CN103754130A - 用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统及方法 - Google Patents

用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统及方法。该系统包括浸泡在液氢容器内的超导线圈，安装在低温杜瓦内的超导开关和全桥式直流斩波器，设置于低温氢气管道内的超导电流引线，直流链电容器，直流-交流双向变换器，车载电机及测控系统；超导电流引线用于连接超导线圈、超导开关和全桥式直流斩波器；低温氢气管道用于连接液氢燃料电池、液氢容器和低温杜瓦。与现有技术相比，本发明采用车载液氢直接冷却超导线圈，并采用车载液氢气化产生的低温氢气直接冷却超导电流引线、超导开关和全桥式直流斩波器，使超导磁储能装置在液氢燃料电池汽车上得到了实用，提高了汽车制动能量回收和再利用效率，减少了汽车启动及加速时间。

Description

用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统及方法
技术领域
本发明属于能量回收与循环利用技术领域，特别涉及一种用于液氢燃料电池汽车的高效能量回收与再利用的系统及方法。
背景技术
随着石油资源的日益消耗，汽车工业面临着石油资源紧张和环境污染加剧两大难题。近年来，新能源汽车已成为汽车发展的新方向且预期成为未来的主流方向；其中，采用高压氢气或低温液氢为燃料的燃料电池汽车正在逐步推向市场。为提高车载能量利用效率，目前的燃料电池汽车往往会配备蓄电池装置，用于回收汽车制动能量；但是，蓄电池的重复充放电次数和使用寿命有限，储能效率和功率密度较低，动态响应速度较慢，导致其无法在汽车制动时快速回收制动能量，也无法在汽车启动或加速时快速释放瞬时大功率能量。
超导磁储能装置是一种利用几乎零能量损耗的超导线圈直接存储电能的电力储能装置，理想情况下的重复充放电次数几乎为无限，具有非常高的储能效率和功率密度，动态响应速度非常快，是取代蓄电池成为回收汽车制动能量的理想选择。但由于超导磁储能装置必须采用额外的低温制冷机或低温制冷剂将超导线圈冷却至其临界温度以下，导致超导磁储能装置在汽车制动能量回收和利用领域的实际应用受到了极大限制。目前仍没有超导磁储能装置在燃料电池汽车上的实用技术方案，也没有涉及到超导磁储能装置在汽车启动、加速和制动过程中的高效能量回收和再利用方案。
超导磁储能装置的能量吸收和释放过程需要配备额外的直流斩波器来实现，但现有的传统直流斩波器和全桥式直流斩波器均无法直接有效工作在液氢燃料电池汽车上。传统直流斩波器由两支绝缘栅双极型晶体管或金属-氧化物-半导体场效应晶体管、及两支功率二极管构成，适用于高电压应用场合(如500V或以上)；由于受到功率二极管的固有导通压降的影响，传统直流斩波器在中低压应用场合(如500V以下)的运行效率较低。由四支金属-氧化物-半导体场效应晶体管构成的全桥式直流斩波器在低电压应用场合(如250V或以下)具有较高的运行效率，但在250V以上的中高压应用场合运行效率则较低。而液氢燃料电池汽车的典型工作电压处于250-500V之间，现有的传统直流斩波器和全桥式直流斩波器均无法直接有效提升超导磁储能装置的运行效率，无法实现高效能量回收利用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种运行效率高、响应速度快的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提出的一种用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统及方法，其技术思想是：采用以超导线圈为核心的超导磁储能装置代替现有的车载蓄电池；超导线圈依次通过超导电流引线、全桥式直流斩波器、直流链电容器、直流-交流双向变换器与车载电机相连，用于实时吸收汽车制动时产生的剩余能量，及释放汽车启动或加速时所需的电能；超导线圈同时与超导开关相连，用于无损地存储汽车停止行驶时的超导线圈具有的能量，并在汽车出现运行故障或其他安全隐患时保护超导线圈；将超导线圈浸泡在液氢容器内，采用车载液氢直接冷却超导线圈，并采用低温氢气管道连接车载液氢容器与低温杜瓦，利用车载液氢容器内产生的低温氢气来冷却设置于低温氢气管道内部的超导电流引线和安装在低温杜瓦内部的超导开关及全桥式直流斩波器。
具体而言，本发明提出的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，与车载液氢燃料电池相连，包括浸泡在液氢容器内的超导线圈、安装在低温杜瓦内的超导开关和全桥式直流斩波器、低温氢气管道、设置于低温氢气管道内的超导电流引线、直流链电容器、直流-交流双向变换器、车载电机及测控系统。其中，
超导线圈，利用超导电流引线与超导开关和全桥式直流斩波器相连，通过吸收或释放其存储的电能来实时调节直流链电容器的工作电压，进而满足液氢燃料电池汽车的启动、加速、匀速、减速、制动及停止不同行驶状态的不同能量需求。超导线圈可以由BSCCO导线、或YBCO导线、或MgB2导线、等等绕制而成。
超导电流引线，用于连接超导线圈、超导开关和全桥式直流斩波器；超导电流引线可以为由BSCCO导线、或YBCO导线、或MgB2导线、等等构成的超导长导线，或直接从超导线圈端部引出的超导长导线。
低温氢气管道，用于连接液氢燃料电池、液氢容器和低温杜瓦；液氢容器内产生的部分低温氢气通过低温氢气管道直接输出至液氢燃料电池以产生电能；液氢容器内产生的另外部分低温氢气通过低温氢气管道进入低温杜瓦维持其内部低温环境，然后再通过低温氢气管道输出至液氢燃料电池以产生电能。低温氢气管道可以是绝热低温软管或硬管等；低温杜瓦可以是绝热低温不锈钢或玻璃钢容器等。
超导开关，利用超导电流引线与超导线圈和全桥式直流斩波器相连，通过调节超导开关的开关状态来实时调控超导线圈在无能量损耗的闭合储能状态与实时能量交换操作之间的切换。超导开关的开关状态为闭合运行状态，或关断运行状态；超导开关的开关状态为闭合运行状态时，超导线圈通过超导开关形成无能量损耗的闭合储能回路；超导开关的开关状态为关断运行状态时，超导线圈通过全桥式直流斩波器调控其实时能量交换操作。超导开关可以是热控型超导开关、或磁控型超导开关、或流控型超导开关、或机械型超导开关、或光控型超导开关等。
全桥式直流斩波器，分别与超导线圈、超导开关和直流链电容器相连，通过调节其内部功率开关器件的开关状态，实现其运行状态的切换，进而调控超导线圈的实时能量交换操作。全桥式直流斩波器包括四支金属-氧化物-半导体场效应晶体管和两支功率二极管。全桥式直流斩波器的运行状态为充电运行状态、或暂态储能运行状态、或稳态储能运行状态、或暂态放电运行状态、或稳态放电运行状态，其中暂态储能运行状态和暂态放电运行状态为短时的过渡运行状态，用于避免直流链电容器出现短路故障；全桥式直流斩波器运行在充电运行状态时，超导线圈通过全桥式直流斩波器吸收车载电机制动或减速操作产生的电能；全桥式直流斩波器运行在暂态储能运行状态或稳态储能运行状态时，超导线圈通过全桥式直流斩波器形成闭合储能回路；全桥式直流斩波器运行在暂态放电运行状态或稳态放电运行状态时，超导线圈通过全桥式直流斩波器释放电能以供车载电机启动或加速操作。
直流链电容器，分别与全桥式直流斩波器、直流-交流双向变换器和液氢燃料电池相连，辅助超导线圈对车载电机进行实时能量交换操作。
直流-交流双向变换器，分别与直流链电容器和车载电机相连，通过调节其内部功率开关器件的开关状态，实现其运行状态的切换，进而实现将车载电机制动或减速操作产生的交流电能转换为直流电能以供超导线圈吸收，或将超导线圈释放的直流电能转换为交流电能以供车载电机启动或加速操作。车载电机，与直流-交流双向变换器相连，通过调节其运行状态，实现液氢燃料电池汽车的启动、加速、匀速、减速、制动及停止行驶状态。直流-交流双向变换器的运行状态为逆变运行状态，或整流运行状态；车载电机的运行状态为电动机运行状态，或发电机运行状态；车载电机的运行状态为电动机运行状态时，直流-交流双向变换器的运行状态为逆变运行状态，汽车进行启动、或加速、或匀速、或减速行驶操作；车载电机的运行状态为发电机运行状态时，直流-交流双向变换器的运行状态为整流运行状态，汽车进行制动、或停止行驶操作。直流-交流双向变换器包括六支金属-氧化物-半导体场效应晶体管和六支功率二极管；车载电机为永磁交流同步电机。
测控系统，分别与超导线圈、超导开关、全桥式直流斩波器、直流链电容器、直流-交流双向变换器和车载电机相连，通过测量超导线圈、超导开关、全桥式直流斩波器、直流链电容器、直流-交流双向变换器和车载电机的运行状态及参数，实时调节它们的运行状态及参数，以满足液氢燃料电池汽车的启动、加速、匀速、减速、制动及停止行驶命令。测控系统包括超导线圈电流测量电路、超导开关控制电路、全桥式直流斩波器控制电路、直流链电容器电压测量电路、直流-交流双向变换器控制电路和车载电机控制电路。
利用本发明提出的上述系统进行液氢燃料电池汽车的能量回收利用，具体能量回收利用方法包括：
A.液氢燃料电池汽车启动行驶时
驾驶员输入汽车启动行驶命令后，车载电机从发电机运行状态切换至电动机运行状态，直流-交流双向变换器从整流运行状态切换至逆变运行状态，超导开关从闭合运行状态切换至关断运行状态，全桥式直流斩波器从稳态储能运行状态切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态。如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为稳态放电运行状态、且直流链电容器电压大于等于其上限阈值，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器电压小于等于其下限阈值，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态的命令；如此反复，超导线圈将独立为车载电机提供短时间的恒定功率供电，用于汽车启动。
B.液氢燃料电池汽车匀速行驶时
当汽车匀速行驶时，车载电机保持运行在电动机运行状态，直流-交流双向变换器保持运行在逆变运行状态，超导开关保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器工作在稳态储能运行状态，超导线圈通过全桥式直流斩波器形成闭合储能回路。如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为稳态放电运行状态，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为充电运行状态，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为稳态储能运行状态，测控系统立即输出全桥式直流斩波器保持稳态储能运行状态的命令；液氢燃料电池将独立为车载电机提供长时间的恒定功率供电，用于汽车匀速行驶。
C.液氢燃料电池汽车加速行驶时
驾驶员输入汽车加速行驶命令后，车载电机保持运行在电动机运行状态，直流-交流双向变换器保持运行在逆变运行状态，超导开关保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器从稳态储能运行状态切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态。如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为稳态放电运行状态、且直流链电容器电压大于等于其上限阈值，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器电压小于等于其下限阈值，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态的命令；如此反复，超导线圈将与液氢燃料电池共同为车载电机提供短时间的大功率供电，用于汽车加速。即：当汽车进行加速行驶操作时，全桥式直流斩波器将根据直流链电容器电压的大小来进行稳态储能运行状态、暂态放电运行状态和稳态放电运行状态之间的反复切换，以维持直流链电容器电压稳定在上限阈值和下限阈值之间，从而使超导线圈与车载液氢燃料电池并联，共同为车载电机提供短时间、大功率的供电，用于汽车加速。
D.液氢燃料电池汽车减速行驶时
驾驶员输入汽车减速行驶命令后，车载电机保持运行在电动机运行状态，直流-交流双向变换器保持运行在逆变运行状态，超导开关保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器从稳态储能运行状态切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态。如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为充电运行状态、且直流链电容器电压小于等于其下限阈值，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器电压大于等于其上限阈值，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态的命令；如此反复，超导线圈将吸收液氢燃料电池发出的过剩电能，用于汽车减速。即：当汽车进行减速行驶操作时，全桥式直流斩波器将根据直流链电容器电压的大小来进行稳态储能运行状态、暂态储能运行状态和充电运行状态之间的反复切换，以维持直流链电容器电压稳定在上限阈值和下限阈值之间，从而使超导线圈吸收车载液氢燃料电池发出的过剩电能，用于汽车减速。
E.液氢燃料电池汽车制动时
驾驶员输入汽车制动命令后，液氢燃料电池停止工作，车载电机从电动机运行状态切换至发电机运行状态，直流-交流双向变换器从逆变运行状态切换至整流运行状态，超导开关保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器从稳态储能运行状态切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态。如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为充电运行状态、且直流链电容器电压小于等于其下限阈值，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器电压大于等于其上限阈值，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态的命令；如此反复，超导线圈将吸收车载电机制动操作产生的电能，用于汽车制动。
F.液氢燃料电池汽车停止时
当汽车停止时，液氢燃料电池停止工作，车载电机保持运行在发电机运行状态，直流-交流双向变换器保持运行在整流运行状态，超导开关从关断运行状态切换至闭合运行状态，超导线圈通过超导开关形成无能量损耗的闭合储能回路；全桥式直流斩波器工作在稳态储能运行状态。如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为充电运行状态，测控系统立即输出全桥式直流斩波器切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器的当前运行状态为稳态储能运行状态，测控系统立即输出全桥式直流斩波器保持稳态储能运行状态的命令。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用车载液氢直接冷却超导线圈，并采用车载液氢气化产生的低温氢气直接冷却超导电流引线和超导开关，有效利用了液氢燃料电池汽车的现有低温条件，克服了超导磁储能装置需要额外的低温制冷机或低温制冷剂来冷却超导线圈的问题，从而实现了超导磁储能装置对现有车载蓄电池的替代，使超导磁储能装置在液氢燃料电池汽车上得到了实用，最终提高了汽车制动能量回收和再利用的效率，减少了汽车启动及加速时间，延长了车载储能装置的使用寿命；将全桥式直流斩波器采用低温氢气进行冷却，使得其在250V-500V的中压应用场合运行效率得到提高，带来超导磁储能装置吸收或释放能量过程中的能量损耗减少，从而进一步提高了汽车制动能量回收和再利用的效率。
附图说明
图1是与车载液氢燃料电池相连的本发明系统的结构示意图。
图2是本发明系统的电路拓扑图。
图3是全桥式直流斩波器运行在充电运行状态的示意图。
图4是全桥式直流斩波器运行在暂态储能运行状态的示意图。
图5是全桥式直流斩波器运行在稳态储能运行状态的示意图。
图6是全桥式直流斩波器运行在暂态放电运行状态的示意图。
图7是全桥式直流斩波器运行在稳态放电运行状态的示意图。
图8是实施例1中本发明系统、传统直流斩波器、处于常温环境下的全桥式直流斩波器分别用于液氢燃料电池汽车加速行驶操作的运行效率效果对比图。
图中标号如下：
1 超导线圈        2 液氢容器
3 超导开关        4 全桥式直流斩波器
5 低温杜瓦        6 超导电流引线
7 低温氢气管道    8 液氢燃料电池
9 直流链电容器    10 直流-交流双向变换器
11 车载电机       12 测控系统
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
实施例1
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示。针对一种现有的液氢燃料电池汽车，利用本发明的系统对其进行能量回收利用操作。所述系统与车载液氢燃料电池8相连，包括浸泡在液氢容器2内的超导线圈1、安装在低温杜瓦5内的超导开关3和全桥式直流斩波器4、低温氢气管道7、设置于低温氢气管道7内的超导电流引线6、直流链电容器9、直流-交流双向变换器10、车载电机11及测控系统12。
其中，超导电流引线6用于连接超导线圈1、超导开关3和全桥式直流斩波器4；超导线圈1由BSCCO导线绕制而成，其电感量为4H；超导电流引线6为直接从超导线圈1端部引出的超导导线；超导开关3为机械型超导开关。全桥式直流斩波器4包括四支金属-氧化物-半导体场效应晶体管和两支功率二极管；其中的四支金属-氧化物-半导体场效应晶体管型号为IPW65R019C7，最大工作电压为700V，最大工作电流为75A，处于300K室温环境中的导通电阻为17mΩ，处于50-100K低温杜瓦5环境中的导通电阻下降至2.5mΩ；其中的两支功率二极管直接由IPW65R019C7内置的反向续流二极管构成，其固定导通压降为0.6V，导通电阻为3.5mΩ。全桥式直流斩波器4、直流链电容器9、直流-交流双向变换器10和车载电机11依次相连；直流-交流双向变换器10包括六支金属-氧化物-半导体场效应晶体管和六支功率二极管；车载电机11为永磁交流同步电机。直流链电容器9与液氢燃料电池8相连。测控系统12包括超导线圈电流测量电路、超导开关控制电路、全桥式直流斩波器控制电路、直流链电容器电压测量电路、直流-交流双向变换器控制电路和车载电机控制电路；测控系统12分别与超导线圈1、超导开关3、全桥式直流斩波器4、直流链电容器9、直流-交流双向变换器10和车载电机11相连。低温氢气管道7用于连接液氢燃料电池8、液氢容器2和低温杜瓦5；低温氢气管道7为绝热低温软管，低温杜瓦5为绝热低温不锈钢容器；液氢容器2内产生的部分低温氢气通过低温氢气管道7直接输出至液氢燃料电池8以产生电能；液氢容器2内产生的另外部分低温氢气通过低温氢气管道7进入低温杜瓦5维持其内部低温环境，然后再通过低温氢气管道7输出至液氢燃料电池8以产生电能。
A.当驾驶员输入汽车启动行驶命令后，车载电机11从发电机运行状态切换至电动机运行状态，直流-交流双向变换器10从整流运行状态切换至逆变运行状态，超导开关3从闭合运行状态切换至关断运行状态，全桥式直流斩波器4从稳态储能运行状态切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态。如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为稳态放电运行状态、且直流链电容器9电压大于等于其上限阈值，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器9电压小于等于其下限阈值，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态的命令；如此反复，超导线圈1将独立为车载电机11供电，用于汽车启动。
该车整车质量为1590kg，车载液氢燃料电池的额定输出功率为94kW，车载电机的额定输出功率为60kW，电能-机械能的转换效率为63.8%。由于液氢燃料电池的工作温度范围为343-353K，而车载液氢温度为20K，因此，汽车启动后，需要一定的预热时间才能使车载液氢燃料电池进入满负荷发电状态。这样，从汽车静止加速到100km/h的启动时间约为16s。对于配置有车载蓄电池的燃料电池汽车而言，受到蓄电池较低功率密度的限制，车载蓄电池无法提供瞬时大功率输出，进而无法有效减少汽车的启动时间。而具有零电阻损耗的超导线圈的工作电流可以达到几百甚至几千安培，其功率密度非常高。当超导线圈的工作电流为780A时，可以维持输出约10s的94kW功率，从而将汽车从静止加速至100km/h的启动时间减少到10s。由此可以说明：在液氢燃料电池汽车中引入超导磁储能装置，可以有效减少汽车的启动时间。
B.当驾驶员输入汽车匀速行驶命令时，车载电机11保持运行在电动机运行状态，直流-交流双向变换器10保持运行在逆变运行状态，超导开关3保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器4工作在稳态储能运行状态，超导线圈1通过全桥式直流斩波器4形成闭合储能回路。如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为稳态放电运行状态，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为充电运行状态，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为稳态储能运行状态，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4保持稳态储能运行状态的命令；液氢燃料电池8将独立为车载电机11供电，用于汽车匀速行驶。
由于超导开关进行闭合或关断操作需要约几个毫秒至几十毫秒的时间延迟，不利于在汽车行驶过程中的超导线圈与车载电机之间的快速能量交换操作。而超导线圈通过全桥式直流斩波器形成闭合储能回路则可以在约几个微秒至几十微秒内切换至充电或放电运行状态，但全桥式直流斩波器中的功率电子器件将不可避免地带来一定的能量损耗。当超导线圈的初始运行电流为500A时，采用传统直流斩波器可以维持32分钟、运行电流即衰减为零，常温下采用全桥式直流斩波器则仅可以维持36分钟；而采用本发明的将全桥式直流斩波器4置于低温环境中、维持闭合储能回路长达1小时之后，运行电流仍有300A。由此可以说明：在液氢燃料电池汽车中引入全桥式直流斩波器4、并将其置于低温杜瓦5中利用低温氢气冷却，可以有效提高超导磁储能装置的能量存储效率，并保持微秒至几十微秒级别的动态能量交换响应速度。
C.当驾驶员输入汽车加速行驶命令后，车载电机11保持运行在电动机运行状态，直流-交流双向变换器10保持运行在逆变运行状态，超导开关3保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器4从稳态储能运行状态切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态。如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为稳态放电运行状态、且直流链电容器9电压大于等于其上限阈值，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器9电压小于等于其下限阈值，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态的命令；如此反复，超导线圈1将与液氢燃料电池8共同为车载电机11供电，用于汽车加速。
图8给出了本发明系统（全桥式直流斩波器4处于低温杜瓦5的低温环境中）用于液氢燃料电池汽车加速行驶操作、采用传统直流斩波器用于液氢燃料电池汽车加速行驶操作、及采用处于常温环境下的全桥式直流斩波器用于液氢燃料电池汽车加速行驶操作的运行效率效果对比图。超导线圈与车载电机的能量交换功率包括在汽车加速行驶过程中的能量释放功率和在汽车减速行驶过程中的能量吸收功率。从图8可以看出，本发明采用的将全桥式直流斩波器4安装在低温杜瓦5内进行冷却，带来的运行效率非常高，当超导线圈与车载电机的能量释放功率为1kW时，本发明系统的运行效率达到94%；但是，如果采用传统直流斩波器或处于常温环境下的全桥式直流斩波器，运行效率则分别下降至47%和69%。由此可以说明：在液氢燃料电池汽车中引入处于低温杜瓦5内、采用低温氢气进行冷却的全桥式直流斩波器4，可以有效提高超导磁储能装置的能量释放效率，进而有效提高汽车行驶过程中的能量利用效率。
D.当驾驶员输入汽车减速行驶命令后，车载电机11保持运行在电动机运行状态，直流-交流双向变换器10保持运行在逆变运行状态，超导开关3保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器4从稳态储能运行状态切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态。如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为充电运行状态、且直流链电容器9电压小于等于其下限阈值，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器9电压大于等于其上限阈值，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态的命令；如此反复，超导线圈1将吸收液氢燃料电池8发出的过剩电能，用于汽车减速。
由于暂态储能运行状态和暂态放电运行状态的维持时间长度非常短，约为几个微秒至几十微秒，其运行能量损耗可以忽略不计。因此，本发明系统用于液氢燃料电池汽车减速行驶操作、采用传统直流斩波器用于液氢燃料电池汽车减速行驶操作、及采用处于常温环境下的全桥式直流斩波器用于液氢燃料电池汽车减速行驶操作的运行效率效果对比与加速行驶操作近似相等。由此可以说明：在液氢燃料电池汽车中引入处于低温杜瓦5内、采用低温氢气进行冷却的全桥式直流斩波器4，可以有效提高超导磁储能装置的能量吸收效率，进而有效提高汽车减速行驶过程中的能量回收效率。
E.当驾驶员输入汽车制动命令后，液氢燃料电池8停止工作，车载电机11从电动机运行状态切换至发电机运行状态，直流-交流双向变换器10从逆变运行状态切换至整流运行状态，超导开关3保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器4从稳态储能运行状态切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态。如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为充电运行状态、且直流链电容器9电压小于等于其下限阈值，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器9电压大于等于其上限阈值，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态的命令；如此反复，超导线圈1将吸收车载电机11制动操作产生的电能，用于汽车制动。
对于配置有车载蓄电池的燃料电池汽车而言，受到蓄电池较低功率密度和充电时间长的限制，车载蓄电池无法吸收瞬时大功率，只能配合机械制动装置来减少汽车的制动时间，这样就大大降低了汽车制动能量的回收效率。而具有零电阻损耗的超导线圈的工作电流可以达到几百甚至几千安培，其功率密度非常高，可以在汽车制动时吸收非常大的瞬时功率。当超导线圈维持输入约10s时间长度的100kW功率时，可以将汽车从160km/h快速制动至静止状态。忽略汽车制动过程中机械能转换为电能的能量损耗，超导磁储能装置的制动能量回收效率高达98%。由此可以说明：在液氢燃料电池汽车中引入超导磁储能装置，可以有效减少汽车的制动时间，并实现非常高的制动能量回收效率。
F.当汽车停止时，液氢燃料电池8停止工作，车载电机11保持运行在发电机运行状态，直流-交流双向变换器10保持运行在整流运行状态，超导开关3从关断运行状态切换至闭合运行状态，超导线圈1通过超导开关3形成无能量损耗的闭合储能回路；全桥式直流斩波器4工作在稳态储能运行状态。如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为充电运行状态，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器4的当前运行状态为稳态储能运行状态，测控系统12立即输出全桥式直流斩波器4保持稳态储能运行状态的命令。
实施例2
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，与实施例1相同的地方不再重复叙述，不同之处在于：超导线圈1由YBCO导线绕制而成；超导电流引线6为YBCO导线；低温氢气管道7为绝热低温硬管；低温杜瓦5为绝热低温玻璃钢容器；超导开关3为磁控型超导开关。
实施例3
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，与实施例1相同的地方不再重复叙述，不同之处在于：超导线圈1由MgB2导线绕制而成；超导电流引线6为MgB2导线；超导开关3为热控型超导开关。

Claims (10)

1.一种用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，所述系统与车载液氢燃料电池（8）相连，其特征在于：所述系统包括浸泡在液氢容器（2）内的超导线圈（1），安装在低温杜瓦（5）内的超导开关（3）和全桥式直流斩波器（4），低温氢气管道（7），设置于低温氢气管道（7）内的超导电流引线（6），直流链电容器（9），直流-交流双向变换器（10），车载电机（11），及测控系统（12）；
超导线圈（1），利用超导电流引线（6）与超导开关（3）和全桥式直流斩波器（4）相连，通过吸收或释放其存储的电能来实时调节直流链电容器（9）的工作电压，进而满足液氢燃料电池汽车的启动、加速、匀速、减速、制动及停止不同行驶状态的不同能量需求；
低温氢气管道（7），用于连接液氢燃料电池（8）、液氢容器（2）和低温杜瓦（5）；液氢容器（2）内产生的部分低温氢气通过低温氢气管道（7）直接输出至液氢燃料电池（8）以产生电能；液氢容器（2）内产生的另外部分低温氢气通过低温氢气管道（7）进入低温杜瓦（5）维持其内部低温环境，然后再通过低温氢气管道（7）输出至液氢燃料电池（8）以产生电能；
超导开关（3），利用超导电流引线（6）与超导线圈（1）和全桥式直流斩波器（4）相连，通过调节超导开关（3）的开关状态来实时调控超导线圈（1）在无能量损耗的闭合储能状态与实时能量交换操作之间的切换；
全桥式直流斩波器（4），分别与超导线圈（1）、超导开关（3）和直流链电容器（9）相连，通过调节其内部功率开关器件的开关状态，实现其运行状态的切换，进而调控超导线圈（1）的实时能量交换操作；
直流链电容器（9），分别与全桥式直流斩波器（4）、直流-交流双向变换器（10）和液氢燃料电池（8）相连，辅助超导线圈（1）对车载电机（11）进行实时能量交换操作；
直流-交流双向变换器（10），分别与直流链电容器（9）和车载电机（11）相连，通过调节其内部功率开关器件的开关状态，实现其运行状态的切换，进而实现将车载电机（11）制动或减速操作产生的交流电能转换为直流电能以供超导线圈（1）吸收，或将超导线圈（1）释放的直流电能转换为交流电能以供车载电机（11）启动或加速操作；
车载电机（11），与直流-交流双向变换器（10）相连，通过调节其运行状态，实现液氢燃料电池汽车的启动、加速、匀速、减速、制动及停止行驶状态；
测控系统（12），分别与超导线圈（1）、超导开关（3）、全桥式直流斩波器（4）、直流链电容器（9）、直流-交流双向变换器（10）和车载电机（11）相连，通过测量超导线圈（1）、超导开关（3）、全桥式直流斩波器（4）、直流链电容器（9）、直流-交流双向变换器（10）和车载电机（11）的运行状态及参数，实时调节它们的运行状态及参数，以满足液氢燃料电池汽车的启动、加速、匀速、减速、制动及停止行驶命令。
2.根据权利要求1所述的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，其特征在于：超导开关（3）的开关状态为闭合运行状态，或关断运行状态；超导开关（3）的开关状态为闭合运行状态时，超导线圈（1）通过超导开关（3）形成无能量损耗的闭合储能回路；超导开关（3）的开关状态为关断运行状态时，超导线圈（1）通过全桥式直流斩波器（4）调控其实时能量交换操作。
3.根据权利要求1所述的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，其特征在于：全桥式直流斩波器（4）包括四支金属-氧化物-半导体场效应晶体管和两支功率二极管；全桥式直流斩波器（4）的运行状态为充电运行状态、或暂态储能运行状态、或稳态储能运行状态、或暂态放电运行状态、或稳态放电运行状态；全桥式直流斩波器（4）运行在充电运行状态时，超导线圈（1）通过全桥式直流斩波器（4）吸收车载电机（11）制动或减速操作产生的电能；全桥式直流斩波器（4）运行在暂态储能运行状态或稳态储能运行状态时，超导线圈（1）通过全桥式直流斩波器（4）形成闭合储能回路；全桥式直流斩波器（4）运行在暂态放电运行状态或稳态放电运行状态时，超导线圈（1）通过全桥式直流斩波器（4）释放电能以供车载电机（11）启动或加速操作。
4.根据权利要求1所述的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，其特征在于：直流-交流双向变换器（10）的运行状态为逆变运行状态，或整流运行状态；车载电机（11）的运行状态为电动机运行状态，或发电机运行状态；车载电机（11）的运行状态为电动机运行状态时，直流-交流双向变换器（10）的运行状态为逆变运行状态，汽车进行启动、或加速、或匀速、或减速行驶操作；车载电机（11）的运行状态为发电机运行状态时，直流-交流双向变换器（10）的运行状态为整流运行状态，汽车进行制动、或停止行驶操作。
5.根据权利要求1-4任一所述的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，其特征在于：测控系统（12）包括超导线圈电流测量电路、超导开关控制电路、全桥式直流斩波器控制电路、直流链电容器电压测量电路、直流-交流双向变换器控制电路和车载电机控制电路。
6.根据权利要求1-4任一所述的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，其特征在于：低温氢气管道（7）为绝热低温软管或硬管；低温杜瓦（5）为绝热低温不锈钢或玻璃钢容器。
7.根据权利要求1-4任一所述的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，其特征在于：超导开关（3）为热控型、或磁控型、或流控型、或机械型、或光控型超导开关。
8.根据权利要求1-4任一所述的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，其特征在于：直流-交流双向变换器（10）包括六支金属-氧化物-半导体场效应晶体管和六支功率二极管；车载电机（11）为永磁交流同步电机。
9.根据权利要求1-4任一所述的用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用系统，其特征在于：超导线圈（1）由BSCCO导线、或YBCO导线、或MgB2导线绕制而成；超导电流引线（6）为BSCCO导线、或YBCO导线、或MgB2导线，或直接从超导线圈（1）端部引出的超导导线。
10.一种用于液氢燃料电池汽车的能量回收利用方法，其特征在于：涉及的部件包括浸泡在液氢容器（2）内的超导线圈（1），安装在低温杜瓦（5）内的超导开关（3）和全桥式直流斩波器（4），低温氢气管道（7），设置于低温氢气管道（7）内的超导电流引线（6），直流链电容器（9），直流-交流双向变换器（10），车载电机（11），及测控系统（12）；所述能量回收利用方法包括：
A.液氢燃料电池汽车启动行驶时
驾驶员输入汽车启动行驶命令后，车载电机（11）从发电机运行状态切换至电动机运行状态，直流-交流双向变换器（10）从整流运行状态切换至逆变运行状态，超导开关（3）从闭合运行状态切换至关断运行状态，全桥式直流斩波器（4）从稳态储能运行状态切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为稳态放电运行状态、且直流链电容器（9）电压大于等于其上限阈值，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器（9）电压小于等于其下限阈值，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态的命令；如此反复，超导线圈（1）将独立为车载电机（11）供电，用于汽车启动；
B.液氢燃料电池汽车匀速行驶时
当汽车匀速行驶时，车载电机（11）保持运行在电动机运行状态，直流-交流双向变换器（10）保持运行在逆变运行状态，超导开关（3）保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器（4）工作在稳态储能运行状态，超导线圈（1）通过全桥式直流斩波器（4）形成闭合储能回路；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为稳态放电运行状态，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为充电运行状态，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为稳态储能运行状态，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）保持稳态储能运行状态的命令；液氢燃料电池（8）将独立为车载电机（11）供电，用于汽车匀速行驶；
C.液氢燃料电池汽车加速行驶时
驾驶员输入汽车加速行驶命令后，车载电机（11）保持运行在电动机运行状态，直流-交流双向变换器（10）保持运行在逆变运行状态，超导开关（3）保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器（4）从稳态储能运行状态切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为稳态放电运行状态、且直流链电容器（9）电压大于等于其上限阈值，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器（9）电压小于等于其下限阈值，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态放电运行状态，然后再切换至稳态放电运行状态的命令；如此反复，超导线圈（1）将与液氢燃料电池（8）共同为车载电机（11）供电，用于汽车加速；
D.液氢燃料电池汽车减速行驶时
驾驶员输入汽车减速行驶命令后，车载电机（11）保持运行在电动机运行状态，直流-交流双向变换器（10）保持运行在逆变运行状态，超导开关（3）保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器（4）从稳态储能运行状态切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为充电运行状态、且直流链电容器（9）电压小于等于其下限阈值，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器（9）电压大于等于其上限阈值，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态的命令；如此反复，超导线圈（1）将吸收液氢燃料电池（8）发出的过剩电能，用于汽车减速；
E.液氢燃料电池汽车制动时
驾驶员输入汽车制动命令后，液氢燃料电池（8）停止工作，车载电机（11）从电动机运行状态切换至发电机运行状态，直流-交流双向变换器（10）从逆变运行状态切换至整流运行状态，超导开关（3）保持运行在关断运行状态，全桥式直流斩波器（4）从稳态储能运行状态切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为充电运行状态、且直流链电容器（9）电压小于等于其下限阈值，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为稳态储能运行状态、且直流链电容器（9）电压大于等于其上限阈值，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态储能运行状态，然后再切换至充电运行状态的命令；如此反复，超导线圈（1）将吸收车载电机（11）制动操作产生的电能，用于汽车制动；
F.液氢燃料电池汽车停止时
当汽车停止时，液氢燃料电池（8）停止工作，车载电机（11）保持运行在发电机运行状态，直流-交流双向变换器（10）保持运行在整流运行状态，超导开关（3）从关断运行状态切换至闭合运行状态，超导线圈（1）通过超导开关（3）形成无能量损耗的闭合储能回路；全桥式直流斩波器（4）工作在稳态储能运行状态；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为充电运行状态，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）切换至暂态储能运行状态，然后再切换至稳态储能运行状态的命令；如果全桥式直流斩波器（4）的当前运行状态为稳态储能运行状态，测控系统（12）立即输出全桥式直流斩波器（4）保持稳态储能运行状态的命令。
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