CN1724285A - 一种混合型电源系统 - Google Patents

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胡宁彪
华黎
王国庆
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Abstract

本发明公开了一种混合型电源系统。它包括燃料电池和超级电容器，在所述燃料电池和超级电容器之间串接一控制所述燃料电池输出的电源控制器，所述超级电容器额定储能量与燃料电池额定功率之比在0.025～2.5之间。该混合电源系统输出的电功率大于燃料电池输出电功率的几倍以上，从而大幅降低了混合电源系统的总成本；由于采用超级电容器直接供能，提高了电源系统对负载功率变化的响应；优化了混合系统中燃料电池和超级电容器的功率、能量特性和体系的能量管理。

Description

一种混合型电源系统
                                技术领域
本发明涉及一种混合型电源系统，特别涉及一种由燃料电池与超级电容器构成的混合电源系统。
                                背景技术
目前，混合动力被认为是未来电动车最为理想的电源解决方案，其典型构成为一大的燃料电池(Fuel Cell)和一小的二次电池(Seeondary Battery)的并联组合，如US0065489 A1和US6744237 B2。在该混合电源体系中，燃料电池由于能量密度高而被设计成系统的主动力源，负责车辆大部分时间段的电源供给任务，而二次电池则作为辅助电源承担车辆大功率负载场合的供能，或者是作为车辆在空载、制动或者燃料电池闲置时的“能量缓冲器”，负责将上述过程产生的多余能量进行回收，以优化体系的能量管理。
尽管如此，上述混合电源系统仍然存在一定的缺陷和不足。首先，由于燃料电池的成本很高，使用大功率的燃料电池意味着系统成本的增加。其次，由于燃料电池和二次电池的功率密度较低，整个体系是弱势功率能力相组合，对车辆功率变换的相应能力较差，必须通过能量的损失换取部分功率，这显然也会导致系统成本的增加。此外，锂离子、镍氢等二次电池作为“功率缓冲器”的不足显而易见：由于其电池反应为慢速的法拉第过程，其瞬间接受系统的再生能量的能力不足，容易引发电池性能的快速衰减。
                                发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种克服上述不足、且适合负载的负荷波动较大的混合型电源系统。
本发明是这样来实现的：
一种混合型电源系统，包括燃料电池和超级电容器，在所述燃料电池和超级电容器之间串接一控制所述燃料电池输出的电源控制器，所述超级电容器额定储能量与燃料电池额定功率之比在0.025～2.5之间。
本发明涉及的燃料电池和超级电容器构成的混合电源系统的工作原理如下：
图2显示了燃料电池的电压～功率特性和超级电容器的电压～容量特性，从图中可以看出，当超级电容器储存的能量输出越多，在其储存能量下降的同时，输出电压会显著减小；而燃料电池输出功率增加时，其输出电压会显著减小，反之，当超级电容器储存的能量越多，其电压会越高，燃料电池的输出功率越小，其输出电压会越高，由此可见，负载需要峰值功率时，超级电容器可以提供大于燃料电池几倍的输出功率，而当峰值功率过后，燃料电池可以提供连续电能量给负载，并将超级电容器储存的能量，维持在一定的水平上，当负载功率需求减小后，超级电容器则将燃料电池生产的电能储存起来，当负载回馈再生电能时，超级电容器能将大于燃料电池最大功率几倍的电能储存起来后再循环使用，从而使系统达到优化的能量和功率平衡，以及能源再循环利用。本发明的出发点正是利用两者的互补性，提出了一种优势互补的混合电源系统。
混合电源系统中，燃料电池为小功率电站，超级电容器为电能储存设备，电源控制器为一种单向DC/DC转换器，作为燃料电池输出控制设备。燃料电池在系统中生产电能，超级电容器则储存电能，当超级电容器储能充足，负载的负荷上升时，燃料电池输出的电功率，占负载所需电功率很小一部分，由超级电容器提供负载所需大部分的电功率，随着超级电容器中所储存电能的逐渐输出，超级电容器的电压逐渐下降，燃料电池的输出功率逐渐上升，以减少超级电容器储存电能下降的趋势；当负载的负荷下降后，这时超级电容器已有了储能的空间，继续储存燃料电池生产的较小功率电能，或储存负载产生的大功率再生电能，超级电容器在系统中起到了电能量、电功率平衡和再生电能储存的自适应调整功能。
本发明所提供的混合电源系统的有益效果可以归结于以下几个方面：(1)该混合电源系统输出的电功率，大于燃料电池输出电功率的几倍以上，从而大幅降低了混合电源系统的总成本；(2)优化了混合系统中燃料电池和超级电容器的功率、能量特性；(3)优化了体系的能量管理；(4)由于采用超级电容器直接供能，提高了电源系统对负载功率变化的响应。
                                附图说明
附图1混合电源系统的结构示意图
附图2燃料电池的电压～功率特性、超级电容器的电压～容量特性示意图
                               具体实施方式
根据附图1，混合电源系统由点划线框中的燃料电池、电源控制器和超级电容器三个部分组成，其中混合电源的电能由燃料电池生产，电源控制器根据燃料电池和超级电容器的工作特性，控制燃料电池的输出，超级电容器储存燃料电池生产的电能，和从负载侧由再生产生的电能；当负载需要电能时，超级电容器和燃料电池根据附图1所示的特性，自动分配超级电容器和燃料电池的输出功率。所述的燃料电池可以为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)或者熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)中一种或几种，但不局限于上述燃料电池品种。所说的超级电容器包括各种以双电层机理储能、法拉第准电容储能以及两者共同储能的类型，如活性炭双电层超级电容器、过渡金属氧化物超级电容器(如氧化钌电容器、二氧化锰电容器)、导电聚合物超级电容器、氧化镍/活性炭杂化超级电容器等。电源控制器为一种单向DC/DC转换器，作为燃料电池输出控制设备，可以是脉宽控制PWM形式，也可以是其它形式，实现稳流、稳压或限流、限压等控制要求，以及满足燃料电池和超级电容器所要求的技术支持条件。控制检测电路，可以采用任何控制技术来实现，它的功能主要是完成对整个系统的检测、控制、状态显示等技术要求。从图1中粗实箭头线可以看出电能的走向，燃料电池只能生产电能，但不能储存电能，是一种单向电源，因此，电源控制器也可以是单向工作方式，而超级电容器是一种具有电能输入储存和输出释放的双向电源；虚线表示混合电源之间、混合电源与控制检测电路和负载之间的检测信息与控制信息的联络走向，它们可以是独立的、局部之间的、或全体联网的检测控制，检测与控制方式可以双向的，也可以是单向的。
在城市公交电动车的燃料电池和超级电容器混合电源系统中，燃料电池的功率为60KW；超级电容器静电容量为152F，工作电压为576-286V；电源控制器恒定输出电流130A可调，输出电压600V可调；负载是150KW峰值功率的变频器和150KW峰值功率的三相变频牵引电机；控制检测电路采用DSP全数字智能检测、控制、图形显示器。其控制过程简述如下；当系统启动后，控制检测电路检测超级电容器中储存的电能，并启动燃料电池运行，当超级电容器储存的电能不足时，控制检测电路允许电源控制器输出，对超级电容器储存电能，在系统初次启动时，并封闭可逆牵引调速器；当超级电容器储存的电能充足时，控制检测电路允许电源控制器输出，但电源控制器对输出电压加以限制，同时解除对可逆牵引调速器的封锁；当可逆牵引调速器工作时，储存电能充足的超级电容器和燃料电池按附图1所示的特性，在控制检测电路的控制下，向可逆牵引调速器提供所需的电功率和电能；当可逆牵引调速器工作一段时间后，超级电容器的工作电压，随超级电容器储存电能的下降而下降，而燃料电池的输出功率却随之上升，但其最大输出功率由电源控制器限制；当可逆牵引调速器停止工作后，控制检测电路控制燃料电池经电源控制器，对超级电容器充电；当可逆牵引调速器逆向再生工作时，在控制检测电路的控制下，电源控制器的输出被关闭，超级电容器以最大的电能吸收能力，储存可逆牵引调速器逆向再生的电能。

Claims (5)

1、一种混合型电源系统，包括燃料电池和超级电容器，其特征在于：在所述燃料电池和超级电容器之间串接一控制所述燃料电池输出的电源控制器，所述超级电容器额定储能量与燃料电池额定功率之比在0.025～2.5之间。
2、根据权利要求1所述的混合型电源系统，其特征在于：还包括控制检测电路，当系统启动后，控制检测电路检测超级电容器中储存的电能，并启动燃料电池运行，当超级电容器储存的电能不足时，控制检测电路允许电源控制器输出，对超级电容器储存电能；当超级电容器储存的电能充足时，控制检测电路允许电源控制器输出，但电源控制器对输出电压加以限制；当负载工作时，储存电能充足的超级电容器和燃料电池在控制检测电路的控制下，向负载提供所需的电功率和电能；当负载停止工作后，控制检测电路控制燃料电池经电源控制器，对超级电容器充电；当负载逆向再生工作时，在控制检测电路的控制下，电源控制器的输出被关闭，超级电容器以最大的电能吸收能力，储存负载逆向再生的电能。
3、根据权利要求1或2所述的混合型电源系统，其特征在于：所述燃料电池为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池或者熔融碳酸盐燃料电池中选取一种。
4、根据权利要求1或2所述的混合型电源系统，其特征在于：所述超级电容器为为双电层机理储能或法拉第准电容储能或两者共同储能的类型。
5、根据权利要求1或2所述的混合型电源系统，其特征在于：所述电源控制器为单向DC/DC转换器或电阻器形式的控制器。
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