CN106828365A - 一种电动汽车燃料电池供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车燃料电池供电系统，包括燃料电池、控制器、加湿器，所述燃料电池与加湿器连接，燃料电池和加湿器均连接至控制器，其特征在于：还包括差分逆变器；所述差分逆变器的输入端与燃料电池的输出端连接；所述差分逆变器也连接至控制器；通过设置双DC/DC变换器的不同组合方式，可以实现升压逆变、降压逆变和升降压逆变，有效的抑制了低频纹波的产生，改善了燃料电池的工况，提高了燃料的利用率以及燃料电池的使用寿命，有利于促进燃料电池的推广应用，具有可观的经济效益和社会效益。

Description

一种电动汽车燃料电池供电系统
技术领域
本发明设计电动汽车供电技术领域，尤其是一种基于燃料电池的电动汽车供电系统。
背景技术
燃料电池作为一种利用新能源的载体，以其能量转化效率高、能量密度大、环境污染少等优点，被广泛应用于笔记本等便携式设备、电动汽车以及分布式发电系统中。给便携式设备供电属于直流供电，而应用于电动汽车或者分布式发电系统属于交流供电系统。
燃料电池用作直流供电系统时，在其输出的直流端会产生纹波，此纹波的产生将会导致燃料电池输出特性出现迟滞现象，威胁燃料电池的安全运行；与此同时，低频电流纹波还会导致燃料电池中燃料的利用率低，燃料电池供电效率低，燃料电池内的质子交换膜碳化降解；当低频纹波的复制超过平均电流的百分之四时，燃料电池还会收到耐用性降低和使用寿命缩短的危害。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种电动汽车燃料电池供电系统，通过设置双DC/DC变换器的不同组合方式，可以实现升压逆变、降压逆变和升降压逆变，有效的抑制了低频纹波的产生，改善了燃料电池的工况，提高了燃料的利用率以及燃料电池的使用寿命，有利于促进燃料电池的推广应用，具有可观的经济效益和社会效益。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的电动汽车燃料电池供电系统，包括燃料电池、控制器、加湿器，所述燃料电池与加湿器连接，燃料电池和加湿器均连接至控制器，还包括差分逆变器；所述差分逆变器的输入端与燃料电池的输出端连接；所述差分逆变器也连接至控制器。
由于采用上述结构，本发明的电动汽车的采用空气燃料电池，通过将空气和氢气作为燃料电池的两极，在加湿器及其他相关部件的作用下实现燃料电池对于电动汽车的供电作用；通过设置该差分逆变器结构，能有效的抑制了低频纹波的产生，改善燃料电池的工况，提高了燃料的利用率以及燃料电池的使用寿命；为了抑制低频纹波才产生，传统的方法是采用单级半桥或者全桥逆变器，由或者是在燃料电池的输出端接入电解电容、蓄电池或者有源滤波器等，上述方法均需要在逆变器的基础上加入外围电路予以实现，不仅增加了燃料电池组件体积和硬件成本，且不能很好的抑制纹波的产生，甚至还会影响燃料电池供电系统的使用寿命，本发明的差分逆变器很好的取代了传统的上述方法，其结构简单，能在维持系统动态特性的条件下实现燃料电池的低频电流纹波的抑制，有利于促进燃料电池的推广应用，具有可观的经济效益和社会效益。
本发明的电动汽车燃料电池供电系统，所述差分逆变器由两个相同的DC/DC变换器组成，可在控制器的作用下实现升压逆变、降压逆变和升降压逆变；所述差分逆变器包括差分电容、电感和开关。
进一步，所述DC/DC变换器的输出电压单独控制，均产生带有直流偏置的交流正弦电压。
由于采用上述结构，采用两个相同的DC/DC变换器，根据不同的组合实现升压逆变电路、降压逆变电路和升降压逆变电路，通过对差分逆变器中电容电压的控制进行波形的控制久可以抑制逆变器的低频电流纹波，提高燃料电池的利用率，改善燃料电池的使用。
本发明的电动汽车燃料电池供电系统，所述加湿器与燃料电池形成在回路之间还依次连接有去离子装置、水泵、散热器和集水器；所述加湿器内还设有湿度传感器；所述湿度传感器连接至控制器；所述散热器与集水器之间并接有放水阀；所述集水器上方设有放气阀。
进一步，所述加湿器连接至空气压缩机，加湿器与空气压缩机之间依次串联有流量控制器、空气干燥器、压力传感器和加气球阀；所述流量控制器和压力传感器均连接至控制器。
进一步，所述加湿器还与氢气瓶组连接，加湿器与氢气瓶组之间依次串联有流量控制器、压力传感器、加气球阀和进气总阀；所述气瓶组由若干氢气瓶并联组成；所述所述流量控制器和压力传感器均连接至控制器。
由于采用上述结构，通过控制器和管路组件的共同作用，实时调控气体的湿度、气体的进气量以及进气速度等，还可实时补充气体，保证了燃料电池堆的氧化还原反应，提高了气体的利用率；各传感装置与控制器相互作用，保证了系统的稳定性。
本发明的电动汽车燃料电池供电系统，所述燃料电池上还连接有温控系统。
进一步地，所述温控系统包括温度传感器和反应水箱；所述反应水箱上还设有加热器和风扇；所述温度传感器和反应水箱均连接至控制器。
由于采用上述结构，温控系统通过将温度传感器与反应水箱连接对燃料电池进行温度监控，能在控制其的作用下保证燃料电池的温度适宜，避免高温影响燃料电池的使用，增加燃料电池的工作时效。
本发明的电动汽车燃料电池供电系统，所述燃料电池的回路管道出口端上均设有出口总阀；所述出口总阀与燃料电池的之间均设有压力传感器。
由于采用上述结构，对燃料电池的整个管路上都通过压力传感与控制器的配合作用，保证了燃料电池整个系统管路的压力均衡，有益于燃料电池工作系统的有序进行，保证了系统的安全性。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的电动汽车燃料电池供电系统结构简单，体积占用率相对较小，满足了电动汽车对燃料电池的要求；
2、通过采用本发明中的差分逆变器与燃料电池的输出端连接，能有效的抑制低频纹波的产生，提高了燃料电池的利用率和使用寿命，保证了燃料电池的安全运行的同时即是保证了电动汽车的供电安全；
3、本发明的电动汽车燃料电池供电系统硬件成本低，可实施操作性强，具有可观的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明的电动汽车燃料电池供电系统结构简图；
图2是本发明的电动汽车燃料电池供电系统中差分逆变器的结构简图；
图3是实施例2中升压型差分逆变器的结构简图；
图4是传统控制方法下电容电压，输出电压、电流波形图；
图5是传统控制方法下电感电流，输入电流波形图；
图6是实施例2中逆变器的波形控制方法下电容电压，输出电压、电流波形图；
图7是实施例2中逆变器的波形控制方法下电感电流，输入电流波形图。
图中标记：1-燃料电池，2-差分逆变器，3-控制器，4-加湿器，5-去离子装置，6-水泵，7-散热器，8-集水器，9-放水阀，10-放气阀，11-出口总阀，12-压力传感器，13-出口总阀，14-压力传感器，15-温度传感器，16-反应水箱，17-流量控制器，18-空气干燥器，19-压力传感器，20-加气球阀，21-进气总阀，22-空气压缩机，23-流量控制器，24-压力传感器，25-加气球阀，26-进气总阀，27-氢气瓶组。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细的说明。
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种电动汽车燃料电池供电系统，包括燃料电池1、控制器3、加湿器4，所述燃料电池1与加湿器4连接，燃料电池1和加湿器4均连接至控制器3，其特征在于：还包括差分逆变器2；所述差分逆变器2的输入端与燃料电池1的输出端连接；所述差分逆变器2也连接至控制器3。所述差分逆变器2由两个相同的DC/DC变换器组成，可在控制器3的作用下实现升压逆变、降压逆变和升降压逆变；所述差分逆变器包括差分电容、电感和开关，所述差分电容、电感和开关的不同组成方式，可实现升压逆变、降压逆变和升降压逆变；所述DC/DC变换器的输出电压单独控制，均产生带有直流偏置的交流正弦电压。
该电动汽车燃料电池供电系统的加湿器4与燃料电池1形成在回路之间还依次连接有去离子装置5、水泵6、散热器7和集水器8；所述加湿器4内还设有湿度传感器；所述湿度传感器连接至控制器3；所述散热器7与集水器8之间并接有放水阀9；所述集水器8上方设有放气阀10。所述加湿器4连接至空气压缩机，加湿器4与空气压缩机之间依次串联有流量控制器3、空气干燥器、压力传感器和加气球阀；所述流量控制器3和压力传感器均连接至控制器3。所述加湿器4还与氢气瓶组连接，加湿器4与氢气瓶组之间依次串联有流量控制器3、压力传感器、加气球阀和进气总阀；所述气瓶组由若干氢气瓶并联组成；所述所述流量控制器3和压力传感器均连接至控制器3。
该电动汽车燃料电池供电系统的燃料电池1上还连接有温控系统。所述温控系统包括温度传感器15和反应水箱16；所述反应水箱16上还设有加热器和风扇；所述温度传感器15和反应水箱16均连接至控制器3。
该电动汽车燃料电池供电系统的燃料电池1的回路管道出口端上均设有出口总阀；所述出口总阀与燃料电池1的之间均设有压力传感器。
实施例2
基于实施例1的电动汽车燃料电池供电系统，本实施例以升压型差分逆变器系统为例对波形控制进行分析，如图3所示，该升压型差分逆变器的出入端与燃料电池的输出端连接，所述升压型差分逆变器包括左右两个升压逆变器，其左边变换器包括电容 C1、电感 L1和开关管 T1、T2，右边升压型变换器包括电容 C2、电感 L2 和开关管 T3、 T4，左右升压型变换器的结构对称；逆变系统的输出端与两个差分电容 C1、 C2 串联，其中燃料电池的直流电源为 Uin、负载为R。
针对上述升压差分逆变系统，其参数设置为下表：
参数 数值
输入电压Uin/V 90
输出电压/V 110
额定功率Pe/W 150
基波频率f/Hz 50
开关频率fS/kHz 20
电感L1、L2/μH 300
电容C1、C2 15μF，800V
对两个DC/DC变换器独立控制，分别词用电感电流内环，输出电容电压外环的双环控制方式，根据输出交流正弦电压的参数得到电容C1和C2的参考电压，与反馈的实际电压值进行比较后，将误差信号进行内外环的补偿调节，再通过脉冲宽调制方式控制开关占空比，为避免控制时间延迟和实际缺陷，导致逆变器输出产生直流偏置成分，在该设计中，通过引入输出电流直流成分跟踪给定 0 的电流控制环，抑制输出的直流偏置成分，最后得到波形图如说明书附图4、图5、图6和图7所示。
通过上述分析可以看出，采用本发明的差分逆变器可很大程度上的抑制低频纹波的产生，改善燃料电池的工况，有益于燃料电池的推广应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电动汽车燃料电池供电系统，包括燃料电池（1）、控制器（3）、加湿器（4），所述燃料电池（1）与加湿器（4）连接，燃料电池（1）和加湿器（4）均连接至控制器（3），其特征在于：还包括差分逆变器（2）；所述差分逆变器（2）的输入端与燃料电池（1）的输出端连接；所述差分逆变器（2）也连接至控制器（3）。
2.根据权利要求1所述的电动汽车燃料电池供电系统，其特征在于：所述差分逆变器（2）由两个相同的DC/DC变换器组成，可在控制器（3）的作用下实现升压逆变、降压逆变和升降压逆变；所述差分逆变器（2）包括差分电容、电感和开关。
3.根据权利要求2所述的电动汽车燃料电池供电系统，其特征在于：所述DC/DC变换器的输出电压单独控制，均产生带有直流偏置的交流正弦电压。
4.根据权利要求1或2或3所述的电动汽车燃料电池供电系统，其特征在于：所述加湿器（4）与燃料电池（1）形成在回路之间还依次连接有去离子装置（5）、水泵（6）、散热器（7）和集水器（8）；所述加湿器（4）内还设有湿度传感器；所述湿度传感器连接至控制器（3）；所述散热器（7）与集水器（8）之间并接有放水阀（9）；所述集水器（8）上方设有放气阀（10）。
5.根据权利要求4所述的电动汽车燃料电池供电系统，其特征在于：所述加湿器（4）连接至空气压缩机，加湿器（4）与空气压缩机之间依次串联有流量控制器（3）、空气干燥器、压力传感器和加气球阀；所述流量控制器（3）和压力传感器均连接至控制器（3）。
6.根据权利要求4所述的电动汽车燃料电池供电系统，其特征在于：所述加湿器（4）还与氢气瓶组连接，加湿器（4）与氢气瓶组之间依次串联有流量控制器（3）、压力传感器、加气球阀和进气总阀；所述气瓶组由若干氢气瓶并联组成；所述所述流量控制器（3）和压力传感器均连接至控制器（3）。
7.根据权利要求1或2或3或5或6所述的电动汽车燃料电池供电系统，其特征在于：所述燃料电池（1）上还连接有温控系统。
8.根据权利要求7所述的电动汽车燃料电池供电系统，其特征在于：所述温控系统包括温度传感器（15）和反应水箱（16）；所述反应水箱（16）上还设有加热器和风扇；所述温度传感器（15）和反应水箱（16）均连接至控制器（3）。
9.根据权利要求8所述的电动汽车燃料电池供电系统，其特征在于：所述燃料电池（1）的回路管道出口端上均设有出口总阀；所述出口总阀与燃料电池（1）的之间均设有压力传感器。
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