CN106183855B - 电动汽车动力电池系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提出一种电动汽车动力电池系统及控制方法，该电动汽车动力电池系统包括：燃料电池发电系统、第一动力电池系统、第二动力电池系统、直流转换器、燃料供应装置和氧气供应装置；所述燃料电池发电系统产生的热能用于加热第一动力电池系统，产生的电能用于为电动汽车提供电能、为所述第一动力电池系统充电，或者，为所述第一动力电池系统和所述第二动力电池系统充电。该系统能够利于固态锂电池的应用并充分利用能源。

Description

电动汽车动力电池系统及控制方法
技术领域
本申请涉及电动汽车技术领域，尤其涉及一种电动汽车动力电池系统及控制方法。
背景技术
目前锂电池在电动汽车、飞机辅助电源等方面应用广泛。锂电池可以分为具有可燃的有机溶剂的锂电池，以及具有完全不可燃固体电解质的固态锂电池。由于有机溶剂具有可燃性，尽管存在一些阻燃措施，但无法从根本上保证电池系统的安全性，而上述的固态锂电池可以从根本上保证安全性。此外，固态锂电池还具有能量密度高和循环寿命长等突出优势，被认为是未来动力电池技术的发展方向。
但是，由于固态锂电池的电导率较低，电池的倍率充放电性能较差，这在很大程度上限制了固态锂电池的实际应用。
为了提高固态锂电池的电导率，一种方式是提高电池的温度，例如当温度达到70～80℃时固态锂电池的电导率可达10-3S/cm。
燃料电池是很有发展前途的新的动力电源，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极.为维持电池的正常运转，须持续供应燃料和氧，及时排除反应产物(水)和废热。燃料电池的工作效率一般在50％左右，其余的能量大部分都以废热的形式排出。
因此，相关技术中存在如下问题：固态锂电池没有被加热，限制了固态锂电池的应用，燃料电池产生的能量以废热形式排出，没有被利用，存在能源浪费问题。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的一个目的在于提出一种电动汽车动力电池系统，该系统可以采用燃料电池发电系统产生的热能为固态锂电池加热，从而有利于固态锂电池的应用，且可以充分利用热能，避免能源浪费。
本申请的另一个目的在于提出一种控制方法。
为达到上述目的，本申请第一方面实施例提出的电动汽车动力电池系统，包括：燃料电池发电系统、第一动力电池系统、第二动力电池系统、直流转换器、燃料供应装置和氧气供应装置；所述燃料电池发电系统用于在工作时，根据燃料供应装置提供的燃料及氧气供应装置提供的氧气，产生电能和热能，所述热能用于加热第一动力电池系统，所述电能用于为电动汽车提供电能、为所述第一动力电池系统充电，或者，为所述第一动力电池系统和所述第二动力电池系统充电；所述第一动力电池系统用于在工作时，为电动汽车提供电能；所述第二动力电池系统用于在工作时，为电动汽车提供电能；所述直流转换器用于在工作时，将所述燃料电池发电系统的电能传输给电动汽车、所述第一动力电池系统，或者，所述第一动力电池系统和所述第二动力电池系统。
本申请第一方面实施例提出的电动汽车动力电池系统，通过采用燃料电池作为发电装置驱动电动汽车行驶，有效延长了整车的续驶里程，同时还可利用燃料电池的废热给固态锂电池加热，提高了固态锂电池的充放电性能，使固态燃料电池在电动汽车中的实际应用成为可能，并充分利用了能源。
为达到上述目的，本申请第二方面实施例提出的控制方法，包括：确定工作模式；当所述工作模式是启动限功率模式时，燃料电池发电系统、第一动力电池系统和第二动力电池系统均处于工作状态，所述第一动力电池和所述第二动力电池为电动汽车提供电能，以及，燃料电池发电系统产生的热能对第一动力电池系统进行加热。
本申请第二方面实施例提出的控制方法，在保证第一动力电池系统的使用及充分利用能源的基础上，通过多种工作模式可以适用于不同情况，确保整车性能满足用户的多种使用需求。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请一个实施例提出的电动汽车动力电池系统的结构示意图；
图2是本申请一个实施例提出的控制方法的流程示意图；
图3是本申请实施例中工作模式是启动限功率模式时的各模块的交互示意图；
图4是本申请实施例中工作模式是正常工作模式时的各模块的交互示意图；
图5是本申请实施例中工作模式是停车充电模式时的各模块的交互示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
图1是本申请一个实施例提出的电动汽车动力电池系统的结构示意图。
如图1所示，该系统包括：燃料电池发电系统11、第一动力电池系统12、第二动力电池系统13、直流转换器14、燃料供应装置15和氧气供应装置16。
燃料电池发电系统11用于在工作时，根据燃料供应装置15提供的燃料及氧气供应装置16提供的氧气，产生电能和热能，所述热能用于加热第一动力电池系统12，所述电能用于为电动汽车提供电能、为所述第一动力电池系统充电，或者，为所述第一动力电池系统和所述第二动力电池系统充电。
第一动力电池系统12用于在工作时，为电动汽车提供电能。
第二动力电池系统13用于在工作时，为电动汽车提供电能。
直流转换器14用于在工作时，将所述燃料电池发电系统11的电能传输给电动汽车、所述第一动力电池系统，或者，所述第一动力电池系统和所述第二动力电池系统。
具体的，第一动力电池系统为固态锂电池。进一步的，优选但不局限于固态磷酸铁锂锂离子电池、固态三元锂离子电池、固态锂硫电池或固态锂空气电池中的任意一种。
第二动力电池系统为高功率特性的二次电池。进一步的，优选但不局限于铅酸电池、镍氢电池或非固态锂离子电池中的任意一种。
燃料电池发电系统为氢氧燃料发电系统。进一步的，优选但不局限于碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池中的任意一种。相应的，燃料供应装置为氢气储气罐。
直流转换器有三种工作模式，包括使能工作模式，正常工作模式和故障模式。在使能工作模式下直流转换器处于未被启动状况，使能成功后即进入正常工作模式，在正常工作模式下可通过直流变换器对燃料电池进行功率提取操作。直流转换器的控制单元如果检测到故障，将使直流转换器进入故障模式。
第一动力电池系统，采用高电量设计，其电量范围为15～100kWh，进一步的，优选20～80kWh。
第二动力电池系统，采用低电量设计，其电量范围为2～15kWh，进一步的，优选5～10kWh。
燃料电池发电系统，其功率范围为2～30kWh，进一步的，优选5～20kWh。
本实施例中，通过采用燃料电池作为发电装置驱动电动汽车行驶，有效延长了整车的续驶里程，同时还可利用燃料电池的废热给固态锂电池加热，提高了固态锂电池的充放电性能，使固态燃料电池在电动汽车中的实际应用成为可能，并充分利用了能源。
图2是本申请一个实施例提出的控制方法的流程示意图。
基于上述的电池系统，给出如下的控制方法。
如图2所示，本实施例的方法包括：
S21：确定工作模式。
本实施例中，工作模式包括：启动限功率模式、正常工作模式和停车充电模式。可以根据电动汽车的当前行车状态确定属于的相应工作模式。
S22：当所述工作模式是启动限功率模式时，燃料电池发电系统、第一动力电池系统和第二动力电池系统均处于工作状态，所述第一动力电池和所述第二动力电池为电动汽车提供电能，以及，燃料电池发电系统产生的热能对第一动力电池系统进行加热。
一些实施例中，该方法还包括：
当所述工作模式是启动限功率模式时，所述燃料电池发电系统还用于为电动汽车提供电能。
进一步的，当所述工作模式是启动限功率模式时，在电动汽车的整车功率需求低时，采用燃料电池发电系统产生的电能为第一动力电池系统和第二动力电池系统充电。
一些实施例中，参见图2，该方法还包括：
S23：当所述工作模式是正常工作模式时，燃料电池发电系统和第一动力电池系统处于工作状态，所述第一动力电池系统为电动汽车提供电能，以及，燃料电池发电系统产生的热能对第一动力电池系统进行加热。
一些实施例中，该方法还包括：
当所述工作模式是正常工作模式时，所述燃料电池发电系统还用于为电动汽车提供电能。
进一步的，当所述工作模式是正常工作模式时，在电动汽车的整车功率需求低时，采用燃料电池发电系统产生的电能为第一动力电池系统充电。
一些实施例中，参见图2，该方法还包括：
S24：当所述工作模式是停车充电模式时，燃料电池发电系统处于工作状态，产生的电能为第一动力电池系统和第二动力电池系统进行充电，并在充满后停止工作。
下面以燃料为氢气为例，相应的燃料供应装置称为氢气储气罐，氧气供应装置称为空气过滤及供应泵。
上述各工作模式的具体说明如下。
(1)启动限功率模式。
如图3所示，该模式下，第一动力电池系统的温度未达到目标工作温度，输出功率受到限制，为满足整车的功率输出需求，第二动力电池系统同时工作向外输出电能，并且此时燃料电池发电系统工作，氢气储气罐和空气过滤及供应泵工作分别给燃料电池发电系统提供氢气和氧气，燃料电池发电系统产生的热量给第一动力电池系统加热，并输出电能，在整车功率需求较低时还可给第一动力电池系统和第二动力电池系统充电。
(2)正常工作模式。
如图4所示，该模式下，第一动力电池系统的温度达到目标工作温度，可满足整车的功率输出需求，第二动力电池系统高压断开不向外输出电能，但此时燃料电池发电系统继续工作，产生的热量给第一动力电池系统加热以维持其工作温度条件，并输出电能，在整车功率需求较低时还给第一动力电池系统充电。
(3)停车充电模式。
如图5所示，该模式下，整车停驶搁置，第一动力电池系统和第二动力电池系统不向外输出电能，但此时燃料电池发电系统继续工作，产生的热量给第一动力电池系统加热以维持其工作温度条件，并输出电能给第一动力电池系统和第二动力电池系统充电，待动力电池充满后燃料电池发电系统、氢气储气罐和空气过滤及供应泵停止工作，整车高压下电。
以下通过具体实施方式来进一步说明本申请：
第一动力电池系统为固态锂硫电池，设计电量为50kWh，目标工作温度为80℃，第二动力电池系统为功率型三元锂离子电池，设计电量为10kWh，燃料电池发电系统为质子交换膜燃料电池系统，最大发电功率为10kW。
实施实例1：整车启动行驶，第一动力电池系统的内部温度为30℃，整车加速行驶时需求功率为60kW，此时燃料电池发电系统工作，发电功率为10kW，第二动力电池系统同时向外输出电能，输出功率为40kW，第一动力电池系统输出功率为10kW。整车低速行驶时需求功率为8kW，此时燃料电池发电系统同时给第一动力电池系统和第二动力电池系统充电，充电功率为2kW。整车行驶过程中，燃料电池发电系统产生的热量给第一动力电池系统加热，内部温度不断升高。
实施实例2：整车行驶一段时间后，第一动力电池系统的内部温度升高至80℃，此时断开第二动力电池系统，整车加速行驶时需求功率为60kW，燃料电池发电系统继续工作，发电功率为10kW，第一动力电池系统输出功率为50kW。整车低速行驶时需求功率为8kW，此时燃料电池发电系统给第一动力电池系统充电，充电功率为2kW。整车行驶过程中，燃料电池发电系统产生的热量继续给第一动力电池系统加热，以维持内部工作温度。
实施实例3：整车停车后，燃料电池发电系统继续工作，发电功率为10kW，同时高压连接第一动力电池系统和第二动力电池系统，此时燃料电池发电系统给第一动力电池系统和第二动力电池系统充电，充电功率为10kW。当第一动力电池系统和第二动力电池系统充满后，燃料电池发电系统停止工作，整车高压下电。
本实施例的多种工作模式可以适用于不同情况，确保整车性能满足用户的多种使用需求。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种电动汽车动力电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池发电系统、第一动力电池系统、第二动力电池系统、直流转换器、燃料供应装置和氧气供应装置，所述第一动力电池系统为固态锂电池，所述第二动力电池系统为高功率特性的二次电池；
所述燃料电池发电系统用于在工作时，根据燃料供应装置提供的燃料及氧气供应装置提供的氧气，产生电能和热能；所述直流转换器用于在工作时，将所述燃料电池发电系统的电能传输给电动汽车、所述第一动力电池系统，或者，所述第一动力电池系统和所述第二动力电池系统；
当工作模式是启动限功率模式时，所述第一动力电池系统的温度未达到目标工作温度，所述第一动力电池系统和所述第二动力电池系统均为电动汽车提供电能，所述燃料电池发电系统产生的热能对所述第一动力 电池系统进行加热。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统为氢氧燃料发电电池，相应的，所述燃料供应装置包括：氢气储气罐。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一动力电池系统的电量范围为15～100kWh。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二动力电池系统的电量范围为2～15kWh。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统的电量范围为2～30kWh。
6.一种控制方法，其特征在于，包括：
确定工作模式；
当所述工作模式是启动限功率模式时，第一动力电池系统的温度未达到目标工作温度，燃料电池发电系统、第一动力电池系统和第二动力电池系统均处于工作状态，所述第一动力电池系统为固态锂电池，所述第二动力电池系统为高功率特性的二次电池；
所述第一动力电池和所述第二动力电池均为电动汽车提供电能，以及，所述燃料电池发电系统产生的热能对第一动力电池系统进行加热。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述工作模式是启动限功率模式时，所述燃料电池发电系统还用于为电动汽车提供电能。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述工作模式是正常工作模式时，燃料电池发电系统和第一动力电池系统处于工作状态，所述第一动力电池系统为电动汽车提供电能，以及，燃料电池发电系统产生的热能对第一动力电池系统进行加热。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述工作模式是正常工作模式时，所述燃料电池发电系统还用于为电动汽车提供电能。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述工作模式是停车充电模式时，燃料电池发电系统处于工作状态，产生的电能为第一动力电池系统和第二动力电池系统进行充电，并在充满后停止工作。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述工作模式是启动限功率模式时，在电动汽车的整车功率需求低时，采用燃料电池发电系统产生的电能为第一动力电池系统和第二动力电池系统充电。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述工作模式是正常工作模式时，在电动汽车的整车功率需求低时，采用燃料电池发电系统产生的电能为第一动力电池系统充电。
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