CN109823200B - 一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统，其特征在于能够兼顾车辆对储能系统的高能量密度、高功率密度、高效率以及长使用寿命要求。车辆起步工况下，借助飞轮电池和锂电池高功率密度优势，可弥补燃料电池启动时间长劣势；中高驱动需求功率下，借助飞轮电池和锂电池高功率密度优势，不仅可满足整车功率需求，而且可防止燃料电池大电流放电，延长其使用寿命，并提高系统工作效率；制动工况下，借助飞轮电池和锂电池高功率回馈优势，可回馈整车全部或部分制动能量，提高整车能量利用效率。

Description

一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统

技术领域

本发明涉及复合储能系统，特别是一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统。

背景技术

相比于铅酸电池和镍氢电池，锂电池由于具有适中的能量密度和功率密度，已成为当前电动汽车主流能量源，但是现有的锂电池技术仍无法有效提升电动汽车续驶里程；燃料电池具有能量存在大和环保的优势，已被国内外汽车厂家和研究机构重视，但燃料电池偏低的功率密度以及较长的启动特性，影响着其在电动汽车领域的推广应用；电动式飞轮电池具有高功率密度和高能量转换效率的优势，可实现瞬时大功率驱动或制动，是一种理想的功率型储能部件，不过，电动式飞轮能量密度偏低，持续能量释放或回馈的能力较差。因此，如何基于上述三类电池特性，设计一种兼顾高能量密度、高功率密度以及高系统效率的复合储能系统，突破现有单一电池存在的问题，已受到汽车行业广泛关注。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明提供一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统，充分利用上述三类电池的技术优势，以提升电动车辆的动力性、经济性，并延长其续驶里程。

本发明技术方案是：提供一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统，包括：CAN总线、整车控制器、燃料电池及其管理系统、电动式飞轮及其管理系统、锂电池及其管理系统。

上述部件的具体作用为：

（1）CAN总线设计用于实现各控制单元间的信号传输；

（2）整车控制器，设计用于采集飞轮电池、电动式飞轮电池、锂电池的状态信号，并依据内置的控制策略，向上述各子控制单元输出相关控制指令；

（3）燃料电池为主能量源，设计用于为车辆提供驱动能量；

（4）燃料电池管理系统，设计用于监测并向整车控制器发送燃料电池运行状态，接收并执行整车控制器输出的控制指令；

（5）电动式飞轮电池为功率型辅助能量源，设计用于为车辆提供短时驱动能量，并回收车辆回馈的再生制动能量；

（6）电动式飞轮电池管理系统，设计用于监测并向整车控制器发送电动式飞轮电池运行状态，接收并执行整车控制器输出的控制指令；

（7）锂电池为能量型辅助能量源，设计用于为电动式飞轮电池和车辆提供驱动能量，并回收电动式飞轮电池和车辆回馈的再生制动能量；

（8）锂电池管理系统，设计用于监测并向整车控制器发送锂电池运行状态，接收并执行整车控制器输出的控制指令。

本发明的优点在于：

1、本发明通过设计一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统，不仅可充分利用燃料电池长时间持续能量输出的优势，保证车辆续驶里程；而且可充分利用电动式飞轮电池和锂电池功率密度大的优势，降低车辆对燃料电池的功率要求，控制燃料电池工作在高效率区间，进一步延长车辆续驶里程。

2、本发明通过设计设计一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统，可借助飞轮电池和锂电池大功率回馈优势，回收车辆全部或部分制动能量，提高车辆能量利用效率。

3、本发明通过设计设计一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统，借助飞轮电池和锂电池大功率释放优势，能够降低大负荷驱动工况下燃料电池的放电电流，提高燃料电池系统安全性能，并延长电池使用寿命。

4、本发明通过设计设计一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统，借助飞轮电池和锂电池大功率释放以及无启动周期的优势，能够解决燃料电池启动特性对车辆起步性能的影响，改善车辆动力性。

附图说明

图1为一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统示意图，包括：CAN总线、整车控制器、燃料电池及其管理系统、电动式飞轮电池及其管理系统、锂电池及其管理系统。

整车控制器通过CAN总线实时采集车辆、燃料电池、电动式飞轮电池、锂电池以及驱动电机状态信号，为内置控制策略输入因素。进一步，整车控制器依据内置控制策略，确定燃料电池、电动式飞轮电池、锂电池的工作模式，并向燃料电池、电动式飞轮电池、锂电池输出相关控制指令。具体可分为以下工作模式：

（1）起步工况下，整车控制器计算车辆起步加速需求功率、燃料电池启动时间。燃料电池启动过程，整车控制器控制燃料电池运行于启动工作模式，不参与整车驱动；整车控制器控制电动式飞轮电池和锂电池运行于功率释放模式，若在车辆起步加速需求功率下，电动式飞轮电池功率释放时间长度大于燃料电池启动过程时间，锂电池不参与整车驱动，若在车辆起步加速需求功率下，电动式飞轮电池功率释放时间长度不大于燃料电池启动过程时间，整车控制器修正飞轮电池释放功率，不足部分由锂电池弥补。燃料电池启动后，整车控制器控制燃料电池运行于功率输出模式，控制电动式飞轮电池和锂电池退出功率输出模式。

（2）匀速行驶或车速变化很小的稳态驱动工况下，车辆需求的驱动功率变化幅度很小，整车控制器控制燃料电池运行于功率输出模式，此时，电动式飞轮电池和锂电池不参与整车驱动，燃料电池输出整车驱动需求的功率；此外，整车控制器同时控制燃料电池适时地对飞轮电池和锂电池进行充电。

（3）急加速工况下，车辆需求的驱动功率较大，如若电动式飞轮最大允许输出功率大于整车加速需求功率，整车控制器控制电动式飞轮参与整车加速驱动，控制燃料电池不参与整车加速驱动，而是对飞轮电池和锂电池进行充电；如若电动式飞轮最大允许输出功率小于车加速需求功率，整车控制器控制燃料电池、电动式飞轮电池和锂电池运行于功率输出模式。

（4）制动工况下，整车控制器依据驾驶员制动踏板开度及开度变化率计算车辆制动需求功率，如若电动式飞轮转速高于设定值，电动式飞轮不参与整车再生制动，整车控制器依据锂电池状态参数，控制其回馈全部或部分再生制动能量；如若电动式飞轮转速不大于设定值，整车控制器依据电动式飞轮状态，优先控制飞轮电池进行再生制动能量回馈，不足部分由锂电池弥补。

Claims (1)

1.一种基于电动式飞轮、燃料电池及锂电池的复合储能系统，其特征在于能够根据行车工况，控制系统运行于不同的工作模式，能够兼顾车辆对储能系统的高能量密度、高功率密度、高系统效率以及长使用寿命综合要求，具体特征为：

（1）起步工况下，整车控制器计算车辆起步加速需求功率、燃料电池启动时间；燃料电池启动过程，整车控制器控制燃料电池运行于启动工作模式，不参与整车驱动；整车控制器控制电动式飞轮电池和锂电池运行于功率释放模式，若在车辆起步加速需求功率下，电动式飞轮电池功率释放时间长度大于燃料电池启动过程时间，锂电池不参与整车驱动，若在车辆起步加速需求功率下，电动式飞轮电池功率释放时间长度不大于燃料电池启动过程时间，整车控制器修正飞轮电池释放功率，不足部分由锂电池弥补；燃料电池启动后，整车控制器控制燃料电池运行于功率输出模式，控制电动式飞轮电池和锂电池退出功率输出模式；

（2）匀速行驶或车速变化很小的稳态驱动工况下，车辆需求的驱动功率变化幅度很小，整车控制器控制燃料电池运行于功率输出模式，此时，电动式飞轮电池和锂电池不参与整车驱动，燃料电池输出整车驱动需求的功率；此外，整车控制器同时控制燃料电池适时地对飞轮电池和锂电池进行充电；

（3）急加速工况下，车辆需求的驱动功率较大，如若电动式飞轮最大允许输出功率大于整车加速需求功率，整车控制器控制电动式飞轮参与整车加速驱动，控制燃料电池不参与整车加速驱动，而是对飞轮电池和锂电池进行充电；如若电动式飞轮最大允许输出功率小于车加速需求功率，整车控制器控制燃料电池、电动式飞轮电池和锂电池运行于功率输出模式；

（4）制动工况下，整车控制器依据驾驶员制动踏板开度及开度变化率计算车辆制动需求功率，如若电动式飞轮转速高于设定值，电动式飞轮不参与整车再生制动，整车控制器依据锂电池状态参数，控制其回馈全部或部分再生制动能量；如若电动式飞轮转速不大于设定值，整车控制器依据电动式飞轮状态，优先控制飞轮电池进行再生制动能量回馈，不足部分由锂电池弥补。

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