CN113734076B - 供电系统和具有它的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种供电系统和具有它的车辆。该供电系统包括：连接有用电设备的功率总线；燃料电池；蓄电池，所述燃料电池和所述蓄电池的至少一个串联在所述功率总线中，以对所述用电设备供电；第一二极管，所述第一二极管与所述燃料电池并联设置；第二二极管，所述第二二极管与所述蓄电池并联设置；隔离型的DCDC，所述燃料电池和所述蓄电池均与所述DCDC电连接。根据本发明实施例的供电系统，可减少DCDC的体积、重量、成本和功耗，且在燃料电池或蓄电池与功率总线断开的过程中，向用电设备输出电流的是连贯的，从而有利于缩小供电系统的占用空间，提高供电系统输出电流的响应速度。

Description

供电系统和具有它的车辆
技术领域
本发明涉及汽车领域，具体而言，涉及一种供电系统和具有它的车辆。
背景技术
当前燃料电池应用广泛，在某些应用中，由于负载功率变化较大，需要采用蓄电池削峰填谷，因此，燃料电池与蓄电池的混合供电系统是系统集成的重要内容，现有的供电系统中，大功率DCDC的体积与燃料电池电堆的体积大致相当，因此其成本、重量及功耗也必然较大，且在一些构架的供电系统中，如蓄电池或燃料电池切出，输出电流的响应速度较慢。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种供电系统，以缩小供电系统的占用空间，提高供电系统输出电流的响应速度。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种供电系统，包括：连接有用电设备的功率总线；燃料电池；蓄电池，所述燃料电池和所述蓄电池的至少一个串联在所述功率总线中，以对所述用电设备供电；第一二极管，所述第一二极管与所述燃料电池并联设置；第二二极管，所述第二二极管与所述蓄电池并联设置；隔离型的DCDC，所述燃料电池和所述蓄电池均与所述DCDC电连接。
根据本发明的一些实施例，所述的供电系统还包括：燃料电池开关，所述燃料电池开关与所述燃料电池串联，所述燃料电池经所述燃料电池开关切入或切出所述功率总线，所述第一二极管与所述燃料电池、所述燃料电池开关并联设置；蓄电池开关，所述蓄电池开关与所述蓄电池串联，所述蓄电池经所述蓄电池开关切入或切出所述功率总线，所述第二二极管与所述蓄电池、所述蓄电池开关并联设置。
进一步地，所述蓄电池开关连接有滤波器。
进一步地，所述滤波器包括：电感和第三二极管，且所述电感和所述第三二极管并联。
进一步地，所述DCDC具有输入正极、输入负极、输出正极、输出负极，所述输入正极、所述输入负极与所述燃料电池电连接，所述输出正极、所述输出负极与所述蓄电池电连接。
进一步地，所述燃料电池开关位于所述燃料电池和所述蓄电池之间，所述输入正极与所述功率总线的连接点位于所述燃料电池开关与所述蓄电池之间。
根据本发明的一些实施例，所述第一二极管并联有第一同步开关，所述第二二极管并联有第二同步开关。
根据本发明的一些实施例，所述用电设备为电机驱动器。
根据本发明的一些实施例，所述的供电系统具有第一串联模式，所述第一串联模式构造为：所述燃料电池输出的大部分电力与所述DCDC输出的电力串联后给所述用电设备供电，所述燃料电池不输出电力。
进一步地，所述燃料电池输出的小部分电力经过所述DCDC对所述蓄电池提供旁路替代电流。
根据本发明的一些实施例，所述的供电系统具有第二串联模式，所述第二串联模式构造为：所述燃料电池输出的小部分电力经过所述DCDC对所述用电设备供电，所述燃料电池输出的大部分电力，与所述蓄电池及所述DCDC合力输出的电力串联，以对所述用电设备供电。
根据本发明的一些实施例，所述的供电系统具有蓄电池直通模式，所述蓄电池输出的电力直接供给所述用电设备，所述燃料电池不输出电力。
根据本发明的一些实施例，所述的供电系统具有燃料电池直通模式，所述燃料电池输出的电力直接供给所述用电设备，所述蓄电池不输出电力。
相对于现有技术，本发明所述的供电系统具有以下优势：
根据本发明实施例的供电系统，可减少DCDC的体积、重量、成本和功耗，且在燃料电池或蓄电池与功率总线断开的过程中，向用电设备输出电流的是连贯的，从而有利于缩小供电系统的占用空间，提高供电系统输出电流的响应速度。
本发明的另一个目的在于提出一种车辆，包括上述的供电系统。
相对于现有技术，本发明所述的车辆具有的优势与供电系统具有的优势相同，这里不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是供电系统的示意图；
图2是供电系统处于第一串联模式的示意图；
图3是供电系统处于第二串联模式的示意图；
图4是供电系统处于蓄电池直通模式的示意图；
图5是供电系统处于燃料电池直通模式的示意图。
附图标记说明：
功率总线1、燃料电池2、蓄电池3、第一二极管4、第二二极管5、DCDC6、燃料电池开关7、蓄电池开关8、滤波器9、输入正极10、输入负极11、输出正极12、输出负极13、第一同步开关14、第二同步开关15、用电设备16。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考图1-图5并结合实施例来详细说明本发明的供电系统。
参照图1-图5所示，根据本发明实施例的供电系统包括：连接有用电设备16的功率总线1、燃料电池2、蓄电池3、第一二极管4，第二二极管5、隔离型的DCDC6，需要说明的是，图1中的上端为功率总线1的正极，下端为功率总线1的负极(公共池)。
燃料电池2和蓄电池3的至少一个串联在功率总线1中，以对用电设备16供电，第一二极管4与燃料电池2并联设置，第二二极管5与蓄电池3并联设置，燃料电池2和蓄电池3均与DCDC6电连接，燃料电池2输出的小部分电力可经过隔离型的DCDC6向用电设备16供电，以减少DCDC6的体积、重量、成本和功耗。
第一二极管4的正极与燃料电池2负极连接，第一二极管4的负极与燃料电池2正极连接，第二二极管5的正极与蓄电池3负极连接，第二二极管5的负极与蓄电池3正极连接，当燃料电池2发生故障或电量不足时，可切出燃料电池2向功率总线1中的供电，蓄电池3立即经由与第一二极管4向用电设备16供电，当蓄电池3发生故障或其电量不足时，可切出蓄电池3向功率总线1中的供电，燃料电池2立即经由与第二二极管5向用电设备16供电，在燃料电池2或蓄电池3与功率总线1断开的过程中，虽然功率总线1中的电压有变化，但输出电流的是连贯的，从而有利于提高输出电流的响应速度。
根据本发明实施例的供电系统，可减少DCDC6的体积、重量、成本和功耗，且在燃料电池2或蓄电池3与功率总线1断开的过程中，向用电设备16输出电流的是连贯的，从而有利于缩小供电系统的占用空间，提高供电系统输出电流的响应速度。
参照图1-图5所示，供电系统还包括：燃料电池开关7、蓄电池开关8。
燃料电池开关7与燃料电池2串联，燃料电池2经燃料电池开关7切入或切出功率总线1，第一二极管4与燃料电池2、燃料电池开关7并联设置，以实现在燃料电池2切出功率总线1时，蓄电池3立即经由与第一二极管4向用电设备16供电，从而有利于减少功率总线1中的电流冲击，提高输出电流的响应速度。
蓄电池开关8与蓄电池3串联，蓄电池3经蓄电池开关8切入或切出功率总线1，第二二极管5与蓄电池3、蓄电池开关8并联设置，以实现在蓄电池3切出功率总线1时，燃料电池2立即经由与第二二极管5向用电设备16供电，从而有利于减少功率总线1中的电流冲击，提高输出电流的响应速度。
参照图1-图5所示，蓄电池开关8连接有滤波器9，以减缓蓄电池3切入功率总线1时对用电设备16的阶跃电压冲击。
可选地，滤波器9包括：电感和第三二极管，且电感和第三二极管并联。
参照图1-图5所示，DCDC6具有输入正极10、输入负极11、输出正极12、输出负极13，输入正极10、输入负极11与燃料电池2电连接，输出正极12、输出负极13与蓄电池3电连接，以实现燃料电池2输出的小部分电力可经过DCDC6向用电设备16供电，从而降低DCDC6的体积、重量、成本和功耗。
参照图1-图5所示，燃料电池开关7位于燃料电池2和蓄电池3之间，输入正极10与功率总线1的连接点位于燃料电池开关7与蓄电池3之间，也就是说，燃料电池开关7可控制燃料电池2和DCDC6共同切入或切出功率总线1。
参照图1-图5所示，第一二极管4并联有第一同步开关14，以用于避免第一二极管4的降压损耗，第二二极管5并联有第二同步开关15，以用于避免第二二极管5的降压损耗。
可选地，用电设备16为电机驱动器。
参照图1-图5所示，的供电系统具有第一串联模式、第二串联模式、蓄电池直通模式、燃料电池直通模式。
具体地，参照图2所示，当用电设备16处于中功率工况运行时，供电系统为第一串联模式，燃料电池2输出的功率可满足用电设备16的供电，此时，蓄电池3可不必承担输出任务，燃料电池2输出的小部分电力经过DCDC6对蓄电池3提提供旁路替代电流，也就是说，燃料电池2输出的大部分电力与DCDC6输出的电力串联后给用电设备16供电，燃料电池2不输出电力。
参照图3所示，当用电设备16处于超大功率工况运行时，供电系统为第二串联模式，燃料电池2输出的小部分电力经过DCDC6对用电设备16供电，燃料电池2输出的大部分电力，与蓄电池3及DCDC6合力输出的电力串联，以对用电设备16供电。。
参照图4所示，当燃料电池2发生故障或电量不足时，用电设备16处于小功率工况运行，供电系统为蓄电池直通模式，蓄电池3输出的电力直接供给用电设备16，燃料电池2不输出电力，具体地，燃料电池2经燃料电池开关7切出功率总线1，用电设备16仅由蓄电池3供电。
参照图5所示，当蓄电池3发生故障或电量不足时，用电设备16处于大功率工况运行，供电系统为燃料电池直通模式时，燃料电池2输出的电力直接供给用电设备16，蓄电池3不输出电力，具体地，蓄电池3经蓄电池开关8切出功率总线1，用电设备16仅由燃料电池2供电。
根据本发明另一方面实施例的车辆，包括上述实施例的供电系统，蓄电池3为20KWH的锂电池，燃料电池2的容量为120KWH，用电设备16为电机驱动器，电机驱动器通过选型组合，使得在车辆设计最高持续速度时，电机驱动器的反电动势小于燃料电池2在该工况下的输出电压。
在本发明的一些具体实施例如下：
参照图2所示，车辆速度为130KM/H(高速)、电机驱动器处于50KW(中功率)工况下，供电系统为第一串联模式，燃料电池2输出的部分电力与DCDC6输出电力串联供给电机驱动器，而锂电可以不必承担输出任务，也就是说，燃料电池2输出的小部分电力经过DCDC6对锂电提供旁路替代电流，具体地，燃料电池2向功率总线1输出电压295V、电流100A的供电a，燃料电池2还向DCDC6的输出电压295V、电流70A的供电b，并由DCDC6转换为电压200V、电流100A的供电c，供电a与供电c串联向电机驱动器提供等效电压500V、电流100A的供电，此时，20KW的隔离型DCDC6良好地满足了使用要求，从而有利于减小DCDC6的体积、重量、成本、功耗。
参照图3所示，车辆短时间猛烈加速、电机驱动器处于183KW(超大功率)工况下，供电系统为第二串联模式，燃料电池2输出的大部分电力与锂电及DCDC6合力输出的电力串联，向电机驱动器供电，燃料电池2输出的小部分电力经过DCDC6对电机驱动器提供合力电流，具体地，燃料电池2向功率总线1输出电压240V、电流416A的供电d，燃料电池2还向DCDC6的输出电压240V、电流84A的供电e，并由DCDC6转换为电压200V、电流100A的供电f，锂电池输出电压200V、电流316A的供电g，供电d与供电e及供电f合力串联向电机驱动器提供等效电压440V、电流416A的供电。
参照图4所示，车辆速度为90KM/H(中速)、电机驱动器处于25KW(小功率)工况下，供电系统为锂电直通模式，锂电直通模式常用于用于燃料电池2故障、氢气耗尽、加氢困难或短程出行等情况，在此情况下燃料电池开关7断开，燃料电池2切出功率总线1，锂电池立即经由第一二极管4向电机驱动器供电，在此过程中，虽然功率总线1中电压有变化，但输出电流是连贯的，随后闭合第一同步开关14，以消除第一二极管4的压降损耗，具体地，锂电池向电机驱动器提供电压200V、电流125A的供电。
进一步地，在燃料电池2切出时，可以先关闭燃料电池2对应的空气泵，等阴极氧气耗尽，电压自然跌到0时再切断燃料电池开关7，这既能避免电压阶跃对电机驱动器的冲击，又能避免开路电压对燃料电池2的损害。类似地，在燃料电池2切入时，可以先断开同步开关，再接通燃料电池开关7，然后开启空气泵，使得电压自然上升，因此不必单独给燃料电池2配置相应的滤波器。
需要说明的是，车辆电气架构的功率总线1的电压取决于108S锂电池的电压，车辆设计的最高车速180KM/H，因此必然会选择合适的电机驱动器及减速器，使得108S锂电池能够对抗180KM/H的反电动势。因此54S锂电池能对抗的反电动势的最大车速为180/108S*54S＝90KM/H，这已经能够满足小容量纯电短途出行的需要了。
参照图5所示，车辆速度为150KM/H(超速)、电机驱动器处于70KW(大功率)工况下，供电系统为燃料电池直通模式，为了进一步提高效率，并进一步减小隔离型DCDC6的功率、体积、重量、成本，电机驱动器通过选型组合，使得其在150KM/H时的电机反电动势小于燃料电池2在输出与150KM/H所对应的功率(70KW)时的输出电压267V，此时的电流为262A，显然并不太大，不至于对电机驱动器的元器件器件和铜线构成不利影响。相应地，配置的隔离型DCDC6可为10KW，如此，仅在加速与爬坡时为了提供超过设计最高持续速度所对应的功率，才必须将锂电池切入串联回路。因此可以提高效率，并有望进一步减小隔离型DCDC6的功率、体积、重量、成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种供电系统，其特征在于，包括：
连接有用电设备(16)的功率总线(1)；
燃料电池(2)；
蓄电池(3)，所述燃料电池(2)和所述蓄电池(3)的至少一个串联在所述功率总线(1)中，以对所述用电设备(16)供电；
第一二极管(4)，所述第一二极管(4)与所述燃料电池(2)并联设置；
第二二极管(5)，所述第二二极管(5)与所述蓄电池(3)并联设置；
隔离型的DCDC(6)，所述燃料电池(2)和所述蓄电池(3)均与所述DCDC(6)电连接；
还包括：
燃料电池开关(7)，所述燃料电池开关(7)与所述燃料电池(2)串联，所述燃料电池(2)经所述燃料电池开关(7)切入或切出所述功率总线(1)，所述第一二极管(4)与所述燃料电池(2)、所述燃料电池开关(7)并联设置；
蓄电池开关(8)，所述蓄电池开关(8)与所述蓄电池(3)串联，所述蓄电池(3)经所述蓄电池开关(8)切入或切出所述功率总线(1)，所述第二二极管(5)与所述蓄电池(3)、所述蓄电池开关(8)并联设置。
2.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述蓄电池开关(8)连接有滤波器(9)。
3.根据权利要求2所述的供电系统，其特征在于，所述滤波器(9)包括：电感和第三二极管，且所述电感和所述第三二极管并联。
4.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述DCDC(6)具有输入正极(10)、输入负极(11)、输出正极(12)、输出负极(13)，所述输入正极(10)、所述输入负极(11)与所述燃料电池(2)电连接，所述输出正极(12)、所述输出负极(13)与所述蓄电池(3)电连接。
5.根据权利要求4所述的供电系统，其特征在于，所述燃料电池开关(7)位于所述燃料电池(2)和所述蓄电池(3)之间，所述输入正极(10)与所述功率总线(1)的连接点位于所述燃料电池开关(7)与所述蓄电池(3)之间。
6.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述第一二极管(4)并联有第一同步开关(14)，所述第二二极管(5)并联有第二同步开关(15)。
7.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述用电设备(16)为电机驱动器。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的供电系统，其特征在于，所述的供电系统具有第一串联模式，所述第一串联模式构造为：所述燃料电池(2)输出的大部分电力与所述DCDC(6)输出的电力串联后给所述用电设备(16)供电，所述燃料电池(2)不输出电力。
9.根据权利要求8所述的供电系统，其特征在于，所述燃料电池(2)输出的小部分电力经过所述DCDC(6)对所述蓄电池(3)提供旁路替代电流。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的供电系统，其特征在于，所述的供电系统具有第二串联模式，所述第二串联模式构造为：所述燃料电池(2)输出的小部分电力经过所述DCDC(6)对所述用电设备(16)供电，所述燃料电池(2)输出的大部分电力，与所述蓄电池(3)及所述DCDC(6)合力输出的电力串联，以对所述用电设备(16)供电。
11.根据权利要求1-7中任一项所述的供电系统，其特征在于，所述的供电系统具有蓄电池直通模式，所述蓄电池(3)输出的电力直接供给所述用电设备(16)，所述燃料电池(2)不输出电力。
12.根据权利要求1-7中任一项所述的供电系统，其特征在于，所述的供电系统具有燃料电池直通模式，所述燃料电池(2)输出的电力直接供给所述用电设备(16)，所述蓄电池(3)不输出电力。
13.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-12中任一项所述的供电系统。
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