CN105730256A - 一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置 - Google Patents

一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，主要包括电控单元、功率变换器、检测单元、驱动电机、变速器、驱动轮、差速器、燃料储存罐、分离器、电控阀门、燃料电池堆、超级电容器。电动汽车加速时，超级电容给驱动电机供电；电动汽车制动时，驱动电机运行在发电模式，功率变换器运行在整流模式，制动产生的电能充入到超级电容器中。电动汽车正常行驶时，驱动电机运行在电动模式，功率变换器运行在逆变模式，燃料电池堆给驱动电机供电。电动汽车加速行驶时，驱动电机运行在电动模式，功率变换器运行在逆变模式，超级电容器给驱动电机供电。本发明还设计了分离器，将没有参加的反应的燃料进行回收再利用，更加环保。

Description

一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置
技术领域
本发明涉及一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，利用燃料电池作为电动汽车的主动力，并联超级电容作为辅助设备，属于电动汽车设备领域。
背景技术
燃料电池汽车(FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较,其动力方面的不同在于FCV用的电力来自车载燃料电池装置,电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此,FCV的关键是燃料电池。燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。因而,燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点,这确保了FCV成为真正意义上的高效、清洁汽车。目前，日本丰田、本田相继量产燃料电池汽车。由此可见，国际上已经开始抢占这一新兴的领域。燃料电池的功率受车身限制，额定功率有限。但是，车辆在急剧加速，需要很大的电流，或者车辆急制动时，电机运行在发电状态，也会产生很大的电流。产生的大电流处理不当，会对车辆产生很大的影响，甚至损坏车辆的动力装置或者车辆其他电器。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置的目的是解决燃料电池电动汽车存在的问题。
技术方案：一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，包括制动踏板（1）、油门踏板（2）、电控单元（3）、功率变换器（4）、检测单元（5）、驱动电机（6）、变速器（7）、驱动轮（8）、差速器（9）、燃料储存罐（10）、分离器（11）、电控阀门（12）、燃料电池堆（13）、超级电容器（14）；其中燃料电池堆（13）由主电源输出线（13-1）、检测端口（13-2）、燃料输出口（13-3）、燃料输入口（13-4）、反应堆（13-5）、排气口（13-6）、辅助加热电源接线端（13-7）、辅助加热器（13-8）构成；该装置由电气子系统、机械传动子系统和电控子系统、供气子系统构成；
电气子系统的连接：
燃料电池堆（13）的主电源输出线（13-1）与超级电容器（14）的输出并联后与功率变换器（4）的输入连接，功率变换器（4）的输出与驱动电机（6）的输入连接，超级电容器（14）的另一输出与燃料电池堆（13）的辅助加热电源接线端（13-7）连接；
机械传动子系统的连接：
驱动电机（6）动力输出与变速器（7）的输入连接，变速器（7）的输出与差速器（9）输入连接，差速器（9）的输出与驱动轮（8）连接；
电控子系统的连接：
检测单元（5）的输入分别与驱动电机（6）的检测端口、燃料电池堆（13）的检测端口（13-2）、超级电容器（14）的检测端口连接，检测单元（5）的输出与电控单元（3）输入连接，电控单元（3）的输入还与制动踏板（1）、油门踏板（2）的信号输出连接，电控单元（3）的输出分别与电控单元（3）的控制端口、超级电容器（14）的控制端口连接，检测单元（5）的输出还与电控阀门（12）的控制端口连接；
供气子系统的连接：
燃料储存罐（10）的输出与电控阀门（12）的输入连接，电控阀门（12）的输出与燃料电池堆（13）的燃料输入口（13-4）连接，燃料电池堆（13）的燃料输出口（13-3）与分离器（11）输入连接，分离器（11）的燃料口与电控阀门（12）输入口连接，分离器（11）的排气口直接排放到大气中。
一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，其特征在于功率变换器（4）为双向变换器，电动汽车运行在行驶状态下，功率变换器（4）工作在整流模式；电动汽车运行在制动状态下，功率变换器（4）工作在逆变模式。
一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，其特征在于燃料电池堆（13）输出与超级电容器（14）并联形式；
当油门踏板（2）被轻踏时，电动汽车运行在正常行驶时，电控单元（3）控制燃料电池堆（13）输出电功率，电控单元（3）控制驱动电机（6）运行在电动模式；
当在电动汽车运行在快速加速时，电控单元（3）控制超级电容器（14）输出大功率电能，电控单元（3）控制驱动电机（6）开始高功率运行在电动模式；
当制动踏板（1）被踩下时，电动汽车运行在制动状态，电控单元（3）控制驱动电机（6）运行在发电模式，电能经过功率变换器（4）整流后，给超级电容器（14）充电。
所述制动踏板（1）用于产生制动力，安装传感器，检测驾驶员车辆制动行为。
所述油门踏板（2）用于控制动力，安装传感器，检测驾驶员的车辆加速行为。
所述电控单元（3）用于控制燃料电池堆（13）、超级电容器（14）的功率输出，控制电控阀门（12）的阀门开度，控制功率变换器（4）的工作模式。
所述功率变换器（4）由双向变换器构成，当驱动电机（6）运行在电动模式时，功率变换器（4）工作在逆变模式，当驱动电机（6）运行在发电模式时，功率变换器（4）工作在整流模式。
所述检测单元（5）用于检测驱动电机（6）的功率、电压、电流，变速器（7）的功率、电压、电流，燃料电池堆（13）的功率、电压、电流，超级电容器（14）的功率、电压、电流以及制动踏板（1）、油门踏板（2）的信号。
所述驱动电机（6）由交流电机构成，用于将电能转换为机械能，或者将机械能转换为电能。
所述变速器（7）用于将驱动电机（6）的高转速机械能转化为低转速的机械能。
所述驱动轮（8）用车轮构成，用于支撑车辆，并实现车辆运行。
所述差速器（9）用于调节在转弯时车轮左前轮与右前轮的转速不一致。
所述燃料储存罐（10）由储存罐构成，用于储存汽车锁需要的燃料。
所述分离器（11）由气体分离器构成，用于分离在没有参加反应的燃料，实现燃料再利用。
所述电控阀门（12）用于控制燃料电池堆（13）燃料的供给量，由电控单元（3）控制。
所述燃料电池堆（13）由主电源输出线（13-1）、检测端口（13-2）、燃料输出口（13-3）、燃料输入口（13-4）、反应堆（13-5）、排气口（13-6）、辅助加热电源接线端（13-7）、辅助加热器（13-8）构成。
所述超级电容器（14）用于提供大功率电能或者吸收电动汽车制动时产生的电能。
工作原理：当驾驶员轻踩下油门踏板（2），电控单元（3）控制电控阀门（12）加大阀门的的开度，燃料进入燃料电池堆（13）中，燃料电池堆（13）的电能通过功率变换器（4）将电能转化为交流，给驱动电机（6）供电，驱动电机（6）的将电能转化为机械能，依次经过变速器（7）、差速器（9）将机械能传递至驱动轮（8）。当驾驶员深踩油门踏板（2），电控单元（3）控制超级电容器（14）输出高功率电能，经过功率变换器（4）将电能转化为交流，给驱动电机（6）供电，驱动电机（6）的将电能转化为机械能，依次经过变速器（7）、差速器（9）将机械能传递至驱动轮（8）。
当驾驶员踩下制动踏板（1）时，驱动电机（6）工作在发电状态，车辆的动能变换为机械能，经过驱动轮（8）、差速器（9）、变速器（7）将机械能传递给驱动电机（6），驱动电机将机械能转换为交流电能，交流电能经过功率变换器（4）整流后，给超级电容器（14）充电。
燃料储存罐（10）中的燃料经过电控阀门（12）给燃料电池堆（13）提供燃料，燃料的供给量受电控阀门（12）的控制，燃料进入燃料电池堆（13）中，部分燃料直接转换为电能，没有转换为电能的燃料和产生的混合气体进入分离器（11），分离器（11）将燃料分离后，送至电控阀门（12）的输入端，实现燃料循环再利用，分离器（11）的废气排放到大气中。
有益效果，本发明具有以下优点：
（1）本发明采用超级电容与燃料电池并联，在电动汽车加速时，提供瞬间的大功率，防止燃料电池堆电流过大，对燃料电池发电系统产生损坏，在电动汽车紧急制动时，驱动电机运行在发电模式，超级电容可以吸收驱动电机产生的大电流。
（2）本发明采用双向变换器，电动汽车正常行驶时，功率变换器工作在逆变状态，当电动汽车制动时，功率变换器工作在整流状态。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为制动工况下制动能回收过程能量传输示意图；
图3为燃料电池堆的结构示意图；
图中：1是制动踏板、2是油门踏板、3是电控单元、4是功率变换器、5是检测单元、6是驱动电机、7是变速器、8是驱动轮、9是差速器、10是燃料储存罐、11是分离器、12是电控阀门、13是燃料电池堆、14是超级电容器；13-1是主电源输出线、13-2是检测端口、13-3是燃料输出口、13-4是燃料输入口、13-5是反应堆、13-6是排气口、13-7是辅助加热电源接线端、13-8是辅助加热器。
具体实施方式：结合附图1至图3进一步对本发明解释。
一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，包括制动踏板（1）、油门踏板（2）、电控单元（3）、功率变换器（4）、检测单元（5）、驱动电机（6）、变速器（7）、驱动轮（8）、差速器（9）、燃料储存罐（10）、分离器（11）、电控阀门（12）、燃料电池堆（13）、超级电容器（14）；其中燃料电池堆（13）由主电源输出线（13-1）、检测端口（13-2）、燃料输出口（13-3）、燃料输入口（13-4）、反应堆（13-5）、排气口（13-6）、辅助加热电源接线端（13-7）、辅助加热器（13-8）构成；该装置由电气子系统、机械传动子系统和电控子系统、供气子系统构成；
电气子系统的连接：
燃料电池堆（13）的主电源输出线（13-1）与超级电容器（14）的输出并联后与功率变换器（4）的输入连接，功率变换器（4）的输出与驱动电机（6）的输入连接，超级电容器（14）的另一输出与燃料电池堆（13）的辅助加热电源接线端（13-7）连接；
机械传动子系统的连接：
驱动电机（6）动力输出与变速器（7）的输入连接，变速器（7）的输出与差速器（9）输入连接，差速器（9）的输出与驱动轮（8）连接；
电控子系统的连接：
检测单元（5）的输入分别与驱动电机（6）的检测端口、燃料电池堆（13）的检测端口（13-2）、超级电容器（14）的检测端口连接，检测单元（5）的输出与电控单元（3）输入连接，电控单元（3）的输入还与制动踏板（1）、油门踏板（2）的信号输出连接，电控单元（3）的输出分别与电控单元（3）的控制端口、超级电容器（14）的控制端口连接，检测单元（5）的输出还与电控阀门（12）的控制端口连接；
供气子系统的连接：
燃料储存罐（10）的输出与电控阀门（12）的输入连接，电控阀门（12）的输出与燃料电池堆（13）的燃料输入口（13-4）连接，燃料电池堆（13）的燃料输出口（13-3）与分离器（11）输入连接，分离器（11）的燃料口与电控阀门（12）输入口连接，分离器（11）的排气口直接排放到大气中。
一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，其特征在于功率变换器（4）为双向变换器，电动汽车运行在行驶状态下，功率变换器（4）工作在整流模式；电动汽车运行在制动状态下，功率变换器（4）工作在逆变模式。
一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，其特征在于燃料电池堆（13）输出与超级电容器（14）并联形式；
当油门踏板（2）被轻踏时，电动汽车运行在正常行驶时，电控单元（3）控制燃料电池堆（13）输出电功率，电控单元（3）控制驱动电机（6）运行在电动模式；
当在电动汽车运行在快速加速时，电控单元（3）控制超级电容器（14）输出大功率电能，电控单元（3）控制驱动电机（6）开始高功率运行在电动模式；
当制动踏板（1）被踩下时，电动汽车运行在制动状态，电控单元（3）控制驱动电机（6）运行在发电模式，电能经过功率变换器（4）整流后，给超级电容器（14）充电。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，包括制动踏板（1）、油门踏板（2）、电控单元（3）、功率变换器（4）、检测单元（5）、驱动电机（6）、变速器（7）、驱动轮（8）、差速器（9）、燃料储存罐（10）、分离器（11）、电控阀门（12）、燃料电池堆（13）、超级电容器（14）；其中燃料电池堆（13）由主电源输出线（13-1）、检测端口（13-2）、燃料输出口（13-3）、燃料输入口（13-4）、反应堆（13-5）、排气口（13-6）、辅助加热电源接线端（13-7）、辅助加热器（13-8）构成；该装置由电气子系统、机械传动子系统和电控子系统、供气子系统构成；
电气子系统的连接：
燃料电池堆（13）的主电源输出线（13-1）与超级电容器（14）的输出并联后与功率变换器（4）的输入连接，功率变换器（4）的输出与驱动电机（6）的输入连接，超级电容器（14）的另一输出与燃料电池堆（13）的辅助加热电源接线端（13-7）连接；
机械传动子系统的连接：
驱动电机（6）动力输出与变速器（7）的输入连接，变速器（7）的输出与差速器（9）输入连接，差速器（9）的输出与驱动轮（8）连接；
电控子系统的连接：
检测单元（5）的输入分别与驱动电机（6）的检测端口、燃料电池堆（13）的检测端口（13-2）、超级电容器（14）的检测端口连接，检测单元（5）的输出与电控单元（3）输入连接，电控单元（3）的输入还与制动踏板（1）、油门踏板（2）的信号输出连接，电控单元（3）的输出分别与电控单元（3）的控制端口、超级电容器（14）的控制端口连接，检测单元（5）的输出还与电控阀门（12）的控制端口连接；
供气子系统的连接：
燃料储存罐（10）的输出与电控阀门（12）的输入连接，电控阀门（12）的输出与燃料电池堆（13）的燃料输入口（13-4）连接，燃料电池堆（13）的燃料输出口（13-3）与分离器（11）输入连接，分离器（11）的燃料口与电控阀门（12）输入口连接，分离器（11）的排气口直接排放到大气中。
2.根据权利要求1所述的一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，其特征在于功率变换器（4）为双向变换器，电动汽车运行在行驶状态下，功率变换器（4）工作在整流模式；电动汽车运行在制动状态下，功率变换器（4）工作在逆变模式。
3.根据权利要求1所述的一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置，其特征在于燃料电池堆（13）输出与超级电容器（14）并联形式；
当油门踏板（2）被轻踏时，电动汽车运行在正常行驶时，电控单元（3）控制燃料电池堆（13）输出电功率，电控单元（3）控制驱动电机（6）运行在电动模式；
当在电动汽车运行在快速加速时，电控单元（3）控制超级电容器（14）输出大功率电能，电控单元（3）控制驱动电机（6）开始高功率运行在电动模式；
当制动踏板（1）被踩下时，电动汽车运行在制动状态，电控单元（3）控制驱动电机（6）运行在发电模式，电能经过功率变换器（4）整流后，给超级电容器（14）充电。
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