CN1475378A - 电－电混合燃料电池汽车的动力系统 - Google Patents

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Abstract

一种电－电混合燃料电池汽车动力系统包括：驱动电机(1)、电机驱动控制器(2)、燃料电池(3)、单向高压DC/DC变换器(4)，车辆控制器(9)，该系统还包括：高能动力蓄电池组(5)、蓄电池组管理单元(8)、超级电容(6)、双向高压DC/DC变换器(7)，所述的车辆控制器(9)可实现功率平衡控制。本发明与现有技术相比有下述优点：本发明的动力系统可实现燃料电池、动力蓄电池和超级电容之间功率的合理分配，从而保证燃料电池汽车的动力性、经济型、安全性以及各部件的正常寿命。

Description

电-电混合燃料电池汽车的动力系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池汽车的电-电混合动力系统，尤其涉及一种带有辅助动力源的电-电混合动力系统。
背景技术
能源与环境是人类社会赖以生存和发展的物质基础，开发利用新的能源和保护环境是目前人类面临的最重要的问题。近二十多年来，由于石油危机与环境污染相继发生，促进和加快了电动车辆技术的发展，世界各国对电动汽车技术进行开发研究的竞争。燃料电池汽车被普遍认为是可以同时解决能源与排放问题的绿色环保汽车，是今后汽车发展的主要方向。近十年来燃料电池技术、尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术不断取得突破，获得快速发展，质子交换膜燃料电池以其高能量密度和零污染排放，以及潜在的价格优势和燃料多样化的特点，目前已成为燃料电池汽车主选的动力源装置。
由通用汽车公司研制的零排放“氢动一号(HydroGenl)”燃料电池汽车的发动机是一个55千瓦三相交流异步电动机，其动力来自由液态纯氢驱动的燃料电池组，该电池组由200个单个燃料电池串联而成，总体积相当于一台普通的汽油发动机；电池组旁边有一个空气压缩器，向电池组和一个催化燃烧器输送氧气，催化燃烧燃掉电池组中剩余的气体。这个动力组可以产生平时80千瓦、最高达120千瓦的电流，该车的动力系统可以克服低温起动的障碍。
但由于燃料电池在启动发电前，需要有一定容量的空气压缩器(它属于燃料电池的组成部分，一般情况下，空压机电机的容量为燃料电池额定输出功率的20％)为其提供一定压力和流量的空气，所以最初需由辅助动力源为空压机电机供电，当燃料电池启动并正常发电后，才由其本身维持对空气压缩器的供电。而从燃料电池启动到输出较大功率的电能约需数秒时间，这使它作为汽车动力源时产生这样的问题：如果汽车需在燃料电池启动期间起步行驶，由于燃料电池尚不能为驱动电机供电，这时也需由辅助动力源暂时替代燃料电池向驱动电机供电。另外，对于电动汽车，驱动电机可以方便的实现再生发电制动运行。
基于上述技术原因，目前通行的燃料电池汽车动力系统技术方案，除采用燃料电池发动机作为主要动力源外，均设有动力蓄电池作为辅助动力源，以解决采用燃料电池作为主动力源所带来的如下问题：
1)在燃料电池启动期间，为空压机供电；
2)燃料电池启动期间为驱动电机供电；
3)汽车制动时通过驱动电机和驱动控制器将回收的那部分电能储蓄起来。
可以说，采用动力蓄电池作为辅助动力源是以燃料电池为主要动力源的车载动力系统的一种必然选择。目前的技术关键在于，如何确定作为主动力源的燃料电池的容量和作为辅助动力源的动力蓄电池或超级电容器之间的最佳功率分配。
发明内容
本发明所要解决技术问题是提供一种燃料电池汽车动力系统，其具有动力蓄电池及超级电容器双辅助动力源并可实现三个动力源之间功率的合理分配。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种以质子交换膜燃料电池发动机为主要动力源，高能动力蓄电池组和超级电容为辅助动力源，驱动电机和驱动控制器为驱动装置的电-电混合动力系统。由辅助动力源的作用来看，它所供电的对象所需供电功率都比较小，而且都是短时的充放电工作，所以可以采用大功率燃料电池、小容量高能蓄电池组的方法。但是考虑到国内燃料电池和高能蓄电池组的实际情况，截至到目前为止还不能制造功率较大的燃料电池，所以本发明采用的是较小容量的燃料电池和较大容量的高能动力蓄电池组的方案。另外即便是高能动力蓄电池所能达到的比能量和比功率都还比较低，于是动力蓄电池组的瞬态放电性能仍然不理想。为了改善汽车启动、加速时的性能，本发明采用了超级电容作为另外一个辅助动力源。为了实现上述各器件的功率平衡控制，本发明采用的方法如下：1)、保证燃料电池的电流给定值跟随平均负载的缓慢变化和电池充电电流控制；2)、合理的调节电池电流在保证寿命的前提下起到调节峰值功率的作用，对电池充放电的控制采用根据以SOC状态的不同采用不同充放电流限幅值的方法；3)、保证电池在运行一个完整的循环工况后荷电状态SOC(State ofCharge)与初始值SOCinial基本相同。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比有下述优点：本发明的动力系统可实现燃料电池、动力蓄电池和超级电容之间功率的合理分配，从而保证燃料电池汽车的动力性、经济型、安全性以及各部件的正常寿命。在本发明的动力系统中，考虑到燃料电池输出电压较低、输出特性较软及响应较慢的特点，通过DC/DC(直流/直流变换器)的电流闭环控制，并配以超级电容(Ultracapacitor)和高能蓄电池组，实现驱动电机的转矩闭环控制。在汽车处于启动、加速和爬坡工况时时，为满足动力性的要求，通过高能动力蓄电池组和燃料电池混合提供电能；其余工况下，主要由燃料电池提供电能；超级电容的使用，主要是为了起到能量缓冲和功率平衡的作用，由于超级电容具有超高电荷密度和功率密度，在相同的容量下比动力蓄电池组轻的多和小的多，特别适合汽车启动、加速、爬坡等短时间需提供大功率输出的应用场合。
附图说明
图1是本发明的电-电混合燃料电池汽车动力系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示：本发明的电-电混合燃料电池汽车动力系统包括：
一驱动电机1及与之通过电缆相连接的电机驱动控制器2，所述驱动电机1采用转矩闭环控制。
一燃料电池3(Fuel Cell Engine)，其包括：燃料电池控制器31、空气压缩机32、燃烧电池堆33、直流/交流逆变器34，可为燃料电池汽车提供大电流、低电压的电能；所述燃料电池控制器31通过直流/交流逆变器34控制空气压缩机32，为燃料电池堆33提供所需要的空气供应。
一与燃料电池3通过高压电缆连接的单向高压DC/DC变换器4，其采用输出电流闭环控制，这意味着，DC/DC变换器4不断检测输出侧高压母线上的输出电流，并与车辆控制器9的设定输出电流进行实时比较，保证输出侧电流跟踪车辆控制器9的给定规律变化。另外，控制算法保证了，燃料电池3的输出电流跟随汽车行驶中的平均负载变化，并适当兼顾高能蓄电池组当前的充放电需要，由此得到燃料电池3的期望输出功率，基于该期望功率，车辆控制器9通过燃料电池控制器31调节燃料电池堆的输出功率。燃料电池3输出的大电流、低电压的电能经过单向高压DC/DC变换器4升压后提供给电机驱动控制器2；
一高能动力蓄电池组5，在燃料电池启动前为空气压缩机32提高电能、并在汽车启动、加速、爬坡时为驱动电机1提供一定的峰值功率，在驱动电机1再生发电制动时提供电能储蓄装置；
一超级电容6(Ultra-Capacitor)，在汽车启动、加速度较大以及爬坡时提供较大的放电峰值功率，并在驱动电机1再生发电制动时吸收较大的充电峰值功率；
一双向高压DC/DC变换器7，其同样采用电流闭环控制，即DC/DC变换器7不断检测流入/流出超级电容6的电流大小，并与车辆控制器9的设定电流进行实时比较，保证流入/流出超级电容6的电流跟踪车辆控制器9的给定规律变化。以此方式可以主动干预超级电容6的输入/输出，将超级电容6中的电能提供给驱动电机1，或者吸收部分驱动电机1再生发电制动的电能，也可以根据工况需求提供汽车加速、爬坡时的峰值功率要求。
一高能蓄电池组管理单元8(Batteries Management Unit)，提供关于蓄电池组荷电状态SOC(State Of Charge)的信息以供功率平衡控制策略的有效实施；
一车辆控制器9，控制燃料电池3(Fuel Cell Engine)、超级电容6(Ultra-Capacitor)、高能动力蓄电池组5、驱动电机1及电机驱动控制器2，并实现上述各器件的功率平衡控制即：1)、保证燃料电池的电流给定值跟随平均负载的缓慢变化和电池充电电流控制；2)、合理的调节电池电流在保证寿命的前提下起到调节峰值功率的作用，对电池充放电的控制采用根据以SOC状态的不同采用不同充放电流限幅值的方法；3)、保证电池在运行一个完整的循环工况后荷电状态SOC(State of Charge)与初始值SOCinial基本相同。在这样的控制方法的指导下，车辆控制器9可以分别计算得到燃料电池堆33的期望输出功率，超级电容的输入/输出电流大小，并协调协调控制单向DC/DC变换器4和双向DC/DC变换器7，控制动力蓄电池5的负载电流，实现整个动力系统的功率平衡控制。
根据上述基本控制方法，通过详尽的仿真计算和汽车运行工况的统计分析和动态建模，本发明可确定的以上各动力装置容量的比例关系大致为：驱动电机及电机控制器为100％；燃料电池为60％；动力蓄电池组为20％；超级电容为20％。

Claims (5)

1、一种电-电混合燃料电池汽车动力系统包括：
一驱动电机(1)及与之通过动力线相连接的电机驱动控制器(2)；
一与电机驱动控制器(2)双向动力线连接的燃料电池(3)，其包括燃料电池控制器(31)；
一与燃料电池(3)通过动力线连接的单向高压DC/DC变换器(4)，其输出端与电机驱动控制器(2)的输入端相连接；
一车辆控制器(9)，其与电机驱动控制器(2)、单向高压DC/DC变换器(4)、燃料电池控制器(31)进行双向通信连接；
其特征在于，该系统还包括：
一高能动力蓄电池组(5)及蓄电池组管理单元(8)，所述的蓄电池组管理单元(8)与车辆控制器(9)双向通信连接，与电机驱动控制器(2)通过动力线连接；
一超级电容(6)及与超级电容(6)通过动力线连接的双向高压DC/DC变换器(7)，所述的双向高压DC/DC变换器与电机驱动控制器(2)通过动力线连接；
所述的车辆控制器(9)是这样实现功率平衡控制的：
A)、保证燃料电池电流给定值跟随平均负载的缓慢变化和电池充电电流控制；
B)、合理的调节燃烧电池电流在保证寿命的前提下起到调节峰值功率的作用，对燃烧电池充放电的控制采用根据以荷电状态的不同采用不同充放电流限幅值；
C)、保证燃料电池在运行一个完整的循环工况后荷电状态与初始值基本相同。
2、根据权利要求1所述的电-电混合燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述驱动电机(1)采用转矩闭环控制。
3、根据权利要求1所述的电-电混合燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述的单向高压DC/DC变换器(4)采用输出电流闭环控制。
4、根据权利要求1所述的电-电混合燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述的双向高压DC/DC变换器(7)采用电流闭环控制。
5、根据权利要求1所述的电-电混合燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述的驱动电机(1)及电机控制器(2)、燃料电池(3)、高能动力蓄电池组(5)、超级电容(6)间的功率配置比例关系为：驱动电机(1)及电机控制器(2)为100％、燃料电池为(3)60％、高能动力蓄电池组(5)为20％、超级电容(6)为20％。
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