电截止电压时,与所述功率控制电路有电连接的锂离子电池单元和燃料电池系统单元通过所述过放保护电路连接至第一输出端,以使所述锂离子电池单元和所述燃料电池系统单元同时向外输电;当所述锂离子电池单元的工作电压低于其放电截止电压时,所述过放保护电路使第一输出端断开能量管理单元与外部电机驱动控制器的电连接,从而使所述能量管理单元停止向外输电。
[0021] 所述锂离子电池单元接口所电连接的锂离子电池可为磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池或锰酸钴锂电池。所述燃料电池系统单元接口所电连接的燃料电池系统可为质子交换膜燃料电池PEMFC系统、碱性燃料电池AFC系统或直接甲醇燃料电池CMFC系统。 [0022] 相较于现有技术,本发明燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,通过所述燃料电池系统单元接口引入输入电压前馈,能够根据实时可靠地钳位燃料电池单元的输出功率,优化燃料电池系统单元的输出性能;此外,根据锂离子电池的充放电特性和浮充特性,结合锂离子电池工作温度实时估算所述锂离子电池单元的欠压浮充充电电压,据此设置的浮充充电电压在确保降低锂离子电池容量损失的基础上能够避免锂离子电池单元的过充,结合所述能量管理单元进一步包括的功率控制电路以其高效的直流-直流转换效率以及对所述锂离子电池单元的浮充管理,能够提高所述锂离子电池单元的浮充安全性,进一步提高燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车系统的整车安全性和经济性。
附图说明
[0023] 图1为本发明实施例提供的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管
[0024] 系统结构示意图
[0025] 图2为本发明实施例提供的基于所述能量管理系统的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统示意图
[0026] 图3为本发明实施例提供的基于所述能量管理系统的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统主视图
[0027] 图4为本发明实施例提供的基于所述能量管理系统的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统后视图
[0028] 图5为本发明实施例提供的基于所述能量管理系统的燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车示意图
[0029] 主要元件符号说明
[0030] 电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统 10
[0031] 电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统 100
[0032] 储氢单元 11
[0033] 燃料电池系统单元 12
[0034] 燃料电池 120
[0035] 燃料电池系统正输出端 122
[0036] 燃料电池系统负输出 端 124
[0037] 锂离子电池单元 14
[0038] 锂离子电池单元正输出端 142
[0039] 锂离子电池单元负输出端 144
[0040] 能量管理单元 16
[0041] 第一输出端 160
[0042] 第二输出端 161
[0043] 燃料电池系统单元接口正输入端 162
[0044] 燃料电池系统单元接口负输入端 164
[0045] 锂离子电池单元接口正输入端 166
[0046] 锂离子电池单元接口负输入端 168
[0047] 功率控制电路 170
[0048] 燃料电池系统单元工作电压检测电路 172
[0049] 锂离子电池单元工作电流检测电路 174
[0050] 锂离子电池单元工作电压检测电路 176
[0051] 信号加权前馈与反馈电路 178
[0052] 信号处理与逻辑控制电路 190
[0053] 输入检测保护与反馈电路 192
[0054] 过放保护电路 194
[0055] 锂离子电池单元工作温度检测电路 196
[0056] 电机驱动控制器 20
[0057] 电机驱动控制器正输入端 22
[0058] 电机驱动控制器负输入端 24
[0059] 电机驱动控制器传感信号输入端 25
[0060] 电机驱动控制器A相驱动输出端 26
[0061] 电机驱动控制器B相驱动输出端 27
[0062] 电机驱动控制器C相驱动输出端 28[0063] 驱动电机 30
[0064] 驱动电机传感信号输出端 32
[0065] 驱动电机传感A相驱动输入端 36
[0066] 驱动电机传感B相驱动输入端 37
[0067] 驱动电机传感C相驱动输入端 38
[0068]框体 40
[0069] 锂离子电池单元独立充电输入端 42
[0070] 电动自行车后衣架 50
[0071] 电动自行车电量检测仪表 60
[0072] 电动自行车电源开关 70
[0073] 燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车 200
具体实施方式
[0074] 以下结合附图详细说明本发明实施例的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统及 应用该能量管理系统的燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车。
[0075] 参阅图1,本发明第一实施例提供一种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10,该燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统包括一燃料电池系统单元12、一锂离子电池单元14及一与该燃料电池系统单元12和锂离子电池单元14电连接的燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,该燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统进一步包括一能量管理单元16。
[0076] 燃料电池系统单元12包括至少一燃料电池,当该燃料电池系统单元包括多个燃料电池120时,该多个燃料电池120相互串联。具体为,如果要提高该燃料电池系统单元12的输出电压,可将该多个燃料电池120串联。所述燃料电池系统单元12包括分别与所述相互串联的多个燃料电池120电连接的一燃料电池系统正输出端122及一燃料电池系统负输出端124。该燃料电池120可选用现有的燃料电池,如质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC )、直接甲醇燃料电池(CMFC )等。
[0077] 锂离子电池单元14包括至少一锂离子电池组及分别与锂离子电池单元14电连接的一锂离子电池正输出端142和一锂离子电池负输出端144。当其包括多个锂离子电池组时,该多个锂离子电池组相互串并联,以增大所述锂离子电池单元14的容量,所述锂离子电池单元14的正极与所述锂离子电池单元正输出端142电连接,所述锂离子电池单元14的负极与所述锂离子电池负输出端144电连接。所述锂离子电池可选用现有的锂离子电池,如磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池或锰酸钴锂电池等。根据选用的锂离子电池种类的不同,所述锂离子电池单元14在正常工作温度下的工作电压范围也不同,如当该离子电池为磷酸铁锂电池时,其在正常工作温度下的工作电压范围为2.5V〜3.6V,而当该锂离子电池为锰酸锂电池时,其在正常温度下的工作电压范围为3V〜4V,该工作电压范围会随着温度的不同而变化。考虑工作温度的影响,当所述锂离子电池单元14充电时,所述锂离子电池单元14有一浮充充电荷电状态,对应不同温度下的相应浮充充电电压;当所述锂离子电池单元14放电时,所述锂离子电池单元14有一放电截止荷电状态,对应不同温度下的相应放电截止电压。
[0078] 能量管理单元16用于控制所述燃料电池系统单元12对锂离子电池单元14的充电,并控制所述燃料电池系统单元12及所述锂离子电池单元14的对外供电。该能量管理单元16进一步包括一燃料电池系统单元接口正输入端162,一燃料电池系统单元接口负输入端164,一锂离子电池单元接口正输入端166,一锂离子电池单元接口负输入端168,一第一输出端160, —第二输出端161, —功率控制电路170, —燃料电池系统单兀工作电压检测电路172,一锂离子电池单元工作电流检测电路174,一锂离子电池单元工作电压检测电路176,一信号加权前馈与反馈电路178,一信号处理与逻辑控制电路190,一输入检测保护与反馈电路192,一过放保护电路194,一锂离子电池单元工作温度检测电路196。
[0079] 燃料电池系统单元工作电压检测电路172用于检测并调理燃料电池系统单元14的工作电压。所述锂离子电池单元工作电流检测电路174用于检测并调理所述锂离子电池单元14的工作电流。所述锂离子电池单元工作电压检测电路176用于检测并调理所述锂离子电池单元14的工作电压。所述信号加权前馈与反馈电路178用于加权前馈所述燃料电池系统单元工作电压检测电路172的检测信号和加权反馈锂离子电池单元工作电流检测电路174及锂离子电池单元工作电 压检测电路176的检测信号于功率控制电路170及信号处理与逻辑控制电路190。所述信号处理与逻辑控制电路190用于根据所述信号加权前馈与反馈电路178的反馈信号及所述锂离子电池单元工作温度检测电路196的反馈信号估计所需荷电状态对应的工作电压并控制所述功率控制电路170、输入检测保护与反馈电路192及过放保护电路194的工作状态。所述锂离子电池单元工作温度检测电路196用于检测并调理所述锂离子电池单元14的工作温度。所述功率控制电路170用于控制所述燃料电池系统单元12对所述锂离子电池单元14的充电及所述燃料电池系统单元12与所述锂离子电池单元14的对外输出,并对所述锂离子电池单元14进行浮充管理,此外,该所述功率控制电路170包括的直流-直流变换器可以避免所述锂离子电池单元14对燃料电池系统单元12的反冲,起到反充电保护的作用,为了更好地实现反充电保护,建议使用的直流-直流变换器类型为升压型变换器,以避免所述燃料电池系统单元12电压过低导致的拓扑失效。所述输入检测保护与反馈电路192用于控制所述燃料电池系统单元12对所述能量管理单元16的电输入及切断,以及为锂离子电池单元工作温度检测电路196的反馈信号提供通路。所述过放保护电路194用于控制所述燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10的向外输出和输出切断,并对所述锂离子电池单元14进行过放电保护。上述信号加权前馈与反馈电路178,信号处理与逻辑控制电路190,输入检测保护与反馈电路192,过放保护电路194,及功率控制电路170之间的电路连接关系不限,仅需实现上述功能即可。
[0080] 本实施例中,燃料电池系统单元工作电压检测电路172分别与燃料电池系统单元接口正输入端162和所述燃料电池系统单元接口负输入端164电连接。所述锂离子电池单元工作电流检测电路174分别与所述锂离子电池单元接口负输入端168和所述能量管理单元16的第二输出端161及所述燃料电池系统单元接口负输入端164电连接。所述锂离子电池单元工作电压检测电路176分别与所述锂离子电池单元接口正输入端166和所述锂离子电池单元接口负输入端168电连接。所述输入检测保护与反馈电路192分别与所述燃料电池系统单元接口正输入端162、功率控制电路170、信号加权前馈与反馈电路178以及信号处理与逻辑控制电路190电连接。所述过放保护电路194分别与所述功率控制电路170、信号处理与逻辑控制电路190、第一输出端160电连接。所述信号加权前馈与反馈电路178分别与所述燃料电池系统单元工作电压检测电路172、锂离子电池单元工作电流检测电路174、锂离子电池单元工作电压检测电路176、信号处理与逻辑控制电路190以及功率控制电路170电连接。所述信号处理与逻辑控制电路190分别与所述输入检测保护与反馈电路192、锂离子电池单元工作温度检测电路196、过放保护电路194及功率控制电路170电连接。
[0081] 能量管理单元16与燃料电池系统单元12和锂离子电池单元14的连接关系如下:所述燃料电池系统单元接口正输入端162与所述燃料电池系统单元正输出端122电连接;所述燃料电池系统单元接口负输入端164与所述燃料电池系统单元负输出端124电连接;所述锂离子电池单元接口正输入端166与所述锂离子电池单元正输出端142电连接;所述锂离子电池单元接口负输入端168与所述锂离子电池单元负输出端144电连接;所述第一输出端160和第二输出端161可实现与外部用电设备连接以输出电能。
[0082] 当信号处理与逻辑控制电路190使能功率控制电路170以接通锂离子电池单元14的充电回路时,所述燃料电池系统单元接口正输入端162通过所述输入检测保护与反馈电路192与所述功率控制电路170电连接,所述功率控制电路170同时与所述锂离子电池单元接口正输入端166电连接,由于所述锂离子电池接口负输入端168通过所述锂离子电池单元电流检测电路176与所述燃料电池系统单元接口负输入端164电连接,则此时,该燃料电池系统单元12可在功率控制电路170的控制下向该锂离子电池单元14充电。当所述功率控制电路170及所述输入检测保护与反馈电路192将所述锂离子电池单元14的充电回路连通的同时,所述信号处理与逻辑控制电路190可控制所述过放保护电路194分别使所述功率控制电路170的输出端与所述第一输出端160电连接,使所述锂离子电池单元14和所述燃料电池系统单元12同时向外供电或所述燃料电池系统单元12向外供电的同时给锂离子电池单元14充电。
[0083] 当燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统100工作时,其进一步包括的所述燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10中的燃料电池系统单元12经输入检测保护与反馈电路192及功率控制电路170向所述锂离子电池单元14充电,当锂离子电池单元14的电压高于充电截止电压时,该燃料电池系统单元12通过功率控制电路170对所述锂离子电池单元14进行欠压浮充管理,在保证所述锂离子电池单元14可用容量并避免过充的同时使所述燃料电池系统单元12与所述锂离子电池单元14同时对外输出电能。在电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10对燃料电池系统单元12的功率需求逐渐加大时,通过控制功率控制电路170,改变直流-直流变换器的占空比,从而增大燃料电池系统单元12的输出功率,为有效保护燃料电池,延长燃料电池寿命,燃料电池系统单元工作电压检测电路172实时检测燃料电池系统单元12的输出电压信号,经信号加权前馈与反馈电路178前馈燃料电池系统单元12的输出电压信号于功率控制电路170,若前馈电压信号低于已考虑工作温度、环境湿度等因素环境下所设置的燃料电池最优功率点时对应的输出端电压时,则钳位燃料电池系统单元12的输出功率于该功率点。
[0084] 当功率控制电路170根据信号加权前馈与反馈电路178所反馈的锂离子电池14的工作电压比较出该工作电压大于或等于由所述信号处理与逻辑控制电路190根据所述工作温度检测电路196检测到的温度信号所设置的浮充荷电状态对应的欠压浮充充电电压时,所述功率控制电路170输出电压将钳位于该欠压浮充充电电压,使得所述燃料电池系统单元12和所述锂离子电池单元14同时向外输出电能。当所述功率控制电路170根据所述信号加权前馈与反馈电路178所反馈的所述锂离子电池单元14的工作电流比较出该工作电流大于或等于预设的所述锂离子电池单元14的最大充电电流时,所述功率控制电路170将钳位向所述锂离子电池单元14的充电电流于该最大充电电流,使得所述燃料电池系统单元12向所述锂离子电池单元14充电的同时向外输出电能。当所述功率控制电路170根据所述信号加权前馈与反馈电路178所反馈的所述锂离子电池14的工作电压比较出该工作电压小于由所述信号处理与逻辑控制电路190根据所述锂离子电池单元工作温度检测电路196检测到的温度信号所设置的放电截止荷电状态对应的放电截止电压时,由所述信号处理与逻辑控制电路190控制所述过放保护电路194切断与所述第一输出端160的电连接,从而使所述燃料电池系统单元12和锂离子电池单元14断开与外部电路的电连接,使所述锂离子电池单元14和燃料电池系统单元12均停止向外输电,此时所述燃料电池系统单元12通过所述功率控制电路170仅向所述锂离子电池单元14充电。所述信号处理与逻辑控制电路190根据燃料电池系统单元12的实时工作状态来使能或禁能所述功率控制电路170以及闭合或断开所述输 入检测保护与反馈电路192,以保护所述燃料电池系统单元12的输出性能。当所述信号处理与逻辑控制电路190根据所述信号加权前馈与反馈电路178反馈的检测信号及估算的所述燃料电池系统单元12最优输出功率归算到所述功率控制电路170的输出电流大于当前负载需求电流及当前所述锂离子电池单元14充电电流之和且所述锂离子电池单元电压14高于安全放电截止电压时,由所述信号处理与逻辑控制电路190控制所述过放保护电路194恢复所述燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10的对外供电。
[0085] 当燃料电池系统单元12供气不足时,信号处理与逻辑控制电路190禁能功率控制电路170并通过所述输入检测保护与反馈电路192断开所述燃料电池系统单元12与所述功率控制电路170的电连接,因此燃料电池系统单元12将不再向锂离子电池单元14充电及对外供电,此时的锂离子电池单元14将单独放电,所述锂离子电池单元14放电至其当前放电电压低于由所述信号处理与逻辑控制电路190预设的放电截止电压时,所述信号处理与逻辑控制电路190控制所述过放保护电路194使该锂离子电池单元14停止向外输电,直至所述燃料电池系统单元12的供氢系统11得到气体补充即所述燃料电池系统单元12供气充足时,由所述信号处理与逻辑控制电路190控制所述输入检测保护与反馈电路192电连接所述燃料电池系统单元12与所述功率控制电路170,由所述燃料电池系统单元12通过功率控制电路170向所述锂离子电池单元14充电,当锂离子电池单元14充电至高于充电截止电压时,功率控制电路170实现对所述锂离子电池单元14的欠压浮充管理,当所述信号处理与逻辑控制电路190根据所述信号加权前馈与反馈电路178反馈的检测信号及估算的所述燃料电池系统单元12最优输出功率归算到所述功率控制电路170的输出电流大于当前负载需求电流及当前所述锂离子电池单元14充电电流之和且锂离子电池单元电压高于安全放电截止电压时,由所述信号处理与逻辑控制电路190控制所述过放保护电路194恢复所述燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10的向外输电。
[0086] 参阅图2〜4,本发明实施例提供了一种基于所述能量管理单元16的燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统100,该燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统包括一燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10。进一步地,为使所述燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10与驱动电机30相匹配,可将燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10的第一输出端160和第二输出端161分别与一电机驱动控制器20的正输入端22和负输入端24电连接,该电机驱动控制器为DC/AC变换驱动控制器。通过该所述电机驱动控制器20可使所述燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10的输出电压转换为实际应用于驱动电机30的交变电压。
[0087] 另外,该整个燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统100的所述燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10、锂离子电池单元14以及所述电机驱动控制器20可进一步被设置于一框体40中,其中,该电机驱动控制器20包括一电机驱动控制器正输入端22、一电机驱动控制器负输入端24、电机驱动控制器传感信号输入端25、一电机驱动控制器A相驱动输出端26、一电机驱动控制器B相驱动输出端27、一电机驱动控制器C相驱动输出端28。其具体连接方式为,对于该电机驱动控制器20,该电机驱动控制器正输入端22与一燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10的第一输出端160电连接,该电机驱动控制器负输入端24与该燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10的第二输出端161电连接,该电机驱动控制器的A相驱动输出端26、B相驱动输出端27和C相驱动输出端28用于与所述驱动电机30的驱动电机A相驱动输入端36、B相驱动输入端37、C相驱动输入端38的电连接以驱动电机运行,该电机驱动控制器传感信号输入端25与所述驱动电机30的驱动电机传感信号输出端32电连接,用于接收来自驱动电机30的传感信号,以控制电机的转动。
[0088] 参阅图5,本发明第二实施例提供一种燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车200,其包括一所述燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统100及一电动自行车车体。具体为,有所述燃料电池/锂离子 电池混合动力电动自行车200车体的电源开关70使能或禁能所述燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统100的运行,并通过所述电动自行车电量检测仪表60来显示所述燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10的供电情况;由所述加速把手80和所述刹车件90来控制并调整所述燃料电池/锂离子电池混合动力供电系统10的供电输出,满足所述燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车200的整车运行需求。
[0089] 在实际实施中,可将锂离子电池单元14及所述能量管理单元16设置于所述燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车200的后托架上,将燃料电池系统单元12和储氢单元11放置于车座下方,从而形成一完整紧凑的燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车200。
[0090] 本发明提供的燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统及在其基础上构建的燃料电池/锂离子电池混合动力驱动系统及燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车具有以下优点:所述燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,通过所述燃料电池系统单元接口引入输入电压前馈,能够根据工作温度、燃料电池性能衰减等因素实时、可靠地钳位燃料电池单元的输出功率,优化燃料电池系统单元的输出性能;此外,根据锂离子电池的充放电特性和浮充特性,采用欠压浮充方法,结合锂离子电池工作温度实时估算所述锂离子电池单元的欠压浮充充电电压,据此设置的浮充充电电压在确保降低锂离子电池容量损失的基础上能够避免锂离子电池单元的过充,结合所述能量管理单元进一步包括的功率控制电路以其高效的直流-直流转换效率以及对所述锂离子电池单元的浮充管理,能够提高所述锂离子电池单元的浮充安全性,进一步提高燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车系统的整车安全性和经济性。
[0091] 显然,本领域技术人员还可在本发明基本方案内作出其他应用性的实施变化,这些依据本发明精神所做的变化, 都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,其包括:一燃料电池系统单元接口,该燃料电池系统单元接口用于连接至少包括一燃料电池模块的燃料电池系统单元;一锂离子电池单元接口,该锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互串并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元;其特征在于,所述电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统包括一能量管理单元(16),该能量管理单元通过前馈燃料电池系统单元输出电压,实时钳位燃料电池单元输出功率,对锂离子电池单元进行浮充充电及放电管理; 所述能量管理单元(16)包括: 一用于用于检测并调理所述燃料电池系统单元工作电压的燃料电池系统单元工作电压检测电路(172)、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电流的锂离子电池单元工作电流检测电路(174)、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电压的锂离子电池单元工作电压检测电路(I76); 一用于加权并前馈所述燃料电池系统单元工作电压检测电路(172)的检测信号和加权并反馈锂离子电池单元工作电流检测电路(174)及锂离子电池单元工作电压检测电路(176)的检测信号于功率控制电路(170)及信号处理与逻辑控制电路(190)的信号加权前馈与反馈电路(178); 一受所述信号处理与逻辑控制电路使能并 用于管理所述燃料电池系统单元对所述锂离子电池单元充电并向负载供电的功率控制电路(170),所述功率控制电路根据所述燃料电池系统单元工作电压检测电路(172)所得电压信号,经信号加权前馈与反馈电路(178)实施前馈,并钳位所述燃料电池系统单元的输出功率; 一用于控制所述燃料电池/锂离子电池混合动力系统开始或停止对外供电的过放保护电路(194); 一用于控制所述燃料电池系统单元开始或停止对所述锂离子电池充电并对负载供电的输入检测保护与反馈电路(192); 一用于使所述能量管理单元向外放电的第一输出端(160)和一第二输出端(161); 一用于检测并调理锂离子电池单元工作温度的锂离子电池单元工作温度检测电路(196); 一用于根据所述信号加权前馈与反馈电路(192)的反馈信号及所述锂离子电池单元工作温度检测电路(196)的反馈信号估计所需荷电状态对应的工作电压并控制所述功率控制电路、输入检测保护与反馈电路192及过放保护电路194的工作状态的信号处理与逻辑控制电路(190)。
2.如权利要求1所述的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,其特征在于,所述功率控制电路(170)根据所述燃料电池系统单元工作电压检测电路所得电压信号,经信号加权前馈与反馈电路作用于功率控制电路实施前馈,并钳位所述燃料电池系统单元的输出功率。
3.如权利要求1所述的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,其特征在于,所述信号处理与逻辑控制电路(190)通过温度检测电路检测锂离子电池单元的工作温度,设置其放电截止电压并实施实施温度校正;当所述锂离子电池单元的工作电压低于或等于该放电截止电压时,过放保护电路(194)断开功率控制电路(170)与第二输出端的电连接,避免锂离子电池过放电;信号处理与逻辑控制电路(190)实施欠压浮充充电电压校正,当锂离子电池单元的工作电压等于该欠压浮充电压时,所述锂离子电池单元的工作电压被钳位于该欠压浮充电压,由功率控制电路(170)对锂离子电池单元进行浮充管理,实现燃料电池系统单元与锂离子电池单元同时对外部负载供电,所述欠压浮充电压低于所述锂离子电池单元的浮充电压。
4.如权利要求1所述的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,其特征在于,所述锂离子电池单元工作电流检测电路(174)检测锂离子电池单元的充电电流,当锂离子电池单元的充电电流等于其预设定的最大充电电流时,通过信号加权前馈与反馈电路(178)控制功率控制电路(170)使锂离子电池单元的充电电流被钳位于该最大充电电流,保证锂离子电池安全充电。
5.如权利要求1所述的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,其特征在于,所述能量管理单元(16)包括一用于使所述能量管理单元向外放电的第一输出端和一第二输出端,当所述锂离子电池单元的工作电压高于放电截止电压时,与所述功率控制电路有电连接的锂离子电池单元和燃料电池系统单元通过所述过放保护电路连接至第一输出端,以使所述锂离子电池单元和所述燃料电池系统单元同时向外输电;当所述锂离子电池单元的工作电压低于其放电截止电压时,所述过放保护电路使第一输出端断开能量管理单元与外部电机驱动控制器的电连接,从而使所述能量管理单元停止向外输电。
6.如权利要求1所述的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统,其特征在于,所述锂离子电池单元接口所电连接的锂离子电池可为磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池或锰酸 钴锂电池。所述燃料电池系统单元接口所电连接的燃料电池系统可为质子交换膜燃料电池PEMFC系统、碱性燃料电池AFC系统或直接甲醇燃料电池CMFC系统。
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