CN1785707A - 超级电容作为辅助动力装置的燃料电池汽车混合动力系统 - Google Patents

超级电容作为辅助动力装置的燃料电池汽车混合动力系统 Download PDF

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Abstract

超级电容作为辅助动力装置的燃料电池汽车混合动力系统,属于燃料电池汽车技术领域;燃料电池系统电堆通过功率二极管正向与电机控制器连接;超级电容通过双向主DC/DC变换器连接功率二极管阴极;双向24VDC/DC变换器低压端接24V蓄电池,高压端接功率二极管阴极;电机控制器、双向主DC/DC变换器、超级电容管理系统、双向24VDC/DC变换器、燃料电池控制器及整车控制器电气相连;燃料电池控制器、双向主DC/DC变换器、双向24VDC/DC变换器、电机控制器及超级电容管理系统通过CAN网络连接整车控制器。本发明功率损失小,效率高;同时双向主DC/DC变换器连在超级电容侧,可以做的体积更小、重量更轻。

Description

超级电容作为辅助动力装置的燃料电池汽车混合动力系统
技术领域
本发明涉及一种超级电容作为辅助动力装置的燃料电池汽车混合动力系统,属于燃料电池汽车研发领域。
背景技术
利用汽油或柴油等石化燃料来提供动力的传统内燃发动机汽车的广泛使用是造成当今世界能源供应紧张和环境污染严重的一个重要原因。燃料电池汽车由于其安静、高效和零排放等优良性能被广泛认为是未来汽车工业的发展趋势。面对存在于能源环境问题和汽车工业发展之间的尖锐的矛盾,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。燃料电池汽车动力系统的相关技术是燃料电池汽车研发技术领域内的关键技术之一。
燃料电池动力系统是燃料电池汽车的核心部分,是决定燃料电池汽车整车性能的关键,也是其不同于传统内燃机汽车、蓄电池电动汽车以及油-电混合动力汽车的重要标志。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、逆变器等)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)的燃料电池系统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动力装置一蓄电池(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之一。
目前,在燃料电池汽车研发中,常采用的混合动力系统结构方式如图1所示:燃料电池系统之后连接单向的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,燃料电池辅助子系统和24V用电电源的供电从单向DC/DC变换器的出口提供。在这种常用的动力系统结构中,燃料电池系统作为主要的动力来源,而蓄电池作为辅助动力装置。在系统启动之前,由于燃料电池系统没有工作,所以,由蓄电池组来直接为燃料电池辅助子系统和24V用电电源供电,当燃料电池系统被启动以后,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汽车混合动力系统的结构方式。在这样的动力系统结构中,为了能够在系统启动时启动燃料电池系统,就必须从燃料电池系统后的单向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,为燃料电池系统辅助设备提供电源,这样就可以使得在动力系统启动的时候由蓄电池组为燃料电池辅助设备供电来启动燃料电池系统。
对于这样的燃料电池汽车混合动力系统,由于燃料电池系统的出口连接有DC/DC变换器,因此可以通过控制DC/DC变换器的输出功率从而很好地控制燃料电池系统的功率输出,达到对燃料电池系统和蓄电池组输出功率的分配。但这样的燃料电池汽车混合动力系统也存在如下的问题:首先,在燃料电池系统开始工作之后,燃料电池辅助子系统的电力供应似乎是由蓄电池组来提供的,但实际上,燃料电池辅助子系统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,蓄电池组的电能储存都是来源于燃料电池系统的。这就是说,从长期运行过程来看,燃料电池汽车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能实际上是从燃料电池系统(燃料电池电堆)流出,经过了单向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);其次,在汽车匀速行驶中,所需要的动力应该全部由燃料电池系统提供,由于DC/DC变换器的存在,这时,近4%的燃料电池系统的输出功率就被白白浪费,从而降低了整个动力系统的效率;第三,由于DC/DC变换器的输出功率要接近燃料电池系统的输出功率,DC/DC变换器的功率容量就必须做的要很大,导致它的体积、重量以及造价也会大的多;第四,在这种燃料电池汽车混合动力系统结构中,由于蓄电池组的充放电效率较低(百分之八十五左右)、使用寿命低(循环次数为几千次),从而影响整个燃料电池汽车动力系统的效率和使用寿命。
为了解决上述问题,需要提供一种新型的的燃料电池汽车混合动力系统。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种超级电容作为辅助动力装置的燃料电池汽车混合动力系统,这种动力系统将采用超级电容作为辅助动力装置,会提高整个燃料电池动力系统的效率,从而提高整车的经济性能。同时,由于DC/DC变换器所处的位置是超级电容输出侧,从而使DC/DC变换器的容量、体积和成本都得到了降低。
超级电容作为辅助动力装置的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的燃料电池系统,由超级电容、超级电容管理系统组成的超级电容系统、由电机和电机控制器组成的电机驱动系统以及功率二极管、双向主DC/DC变换器、双向24VDC/DC变换器、24V蓄电池和整车控制器;
燃料电池系统的电堆输出端通过功率二极管正向与电机控制器的输入端相连接;
超级电容通过一个双向主DC/DC变换器连接在功率二极管的阴极上;
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双向24VDC/DC变换器的输入端接在功率二极管的阴极上;
双向24VDC/DC变换器的低压端接在24V蓄电池上,高压端接在功率二极管阴极上;
电机控制器、双向主DC/DC变换器、超级电容管理系统、双向24VDC/DC变换器、燃料电池控制器及整车控制器电气相连;
系统中的燃料电池控制器、双向主DC/DC变换器、双向24VDC/DC变换器、电机控制器及超级电容管理系统分别通过CAN网络连接整车控制器;整车控制器协调和控制动力系统中每个关键部件的运行和工作。
在整个动力系统启动之初,燃料电池系统不会立即启动,它需要辅助设备现开始工作后才能启动。此时如果超级电容电压比较高(需高于燃料电池辅助设备最低工作电压),则可由超级电容通过双向主DC/DC变换器提供能量,否则需要24V蓄电池通过双向24VDC/DC变换器和双向主DC/DC变换器为超级电容充电,直至超级电容电压高于燃料电池辅助设备最低工作电压,再由超级电容为系统提供动力,此时双向主DC/DC变换器工作在升压状态,通过双向主DC/DC变换器,由超级电容为燃料电池辅助设备供电。同时24V蓄电池为各个控制部件或管理部件供电,使这些控制器或管理系统开始工作;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,此时双向主DC/DC变换器可以根据整个动力系统工作情况工作在升压状态还是降压状态。同时,双向24VDC/DC变换器处于降压状态为24V蓄电池、燃料电池控制器、双向主DC/DC变换器、电机控制器、超级电容管理系统及整车控制器供电。
另外,在燃料电池系统发生故障时,双向DC/DC变换器工作又会在升压状态,超级电容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。
在这一燃料电池混合动力系统中,由于超级电容的充放电效率比蓄电池组高很多(百分之九十九左右),而且作为主动力源的燃料电池系统的输出功率直接传达到电机控制器,所以整个动力系统的效率会比较高。同时由于超级电容的功率较大、但能量较小,把双向主DC/DC变换器放在超级电容侧,双向主DC/DC变换器可以做到体积比较小、重量比较轻。
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。
在本发明提出燃料电池汽车混合动力系统中,使用了超级电容作为辅助动力装置。由于超级电容的充放电效率较高(百分之九十九左右)、使用寿命长(循环次数为几十万次),从而提高了燃料电池汽车动力系统的效率和使用寿命。同时,燃料电池电堆通过功率二极管直接与电机控制器相连,提高了整个系统的运行效率。
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启动前由24V蓄电池为超级电容充电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启动前、启动中或燃料电池系统故障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,超级电容处于充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工作过程中,超级电容处于放电状态时的动力系统功率流向图。
图7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。
具体实施方式
参照附图,将进一步叙述本发明的具体实施方案。图中,黑粗线表示动力系统电力主接线,带箭头的黑细线表示控制电源用电气接线,带双向箭头的虚线表示CAN网络通讯线。
图1是现有的燃料电池汽车混合动力系统结构图。这种动力系统采用蓄电池组作为辅助动力装置,由于蓄电池组的充放电效率较低(百分之八十五左右)、使用寿命低(循环次数为几千次),从而影响整个燃料电池汽车动力系统的效率和使用寿命。同时,由于在燃料电池系统出口处连接有单向DC/DC变换器,在动力系统正常工作中,单向DC/DC变换器要消耗一定的能量,从而进一步影响了整个燃料电池汽车混合动力系统的效率。另一方面,由于单向DC/DC变换器的功率容量和燃料电池电堆的功率接近,导致它的体积大、重量大以及造价高。
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。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、双向主DC/DC变换器、超级电容系统、电机驱动系统(电机和电机控制器)、双向24VDC/DC变换器以及24V蓄电池等动力部件组成。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;而超级电容系统则包括超级电容和超级电容管理系统。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或管理单元进行通讯,向每个部件的控制器或管理系统下达控制指令,同时还从这些控制单元或管理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、图6和图7对该系统的运行原理进行解释。
如图3所示,当燃料电池汽车长时间放置时,由于超级电容自身漏电流的存在以及单体平衡电路的作用,其电压会逐渐下降,可能会低于燃料电池辅助设备最低工作电压,因此需要由24V蓄电池通过双向24VDC/DC变换器和双向主DC/DC变换器向超级电容充电。图3给出了24V蓄电池为超级电容充电时的动力系统功率流向图。此时双向24VDC/DC变换器工作在升压状态,双向主DC/DC变换器工作在降压状态。超级电容电压持续上升,直至其达到或超过燃料电池辅助设备最低工作电压。
如图4所示,给出了在整个动力系统启动前、启动时,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,超级电容组成为系统中唯一可用的动力源部件。能量从超级电容输出,经过双向主DC/DC变换器后,一部分流向电机控制器,驱动电机运转;一部分流向燃料电池辅助设备和双向24VDC/DC变换器。此时双向主DC/DC变换器处于升压状态。双向24VDC/DC变换器出于降压状态,24V蓄电池充放电状态由其荷电状态决定。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5所示,给出了整个动力系统在正常运行的过程中,当超级电容处于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双向24V DC/DC变换器提供所需的电功率,同时一方面为电机控制器提供电功率驱动电机运转,一方面还通过双向主DC/DC变换器,还为超级电容充电。在这种情况下双向主DC/DC变换器工作在降压状态。双向24VDC/DC变换器的处于降压状态,24V蓄电池充放电状态由其荷电状态决定。
如图6所示,给出了整个动力系统在正常运行的过程中,当超级电容处于放电状态时系统中的功率流向情况。与图5所示的情况相似,在这种情况下,燃料电池系统也正常工作;不同的是超级电容处于放电状态。从图中可以看到,燃料电池辅助设备和双向24VDC/DC变换器所需的电功率仍由燃料电池电堆直接提供;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超级电容通过双向主DC/DC变换器提供。即由燃料电池系统和超级电容共同提供电力驱动电机运转。在这种情况下,双向主DC/DC变换器工作在升压状态。双向24VDC/DC变换器的处于降压状态,24V蓄电池充放电状态由其荷电状态决定。
如图7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,通过双向主DC/DC变换器流入超级电容为其充电,将回馈的制动能量储存于超级电容中。此时双向主DC/DC变换器工作在降压状态。双向24VDC/DC变换器的处于降压状态,24V蓄电池充放电状态由其荷电状态决定。

Claims (2)

1、超级电容作为辅助动力装置的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系统,由超级电容、超级电容管理系统组成的超级电容系统、由电机和电机控制器组成的电机驱动系统以及功率二极管、双向主DC/DC变换器、双向24VDC/DC变换器、24V蓄电池和整车控制器;
燃料电池系统的电堆输出端通过功率二极管正向与电机控制器的输入端相连接;
超级电容通过一个双向主DC/DC变换器连接在功率二极管的阴极上;
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双向24VDC/DC变换器的输入端接在功率二极管的阴极;
双向24VDC/DC变换器的低压端接在24V蓄电池,高压端接在功率二极管阴极;
电机控制器、双向主DC/DC变换器、超级电容管理系统、双向24VDC/DC变换器、燃料电池控制器及整车控制器电气相连;
系统中的燃料电池控制器、双向主DC/DC变换器、双向24VDC/DC变换器、电机控制器及超级电容管理系统分别通过CAN网络连接整车控制器。
2、根据权利要求1所述的超级电容作为辅助动力装置的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、双向主DC/DC变换器、双向24VDC/DC变换器、电机控制器及超级电容控制器分别通过CAN网络连接整车控制器。
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