CN106379193A - 一种储能电车控制系统及具有该系统的电车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能电车控制系统，包括用于产生电能的制氢燃料电池和用于存储电能并为车辆的牵引电机提供电能的超级电容，制氢燃料电池和超级电容连接，还包括用于控制制氢燃料电池输出功率的控制器，控制器根据车辆行驶状态和超级电容的电量控制制氢燃料电池的输出功率。本发明通过在制氢燃料电池上加装控制器，以便根据超级电容和车辆状态对制氢燃料电池的输出功率进行调整，相比起设置泄放电阻的系统而言，本申请减轻了储能电车控制系统的整体重量，实现了对储能电车控制系统能量的有效利用，从而节省了储能电车控制系统中制氢燃料电池的能量，节约环保，优化了结构配置。本发明还公开了一种包括上述储能电车控制系统的电车。

Description

一种储能电车控制系统及具有该系统的电车

技术领域

本发明涉及电动车辆技术领域，更具体地说，涉及一种储能电车控制系统。此外，本发明还涉及一种包括上述储能电车控制系统的电车。

背景技术

目前道路上行驶的汽车大都使用从原油当中提炼的汽油或柴油燃料，相比于这种以化石能源作为动力的内燃汽车，电动汽车具有环保、节能的显著优势，电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。

目前大多数电动汽车采用的是锂电池作为储能电源，锂电池具有较高的能量密度，能够满足车辆续航里程的要求，但充放电电流过小，难以释放较大功率，特别是在制动环节，再生回馈能量效果较差，且电池使用寿命短。

采用超级电容作为储能元件的储能电源解决了使用寿命和大电流充放电的问题，但由于超级电容是功率型器件，其能量密度较低，无法满足车辆续航里程的要求。

采用燃料电池和超级电容作为储能电源的电动汽车具有高效和环保的优点，车辆运行的不同工况对燃料电池的功率输出要求不同，目前在以燃料电池作为车辆动力的方案中，通过泄放电阻吸收燃料电池多余电能。这样不仅造成了能源浪费，而且由于泄放电阻的加入，给车辆重量和安装空间都带来了不利影响，并且增加了生产和维护成本。

综上所述，如何提供一种节能、低成本的储能电车控制系统，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种储能电车控制系统，该系统的制造成本低，节省能量损耗。

本发明的另一目的是提供一种包括上述储能电车控制系统的电车。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种储能电车控制系统，包括用于产生电能的制氢燃料电池和用于存储电能并为车辆的牵引电机提供电能的超级电容，所述制氢燃料电池和所述超级电容连接，还包括用于控制所述制氢燃料电池输出功率的控制器，所述控制器根据车辆行驶状态和所述超级电容的电量控制所述制氢燃料电池的输出功率。

优选的，所述制氢燃料电池为甲醇重整制氢燃料电池，所述甲醇重整制氢燃料电池连接用于提供燃料的甲醇燃料箱。

优选的，所述制氢燃料电池与所述超级电容通过DC/DC控制器连接，所述超级电容通过DC/AC控制器连接车辆的牵引电机，所述DC/DC控制器和所述DC/AC控制器均与控制器连接，控制器包括：

用于检测所述超级电容的电量的超级电容电压检测模块，所述超级电容电压检测模块与所述超级电容连接；

用于当所述超级电容电压不足时作为车辆启动电源的蓄电池，所述蓄电池与所述DC/DC控制器和所述超级电容电压检测模块连接。

优选的，所述控制器和所述制氢燃料电池均连接所述超级电容电压检测模块，当所述超级电容的电压超过所述预设值时，所述控制器控制所述制氢燃料电池降低输出。

优选的，所述控制器与用于将所述牵引电机的动能转化为电能的发电机连接，所述发电机与所述牵引电机、所述DC/AC控制器连接。

优选的，所述发电机包括用于控制所述发电机启停的电机控制器，所述电机控制器与所述超级电容电压检测模块连接，当所述电机控制器获得所述超级电容的电量为满电时，所述电机控制器控制所述发电机关闭。

优选的，还包括用于在停机状态下控制所述制氢燃料电池将全部电能输出给所述车辆辅助负载的辅助负载控制器，所述辅助负载控制器连接车辆辅助负载、所述制氢燃料电池。

一种电车，包括储能电车控制系统，所述储能电车控制系统为上述任意一项所述的储能电车控制系统。

本发明通过在制氢燃料电池上加装控制器，以便根据超级电容和车辆状态对制氢燃料电池的输出功率进行调整，相比起设置泄放电阻的系统而言，本申请减轻了储能电车控制系统的整体重量，实现了对储能电车控制系统能量的有效利用，从而节省了储能电车控制系统中制氢燃料电池的能量，不仅实现了节约环保，有效利用能源，车辆的整体成本低，优化了结构配置。

本发明还提供了一种包括上述储能电车控制系统的电车。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的储能电车控制系统的示意图。

图1中：

1为甲醇燃料箱、2为甲醇重整制氢燃料电池、3为DC/DC控制器、4为超级电容、5为蓄电池、6为DC/AC控制器、7为牵引电机、8为差速器、9为车轮、10为控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种储能电车控制系统，该系统的制造成本低，节省能量损耗。

本发明的另一核心是提供一种包括上述储能电车控制系统的电车。

请参考图1，图1为本发明所提供的储能电车控制系统的示意图。

本发明所提供的一种储能电车控制系统，包括用于产生电能的制氢燃料电池和用于存储电能的超级电容4，制氢燃料电池和超级电容4连接，超级电容4用于为车辆的牵引电机7提供电能，还包括用于控制制氢燃料电池输出功率的控制器10，控制器10根据车辆行驶状态和超级电容4的电量控制制氢燃料电池的输出功率。

需要说明的是，控制器10的形式多样，可以为多种类型的控制部件，控制器10与制氢燃料电池连接，对制氢燃料电池的输出功率进行控制，具体的控制方式是根据当前车辆的行驶状态和当前超级电容4的电量进行控制。车辆行驶状态分为启动状态、正常行驶状态、制动状态和停机状态，超级电容4电量包括满电状态和未满电状态。

由于超级电容4的作用是存储电能，将从制氢燃料电池处获取的电能进行存储，并用于对牵引电机的供能，所以需要考虑牵引电机所处状态，即车辆的行驶状态，另外，还需要考虑当前超级电容4内的容量，若超级电容4内的电量足以供应牵引电机的使用，则无需制氢燃料电池进行输出；若电量不满或不能满足当前牵引电机的使用，则需要制氢燃料电池输出，或提高制氢燃料电池的输出。

需要说明的是，控制器10与超级电容4连接，以获得超级电容4内部电量情况，或者控制器10与用于获取超级电容4内部电量的装置连接，例如，电量测量装置等。

现有技术中是在超级电容4上安装泄放电阻，考虑到泄放电阻的重量较大，给车辆重量和安装空间都带来了不利影响，并且增加了生产和维护成本。更重要的是，泄放电阻的泄放方式是将能量耗散，而不是进行其他利用，所以造成了能源的严重浪费。而本申请中通过在制氢燃料电池上加装控制器10，以便根据超级电容4和车辆状态对制氢燃料电池的输出功率进行调整，本申请减轻了储能电车控制系统的整体重量，实现了对储能电车控制系统能量的有效利用，从而节省了储能电车控制系统中制氢燃料电池的能量，不仅实现了节约环保，有效利用能源，而且，车辆的整体成本低，优化了结构配置。

另外，由于超级电容4属于功率型储能器件，具有大功率充放电的能力，因此，以超级电容4带动车辆的牵引电机7，车辆能够获得很好的加速度性能，另一方面，制氢燃料电池具备较好的恒功率输出特性，制氢燃料电池以恒功率向超级电容充电，确保了超级电容4的电量稳定，其中恒功率指的是确定功率后，功率的稳定不变，但仍可以进行调整。

在上述实施例的基础之上，制氢燃料电池为甲醇重整制氢燃料电池2，甲醇重整制氢燃料电池2连接用于提供燃料的甲醇燃料箱。

需要说明的是，在本发明的一个具体实施例中，甲醇重整氢燃料电池单个电堆恒定输出功率为5KW，超级电容4单体容量为30000F，额定电流400A，系统最大可以提供240KW功率，满足车辆爬坡加速等性能要求。车辆整体续航里程通常有由所装载的燃料电池量决定，在本发明中，应当由甲醇燃料箱中的甲醇容量决定。甲醇重整氢燃料电池2是一种功率调整较快的燃料电池，具体地，可在10分钟内从满功率5KW降至零功率输出，响应速度快，并且关机时间为30分钟，整个过程释放电能0.8KWh，车辆辅助负载满负荷运行的功率消耗为4.5KW，因此完全可以满足调节功率的要求。综上所述，本实施例所提供的方案中，通过调节制氢燃料电池的输出功率，可以不用设置泄放电阻，不仅可以减少车辆重量，还可以减少车辆生产和维护成本。由于使用了甲醇重整制氢燃料电池2，使得制氢燃料电池和超级电容4各自的优良特性得到了有机结合，提升了车辆整体性能。可选的，上述制氢燃料电池也可以选用其他种类的燃料电池。

在上述实施例的基础之上，制氢燃料电池与超级电容4通过DC/DC控制器3连接，超级电容4通过DC/AC控制器6连接车辆的牵引电机7，DC/DC控制器3和DC/AC控制器6均与控制器10连接，其中，控制器10包括：超级电容电压检测模块和蓄电池5。超级电容电压检测模块用于检测超级电容的电量，超级电容电压检测模块与超级电容连接。蓄电池5用于给车辆备用充电，当超级电容电压不足时作为车辆的启动电源，蓄电池5与DC/DC控制器3和超级电容电压检测模块连接。

需要说明的是，DC/DC控制器3用于将制氢燃料电池内的电传以超级电容4能够接收和使用的形式输到超级电容4中，超级电容4将得到的电能通过DC/AC控制器(即逆变器)传输到牵引电机7中，DC/DC控制器3和DC/AC控制器6均由控制器10控制。由于车辆启动过程中，需要超级电容4对制氢燃料电池进行供电，首先，采用超级电容电压检测模块对超级电容4的电量进行检测，若超级电容4内电量足以启动车辆，则选用超级电容4对制氢燃料电池供电；若不满足，则控制与DC/DC控制器3连接的蓄电池5对制氢燃料电池充电。

当然，在车辆运行中其他状态下，也可以通过超级电容电压检测模块对超级电容4的电量进行检测。

需要说明的是，上述控制器10可以具有多个模块用于分别控制制氢燃料电池、DC/DC控制器3和DC/AC控制器6，或者控制器10可以为若干个独立的控制器10，分别控制制氢燃料电池、DC/DC控制器或DC/AC控制器。

在上述任意一个实施例的基础之上，控制器10和制氢燃料电池均连接超级电容电压检测模块，当超级电容4的电压超过预设值时，控制器控制制氢燃料电池降低输出。本实施例所提供的方案中，控制器10和制氢燃料电池均与超级电容电压检测模块连接，用于直接获取超级电容电压检测模块中对超级电容电量的检测值，从而根据该检测值对制氢燃料电池的输出功率进行调整。该调整可以建立在对车辆当前状态的获取后进行调整，也可以是仅仅根据当前超级电容4内的电量进行控制，始终保持超级电容4的电量维持在一个区间内，或者维持在一个稳定的水平。

在上述任意一个实施例的基础之上，控制器10与用于将牵引电机7的动能转化为电能的发电机连接，发电机与牵引电机7、DC/AC控制器6连接。

需要说明的是，发电机的作用是将牵引电机7产生的动能转化为电能，控制器10用于将产生的电能传送给DC/AC控制器6，以便DC/AC控制器6将电能传送给超级电容4进行存储。由于车辆处于制动工况下时，牵引电机7的不需要DC/AC进行电能的补充，而且，牵引电机7上的机械能能够通过发电机转化为电能，实现能量的利用。控制器10接收的电能通过DC/AC控制器6传送给超级电容4，以便进行存储。

可选的，上述由牵引电机7产生的动能转化得到的电能，也可以通过控制器的控制、并通过DC/AC控制器6的转化，传送到储能电车控制系统中的其他位置，例如，传送到蓄电池或传送到超级电容电压检测模块中，前者可以进行电能的存储，后者可以将获取到的电能用作超级电容电压检测模块的启动，以便对超级电容4的电量检测过程；或者传送到车辆内部的其他位置，以便能源的利用。

在上述任意一个实施例的基础之上，发电机可以具体包括用于控制发电机启停的电机控制器，电机控制器与超级电容电压检测模块连接，当电机控制器获得超级电容的电量为满电时，电机控制器控制发电机关闭。

需要说明的是，上述发电机进行动能转化电能时，将对超级电容4进行充电，而满电后的超级电容4是不需要再进行充电的，所以可以使发电机的电机控制器控制能量转化停止。可选的，上述电机控制器也可以保持发电机工作，并将多余的电能输送给蓄电池5，以便蓄电池5进行电能存储。

在上述任意一个实施例的基础之上，上述装置中还包括辅助负载控制器，用于在停机状态下控制制氢燃料电池将电池内的全部电能输出给车辆辅助负载，辅助负载控制器连接车辆辅助负载、制氢燃料电池。

考虑到燃料电池停机后需要20～30分钟才能完全停止功率输出，因此在停机环节接通辅助负载，消耗该部分能量。制氢燃料电池在功率调节方面目前已经可以做到快速响应，因此，在超级电容4电压达到设定值后，调节制氢燃料电池的输出功率，避免出现超级电容电压过高情况。

本发明所提供的一个具体实施例中，提供了一个较为可靠的、完成的方案，其中，储能电车控制系统包括甲醇燃料箱1、甲醇重整制氢燃料电池2、DC/DC控制器3、DC/AC控制器6、控制器10和超级电容4，通过电机控制器与发电机连接。甲醇燃料箱1用于给甲醇重整制氢燃料电池2发电提供燃料，甲醇重整制氢燃料电池2所发电能通过DC/DC控制器3输送至超级电容4，用于给超级电容4充电，在超级电容4电压达到设定值(低于允许最高工作电压)时，控制器10发出控制指令，降低甲醇重整制氢燃料电池2的输出功率。在控制器10的控制下，超级电容4通过DC/AC控制器6连接牵引电机7，一方面提供车辆牵引动力，另一方面，在车辆制动工况下，超级电容4通过发电机吸收车辆的制动能量。

当车辆处于启动状态时，由于甲醇重整制氢燃料电池2的启动需要超级电容4进行供能，所以可以首先判断超级电容4电量，若符合甲醇重整制氢燃料电池2启动能量要求，则由超级电容4通过DC/DC控制器3对制氢燃料电池进行充电，启动电池；若不符合制氢燃料电池的启动需求，则采用外接的蓄电池进行启动。

当车辆在正常行驶状态时，超级电容4处于正在为车辆提供牵引动力的状态中，甲醇重整制氢燃料电池2开始发电，通过DC/DC控制器3向蓄电池5和超级电容4充电，蓄电池5充满后断开，超级电容4电压直至达到设定值(确定此设定值时需考虑燃料电池功率调节过程响应时间和速度，该值应低于超级电容允许工作的最大电压)，此时，通过控制器降低燃料电池输出功率。

当车辆处于制动工况时，在超级电容4容量未满的情况下，超级电容4将吸收车辆制动能量，反之，关闭车辆再生制动功能。

当超级电容电压过高状态下：如果超级电容电压达到设定值，出现电压过高趋势，降低甲醇重整制氢燃料电池2输出功率。

当车辆处于停机状态下，超级电容4停止向电机放电，车辆停止运行，在制氢燃料电池完全停止对外输出能量之前，保持车辆辅助负载(空调)接通，直至甲醇重整燃料电池完全停止对外输出功率。

在上述任意一个实施例的基础之上，控制器10与用于获取车辆状态的获取装置连接，该获取装置可以与车辆控制系统连接，以便获得车辆当前状态，或者控制器10直接与车辆控制系统连接。

上述各个实施例所提供的储能电车控制系统的行车使用方法具体可以为下述步骤：

第一步，初始状态下由超级电容4向燃料电池供电，启动甲醇重整制氢燃料电池2。

储能电车控制系统中设置了超级电容电压检测模块，用以判断超级电容容量是否能够满足启动燃料电池，在超级电容4容量不够的情况下采用车辆蓄电池5作为启动电源。

第二步，牵引工况下由甲醇重整制氢燃料电池发电，通过DC/DC控制器3给超级电容4充电，直至充满，同时超级电容4提供车辆牵引动力。

车辆行驶过程中，甲醇重整制氢燃料电池2以恒功率发电，通过DC/DC控制器3对超级电容4充电，储能电车控制系统中设置了超级电容电压检测模块，用以判断超级电容容量是否充满，即超级电容4电压达到设定值(小于超级电容最大工作电压)后，系统将及时降低甲醇重整制氢燃料电池2的输出功率，避免能量浪费及超级电容4出现电压过高的现象。

第三步，制动工况下，则在超级电容4容量未满的前提下对电容充电，回收制动时发动机能量，直至电容充满。制动工况下的工作过程与发电机作用，将发动机动能转化为电能输出至超级电容4，并通过超级电容电压检测模块以判断电容电压是否达到设定值，如达到，则关闭再生制动。

除了上述实施例所提供的一种储能电车控制系统，本发明还提供一种包括上述实施例公开的储能电车控制系统的电车，该电车的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的储能电车控制系统及具有该系统的车辆进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种储能电车控制系统，包括用于产生电能的制氢燃料电池和用于存储电能并为车辆的牵引电机提供电能的超级电容，所述制氢燃料电池和所述超级电容连接，其特征在于，还包括用于控制所述制氢燃料电池输出功率的控制器，所述控制器根据车辆行驶状态和所述超级电容的电量控制所述制氢燃料电池的输出功率。

2.根据权利要求1所述的储能电车控制系统，其特征在于，所述制氢燃料电池为甲醇重整制氢燃料电池，所述甲醇重整制氢燃料电池连接用于提供燃料的甲醇燃料箱。

3.根据权利要求1或2所述的储能电车控制系统，其特征在于，所述制氢燃料电池与所述超级电容通过DC/DC控制器连接，所述超级电容通过DC/AC控制器连接车辆的牵引电机，所述DC/DC控制器和所述DC/AC控制器均与控制器连接，控制器包括：

用于检测所述超级电容的电量的超级电容电压检测模块，所述超级电容电压检测模块与所述超级电容连接；

用于当所述超级电容电压不足时作为车辆启动电源的蓄电池，所述蓄电池与所述DC/DC控制器和所述超级电容电压检测模块连接。

4.根据权利要求3所述的储能电车控制系统，其特征在于，所述控制器和所述制氢燃料电池均连接所述超级电容电压检测模块，当所述超级电容的电压超过所述预设值时，所述控制器控制所述制氢燃料电池降低输出。

5.根据权利要求4所述的储能电车控制系统，其特征在于，所述控制器与用于将所述牵引电机的动能转化为电能的发电机连接，所述发电机与所述牵引电机、所述DC/AC控制器连接。

6.根据权利要求5所述的储能电车控制系统，其特征在于，所述发电机包括用于控制所述发电机启停的电机控制器，所述电机控制器与所述超级电容电压检测模块连接，当所述电机控制器获得所述超级电容的电量为满电时，所述电机控制器控制所述发电机关闭。

7.根据权利要求5所述的储能电车控制系统，其特征在于，还包括用于在停机状态下控制所述制氢燃料电池将全部电能输出给所述车辆辅助负载的辅助负载控制器，所述辅助负载控制器连接车辆辅助负载、所述制氢燃料电池。

8.一种电车，包括储能电车控制系统，其特征在于，所述储能电车控制系统为权利要求1至7任意一项所述的储能电车控制系统。