CN113428050A - 一种氢燃料电池的主驱动架构及其响应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种氢燃料电池的主驱动架构及其响应控制方法，本发明将辅助二次电池模块被集成在氢燃料电池内，该辅助二次电池模块不给电驱动模块提供电能，使得该氢燃料电池直接给电驱动模块提供电能，简化了动力源结构，降低了车重，节省了车体空间，提升了机动车的工作效率，降低了成本；由于采用供气控制模块来直接控制电池供气模块的供气量，使得空气与氢气能够在电池电堆模块内快速反应，实现了氢燃料电池功率的快速响应，从而实现氢燃料电池能够在机动车上的全功率运行；该氢燃料电池的响应控制方法能够使该氢燃料电池实现快速响应，从而使其能够在机动车上实现全功率运行。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池的主驱动架构及其响应控制方法。
背景技术
机动车驱动源由传统能源向新能源转变是发展的必然趋势，与传统内燃机相比，氢燃料电池效率更高，可达68％以上，能源清洁度整体高于二次储能电池。氢气来源广泛，绿氢资源丰富，加氢速度类似于汽油加注，一次加注续驶里程400～700公里，运行寿命长，可达50000小时(等效400万公里)，整体性能非常适宜作为车载动力源使用，是替代传统能源车最有前景的新能源动力产品。
目前，氢燃料电池作为机动车驱动源装置已经被行业所接受并开始批量化装车，但由于氢燃料电池对功率需求的响应速度慢，因此目前的运行模式更多是以锂电池作为主要供能源，氢燃料电池做能量补偿性，其策略是锂电池驱动电机带动车辆运行，利用氢燃料电池适宜稳态运行的特点，作为持久电力供应源。该动力结构模式的弊端是整车需要布置两套动力源结构：锂电池加氢燃料电池，这种结构实际是氢燃料电池不成熟时期的权宜之计，在氢燃料电池成熟期后，尤其对于中重型商用车，全功率燃料电池驱动模式加小型锂电池辅助应该是合适的动力结构模式。要实现全功率氢燃料电池运行，就要解决其功率响应速度慢的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢燃料电池的主驱动架构及其响应控制方法，以实现氢燃料电池功率的快速响应，进而实现氢燃料电池在机动车上的全功率运行。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种氢燃料电池的主驱动架构，包括油门踏板模块、供气控制模块、燃料电池系统、电驱动模块和储氢模块，所述油门踏板模块与所述供气控制模块信号连接，所述燃料电池系统包括：
电池控制模块，分别与所述油门踏板模块和所述储氢模块信号连接；
电池电堆模块，与所述电驱动模块电连接；
电池供气模块，与所述供气控制模块信号连接，并通过管路与所述电池电堆模块相连通；
电池供氢模块，与所述电池控制模块信号连接，并分别通过管路与所述储氢模块和所述电池电堆模块相连通，所述电池供氢模块能够控制所述储氢模块内的氢气流入所述电池电堆模块；及
辅助二次电池模块，与所述电池控制模块信号连接，并与所述电池电堆模块电连接，所述辅助二次电池模块用于储存余能和辅助生活用电。
作为优选，所述燃料电池系统还包括：
电池冷却模块，与所述电池控制模块信号连接，所述电池冷却模块用于冷却所述电池电堆模块。
作为优选，所述电池冷却模块采用液冷降温。
作为优选，所述油门踏板模块包括油门踏板和油门踏板控制组件，所述油门踏板与所述油门踏板控制组件传动连接，所述油门踏板控制组件分别与所述供气控制模块和与所述电池控制模块信号连接。
作为优选，所述辅助二次电池模块采用铅酸蓄电池。
作为优选，所述储氢模块包括至少一个氢瓶，所述氢瓶均通过管路与所述电池供氢模块相连通。
本发明还提供一种氢燃料电池的响应控制方法，用于控制氢燃料电池的主驱动架构，所述响应控制方法为：
当驾驶员踩踏油门踏板时，油门踏板模块触发供气控制模块，所述供气控制模块给电池供气模块发送供气信号，同时所述油门踏板模块给电池控制模块发送动力需求信号，以使所述电池控制模块向储氢模块和电池供氢模块发送给电池电堆模块供氢的信号；然后，所述储氢模块和所述电池供氢模块向所述电池电堆模块供氢，氢气和氧气在所述电池电堆模块内产生的电能直接提供给电驱动模块，以驱动车辆行驶。
作为优选，当所述油门踏板的行程大于零时，所述电池供气模块处于最大供气状态；当所述油门踏板的行程为零时，所述电池供气模块停止供气。
作为优选，当所述油门踏板的行程大于零时，所述油门踏板的踩踏力度仅用于调整所述电池供氢模块和所述储氢模块的供氢量；当所述油门踏板的行程为零时，所述电池供氢模块和所述储氢模块停止供氢。
作为优选，当所述电池电堆模块的温度超过预设温度时，所述电池控制模块控制电池冷却模块给所述电池电堆模块降温。
本发明的有益效果：
本发明提出的氢燃料电池的主驱动架构包括油门踏板模块、供气控制模块、燃料电池系统、电驱动模块和储氢模块，油门踏板模块与供气控制模块信号连接，燃料电池系统包括电池控制模块、电池电堆模块、电池供气模块、电池供氢模块和辅助二次电池模块，电池控制模块分别与油门踏板模块和储氢模块信号连接；电池电堆模块与电驱动模块电连接；电池供气模块与供气控制模块信号连接，并通过管路与电池电堆模块相连通；电池供氢模块与电池控制模块信号连接，并分别通过管路与储氢模块和电池电堆模块相连通，电池供氢模块能够控制储氢模块内的氢气流入电池电堆模块；辅助二次电池模块与电池控制模块信号连接，并与电池电堆模块电连接，辅助二次电池模块用于储存余能和辅助生活用电；本发明中的辅助二次电池模块被集成在氢燃料电池内，该辅助二次电池模块不给电驱动模块提供电能，使得该氢燃料电池直接给电驱动模块提供电能，简化了机动车上的动力源结构，降低了车重，节省了车体空间，提升了机动车的工作效率，降低了成本；此外，由于采用供气控制模块来直接控制电池供气模块的供气量，使得空气与氢气能够在电池电堆模块内快速反应，从而快速发电，实现了氢燃料电池功率的快速响应，使得该氢燃料电池能够适用于在机动车上的全功率运行，进而使得该氢燃料电池能够适用于重量更大的机动车、船只等对氢燃料电池功率响应速率有较高要求的场景。
本发明提出的氢燃料电池的响应控制方法用于控制氢燃料电池的主驱动架构，该氢燃料电池的响应控制方法为：当驾驶员踩踏油门踏板时，油门踏板模块触发供气控制模块，供气控制模块给电池供气模块发送供气信号，同时油门踏板模块给电池控制模块发送动力需求信号，以使电池控制模块向储氢模块和电池供氢模块发送给电池电堆模块供氢的信号；然后，储氢模块和电池供氢模块向电池电堆模块供氢，氢气和氧气在电池电堆模块内产生的电能直接提供给电驱动模块，以驱动车辆行驶；使用该氢燃料电池的响应控制方法来控制氢燃料电池的主驱动架构，能够使该氢燃料电池实现快速响应，从而使其能够在机动车上实现全功率运行，简化了机动车上的动力源结构，降低了车重，节省了车体空间，提升了机动车的工作效率，降低了成本。
附图说明
图1是本发明提出的氢燃料电池的主驱动架构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
实施例一
本实施例提供一种氢燃料电池的主驱动架构，如图1所示，氢燃料电池的主驱动架构该包括油门踏板模块、供气控制模块、燃料电池系统、电驱动模块和储氢模块，油门踏板模块与供气控制模块信号连接。
具体地，燃料电池系统包括电池控制模块、电池电堆模块、电池供气模块、电池供氢模块和辅助二次电池模块，电池控制模块分别与油门踏板模块和储氢模块信号连接；电池电堆模块与电驱动模块电连接；电池供气模块与供气控制模块信号连接，并通过管路与电池电堆模块相连通；电池供氢模块与电池控制模块信号连接，并分别通过管路与储氢模块和电池电堆模块相连通，电池供氢模块能够控制储氢模块内的氢气流入电池电堆模块；辅助二次电池模块与电池控制模块信号连接，并与电池电堆模块电连接，辅助二次电池模块用于储存余能、刹车能量的回收和辅助生活用电。
需要说明的是，图1中具有实线的箭头为电连接、具有单点划线的箭头为信号连接、具有双点划线的箭头为气液的管路连接。
本实施例中的辅助二次电池模块被集成在氢燃料电池内，该辅助二次电池模块不给电驱动模块提供电能，使得该氢燃料电池直接给电驱动模块提供电能，简化了机动车上的动力源结构，降低了车重，节省了车体空间，提升了机动车的工作效率，降低了成本；此外，由于采用供气控制模块来直接控制电池供气模块的供气量，使得空气与氢气能够在电池电堆模块内快速反应，从而快速发电，实现了氢燃料电池功率的快速响应，使得该氢燃料电池能够适用于在机动车上的全功率运行，进而使得该氢燃料电池能够适用于重量更大的机动车、船只等对氢燃料电池功率响应速率有较高要求的场景。
为了給电池电堆模块降温，本实施例中的燃料电池系统还包括电池冷却模块，该电池冷却模块与电池控制模块信号连接，电池冷却模块用于冷却电池电堆模块。
可选地，电池冷却模块采用液冷降温的方式进行降温；当然，在其他实施例中，电池冷却模块还可以采用风冷的降温方式。
优选地，油门踏板模块包括油门踏板和油门踏板控制组件，油门踏板与油门踏板控制组件传动连接，油门踏板控制组件分别与供气控制模块和与电池控制模块信号连接；当驾驶员踩踏油门踏板时，油门踏板模块触发供气控制模块，供气控制模块给电池供气模块发送供气信号。
由于本实施例中的辅助二次电池模块仅用于储存余能和辅助生活用电，不给电驱动模块提供电能，使得该辅助二次电池模块的电池容量不用过大，因此，本实施例中的辅助二次电池模块采用普通铅酸蓄电池即可。
需要说明的是，辅助生活用电为驻车状态下辅助点烟器、收音机、灯光设施的使用。
可选地，储氢模块包括至少一个氢瓶，氢瓶由于储存氢气，氢瓶均通过管路与电池供氢模块相连通，可以想到的是，氢瓶的数量可根据实际使用需求进行增减。
可以想到的是，本实施例中的氢燃料电池的主驱动架构的功率可以根据整车设计动力需求进行配备。
实施例二
本实施例中的氢燃料电池的响应控制方法用于控制实施例一中的氢燃料电池的主驱动架构。
如图1所示，该氢燃料电池的响应控制方法为：当驾驶员踩踏油门踏板时(即油门踏板的行程大于零)，油门踏板的位移通过油门踏板控制组件生成位移信号并传递给供气控制模块，以使油门踏板模块触发供气控制模块，供气控制模块按预定策略将电池电堆模块的最大功率空气需求量的供气信号发送到电池供气模块，以使电池供气模块向电池电堆模块供气，与此同时，油门踏板模块给电池控制模块发送动力需求信号，电池控制模块获得指令后根据已嵌入的氢燃料电池氢、氧反应计量比和过量系数对氢气需求量进行精确计算，并将计算结果发送至电池供氢模块，同时向储氢模块发布开阀指令，执行器执行供氢命令，向电池电堆模块输运氢气；氢气抵达已经充满空气的电池电堆模块后，氢气和氧气在电池电堆模块内产生的电能直接提供给电驱动模块，以驱动车辆行驶。
使用该氢燃料电池的响应控制方法来控制氢燃料电池的主驱动架构，能够使该氢燃料电池实现快速响应，从而使其能够在机动车上实现全功率运行，简化了机动车上的动力源结构，降低了车重，节省了车体空间，提升了机动车的工作效率，降低了成本。
需要说明的是，当驾驶员通过油门踏板模块调整油门踏板的踩踏力度(或踩踏深度)进行加减速时，只有电池供氢模块和储氢模块接受电池控制模块根据油门踏板模块变化发布的实时控制信号，从而精确改变氢气流量的大小，即油门踏板的踩踏力度(或踩踏深度)仅用于调整电池供氢模块和储氢模块的供氢量；当油门踏板的行程为零时(即机动车处于滑行或刹车状态)，电池供氢模块和储氢模块停止供氢，同时供气控制模块触发状态撤销，电池供气模块关闭或停止供气。
需要说明的是，当油门踏板的行程大于零时，电池供气模块始终处于最大供气状态，也即电池电堆模块的功率响应速度只依赖于氢气的供应速度，而氢气在单电池内的渗透速度完全满足变功率需求。
当电池电堆模块的温度超过允许工作的温度(该温度值通过前期进行预设)时，电池控制模块指令电池冷却模块启动工作，以使电池控制模块控制电池冷却模块给电池电堆模块降温，从而保障电池电堆模块平稳运行。
实施例三
本实施例将实施例一中的氢燃料电池的主驱动架构安装在载重7.5吨的氢燃料电池轻型商用车上，并采用实施例二中的氢燃料电池的响应控制方法来控制氢燃料电池的运行，以使该氢燃料电池能够进行全功率运行模式。
具体地，该氢燃料电池的氢燃料电池系统的装载额定功率为80kW，其二次电池模块的规格为100AH*120V。储氢模块装载6个氢瓶，一次加氢可携带37kg氢气。该轻型商用车的电驱动模块的电机功率为120kW。
整车启动时，当驾驶员通过油门踏板给出动力需求信号，踏板行程大于零，供气控制模块将已计算的额定功率80kW系统运行的最大空气需求(过量系数1.3)流量367g/min并作为控制模块嵌入数据发送给电池供气模块，使其始终以此流量输运空气，目的是让渗透系数相对氢气低二分之一的空气始终积聚于膜电极反应场，使得功率应答只依赖于氢气的传输速度；电池控制模块则根据油门踏板实时的行程参数计算氢气的需求流量，额定功率80kW系统运行的氢气需求流量(过量系数为1.2)范围在0～11g/min，实时向电池供氢模块和储氢模块发送调整流量数据，从而使进入电池电堆模块的氢气与需求量精密匹配，输出需求的电量供给电驱动模块。当驾驶员放松油门踏板的情况下，踏板行程等于零时，整车处于滑行或刹车状态，供气控制模块触发状态撤销，电池供气模块关闭停止供气。该商用车采用氢燃料电池全功率运行模式，功率拉升速率可达33kW/s，常规空气、氢气同控模式仅为15-20kW/s。储氢模块的储氢量根据运行工况可续驶700～900公里。
实施例四
本实施例将实施例一中的氢燃料电池的主驱动架构安装在采用氢燃料电池作为动力源的10.5米大客车上，并采用实施例二中的氢燃料电池的响应控制方法来控制氢燃料电池的运行，以使该氢燃料电池能够进行全功率运行模式。
具体地，该氢燃料电池的氢燃料电池系统的装载额定功率为60kW，其二次电池模块的规格为100AH*120V。储氢模块装载6个氢瓶，一次加氢可携带50kg氢气。该大客车的电驱动模块的电机功率为100kW。
整车启动时，当驾驶员通过油门踏板给出动力需求信号，踏板行程大于零，供气控制模块将已计算的额定功率60kW系统运行的最大空气需求(过量系数1.3)流量276g/min并作为控制模块嵌入数据发送给电池供气模块，使其始终以此流量输运空气，目的是让渗透系数相对氢气低二分之一的空气始终积聚于膜电极反应场，使得功率应答只依赖于氢气的传输速度；电池控制模块则根据油门踏板实时的行程参数计算氢气的需求流量，额定功率60kW系统运行的氢气需求流量(过量系数为1.2)范围在0～8g/min，实时向电池供氢模块和储氢模块发送调整流量数据，从而使进入电池电堆模块的氢气与需求量精密匹配，输出需求的电量供给电驱动模块。当驾驶员放松油门踏板的情况下，踏板行程等于零时，整车处于滑行或刹车状态，供气控制模块触发状态撤销，电池供气模块关闭停止供气。该大客车采用氢燃料电池全功率运行模式，功率拉升速率可达27kW/S，常规空气、氢气同控模式仅为15kW/S。储氢模块的储氢量根据运行工况可续驶900～1000公里。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氢燃料电池的主驱动架构，其特征在于，包括油门踏板模块、供气控制模块、燃料电池系统、电驱动模块和储氢模块，所述油门踏板模块与所述供气控制模块信号连接，所述燃料电池系统包括：
电池控制模块，分别与所述油门踏板模块和所述储氢模块信号连接；
电池电堆模块，与所述电驱动模块电连接；
电池供气模块，与所述供气控制模块信号连接，并通过管路与所述电池电堆模块相连通；
电池供氢模块，与所述电池控制模块信号连接，并分别通过管路与所述储氢模块和所述电池电堆模块相连通，所述电池供氢模块能够控制所述储氢模块内的氢气流入所述电池电堆模块；及
辅助二次电池模块，与所述电池控制模块信号连接，并与所述电池电堆模块电连接，所述辅助二次电池模块用于储存余能和辅助生活用电。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池的主驱动架构，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：
电池冷却模块，与所述电池控制模块信号连接，所述电池冷却模块用于冷却所述电池电堆模块。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池的主驱动架构，其特征在于，所述电池冷却模块采用液冷降温。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的氢燃料电池的主驱动架构，其特征在于，所述油门踏板模块包括油门踏板和油门踏板控制组件，所述油门踏板与所述油门踏板控制组件传动连接，所述油门踏板控制组件分别与所述供气控制模块和与所述电池控制模块信号连接。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的氢燃料电池的主驱动架构，其特征在于，所述辅助二次电池模块采用铅酸蓄电池。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的氢燃料电池的主驱动架构，其特征在于，所述储氢模块包括至少一个氢瓶，所述氢瓶均通过管路与所述电池供氢模块相连通。
7.一种氢燃料电池的响应控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1-6中任一项所述的氢燃料电池的主驱动架构，所述响应控制方法为：
当驾驶员踩踏油门踏板时，油门踏板模块触发供气控制模块，所述供气控制模块给电池供气模块发送供气信号，同时所述油门踏板模块给电池控制模块发送动力需求信号，以使所述电池控制模块向储氢模块和电池供氢模块发送给电池电堆模块供氢的信号；然后，所述储氢模块和所述电池供氢模块向所述电池电堆模块供氢，氢气和氧气在所述电池电堆模块内产生的电能直接提供给电驱动模块，以驱动车辆行驶。
8.根据权利要求7所述的氢燃料电池的响应控制方法，其特征在于，当所述油门踏板的行程大于零时，所述电池供气模块处于最大供气状态；当所述油门踏板的行程为零时，所述电池供气模块停止供气。
9.根据权利要求8所述的氢燃料电池的响应控制方法，其特征在于，当所述油门踏板的行程大于零时，所述油门踏板的踩踏力度仅用于调整所述电池供氢模块和所述储氢模块的供氢量；当所述油门踏板的行程为零时，所述电池供氢模块和所述储氢模块停止供氢。
10.根据权利要求7所述的氢燃料电池的响应控制方法，其特征在于，当所述电池电堆模块的温度超过预设温度时，所述电池控制模块控制电池冷却模块给所述电池电堆模块降温。
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