CN104627015A - 一种新型燃料电池混合动力电动汽车能量管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型燃料电池混合动力电动汽车能量管理系统，主要由能量管理控制系统、燃料电池子系统、光伏发电子系统、变换器等构成，能量管理控制系统根据车辆行驶动力需求，合理分配燃料子系统和动力锂电池组的供电比例。当电动汽车受到阳光照射时，光伏发电子系统可将太阳能转化为电能存储于动力锂电池组中或者给车用负载供电。本发明实现了太阳能与燃料电池在电动汽车中的综合利用，并实现电动汽车多能源供给的能量管理控制。

Description

一种新型燃料电池混合动力电动汽车能量管理系统

技术领域

本发明涉及一种新型燃料电池混合动力电动汽车能量管理系统，特别涉及一种燃料电池与太阳能联合供电能量管理系统，属于新能源技术领域。

背景技术

能源与环境是人类赖以生存的物质基础，随着社会工业化进程不断发展，能源危机和环境污染是人类面临的两大难题。汽车燃油的燃烧消耗了大量的石油资源，同时排放了大量的有害气体，严重污染了人类生存的环境。近年来，新能源汽车不断涌现，如插电式混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车以及混合动力电动汽车等。以日本为代表的插电式油电混合动力汽车已经量产多年，在其他新能源汽车技术不成熟的情况下，该类型的电动汽车仅作为一种过渡的新能源汽车。纯电动汽车在国内市场渐渐开始发展，由于目前的配套设施并不完善和一些关键技术需要进一步研究，阻碍了纯电动汽车的发展。荷兰埃因霍温科技大学的团队设计了全球首辆太阳能家用汽车，可容纳一家四口，在晴天可行驶672公里，验证了太阳能电动汽车的可行性，为太阳能电动汽车的发展奠定了基础。燃料电池汽车成为新能源汽车研究的重点之一，2008年北京奥运会，国产燃料电池汽车示范运行。燃料电池动力系统是核心部分，目前国内燃料电池汽车相关的研究新成果不断涌现。简言之，目前新能源汽车技术不够成熟，成本高，消费者的接受度低，新能源电动汽车需要依靠政府的补贴才能得以发展。为解决能源危机和环境污染，一个重要且可行的方法就是大力发展新能源电动汽车，降低新能源电动汽车的成本，改进新能源电动汽车的技术，使得新能源汽车运行可靠、价格低廉，所以新型的新能源电动汽车及相关的系统成为研究热点和重点。

目前我国的汽车市场发展状况是：汽车增长速度快，能源需求日益膨胀，能源危机日益显著，并且室内停车位数量非常少，导致的结果是大多数汽车暴晒于路边。从而使得汽车车内气温高，车内气味难闻，甚至产生有害气体，尤其是在炎热的夏天。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在新能源电动汽车成本高与市场接受度低的问题与不足，本发明的目的是提供一种新型燃料电池混合动力电动汽车能量管理系统。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种新型燃料电池混合动力电动汽车能量管理系统，包括：

储氢装置，储存电动汽车所需的燃料氢气，由高压储氢罐构成；

燃料电池子系统，将氢燃料的化学能转化为直流电能，由燃料电池堆和辅助设备构成；

高压直流DC／DC变换器，将燃料电池的直流电能变换为高压直流电能，由DC／DC升压电路构成；

动力锂电池组，用于燃料电池辅助设备的供电和作为驱动电机的辅助能源，并在汽车制动时，回收制动能，由锂离子电池串并联构成；

驱动电机，用于驱动车辆，将电能转换为机械能，由永磁同步电机构成；

双向变换器，用于将燃料电池的直流电能变换为驱动电机所需要的交流电能，并在车辆制动时，为车辆制动能回收提供能量传输通道；

直流降压DC／DC变换器，将燃料电池的直流电能变换为稳定的24V车用电源，并给车用负载供电，由降压型DC／DC变换器构成；

直流升压DC／DC变换器，将光伏发电子系统的直流电能转为为高压直流电能，以满足动力锂电池组的充电，并实现光伏发电子系统的最大功率跟踪控制，由升压型DC／DC变换器构成；

车载蓄电池，用于汽车车用负载的供电，如雨刷、电动天窗，中控等供电，由铅酸车载电池构成。

能量管理控制系统，用于控制电动汽车燃料电池、动力锂电池组、光伏电池的供电与负载的功率需求平衡，由高性能的DSP芯片构成；

光伏发电子系统，将太阳辐射能转换为电能，由光伏电池串并联构成；

车用负载，为汽车常用的负载，如收音机、车灯、雨刷等。

其中，所述燃料电池子系统由燃料电池堆和辅助设备构成，储氢装置用管道与燃料电池子系统的燃料电池堆的阳极连接，燃料电池子系统的辅助设备由电缆与动力锂电池组输出连接。燃料电池子系统的输出通过电缆与高压直流DC／DC变换器的输入连接，高压直流DC／DC变换器输出与双向变换器的输入连接，双向变换器的输出与驱动电机连接。高压直流DC／DC变换器的输出与直流降压DC／DC变换器输入连接，直流降压DC／DC变换器的输出与车载蓄电池和车用负载连接、光伏发电子系统的输出与直流升压DC／DC变换器的输入连接，直流升压DC／DC变换器输出与动力锂电池组的输入和直流降压DC／DC变换器的输入连接。

本发明与现有技术相比，有益效果：

(1)实现燃料电池与太阳能光伏发电共同给电动汽车供电，无污染。

(2)当电动汽车存放在露天的停车场时，可以将太阳能转换为电能存储于动力锂电池组中。

(3)系统可靠性高，适应环境能量强，动力输出特性好。

(4)系统可实现制动能回收，提高能源利用效率。

(5)系统具有能量管理控制系统，实现功率平衡控制，即控制燃料电池、光伏发电、动力锂电池与负载的功率平衡。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中有储氢装置1、燃料电池子系统2、高压直流DC／DC变换器3、动力锂电池组4、驱动电机5、双向变换器6、直流降压DC／DC变换器7、车载蓄电池组8、能量管理控制系统9、车用负载10、光伏发电子系统11、直流升压DC／DC变换器12。

图2为新型燃料电池混合动力电动汽车加速时燃料电池与动力锂电池共同输出功率。

图中有：燃料电池子系统2、高压直流DC／DC变换器3、动力锂电池组4、驱动电机5、双向变换器6。

图3为新型燃料电池混合动力电动汽车轻载时，燃料电池子系统给动力锂电池组充电过程。

图中有：燃料电池子系统2、高压直流DC／DC变换器3、动力锂电池组4、驱动电机5、双向变换器6。

图4为新型燃料电池混合动力电动汽车制动时，制动能回收过程。

图中有：燃料电池子系统2、高压直流DC／DC变换器3、动力锂电池组4、驱动电机5、双向变换器6

图5为新型燃料电池混合动力电动汽车受到光照时，光伏输出功率。

图中有：燃料电池子系统2、高压直流DC／DC变换器3、动力锂电池组4、驱动电机5、双向变换器6、直流降压DC／DC变换器7、车载蓄电池组8、车用负载10、光伏发电子系统11、直流升压DC／DC变换器12。

图6为新型燃料电池混合动力系统能量管理控制系统结构。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐明本发明。

如图1所示，燃料电池子系统2由燃料电池堆和辅助设备构成，储氢装置1由管道与燃料电池子系统2的燃料电池堆的阳极连接，燃料电池子系统2的辅助设备由电缆与动力锂电池组4输出连接，动力锂电池组4在燃料电池子系统2启动时给其辅助设备供电，以便燃料电池子系统2启动。燃料电池子系统2的输出通过电缆与高压直流DC／DC变换器3的输入连接，高压直流DC／DC变换器3输出与双向变换器6的输入连接，双向变换器6的输出与驱动电机5连接。至此，完成了燃料电池子系统2给驱动电机5的供电。

高压直流DC／DC变换器3的输出与直流降压DC／DC变换器7的输入连接，直流降压DC／DC变换器7的输出与车载蓄电池8和车用负载10连接，此电路完成了燃料电池子系统2给车载蓄电池8充电和车用负载10的供电。

光伏发电子系统11的输出与直流升压DC／DC变换器12的输入连接，直流升压DC／DC变换器12的输出与动力锂电池组4的输入和直流降压DC／DC变换器7的输入连接，完成光伏发电子系统11给动力锂电池组4、车载蓄电池8的充电和车用负载10的供电。

所述燃料电池子系统2由电池堆和辅助设备构成，燃料电池堆的启动需要相关的辅助设备才能正常运行，如压缩空气和加热设备，在燃料电池正常工作之前，这些辅助设备运行需要一定功率的电能，普通的车载蓄电池8无法满足启动要求，所以需要装配动力锂电池组4来启动燃料电池子系统2。

所述动力锂电池组4是由锂离子电池串并联构成，一方面，动力锂电池组4可以用于电池子系统2辅助设备的供电，另一方面，动力锂电池组4可以吸收制动能回收，电动汽车的驱动设备是驱动电机5，驱动电机5可运行在电动状态和发电状态，当电动汽车工作在加速或者匀速行驶时，驱动电机5工作在电动状态，当燃料子体系2不能满足功率需求时，动力锂电池组4与其共同提供输出功率；当电动汽车工作在制动状态时，驱动电机5工作在发电状态，通过双向变换器6，可将制动能转换为电能存储于动力锂电池组4中。

所述驱动电机5由永磁同步电机构成，目前该电机广泛应用于电动汽车的驱动电机。

所述高压直流DC／DC变换器3将燃料电池子系统的直流电能转化为双向变换器6和动力锂电池组4所需要的高压直流电。

所述双向变换器6是由PWM型逆变电路构成，当电动汽车行驶在加速或者匀速行驶过程中，双向变换器6工作在逆变状态，即将燃料电池子系统2的直流电能逆变为驱动电机5所需要的交流电能，此时，电机工作在电动状态；当电动汽车工作在制动状态，驱动电机5工作在发电状态，双向变换器6工作在整流状态，将驱动电机发电得到的交流电能整流为直流存储于动力锂电池组4中。

所述储氢装置1是由高压储氢罐构成，用于储存燃料电池所需要的燃料：氢；

所述直流降压DC／DC变换器7是将高压直流电能变换为电动汽车车用负载10所需要的低压直流电能和车载蓄电池8充电电能(一般为12V)。

所述车载蓄电池8，用于电动汽车车用负载10的供电，如雨刷、电动天窗，中控等供电，收音机等。

所述车用负载10，为电动汽车常用的负载、如雨刷、电动天窗、中控、收音机、导航等供电。

所述光伏发电子系统11可由单晶硅电池和薄膜电池构成，在电动汽车的车顶安装转换效率较高的单晶硅电池，而在车窗两侧玻璃可安装转换效率相对较低，且柔性高和一定的透明度的薄膜电池，即能起到遮阳和隐私的作用，又可将太阳能转换为电能。光伏发电子系统11产生的低压直流电能经过直流升压DC／DC变换器12，可得到高压直流电能，以满足动力锂电池组4充电需求。

所述直流升压DC／DC变换器12，由BOOST升压斩波电路构成，一方面提高直流电压，另一方面，通过控制直流升压DC／DC变换器12的占空比可实现光伏发电子系统11的最大功率跟踪控制。直流升压DC／DC变换器12的输出端同时与降压直流DC／DC变换器7输入端连接，在光伏发电子系统11产生剩余能量时，可将剩余电能直接供给车用负载10供电或者车载蓄电池8充电。

所述能量管理控制系统9，其系统结构如图6所示，输入部分为电机实际转矩值与实际需求转矩值的差值、燃料电池SOC(state of charge，即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值)、动力锂电池SOC，由3个输入信号值，根据控制算法可得到燃料电池子系统输出功率的增量，该增量与燃料电池子系统当前输出功率求和，即得到输出总功率，当燃料电池子系统无法满足系统所需要的输出总功率时，由动力锂电池组补充，即动力锂电池组输出总功率=实际需求转矩值-燃料电池输出总功率值。

如图2所示，当电动汽车工作在加速状态时，燃料电池子系统2无法满足动力需求时，动力锂电池组4放电，共同给电动汽车驱动电机5供电。

如图3所示，当电动汽车工作在轻载状态时，动力锂电池组4的SOC值较低，燃料电池子系统2给动力锂电池组4进行充电。

如图4所示，当电动汽车运行在制动状态时，驱动电机5工作在发电状态，通过双向变换器6，给动力锂电池组4进行充电。图中实线连接为电缆连接，并电路处于工作状态，虚线部分为电缆连接，但电路处于不工作状态。

如图5所示，当电动汽车停在阳光下，或者行驶于阳光下，光伏发电子系统11产生的低压直流电能经过直流升压DC／DC变换器12给动力锂电池组4充电。直流升压DC／DC变换器12输出与直流降压DC／DC变换器7输入端连接，在光伏发电子系统11产生剩余能量时，可将电能直接给车用负载10供电或者车载蓄电池8充电。

Claims (3)

1.一种新型燃料电池混合动力电动汽车能量管理系统，其特征在于，该系统包括储氢装置(1)、燃料电池子系统(2)、高压直流DC／DC变换器(3)、动力锂电池组(4)、驱动电机(5)、双向变换器(6)、直流降压DC／DC变换器(7)、车载蓄电池组(8)、能量管理控制系统(9)、车用负载(10)、光伏发电子系统(11)、直流升压DC／DC变换器(12)。

所述燃料电池子系统(2)由燃料电池堆和辅助设备构成，储氢装置(1)由管道与燃料电池子系统(2)的燃料电池堆的阳极连接，燃料电池子系统(2)的辅助设备由电缆与动力锂电池组(4)输出连接。燃料电池子系统(2)的输出由电缆与高压直流DC／DC变换器(3)的输入连接，高压直流DC／DC变换器(3)输出与双向变换器(6)的输入连接，双向变换器(6)的输出与驱动电机(5)连接。高压直流DC／DC变换器(3)的输出与直流降压DC／DC变换器(7)的输入连接，直流降压DC／DC变换器(7)的输出与车载蓄电池(8)和车用负载(10)连接。

所述光伏发电子系统(11)的输出与直流升压DC／DC变换器(12)的输入连接，直流升压DC／DC变换器(12)的输出与动力锂电池组(4)、直流降压DC／DC变换器(7)的输入连接。能量管理控制系统(9)通过信号线与燃料电池子系统(2)、高压直流DC／DC变换器(3)、动力锂电池组(4)、双向变换器(6)、直流降压DC／DC变换器(7)连接。

2.根据权利要求1所述一种新型燃料电池混合动力电动汽车能量管理系统，其特征在于：所述能量管理控制系统(9)控制燃料电池子系统(2)与动力锂电池组(4)供电比例以及光伏发电子系统(11)的电能管理控制。

3.根据权利要求1所述一种新型燃料电池混合动力电动汽车能量管理系统，其特征在于：制动能回收存储于动力锂电池组(4)，且光伏发电子系统(11)通过直流升压DC／DC变换器(12)给动力锂电池组(4)充电。