CN109017347A - 一种燃料电池增程式电动汽车用电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池增程式电动汽车用电池系统，它包括燃料电池、与所述燃料电池相连通用于向其提供燃料的氢气储罐、与所述燃料电池相连接的DC/DC转换器、与所述DC/DC转换器相连接且与所述燃料电池进行能量交互的锂电池组以及分别与所述DC/DC转换器和所述锂电池组相连接的控制器，所述锂电池组可接入电网。这样解决了燃料电池低温（‑40℃~‑20℃）启动和锂电池低温（0℃）下的放电难的问题；同时克服了解决了以燃料电池做主电力给电动车供电的成本问题，大幅度降低了系统成本。

Description

一种燃料电池增程式电动汽车用电池系统
技术领域
本发明属于电动汽车领域，涉及一种电池系统，具体涉及一种燃料电池增程式电动汽车用电池系统。
背景技术
新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车等。一般认为，纯电动车和燃料电池车是未来的方向。以锂电为代表的纯电动车具有输出功率大、车辆加速快等优点；但储能密度有限、续航里程短；而且大容量的电池重量大、车辆电池自重高、耗能高，其自身安全风险高；同时存在充电时间长导致使用不便、规模应用时电网负荷太大等缺点；当锂电使用容量衰减后或在低的环境温度下，车辆行驶里程明显变短。
为了增加电动汽车的行驶里程，一般采用增程式电动汽车。增程式电动汽车是以燃油发动机带动发电机经过AC/DC提供给动力电池充电，然后由动力电池输出电能通过逆变变频后给电动机供电，电动机带动车轮转动。增程式电动汽车、混合动力车和插电式混合动力车虽在动力系统结构能源依赖方面不尽相同，但对于降低油耗，节能减排方面有确实有明显的效果，已成为当前发展的热点。燃料电池汽车不再依赖石油资源，运行过程中没有污染物排放。燃料电池汽车和燃油发动机比，具有以下优点：零排放；排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物；减少了机油泄露带来的水污染；降低了温室气体的排放；燃油电池的转化效率高（60%左右）运行平稳、无噪声。燃料电池汽车同锂电池汽车相比，具有以下优点：充氢时间短（3分钟）、续航里程长（目前已能达到700km）。燃料电池性能衰减后影响输出功率，但不怎么影响行驶里程。同时，燃料电池回收利用高、资源占用少，具有可持续性，一般认为燃料电池车是人类终极能源车。但是大功率燃料电池车目前成本高过高，瞬时功率输出能力差。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种燃料电池增程式电动汽车用电池系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池增程式电动汽车用电池系统，它包括燃料电池、与所述燃料电池相连通用于向其提供燃料的氢气储罐、与所述燃料电池相连接的DC/DC转换器、与所述DC/DC转换器相连接且与所述燃料电池进行能量交互的锂电池组以及分别与所述DC/DC转换器和所述锂电池组相连接的控制器，所述锂电池组可接入电网。
优化地，所述燃料电池的功率为2KW~20KW；更优选，所述燃料电池的功率为5KW~15KW。
优化地，所述锂电池组的容量为10KWH~60KWH；更优选，所述锂电池组的容量为15KWH~45KWH。
优化地，所述锂电池组的容量瓦时数与所述氢气储罐内携带氢气产生的电能能量瓦时数之比为1：1~8。
优化地，所述燃料电池为流道分离式燃料电池；更优选，燃料电池的冷却气体是用送风压头为100~1000Pa的送风设备输送，反应气体是用送风压头为3000~200000Pa的送风设备输送。
优化地，所述锂电池组为钛酸锂电池、三元锂电池或固态膜锂电。
优化地，它还包括与所述控制器相连接的电机。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明燃料电池增程式电动汽车用电池系统，通过在燃料电池和锂电池组之间连接DC/DC转换器，并使得燃料电池和锂电池组之间实现能量交互，这样解决了燃料电池低温（-40℃~-20℃）启动和锂电池低温（0℃）下的放电难的问题；同时克服了解决了以燃料电池做主电力给电动车供电的成本问题，大幅度降低了系统成本。
附图说明
附图1为本发明燃料电池增程式电动汽车用电池系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明：
如图1所示的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，主要包括燃料电池1、锂电池组2、DC/DC转换器3、控制器4和氢气储罐5等。
其中，燃料电池1通常采用2KW~20KW功率的燃料电池系统，功率为5~15KW的燃料电池系统更优；燃料电池1通常采用结构简易型的燃料电池系统，主要是气冷式燃料电池系统，优选使用的是反应气体同冷却气体流道分离式燃料电池；燃料电池的冷却气体一般用风扇低压大流量送风设备，其送风压头通常在100~1000Pa；燃料电池的反应气体（空气）一般采用高速涡旋风扇、涡轮风扇或高速离心鼓风机等设备供应，其压头通常在3000Pa~200000Pa。氢气储罐5与燃料电池1相连通，用于向燃料电池1提供燃料（即氢气）。DC/DC转换器3与燃料电池1相连接，以实现以恒功率方式向燃料电池1的下游（即锂电池组2和控制器4供电）。锂电池组2与DC/DC转换器3相连接，其容量为10KWH~60KWH，优选为15KWH~45KWH；锂电池组2可以采用稳定可靠性高且充放电次数多的钛酸锂电池，也可以是高能量密度的三元锂电池以及兼具能量性和可靠性一体的固态膜锂电池；锂电池组2可以通过充电电路直接接入电网6以进行充电；更重要的是，锂电池组2与燃料电池1能够进行能量交互，具体为：燃料电池1的冷却气体可以经管道导入锂电池组2的壳体内，可以提供给低温下的锂电池组2以保证其正常工作温度；而锂电池组2还通过电路与燃料电池1相连接，从而可以给低温下的燃料电池1以部分电力能量，即供给燃料电池1低温下启动需要的少部分热量能量。控制器4分别与DC/DC转换器3和锂电池组2相连接，它通常通过选择电路择一地（也可以同时）与DC/DC转换器3或锂电池组2接通，以接通电源实现对下游器件的控制。这样解决了燃料电池低温（-40℃~-20℃）启动和锂电池低温（0℃）下的放电难的问题；同时克服了解决了以燃料电池做主电力给电动车供电的成本问题，大幅度降低了系统成本；解决了单独使用锂电池的行驶里程短、充电时间长及使用衰减导致的行驶里程变短等问题；大幅度减少了锂电池的用量，降低了车载锂电池的重量，同时提高了安全性；燃料电池增程式电动车电池系统可以全部采用氢作为燃料，加氢时间短，不再依赖耗时的充电网络。
在本实施例中，锂电池组2的容量瓦时数与氢气储罐5内携带氢气产生的电能能量瓦时数之比为1：1~8。燃料电池增程式电动汽车用电池系统它还包括与控制器4相连接的电机7，通过控制器4的通断实现对电机7工作的控制。而电机7与常规的传动组件8相连接，以用于实现对车轮转动的控制。
在本实施例中，燃料电池1为风冷型燃料电池，其输出功率为200A/50V/10KW；冷却采用普通风扇，其运行时需要的反应用空气是由一个48V电动涡轮风机提供的。锂电池组2是采用100A/370V的固态锂离子电池，通过检测锂电池的电压和锂电池的输出功率特性，对燃料电,1进行开关控制。燃料电池1运行时，将以10KW的功率运行输出并通过DC/DC转换器3进行调压，达到同锂电池组2所匹配的合适电压。锂电池组2或/和DC/DC转换器3调整后的燃料电池1通过控制器4给电机7提供电力，电机7选用113KW的永磁同步电机。
在本实施例中，锂电池组2同燃料电池1一起可以输出113KW的电能，对车加速性能有保证。燃料电池1总重量在20KG，2个储氢气瓶的重量在72KG，可以储存4KG的氢气，并可以产生63KWH的电能；锂离子固态电池系统的能量密度180WH/KG，100A/370V锂离子电池的重量为200KG；DC/DC转换器3重10KG；这样电池系统总重量为316KG，所能提供的最大电能为110KWH的电能。用燃料电池1作为增程器，同锂电池组2组成的电池系统的系统能量密度为348WH/KG。以普通乘用电动车平均每百公里消耗15KWH的电能计算，一次充满氢气和锂离子电池的使电动车能够行驶735KM；并能保证电动车加速性能，同时兼具充氢时间短的优点。在本实例中，在低温环境中-20℃或更低的环境中，锂电池组2可以输出少量的电能加热空气给燃料电池1，燃料电池1启动后产生热量供给锂电池组2，加热锂电池组2到适合的温度，从而使整个系统稳定运行。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：它包括燃料电池（1）、与所述燃料电池（1）相连通用于向其提供燃料的氢气储罐（5）、与所述燃料电池（1）相连接的DC/DC转换器（3）、与所述DC/DC转换器（3）相连接且与所述燃料电池（1）进行能量交互的锂电池组（2）以及分别与所述DC/DC转换器（3）和所述锂电池组（2）相连接的控制器（4），所述锂电池组（2）可接入电网（6）。
2.根据权利要求1所述的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：所述燃料电池（1）的功率为2KW~20KW。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：所述燃料电池（1）的功率为5KW~15KW。
4.根据权利要求1所述的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：所述锂电池组（2）的容量为10KWH~60KWH。
5.根据权利要求1或4所述的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：所述锂电池组（2）的容量为15KWH~45KWH。
6.根据权利要求1所述的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：所述锂电池组（2）的容量瓦时数与所述氢气储罐（5）内携带氢气产生的电能能量瓦时数之比为1：1~8。
7.根据权利要求1所述的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：所述燃料电池（1）为流道分离式燃料电池。
8.根据权利要求7所述的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：所述燃料电池（1）的冷却气体是用送风压头为100~1000Pa的送风设备输送，反应气体是用送风压头为3000~200000Pa的送风设备输送。
9.根据权利要求1所述的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：所述锂电池组（2）为钛酸锂电池、三元锂电池或固态膜锂电。
10.根据权利要求1所述的燃料电池增程式电动汽车用电池系统，其特征在于：它还包括与所述控制器（4）相连接的电机（7）。
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