CN1663838A - 一种燃料电池汽车混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池汽车混合动力系统，系统由燃料电池子系统，蓄电池子系统，以及功率二极管，双向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器和电机控制器组成。燃料电池电堆通过功率二极管连接一双向DC/DC变换器连接到电机控制器上，电机控制器之前并接蓄电池组，双向DC/DC变换器的输入端口分别并接燃料电池辅助设备和24VDC/DC变换器。在整个动力系统起动之初，燃料电池系统不会立即启动，蓄电池为系统提供动力，燃料电池系统被启动并正常工作后燃料电池系统将为整个动力系统提供动力。本发明缩减了DC/DC变换器功率容量和设计尺寸，增加了混合动力系统工作可靠性，提高了系统运行效率。

Description

一种燃料电池汽车混合动力系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池汽车混合动力系统，属于燃料电池汽车动力系统开发领域。
背景技术
燃料电池汽车是一种新能源汽车，由于它与传统的内燃机车辆相比较，具有节能、环保、和运行安静的优良工作性能成为当前新一代汽车研发技术中的热点。国家“十五”863电动汽车的重大专项中专门成立了燃料电池轿车和燃料电池城市客车的子项目，燃料电池汽车的研发已经成为推动我国汽车工业实现跨越式发展的重大举措。燃料电池混合动力系统的集成技术是燃料电池汽车研发技术领域内的关键技术之一。
燃料电池汽车的动力系统是燃料电池汽车区别于其它类型车辆(内燃机汽车、蓄电池电动汽车以及油-电混合动力汽车)的最主要标志。一般来说，燃料电池汽车的动力系统主要由燃料电池系统(包括燃料电池电堆、燃料电池辅助设备以及燃料电池控制器等)、蓄电池(或超级电容)、电机和电机控制器以及电力电子装置(如DC/DC变换器、DC/AC变换器等)组成。它使用高效(工作效率可达40％以上)、清洁(排放物为洁净的水)的燃料电池发动机替代了效率较低且工作时会产生污染物排放的内燃发动机，并辅助以可以充放电的辅助储能装置—蓄电池(或超级电容，等)，弥补了燃料电池发动机峰值功率输出能力差、动态响应慢以及不能回收制动能量等缺陷。因此，这样的燃料电池混合动力系统被广泛认为是未来汽车的理想的动力系统型式之一。
当前，在燃料电池汽车研发中，较为常用的燃料电池混合动力系统结构如图1所示：燃料电池之后连接单向(uni-directional)升压型的DC/DC变换器，而后与电机控制器相连接，通过电机控制器驱动电机工作；在升压型DC/DC变换器与电机控制器相连接的直流母线上，并接蓄电池组(或超级电容)，可以直接并接，也可以通过一个双向(bi-directional)DC/DC变换器与直流母线并接，燃料电池辅助设备以及动力系统的24V用电电源的供电从单向DC/DC变换器的出口提供。对于这种常用的混合动力系统，在系统起动之前，由于燃料电池系统没有开始工作，所以，由蓄电池组来直接为燃料电池辅助装置和24V电源供电，当燃料电池系统被起动以后，整个动力系统开始正常工作。这是现在最常用的一种燃料电池混合动力系统集成的结构方式。在这样的动力系统结构中，为了能够在系统启动时起动燃料电池系统，就必须从燃料电池系统后的单向升压型DC/DC变换器出口的直流母线上向燃料电池辅助设备引取电力，为燃料电池辅助设备提供电源，这样就可以使得在动力系统起动的时候由蓄电池组(或超级电容)为燃料电池辅助系统供电来启动燃料电池系统。
在燃料电池开始工作之后，看起来，燃料电池辅助装置的电力供应似乎仍然可以是由蓄电池组来提供的，但实际上，燃料电池辅助装置的电力供应实际上是由燃料电池系统自己承担的，因为在燃料电池汽车运行的整个过程中，正常情况下，蓄电池组是不额外进行充电的，蓄电池组的能量补充同它的能量释放一样，都是在车辆动力系统的工作过程中完成的，蓄电池的电能储存都是来源于燃料电池的。这就是说，从长期运行过程来看，燃料电池汽车的混合动力系统的所有动力归根究底都是由燃料电池系统提供的，而蓄电池组(或超级电容)则可视为一个能量“缓存”。这样一来，上述的动力系统结构方式就存在下面的问题：燃料电池辅助设备所需的电力实际上是从燃料电池系统(燃料电池电堆)流出，经过了单向升压型DC/DC变换器之后，再流回到了燃料电池系统(燃料电池辅助设备)。一方面，这一能量流在经过DC/DC变换器会损失掉一部分能量(例如一台100kW的燃料电池，其辅助设备所需功率通常10～20kW之间，DC/DC变换器的效率一般在96％左右，那么这样的系统中，仅在燃料电池辅助设备的供电方面就会损失掉800W的功率)；另一方面由于单向升压型DC/DC变换器多承载了燃料电池辅助设备的功率容量，因此，与燃料电池辅助设备的供电不经过它而直接由燃料电池系统提供的情况相比，DC/DC变换器的功率容量就必须做的要大的多，导致它的体积、重量以及造价也会大的多。
为避免如图1所示现有常用燃料电池汽车混合动力系统中能量传递过程中的功率损失，我们就要考虑削减为燃料电池辅助设备和24V电源系统供电的功率传输环节。因此，很希望将燃料电池辅助设备和24V电源系统的供电点直接设在燃料电池系统的出口，这样就可以避免这一部分功率传输过程因“兜圈子”而造成的功率消耗了。但是，这样改变系统连接方式又会造成系统的起动困难的问题，因为，系统起动之初，辅助设备没有途径得到必须的电力供应，燃料电池系统也就没有办法启动了。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种燃料电池汽车的混合动力系统，使它一方面能够减少燃料电池混合动力系统之后的单向升压型DC/DC变换器的功率容量，以及燃料电池系统的功率损失；另一方面，和通常被采用的燃料电池系统通过DC/DC变换器在为燃料电池辅助设备供电的混合动力系统一样，可以很好地解决燃料电池的启动问题。
为了达到上述目的，本发明提出了一种燃料电池汽车混合动力系统，该系统包括：由燃料电池电堆、燃料电池辅助设备和燃料电池控制器组成燃料电池子系统，由蓄电池组、蓄电池控制装置组成蓄电池子系统以及功率二极管、双向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器和电机控制器；
燃料电池电堆的输出端通过功率二极管正向连接一双向DC/DC变换器接在电机控制器的输入端上；
电机控制器的输出端接电机；
燃料电池辅助设备的输入端和24V DC/DC变换器的输入端接在功率二极管的负极；
动力蓄电池组的输入\出端接在电机控制器的输入端；
24VDC/DC的电气输出端分别接在燃料电池控制器、双向DC/DC变换器、电机控制器、蓄电池控制装置及外部整车控制器的输入端；
系统中的燃料电池控制器、双向DC/DC变换器、电机控制器及蓄电池控制装置分别通过CAN网络连接整车控制器，整车控制器协调和控制混合动力系统中每个关键的动力部的运行工作。
在这一混合动力系统中，燃料电池辅助设备的供电没有通过DC/DC变换器，而是直接从燃料电池电堆的输出端口的功率二极管之后接出电力接线为燃料电池辅助设备供电。这样就不会由于燃料电池辅助设备的需求功率要经过DC/DC变换器而产生功率损失，并且DC/DC变换器也不会由于要承载从燃料电池电堆到燃料电池辅助设备的功率而增加DC/DC变换器的功率容量。
在整个动力系统起动之初，燃料电池系统不会立即启动，它需要辅助设备先开始工作后才能启动。此时蓄电池为系统提供动力，双向DC/DC变换器工作在反向状态，通过DC/DC变换器，由蓄电池组为24VDC/DC变换器以及燃料电池辅助设备供电。这样24VDC/DC变换器为各个控制部件供电，使这些控制器开始工作；燃料电池辅助设备开始工作后，燃料电池系统被启动并开始正常工作。
燃料电池系统以及整个动力系统完成启动过程之后，将由燃料电池系统来为整个动力系统提供动力，此时双向DC/DC变换器工作在正向状态。
另外，在燃料电池系统发生故障时，双向DC/DC变换器工作又会在反向状态，蓄电池组为整个动力系统提供动力，一方面通过电机控制器直接驱动电机，另一方面通过反向工作的DC/DC变换器为为24VDC/DC变换器供电，进而为所需的所有控制电源供电。这样就使得在燃料电池发生故障时，整个动力系统仍然可以正常运行。
在本发明提出的燃料电池汽车的混合动力系统中，燃料电池系统的出口使用了双向DC/DC变换器。在系统起动之初，双向DC/DC变换器处于反向工作状态，电流从蓄电池组流出，一部分流向电机控制器，驱动电机运转；一部分流向双向DC/DC变换器，通过DC/DC变换器为燃料电池辅助设备提供电源以及24V的DC/DC变换器供电。这样一来，就可以顺利地解决燃料电池系统的起动困难问题了。同时，由于这种混合系统结构型式下，燃料电池辅助设备和24V电源的供电不再绕经DC/DC变换器，大大减少了燃料电池辅助设备和24V电源这部分的功率消耗，同时也有效地减小了燃料电池系统出口处的DC/DC变换器功率容量和设计尺寸，增加了系统工作的可靠性；提高了系统运行效率。
附图说明
图1是现有的燃料电池汽车混合动力系统总体结构图
图2是本发明提出的燃料电池汽车混合动力系统的系统结构图。
图3是该燃料电池汽车混合动力系统起动前、起动时或燃料电池系统故障时的动力系统功率流向图。
图4是该燃料电池汽车混合动力系统工作过程中，蓄电池处于充电状态时的动力系统功率流向图。
图5是该燃料电池汽车混合动力系统工作过程中，蓄电池处于放电状态时的动力系统功率流向图。
图6是该燃料电池汽车混合动力系统处于制动能量回馈状态时的动力系统功率流向图。
各图中的粗黑线表示动力系统的电力主接线；带箭头的细黑线表示控制电源用电气接线；带双箭头的黑点线表示CAN网络通讯线。空心箭头表示电流流向。
具体实施方式
下面对照附图描述本发明的具体实施方式。
图1是现有的燃料电池汽车混合动力系统总体结构图。燃料电池辅助设备所需的电力实际上是从燃料电池系统(燃料电池电堆)流出，经过了单向升压型DC/DC变换器之后，再流回到了燃料电池系统(燃料电池辅助设备)。一方面，这一能量流在经过DC/DC变换器会损失掉一部分能量，另一方面由于单向升压型DC/DC变换器多承载了燃料电池辅助设备的功率容量，因此，与燃料电池辅助设备的供电不经过它而直接由燃料电池系统提供的情况相比，DC/DC变换器的功率容量就必须做的要大的多，导致它的体积、重量以及造价也会大的多。
如图2所示，给出了本发明提出的燃料电池汽车混合动力系统的总体结构图，包括系统的动力部分的结构和系统的控制部分的结构。该系统的动力部分主要由燃料电池系统、双向DC/DC变换器、蓄电池系统、电机驱动系统(电机和电机控制器)以及24VDC/DC变换器等动力部件组成。其中，作为动力系统组成部分的燃料电池系统，主要包括由燃料电池电堆、燃料电池辅助设备和燃料电池控制器这三个部分；而蓄电池系统则包括动力蓄电池组和蓄电池控制装置。系统的控制部分主要包括整车控制器和CAN通讯网络，整车控制器接收来自于驾驶员操作系统的钥匙信号、加速踏板信号以及制动踏板信号等驾驶员操纵信号；整车控制器还与动力系统各个动力部件的控制单元进行通讯，向每个部件的控制器下达控制指令，同时还从这些控制单元采集每个动力部件运行状态的相关信息，以便结合驾驶员的操纵信号，按照整车控制器自身的控制算法，来决定下一步的控制指令。以下，将分别参照图3、图4、图5和图6进一步描述。
如图3所示，给出了在整个动力系统起动前、起动时，或者在燃料电池系统出现故障而无法工作时，动力系统中的功率流向情况。在这几种情况下，燃料电池系统均无法正常工作，因此，动力蓄电池组成为系统中唯一可用的动力源部件。电流从蓄电池组流出，一部分流向电机控制器，驱动电机运转；一部分流向双向DC/DC变换器。此时双向DC/DC变换器处于反向工作状态，蓄电池组通过DC/DC变换器为24V的DC/DC变换器以及燃料电池辅助设备提供电源。这样一来，虽然这些情况下，燃料电池系统不能工作，但是，整个动力系统仍然可以依靠动力蓄电池组来维持运行。
如图4所示，给出了整个动力系统在正常运行的过程中，当蓄电池处于被充电状态时系统中的功率流向情况。在这种情况下，燃料电池系统正常工作。从图中可以看到，燃料电池电堆直接为燃料电池辅助设备和24V的DC/DC变换器提供所需的电功率，同时还通过双向DC/DC变换器，一方面为电机控制器提供电功率驱动电机运转，一方面还为动力蓄电池组充电。在这种情况下双向DC/DC变换器工作在正向状态。
如图5所示，给出了整个动力系统在正常运行的过程中，当蓄电池处于放电状态时系统中的功率流向情况。与图4所示的情况相似，在这种情况下，燃料电池系统也正常工作；不同的是蓄电池组处于放电状态。从图中可以看到，燃料电池辅助设备和24V的DC/DC变换器所需的电功率仍由燃料电池电堆直接提供；通过双向DC/DC变换器，燃料电池系统还为电机控制器提供所需的部分电功率，而电机控制器所需电功率的剩余部分则有动力蓄电池组直接提供。即由燃料电池系统和动力蓄电池组共同提供电力驱动电机运转。在这种情况下，双向DC/DC变换器工作在正向状态。
如图6所示，给出了整个动力系统处在制动能量回馈状态时系统中的功率流向情况。制动能量回馈是多数电动汽车性能上的一个明显优势。在制动能量回馈时，电机工作在反馈制动的工作区域里，即处于发电机的工作状态。电机系统将用于回馈的机械形式的制动能量用于发电，产生的电流从电机控制器的直流端流出，流入动蓄电池组为其充电，将回馈的制动能量储存于动力蓄电池组中。此时燃料电池系统的工作情况与图4中所示的蓄电池组处于充电状态时的情况相同。此时，双向DC/DC变换器工作在正向状态。
图6所示的功率流向图示，只对应于动力蓄电池组的SOC值较低需要较大功率充电的情形。而在蓄电池组SOC值较高，制动能量回馈的电流超出蓄电池组所需的充电电流时，制动能量回馈的电流还要流入双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作于反向状态，通过双向DC/DC变换器的功率变换，制动回馈的电流为燃料电池辅助设备和24V的DC/DC变换器提供全部或者部分所需电功率。

Claims (2)

1、一种燃料电池汽车混合动力系统，其特征在于，该系统包括；由燃料电池电堆、燃料电池辅助设备和燃料电池控制器组成的燃料电池子系统，由蓄电池组、蓄电池控制装置组成的蓄电池子系统，以及功率二极管、双向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器和电机控制器；
燃料电池电堆的输出端通过功率二极管正向连接一双向DC/DC变换器接在电机控制器的输入端上；
电机控制器的输出端接电机；
燃料电池辅助设备的输入端和24V DC/DC变换器的输入端接在功率二极管的负极；
动力蓄电池组的输入\出端接在电机控制器的输入端；
24VDC/DC的电气输出端分别接在燃料电池控制器、双向DC/DC变换器、电机控制器、蓄电池控制装置及外部整车控制器的输入端。
2、根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车混合动力系统，其特征在于，系统中的燃料电池控制器、双向DC/DC变换器、电机控制器及蓄电池控制装置通过CAN网络连接系统外整车控制器。
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