CN110126966A - 一种无dc-dc变压器的燃料电池电动摩托车动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无DC‑DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，该系统包括动力总成框架、高压氢罐、以及设置在动力总成框架上的作为动力源的燃料电池和蓄电池、功率电阻以及防反二极管，所述的高压氢罐通过进氢管路与燃料电池的输入端阳极连接，所述的燃料电池的输出端正极依次通过功率电阻和防反二极管与电机正极连接，输出端负极与电机负极连接，所述的蓄电池为锂电池组，其输出端正负极分别与电机正负极连接与现有技术相比，本发明具有简化控制逻辑、降低成本、布局合理、利用率高等优点。

Description

一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统
技术领域
本发明涉及燃料电池混合动力系统领域，尤其是涉及一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统。
背景技术
近年来，随着全世界范围内极端、异常气候的频繁出现，人们对于环境保护和节能减排的重视程度不断提高，科学家和技术人员正逐渐将更多目光投向新型车用能源技术的探索当中，其中燃料电池是最有发展前景的能源形式。质子交换膜燃料电池是一种通过氢气和氧气在电堆内部进行电化学反应从而产生电能的装置，反应过程产物只有水，因其具有运行温度低、功率密度高、响应快、启动迅速等优点，被认为最适合替代内燃机的车用动力源之一。
小型两轮车辆诸如电动自行车、燃油摩托车等，因其结构简单，价格低廉等优点在亚洲范围内得到人们广泛的欢迎和日常使用，尤其是在中国随物流行业的兴起，其保有量非常大，仅小型电动车保有量已经过亿。燃油摩托车因其排放难以控制，污染较大已逐渐被市场所淘汰，小型纯电摩托车是目前市场的主流。但是纯电摩托车续航里程较短，仅有30～50km左右，且充电时间较长，在使用上带来了不便。燃料电池电动摩托车刚好具有续航里程长的优点，正是希望解决上述的问题，希望能够做到充能时间和燃油摩托车加油时间相当的同时又能做到和纯电摩托车一样节能环保。
质子交换膜燃料电池主要分为水冷和空冷两种，水冷电堆相比于空冷电堆虽然工作稳定性和性能更好，但是系统复杂性、体积和成本都比空冷电堆要高很多，因此在轻便摩托车布置空间有限的小型两轮交通工具上采用空冷式(阴极开放式)的燃料电池电堆更为合适。阴极开放式燃料电池的阴极直接暴露在空气中，由进气区域流动的空气为反应提供氧气，而阳极的反应物氢气则是通过高压氢瓶或金属储氢罐经过管路输入到电堆的阳极侧。
由于阴极开放式燃料电池在负载快速变化时的响应速度较慢以及出于防止急加速时电机瞬时大负载对燃料电池造成不可逆的损伤的考虑，燃料电池电动摩托车的动力系统大多采用燃料电池和蓄电池电-电耦合驱动的方案。
目前车用燃料电池动力系统一般采用燃料电池和蓄电池并联的方式，将燃料电池和蓄电池的正极和负极分别与电机母线的正负极相连。为了保证燃料电池和蓄电池功率输出的稳定可控，一般会在燃料电池或蓄电池的输出端加入DC-DC变压器(包括变压和稳压两个比较大的元器件)，通过DC-DC变压器的变压和稳压作用，可以实现燃料电池和蓄电池的输出电压稳定工作并且能够调节负载在二者间分配的比例。但是DC-DC变换器本身体积较大，且成本高昂，如果能在DC-DC变换器从动力系统中去掉将会有利于系统在车内的布置以及降低整车成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，该系统包括动力总成框架、高压氢罐、以及设置在动力总成框架上的作为动力源的燃料电池和蓄电池、功率电阻以及防反二极管，所述的高压氢罐通过进氢管路与燃料电池的输入端阳极连接，所述的燃料电池的输出端正极依次通过功率电阻和防反二极管与电机正极连接，输出端负极与电机负极连接，所述的蓄电池为锂电池组，其输出端正负极分别与电机正负极连接。
该系统还包括动力系统控制器以及分别与动力系统控制器连接的设置在进氢管路上的氢进电磁阀、设置在功率电阻和防反二极管之间的继电器、用以检测高压氢罐和燃料电池电堆进氢压力的压力传感器、检测燃料电池电堆输出电压和锂电池组输出电压的电压表以及电机输入电流的电流表。
所述的进氢管路上还依次设有一级减压阀和二级减压阀。
所述的动力总成框架为三层四区域结构，其设置在电动摩托车座位下方空间内，所述的高压氢罐设置在电动摩托车踏板下方的空间内。
所述的燃料电池为阴极开放式燃料电池，其与功率电阻共同设置在动力总成框架的下层，所述的蓄电池布设在动力总成框架的中层，燃料电池的电堆控制器设置在动力总成框架的上层。
所述的动力总成框架的下层侧面还设有用以为功率电阻散热以及抽气的散热风扇，动力总成框架的上层还设有电子元件盒。
所述的动力系统控制器设置在电动摩托车尾部储物箱的下方。
在使用时，动力系统控制器获取高压氢罐内的压力、燃料电池电堆的进氢压力、燃料电池电堆的输出电流和电压、锂电池组的输出电压信号监测动力系统的工作状况，当锂电池组的SOC高于90％时，动力系统控制器关闭氢进电磁阀和燃料电池输出端的继电器，停止电堆工作，并切断电堆的输出，由锂电池组单独对电机进行供电，当锂电池组的SOC降至75％以下时，动力系统控制器恢复燃料电池的输出，此时燃料电池和电池共同供电，且在负载功率小于燃料电池的输出功率时，燃料电池在驱动电机的同时为锂电池组充电。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)在燃料电池摩托车动力系统中省去DC-DC变换器部件，在保证足够的动力性能的同时精简了动力系统的结构，简化了控制逻辑同时降低了成本，提高了燃料电池摩托车的市场推广价值。
(2)将摩托车动力系统主体部件(包含电堆及控制器、蓄电池、功率电阻、传感器等)集成为一个结构紧凑、布置合理的动力总成，布置在摩托车座椅下方的空间。相对于现有的布置方案，本方案对摩托车内部空间的利用率更高，可减少线束和管路长度，同时维护性和装配工艺性更好。
(3)本动力系统方案针对阴极开放式电堆的工作特点进行了更多针对性优化设计，比如将电堆布置在车身覆盖件以外的区域可改善阴极进气和散热，在总成的侧面添加挡泥板以防止地面积水飞溅造成电堆阻塞或零部件短路。
(4)由于防反二极管的设置，燃料电池的输出电压被电池的输出电压所钳制，因此燃料电池的输出功率受电机负载变化的影响很小，只与锂电池SOC的高低有关。
附图说明
图1为动力系统总成结构示意图。
图2为燃料电池摩托车各系统布置示意图。
图3为摩托车线束与管路拓扑示意图。
图中标记说明：
1、动力总成框架，2、燃料电池电堆，3、电堆控制器，4、锂电池组，5、散热风扇，6、功率电阻，7、电子元件盒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种无DC-DC的燃料电池电动摩托车动力系统，该动力系统包含两个能量源：燃料电池和蓄电池，其中，燃料电池为阴极开放式燃料电池，通过高压氢罐内储存的氢气与空气中的氧气发生电化学反应从而对外输出电能。燃料电池的输出端依次与继电器、功率电阻和防反二极管连接后与锂电池组进行并联，系统工作时燃料电池堆与锂电池共同为电机供电。系统中的功率电阻主要起低负载下限制燃料电池向锂电池的充电电流的作用，而防反二极管主要起限制燃料电池最低输出电压和防止锂电池对电堆进行反向充电的作用。
储氢系统布置于摩托车踏板下方，储氢方式采用复合材料高压储氢罐储氢，罐内的高压氢气经两级减压阀减压后为电堆的阳极供气。动力系统主体包含燃料电池电堆及控制器、锂电池、功率电阻及散热风扇和其他电子元器件，其全部利用一组铝合金框架整合在一个动力总成内，动力总成布置在摩托车座椅下方的空间内。整个动力系统的工作由动力系统控制器控制，该控制器布置在摩托车尾部储物箱的下方。
动力总成框架采用三层四区域的设计，下层布置燃料电池电堆，以保证电堆阴极的进气和散热不受摩托车侧面车身覆盖件的遮挡；中层布置锂电池，从而减少与传感器等电子器件连接的线束长度；上层放置体积较小的电堆控制器以及由电子元件盒体保护的诸如传感器、防反二极管、继电器等器件，目的是离地面距离较大，放置潮气或溅起的水影响元件的正常工作；此外在总成下层的侧边靠近电堆输出端的位置，固定有功率电阻和为其散热的风扇，由于动力系统工作时功率电阻会产生一定量的热量，因此需要风扇对其进行强制散热。
动力系统控制器通过传感器提供的罐内压力、电堆进氢压力、电堆输出电流电压、锂电池输出电压等信号监测动力系统的工作状况。当电池SOC处于较高水平时，控制器会关闭氢进电磁阀和燃料电池输出端的继电器，停止电堆的工作并切断电堆的输出，由电池单独对电机进行供电；当电池SOC降至一定值后，控制器会恢复燃料电池的输出，此时燃料电池和电池共同供能，且在负载功率较小时，燃料电池会在驱动电机的同时为锂电池充电。
实施例
本发明的结构和动力系统拓扑如图2和图3所示，该系统设有两个动力源，即燃料电池堆和锂电池。燃料电池电堆2的输出端依次与继电器、防反二极管(与传感器集成在电子元件盒7内)和功率电阻6连接后与锂电池4进行并联，系统工作时燃料电池电堆2与锂电池6共同为电机供电。系统的供氢系统布置在摩托车踏板下方空间，采用高压储氢罐储氢方案，罐中的氢气经两级减压阀减压后为电堆的阳极供气，由于电堆采用的是空冷型阴极开放式，因此氧气的供应靠电堆侧边的风扇抽吸空气实现。
为了保证在改造后仍然保留座椅后方的储物箱空间，本发明将包含燃料电池电堆2及电堆控制器3、锂电池组4、功率电阻6等其他电子器件利用通过铝合金框架进行集成，通过合理的布置，将动力总成的体积控制在较小的水平，并将其安装于摩托车座椅下方的空间内。
布置于摩托车后方储物箱下方的动力系统控制器对动力系统进行控制，动力系统控制器通过传感器提供的罐内压力、电堆进氢压力、电堆输出电流电压、锂电池输出电压等信号监测动力系统的工作状况。
当电池SOC高于90％时，控制器会关闭氢进电磁阀并断开燃料电池输出端的继电器，停止电堆的工作并切断电堆的输出，由电池单独对电机进行供电；当电池SOC降至75％以下后，控制器会打开氢进电磁阀和闭合继电器以恢复燃料电池的电能输出。
在本系统中，由于防反二极管的设置，燃料电池的输出电压被电池的输出电压所钳制，因此燃料电池的输出功率受电机负载变化的影响很小，只与锂电池SOC的高低有关，从较短的时间维度上看是近乎是定值，在行驶过程中，当电机需求的功率高于燃料电池所提供的功率时，锂电池会将功率差额进行补足，当电机需求的功率低于燃料电池所提供的功率时，多余的输出功率会为锂电池进行充电，以恢复其SOC水平。

Claims (8)

1.一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，其特征在于，该系统包括动力总成框架(1)、高压氢罐、以及设置在动力总成框架(1)上的作为动力源的燃料电池和蓄电池、功率电阻(6)以及防反二极管，所述的高压氢罐通过进氢管路与燃料电池的输入端阳极连接，所述的燃料电池的输出端正极依次通过功率电阻(6)和防反二极管与电机正极连接，输出端负极与电机负极连接，所述的蓄电池为锂电池组(4)，其输出端正负极分别与电机正负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，其特征在于，该系统还包括动力系统控制器以及分别与动力系统控制器连接的设置在进氢管路上的氢进电磁阀、设置在功率电阻(6)和防反二极管之间的继电器、用以检测高压氢罐和燃料电池电堆进氢压力的压力传感器、检测燃料电池电堆输出电压和锂电池组(4)输出电压的电压表以及电机输入电流的电流表。
3.根据权利要求1所述的一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，其特征在于，所述的进氢管路上还依次设有一级减压阀和二级减压阀。
4.根据权利要求1所述的一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，其特征在于，所述的动力总成框架(1)为三层四区域结构，其设置在电动摩托车座位下方空间内，所述的高压氢罐设置在电动摩托车踏板下方的空间内。
5.根据权利要求4所述的一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，其特征在于，所述的燃料电池为阴极开放式燃料电池，其与功率电阻(6)共同设置在动力总成框架(1)的下层，所述的蓄电池布设在动力总成框架(1)的中层，燃料电池的电堆控制器(3)设置在动力总成框架(1)的上层。
6.根据权利要求5所述的一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，其特征在于，所述的动力总成框架(1)的下层侧面还设有用以为功率电阻(6)散热以及抽气的散热风扇(5)，动力总成框架(1)的上层还设有电子元件盒(7)。
7.根据权利要求1所述的一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，其特征在于，所述的动力系统控制器设置在电动摩托车尾部储物箱的下方。
8.根据权利要求2所述的一种无DC-DC变压器的燃料电池电动摩托车动力系统，其特征在于，在使用时，动力系统控制器获取高压氢罐内的压力、燃料电池电堆的进氢压力、燃料电池电堆的输出电流和电压、锂电池组的输出电压信号监测动力系统的工作状况，当锂电池组的SOC高于90％时，动力系统控制器关闭氢进电磁阀和燃料电池输出端的继电器，停止电堆工作，并切断电堆的输出，由锂电池组单独对电机进行供电，当锂电池组的SOC降至75％以下时，动力系统控制器恢复燃料电池的输出，此时燃料电池和电池共同供电，且在负载功率小于燃料电池的输出功率时，燃料电池在驱动电机的同时为锂电池组充电。
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