CN109318725A - 基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车及增程方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车及增程方法，其中方法包括如下步骤，一种保持所述固体氧化物燃料电池在工作温度；将所述动力蓄电池内的所有电芯分为至少两个电芯组；当所述电动汽车行驶时，至少一个所述电芯组作为动力电芯组与所述驱动电机电连接，用于给所述驱动电机供电；其它电芯组均作为备用电芯组，不实时对所述驱动电机供电；保持监测动力电芯组的剩余电量；当动力电芯组的剩余电量低于或等于预设的工作阈值时，将动力组与备用组进行切换，并通过固体氧化物燃料电池对动力蓄电池进行在线充电。本发明提高了电动车的续航里程，大大降低了动力电池所需体积及质量。

Description

基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车及增程方法

技术领域

本发明涉及新能源技术，具体涉及基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车及增程方法。

背景技术

面对日益严峻的气候和能源形势，电动汽车以其节能环保的巨大优势，受到各国政府越来越多的重视。电动汽车具有经济、环保的优点，但是，当前动力电池存在价格高昂、能量密度较低，以及充电时间较长等问题，限制了电动汽车的大规模推广应用，续航能力弱也是电动汽车的一大弱点。若要增加电动汽车行驶里程，就要增加动力电池容量，由此带来一系列问题，比如汽车重量增加，锂电池容量越大就意味着车身越重；容量越大，成本越高；大容量电池也显著增加了安全问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决一般纯电动汽车行驶路程较短，续航能力不足的问题，本发明目的是提供一种提高电动汽车续航能力的基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车。

本发明解决上述技术的技术方案如下：

基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车，包括驱动电机，所述驱动电机的动力输出端与传动系统相连接，所述驱动电机的功率输入端与动力蓄电池相连接，所述动力蓄电池分别与充电设备以及固体氧化物燃料电池电连接。

进一步地，所述固体氧化物燃料电池外设置有保温外壳。

进一步地，所述固体氧化物燃料电池的燃料为甲醇。

本发明选择甲醇代替纯氢，作为增程器燃料，使用车载重整器制氢。

与氢燃料先比，甲醇来源广泛，价格低廉。易于存储和运输，避免了氢气储存、运输不便等问题。可以很好地与现有的能源供应设施兼容，避免了国内加氢站严重不足的问题。且其能量转换率高，是H₂的良好载体。

甲醇裂解是吸热反应，可以利用发动机的废热以增加燃料热值。

应用基于固体氧化物燃料电池的增程电动汽车，本发明还提出了一种增程方法，包括如下步骤：

保持所述固体氧化物燃料电池在工作温度；

将所述动力蓄电池内的所有电芯分为至少两个电芯组；

当所述电动汽车行驶时，至少一个所述电芯组作为动力电芯组与所述驱动电机电连接，用于给所述驱动电机供电；其它电芯组均作为备用电芯组，不实时对所述驱动电机供电；

保持监测动力电芯组的剩余电量；当动力电芯组的剩余电量低于或等于预设的工作阈值时，切换一个剩余电量在所述预设工作阈值之上的原备用组的电芯组为新的动力电芯组，同时切换原动力电芯组作为备用电芯组；

当所述车辆行驶时，保持监测备用电芯组的电量，当备用电芯组的电量低于等于预设的充电阈值下限时，启动所述固体氧化物燃料电池对所述备用电芯组充电至所述备用电芯组的电量不低于预设的充电上限阈值。

进一步地，所述增程方法还包括如下步骤：

当所述电动汽车停泊时，监测所述动力电池的电量，通过外接电源对所述动力电池进行充电直至所述动力电池的电量达到预设的充电上限阈值。

进一步地，当所述电动汽车加速或爬坡时，当动力电芯组的剩余电量低于或等于预设的特别工况工作阈值时，切换一个剩余电量在所述特别工况预设工作阈值之上的原备用组的电芯组为新的动力电芯组，同时切换原动力电芯组作为备用电芯组；

当所述电动汽车加速或爬坡时，保持监测备用电芯组的电量，当备用电芯组的电量低于等于预设的所述特别工况工作阈值时，启动所述固体氧化物燃料电池对所述备用电芯组充电至所述备用电芯组的电量不低于预设的充电上限阈值；

所述特别工况工作阈值大于所述工作阈值。

进一步地所述工作阈值为20％～50％；

所述充电上限阈值为80％～95％；

所述特别工况工作阈值为55％～75％。

再进一步地，所述工作阈值为45％；

所述充电上限阈值为90％；

所述特别工况工作阈值为60％。

本发明的宗旨在于利用固体氧化物燃料电池实现为电动汽车增程，用于克服普通电动汽车续航能力差的弱点。且发明了一种电动汽车在线充电方法，实现行走充电。对于SOFC冷启动能力差，利用SOFC热休眠技术，在SOFC关闭时候，使SOFC维持在最低工作温度，增程器需要开启时，可实现SOFC快速启动，随时为锂电池充电。另外，对于增程器SOFC，氢燃料不便获取和存储、运输问题，提出了用甲醇代替氢气燃料方案，作为增程器燃料。可极大提高增程器燃料获取、加注便利性，摆脱对加氢站的依赖。

与现有技术相比，本发明公开了一种利用固体氧化物燃料电池为电动汽车增程方法。它包括SOFC系统，锂电池系统，SOFC快速响应技术等。在相同行驶里程条件下增程式电动汽车的电池组比较小，电池容量只需要纯电动汽车的30-40％，无需匹配大容量的动力电池，制造成本大幅降低。

附图说明

图1是本发明中固体燃料电池保温结构示意图；

图2是本发明的增程式电动汽车动力系统结构；

图3是本发明使用的增程器SOFC系统；

图4是本发明所述的双电池组供电结构；

图5是本发明电动汽车的整体结构示意图。

附图说明：1不锈钢外壳；2真空层；3热箱外壳；4保温材料层；5燃料进气管；6空气进气管；7尾气排放管；8固体氧化物燃料电池；9高温设备；10热执行器；11热传感器；12固体氧化物燃料电池功率总线；13热传感器连接线；14执行器连接线；15负载；16辅助负载；17电池管理系统。

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作出创造性劳动的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。

本发明提出了一种基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车，包括驱动电机，驱动电机的动力输出端与传动系统相连接，驱动电机的功率输入端与动力蓄电池相连接，动力蓄电池分别与充电设备以及固体氧化物燃料电池电连接。

固体氧化物燃料电池外设置有保温外壳。

固体氧化物燃料电池的燃料为甲醇。

本发明选择甲醇代替纯氢，作为增程器燃料，使用车载重整器制氢。

与氢燃料先比，甲醇来源广泛，价格低廉。易于存储和运输，避免了氢气储存、运输不便等问题。可以很好地与现有的能源供应设施兼容，避免了国内加氢站严重不足的问题。且其能量转换率高，是H₂的良好载体。

甲醇裂解是吸热反应，可以利用发动机的废热以增加燃料热值。

应用基于固体氧化物燃料电池的增程电动汽车，本发明还提出了一种增程方法，包括如下步骤：

保持固体氧化物燃料电池在工作温度；

将动力蓄电池内的所有电芯分为至少两个电芯组；

当电动汽车行驶时，至少一个电芯组作为动力电芯组与驱动电机电连接，用于给驱动电机供电；其它电芯组均作为备用电芯组，不实时对驱动电机供电；

保持监测动力电芯组的剩余电量；当动力电芯组的剩余电量低于或等于预设的工作阈值时，切换一个剩余电量在预设工作阈值之上的原备用组的电芯组为新的动力电芯组，同时切换原动力电芯组作为备用电芯组；

当车辆行驶时，保持监测备用电芯组的电量，当备用电芯组的电量低于等于预设的充电阈值下限时，启动固体氧化物燃料电池对备用电芯组充电至备用电芯组的电量不低于预设的充电上限阈值。

增程方法还包括如下步骤：

当电动汽车停泊时，监测动力电池的电量，通过外接电源对动力电池进行充电直至动力电池的电量达到预设的充电上限阈值。

当电动汽车加速或爬坡时，当动力电芯组的剩余电量低于或等于预设的特别工况工作阈值时，切换一个剩余电量在特别工况预设工作阈值之上的原备用组的电芯组为新的动力电芯组，同时切换原动力电芯组作为备用电芯组；

当电动汽车加速或爬坡时，保持监测备用电芯组的电量，当备用电芯组的电量低于等于预设的特别工况工作阈值时，启动固体氧化物燃料电池对备用电芯组充电至备用电芯组的电量不低于预设的充电上限阈值。

需要说明的是，本发明中的在汽车行驶过程中的充电依赖于固体氧化物燃料的热休眠及热启动方法，保障了固体氧化物燃料电池的随时启动。

如图1所示，一种固体氧化物燃料电池保温结构(参见发明专利201810542641.8)，包括处理器、电池管理系统17、中空封闭结构的隔热保护盒、高温设备9以及设置在隔热保护盒内的固体氧化物燃料电池8；

固体氧化物燃料电池8的功率输出端通过穿过隔热保护盒的电导线与电池管理系统17电连接；

固体氧化物燃料电池8与高温设备9连接；

隔热保护盒内设置有分别与处理器电连接的热执行器10、热传感器11；

热执行器10用于为隔热保护盒内环境供热，热传感器11用于检测隔热保护盒内温度。

基于高温设备9设置在隔热保护盒内的情况下:

高温设备9的燃料输入端通过穿过隔热保护盒下端面的燃料进气管5与外部燃料源相连接；

高温设备9的空气输入端通过穿过隔热保护盒下端面的空气进气管6与外部空气连通；

高温设备9的废气输出端通过穿过隔热保护盒下端面的尾气排放管7与外部空气连通。

图1所示，为SOFC+锂电池增程电动汽车动力系统结构。包括充电系统、锂电池组、功率转换系统、驱动电机、传动系统、增程系统、整车控制器等。增程器包括SOFC系统和智能控制器，SOFC系统不直接驱动电机，而是给作为驱动源的锂离子电池充电，汽车电机由锂离子电池组驱动。如图所示，动力电池只与电机控制器有能量连接，增程器系统只与动力电池有能量连接，而与电机驱动系统无能量连接。

增程器是正常动力系统的辅助发电单元，它由SOFC系统、智能控制器构成。智能控制器根据检测到的信号，通过控制算法实现对SOFC工作状态的智能控制。

整车由锂电池给驱动电机供电，车辆可工作于纯电动模式、增程模式。动力电池电量充足时，以纯电动模式运行，汽车就是一辆纯电动汽车；增程模式分为两种：在线式增程和非在线式增程。在线式增程，在车辆行驶中，当电池电量不足时，由增程器给动力电池充电，实现续驶功能；非在线式增程，为车辆停止时给电池充电。进一步的，其分2种方式：方式1，车辆停止时，由车载增程器给电池充电；方式2，车辆停止时，由外部电源给电池充电。以上由整车控制器完成控制策略。

图2为增程器SOFC系统的结构框图，SOFC发电系统包含进气系统、重整系统、电堆、功率变换系统等。

增程器的输出电压及储电量，根据动力电池的充电电压和车辆行驶里程的需求来决定。

鉴于增程器工作条件的特殊性，增程器需满足以下两点要求：

(1)通过控制策略，保证系统处于最佳状态

由于工况复杂，为了实现高效率和经济性的要求，要求系统处在最优工作点工作，因此需要通过控制策略和优化措施，在保证整车动力性前提下提高经济性和效率。

(2)增程器稳定可靠，可快速进入使用状态

增程器作为能量补充装置，需要其稳定可靠，在需要启动该装置时，需立刻启动并进入正常工作状态。

本设计增程器可实现全工况增程。

这里用SOC描述锂电池状态，锂电池荷点状态(SOC)为剩余电量与电池总容量之比。根据锂电池SOC确定锂电池的充放电状态，使锂电池的SOC始终保持在一定的合理范围内。通常把一定温度下锂电池充电到不能再吸收电量的电量状态(SOC)定义为SOC＝100％,而将锂电池不能再放出电量时的电量状态定义为SOC＝0％。

对于所述要求(1)，具体实现如下：

首先设置SOC值范围：

汽车全力加速或者爬坡时候，此时锂电池SOC下降较快，随着SOC值下降，电动车动力性能变弱。为保证锂电池对外输出充足的功率，则锂电池SOC值下限不能设置太低。设置动力锂电池SOC门限值时，要考虑到电池充放电的经济性.使电池在充放电效率最高的区域工作。汽车加速和爬坡的时候，为提供足够的功率输出。这里设置锂电池SOC保持在60％以上。故汽车加速或爬坡工况时，以60％为锂电池SOC值下限。在匀速行驶阶段，设置范围在45％到90％之间变化。

在汽车运行过程中，控制器实时监控锂电池SOC的变化。

当SOC＞0.90，此时为纯电动模式，由锂电池供电；

当SOC＜0.45，此时启动SOFC，为锂电池充电，SOFC在设定的最佳功耗点按恒定功率输出，确保SOFC在最低功耗区间运行；当锂电池组SOC上升到0.90，SOFC关闭，保持待机状态。

当0.45＜SOC＜0.90时，系统根据上一时刻的供电状态，若上一时刻是纯电动模式，则维持纯电动模式，若上一时刻是增程模式，则维持充电状态。

在汽车行驶过程中，各阶段控制策略：

行车状态大体分为：起动、怠速、加速、爬坡、制动、滑行和匀速行驶、停车等状态。

A.起动

汽车起动时，电机在短时间内将发动机拖动至怠速转速。

B.怠速

汽车怠速时，如锂电池SOC＜45％，起动SOFC启动，向锂电池充电；如锂电池SOC＞90％,充电停止。

C.加速/爬坡

汽车加速或爬坡时时，为保证足够功率输出，锂电池SOC＜60％，起动SOFC启动，向锂电池充电；如锂电池SOC＞90％,充电停止。

D.制动/滑行

汽车制动时候，电机启动，作为发电机向锂电池充电，实现能量回收。如锂电池SOC＞90％，充电停止。

E.匀速行驶

汽车正常行驶时候，如锂电池SOC＜45％，启动SOFC向锂电池充电；锂电池SOC＞90％，充电停止。

F.停车状态

车辆停车状态有3种情况：瞬时停车、短期停车、长期停车。瞬时停车，如城市工况等红灯时，若锂电池SOC＜45％，开启SOFC，直接对当前电量不足的电池进行充电；短期停车，比如人员休息时间，用餐时间等，如锂电池SOC＜45％，若有外部电源如充电桩，可使用外部电源充电。若无外部电源，使用SOFC充电；长期停车，如夜晚电价低谷时间，可以使用外部电源充电。

图3所示，为设计的一种双锂电池组供电方式。电池组分A、B两组，根据电动汽车对电压的需求，将电池单体串联后封装成电池组A和B。电池组通过开关SPDT2、电压检测器与电动机相连。供电时，MCU控制SPDT2与电池组A连通，则A组供电，B组挂起。在运行过程中，电压检测器实时检测锂电池输出电压，若低于设定下限值，则反馈信号触发SPDT2切换到电池组B，此时B组供电，A组挂起。同时控制器给SOFC系统一个启动信号，使SOFC从休眠状态唤醒，开始发电，对A组电池进行充电。充电完毕，SOFC关闭，进入休眠状态。依此方式循环自动切换供电电池组。只要增程器燃料未消耗完毕，则汽车可以实现行驶中充电。

在本设计中，在相同行驶里程条件下增程式电动汽车的电池组比较小，电池容量只需要纯电动汽车的30-40％，无需匹配大容量的动力电池，电池成本大幅降低。且电池充放电可浅充浅放，有利于电池寿命。电池容量小，则电池质量小，减轻了整车重量。故本设计增程器的安装方式，可以做成固定式，固定于车底盘作为车体配重。

对于所述要求(2)，为实现所述增程器快速启动，实时给锂电池充电，本发明设计一种SOFC快速启动方法。在增程器关闭时，使SOFC系统维持最低工作温度，保持待机状态。当需要开启时，系统可快速响应，克服了SOFC冷启动慢的缺点。

用于加热的能量源根据来源分为两类：

方式1：外部供能，由电堆外部供电，由热执行器在电堆内部产生热量。电堆用热绝缘介质与外界隔开，从而维持热休眠状态。用一道热屏障将SOFC的电堆包裹起来，即使电堆处于0功率闭气状态，也能低成本地维持600℃的温度，一旦有负载需求，可以在数分钟内迅速启动。将这道热屏障命名为热岛。

设定输出功率20KW的SOFC，其电堆部分作成边长0.4米的立方体，用连续的热屏障外壳将立方体包裹起来，热屏障外壳的厚度为0.15米，形成高温岛。进排气管道和电线从立方体底部集中布设。

在工程上建立热屏障的关键是选择超低导热系数的保温材料。

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K，℃)，在1秒钟内(1S)，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度(W/(m·K)，此处为K可用℃代替)。

表一).常见物质的导热系数

假设热屏障外壳的导热系数为0.006，高温岛的内表面积为0.4*0.4*6＝0.96平方米，高温岛内外温差为600℃，那么散热功率为0.006*0.96*600/0.15＝23.04瓦。

从以上计算可知，工程上为了维持高温岛内600℃的恒温，只需要在岛内配置23.04瓦的电热丝，用外接锂电池供电即可。

以停车3小时计算，则耗能约为0.069kw.h。

方式2：内部供能，即在SOFC停车后，维持一部分燃料燃烧，从而产生热量。使SOFC电堆在预热状态，以随时启动。设计一种燃烧室将氢气燃烧，并通过换热器把生成的热量带入系统对电堆进行加热。设还是通过热绝缘介质将SOFC电堆与环境隔离。根据方法1计算数据，维持热岛休眠，需要23.04瓦的功率。

根据经验公式：其中F_air为空气流量，p为维持SOFC内部温度所需功率，h为热容量，ΔT为电堆温度进出口温度梯度，这里p＝23.04w，h＝40L/minw，ΔT＝25

计算得出F_air＝36.86L，根据实验数据，

则1小时消耗的氢气量为：221L

停车3小时，维持600℃所需氢气为663升。

氢气的热值＝1.43*105KJ/kg，氢气密度＝0.09kg/m³

则，1小时消耗氢气量换算为热量：

Q＝221*10-3m3*0.09kg/m3*1.43*105KJ/kg＝2844.3KJ

根据1KWH＝3.6*103KJ换算成kw.h，为0.79kw.h

则停车3小时，用氢气燃烧方法维持热休眠状态，耗能0.79*3＝2.37kw.h。

可见，如果用内部燃烧氢气的方法维持SOFC热休眠，能耗远大于用电源供电。

故在增程器待机时，SOFC可使用外部供电维持休眠状态，类似电脑的休眠状态，一旦动力电池有充电需求，SOFC可以快速启动到工作状态。

为此，为维持SOFC热休眠，设计两种供电模式：锂电池供电模式和外部电源供电模式。车辆行驶中，SOFC休眠时使用锂电池供电；车辆停止时，有市电的位置，可使用外部电源供电。

表二).整车参数设计

根据电动汽车常用工况下典型动力性能指标：

最高车速：V_max＝120km/h，正常行驶车速80km/h，经济车速60km/h；爬坡能力：以V＝30km/h的车速爬20％的坡道；加速能力：0～100km/h时≤15s。

经过计算，同时考虑设计目标，成本及安全性。选择供电电源为锂电池，单体放电电压在2.5～3.5V之间，选用100个放电电压为3V的磷酸铁锂电池串联。考虑安全系数，选择电池参数如下：电池电压300V，容量为100Ah；设置SOC范围为0.45～0.90。增程器选择，选择5kW的SOFC系统。

设计最快车速为120公里每小时，正常行驶车速为80km/h，经济车速为60km/h。根据资料估算，对于普通轿车，如果车速分别为60km/h，80km/h及120km/h匀速行驶，则其每公里能量消耗量分别约为0.1kWh/km，0.15kWh/km，0.2kWh/km。以SOFC充电器功率为5kW计，理论上充电器每小时可为锂电池组进行充电5kW.h，发电1小时SOFC可将5kW.h的电量供给锂电池组，车辆续驶里程将至少增加50km以上。两组动力电池轮流工作，车辆续驶里程将至少增加50km*2＝100km以上。

以上所揭露的仅为本发明的几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车，其特征在于：包括驱动电机，所述驱动电机的动力输出端与传动系统相连接，所述驱动电机的功率输入端与动力蓄电池相连接，所述动力蓄电池分别与充电设备以及固体氧化物燃料电池电连接。

2.根据权利要求1所述的基于固体氧化物燃料电池的增程电动汽车，其特征在于：

所述固体氧化物燃料电池外设置有保温外壳。

3.根据权利要求1或2所述的基于固体氧化物燃料电池的增程电动汽车，其特征在于：

所述固体氧化物燃料电池的燃料为甲醇。

4.应用权利要求2所述的基于固体氧化物燃料电池的增程电动汽车的增程方法，其特征在于，包括如下步骤：

保持所述固体氧化物燃料电池在工作温度；

将所述动力蓄电池内的所有电芯分为至少两个电芯组；

当所述电动汽车行驶时，至少一个所述电芯组作为动力电芯组与所述驱动电机电连接，用于给所述驱动电机供电；其它电芯组均作为备用电芯组，不实时对所述驱动电机供电；

保持监测动力电芯组的剩余电量；当动力电芯组的剩余电量低于或等于预设的工作阈值时，切换一个剩余电量在所述预设工作阈值之上的原备用组的电芯组为新的动力电芯组，同时切换原动力电芯组作为备用电芯组；

当所述车辆行驶时，保持监测备用电芯组的电量，当备用电芯组的电量低于等于预设的充电阈值下限时，启动所述固体氧化物燃料电池对所述备用电芯组充电至所述备用电芯组的电量不低于预设的充电上限阈值。

5.根据权利要求4所述的基于固体氧化物燃料电池的增程电动汽车的增程方法，其特征在于，包括如下步骤：

当所述电动汽车停泊时，监测所述动力电池的电量，通过外接电源对所述动力电池进行充电直至所述动力电池的电量达到预设的充电上限阈值。

6.根据权利要求4或5所述的基于固体氧化物燃料电池的增程电动汽车的增程方法，其特征在于：

当所述电动汽车加速或爬坡时，当动力电芯组的剩余电量低于或等于预设的特别工况工作阈值时，切换一个剩余电量在所述特别工况预设工作阈值之上的原备用组的电芯组为新的动力电芯组，同时切换原动力电芯组作为备用电芯组；

当所述电动汽车加速或爬坡时，保持监测备用电芯组的电量，当备用电芯组的电量低于等于预设的所述特别工况工作阈值时，启动所述固体氧化物燃料电池对所述备用电芯组充电至所述备用电芯组的电量不低于预设的充电上限阈值；

所述特别工况工作阈值大于所述工作阈值。

7.根据权利要求6所述的基于固体氧化物燃料电池的增程电动汽车的增程方法，其特征在于：

所述工作阈值为20％～50％；

所述充电上限阈值为80％～95％；

所述特别工况工作阈值为55％～75％。

8.根据权利要求7所述的基于固体氧化物燃料电池的增程电动汽车的增程方法，其特征在于：

所述工作阈值为45％；

所述充电上限阈值为90％；

所述特别工况工作阈值为60％。