CN202806422U - 紧凑型燃料电池电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了紧凑型燃料电池电源系统，包括燃料电池、DCDC变换单元、接触器、蓄能装置、控制器、辅助系统、电源输出端、操作控制单元，接触器为常开型大电流接触器，燃料电池的输出端连接DCDC变换单元的输入端，DCDC变换单元通过接触器连接蓄能装置，DCDC变换单元的输出端还连接电源输出端和辅助系统所包含的大功率辅助部件，蓄能装置的端口通过接触器连接电源输出端和辅助系统，操作控制单元分别连接蓄能装置、DCDC变换单元、控制器，控制器分别连接燃料电池、DCDC变换单元、接触器的控制端、蓄能装置、辅助系统。本实用新型通过零部件的减少，提高了系统的可靠性且缩减了体积，使系统有足够的空间来安装维护，利于电子元器件的散热，尤其适用于叉车。

Description

紧凑型燃料电池电源系统

技术领域

本实用新型涉及新能源领域，具体地，涉及紧凑型燃料电池电源系统。

背景技术

燃料电池车工作时，作为燃料的氢气在车辆搭载的燃料电池中与大气中的氧气发生化学反应，从而产生电能启动电动机，进而驱动车辆；这类化学反应除了电能就只产生水，因而燃料电池车被称为“地道的环保车”。此外，燃料电池的能量转换效率比内燃机高2～3倍。因此不管是从能源的利用，或是从环境保护方面来看，燃料电池车都是理想的车辆。

近年来，燃料电池车更是取得了重大进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒-克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司均纷纷进驻燃料电池车制造领域；车载燃料电池技术因此也取得了显著的进步。

鉴于燃料电池相对于内燃机的诸多优点，工程师们已尝试将燃料电池应用于多种交通工具作为能源供给，但遗憾的是这样的应用仅在轿车、大巴等大型车辆上获得成功，而在叉车等小型车辆上几乎没有理性的方案。

经对现有公开文献的检索，名称为“一种燃料电池汽车的能量混合型动力系统”、申请号为“200610011555.1”的中国发明专利申请存在如下问题：

1、除给动力系统供电的蓄电池组外，启动时需要使用额外配置的24V蓄电池，为了对24V蓄电池充电还额外设置了24VDC/DC变换器；造成了系统零件繁多，故障点多，同时也造成零件对应的线路繁多，占用大量的空间，系统体积无法精简。

2、其整车控制器一直连接在24V蓄电池上，通过24V蓄电池供电；因此，整车控制器一直处于运转状态、造成系统能耗高。

3、整车控制器通过钥匙信号控制大功率继电器K2对燃料电池辅助系统供电，启动燃料电池；启动后再切换为大功率继电器K1通过燃料电池对燃料电池辅助设备供电；继电器过多，造成系统繁琐，体积无法精简。

4、采用分散的燃料电池控制器、整车控制器、蓄电池能量管理系统；每个装置均需要外壳保护，这就造成了体积过大；各装置之间需要线路连接，线束繁多；这些均不利于实现系统体积的紧凑。

5、燃料电池辅助系统直接从燃料电池取电，由于燃料电池的电压范围波动较大，需要定制控制器或者电源来对辅助系统供电；这将造成系统成本居高不下。

当采用类似上述专利中繁琐的系统来设计叉车用燃料电池系统时，设计出的系统将需要重新设计叉车。例如名称为“FUEL CELL INDUSTRIAL VEHICLE”公开号为“US2009236182A1”的美国专利文献，以及名称为“FUEL CELL INDUSTRIAL VEHICLE”、公开号为“CA2659135A1”的加拿大专利文献。这两件专利文献所公开的设计方案必须重新制造叉车，而无法直接取代铅酸电池而不对叉车系统进行改造。

此外，现有技术可以直接放进叉车的燃料电池系统设计臃肿繁杂。用户反应系统故障率高、维护麻烦。零部件周围没有空间可以用来拆卸，维护操作。不得不先拆卸不需要维修零件，腾出空间后在来进行拆卸需要维修的零件。电子控制原件周围没有空间将会影响散热，散热不足将会造成电子元器件的性能下降甚至失效。严重影响系统的可靠性、稳定性。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种紧凑型燃料电池电源系统。

根据本实用新型的一个方面，提供一种紧凑型燃料电池电源系统，包括燃料电池、DCDC变换单元、接触器、蓄能装置、控制器、辅助系统，其特征在于，还包括电源输出端、操作控制单元，其中，所述接触器为常开型大电流接触器，所述DCDC变换单元包括相连接的DCDC变换器和大功率二极管，所述燃料电池的输出端连接所述DCDC变换单元的输入端，DCDC变换单元通过所述接触器连接所述蓄能装置，所述DCDC变换单元的输出端还连接所述电源输出端和所述辅助系统所包含的大功率辅助部件，所述蓄能装置的端口通过所述接触器连接所述电源输出端和辅助系统，所述操作控制单元分别连接所述蓄能装置、DCDC变换单元、控制器，所述控制器分别连接所述燃料电池、DCDC变换单元、接触器的控制端、蓄能装置、辅助系统，所述操作控制单元用于接收操作信号并为所述控制器和DCDC变换单元供电，所述控制器用于接收所述操作控制单元根据所述操作信号生成的操作指令并根据所述操作指令控制所述接触器、DCDC变换单元、辅助系统，所述控制器还用于测量所述燃料电池的状态参数、测量所述蓄能装置的状态参数、测量所述辅助系统的状态参数和接收所述DCDC变换单元的状态数据。

优选地，所述燃料电池的输出端连接所述DCDC变换器的输入端，所述DCDC变换器的输出端正极连接所述大功率二极管的正极，所述大功率二极管的负极通过所述接触器连接所述蓄能装置，所述DCDC变换器连接所述控制器并接受所述控制器的控制，所述DCDC变换器连接所述操作控制单元并接收所述操作控制单元的供电。

优选地，所述大功率二极管放置在所述DCDC变换器的散热通道上。

优选地，还包括监测显示器，所述监测显示器连接所述控制器。

优选地，还包括开关机按钮，所述开关机按钮分别连接所述操作控制单元和控制器。

优选地，还包括无线遥控器，所述无线遥控器以无线方式连接所述操作控制单元。

优选地，还包括急停按钮，所述急停按钮连接所述操作控制单元。

优选地，所述操作控制单元根据接收到的开机操作信号改变与所述DCDC变换单元、以及控制器的电连接状态。

优选地，所述DCDC变换单元的状态数据包括DCDC输入电流、DCDC输入电压。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、通过紧凑型的设计布局，在本实用新型中的燃料电池电源系统相比现有技术（例如申请号为“200610011555.1”的中国发明专利申请）省略了24V蓄电池、24V DC/DC变化器、以及1个开关，这样，通过零部件、以及对应线路等的减少，提高了系统的可靠性；体积的缩减使得系统有足够的空间来安装维护，有利于电子元器件的散热；进一步提高系统的可靠性、稳定性；同时降低了成本；

2、DCDC变换器的输入端直接连接在燃料电池的输出端，因此DCDC变换器的输入电压就是燃料电池的输出电压；此时，无需像传统的设计在燃料电池输出端设置输出电压测量装置，而是可以通过DCDC变换器中的输入电压测量模块得到燃料电池的输出电压，并通过DCDC变换器中的CAN通讯模块将该输出电压输送至控制器。通过这样的方式，减少了电压测量装置和连接线路，节约了空间，减少了能耗，降低了成本；

3、DCDC变换器的输入端直接连接在燃料电池的输出端，因此DCDC变换器的输入电流就是燃料电池的输出电流；此时，无需像传统的设计在燃料电池输出端设置输出电流测量装置，而是可以通过DCDC变换器中的输入电流测量模块得到燃料电池的输出电流，并通过DCDC变换器中的CAN通讯模块将该输出电流输送至控制器。通过这样的方式，减少了电流测量装置和连接线路，节约了空间，减少了能耗，降低了成本；例如，专利申请号为“200610011555.1”的中国发明专利申请所公开的技术方案，由于辅助系统直接从燃料电池取电，DCDC变换器将无法采集到燃料电池的输出电流，就需要在燃料电池输出端设置相应的电流测量装置。

4、大功率辅助部件连接在DCDC变换单元输出端，通过接触器同时可以与蓄能装置（蓄能装置可以为蓄电池或超级电容）连接。这样的结构可以实现，在系统工作时，当DCDC变换单元输出电压高于蓄能装置的输出电压时，由DCDC变换单元给大功率辅助部件供电；反之，由蓄能装置给大功率辅助部件供电。由于DCDC变换单元和蓄能装置的输出电压均较稳定，大功率辅助部件可以得到一个比较稳定的电源，电压范围波动远远小于燃料电池，因此不需要再对输入大功率辅助部件的电源电压进行变换，不需要使用定制的零部件，节约成本的同时，提高了大功率辅助部件的工作效率及使用寿命；

5、控制器是一体化设计的控制器；集成化的设计减少了外壳、缩短了线路。此外，本实用新型系统的控制器仅在系统工作时处于运转状态，不存在申请号为“200610011555.1”的对比专利文献所公开技术方案中控制器一直处于运转状态造成的系统能耗高的问题；

6、不同于申请号为“200610011555.1”的对比专利文献，本实用新型中的大功率二极管设置在DCDC变换器的输出端正极，从而在保护燃料电池的基础上，还能够进一步保护DCDC变换器。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本实用新型提供的第一实施例的紧凑型燃料电池电源系统的结构示意图；

图2为图1所示紧凑型燃料电池电源系统中的DCDC变换单元的具体结构示意图；

图3示出根据本实用新型提供的第一实施例的一个优选例的紧凑型燃料电池电源系统中大功率二极管的位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

图1为根据本实用新型提供的第一实施例的紧凑型燃料电池电源系统的结构示意图，在本实施例中，所述紧凑型燃料电池电源系统，包括燃料电池1、DCDC变换单元2、接触器3、蓄能装置4、电源输出端5、操作控制单元6、控制器7、辅助系统8，其中，所述接触器3为常开型大电流接触器，所述DCDC变换单元2包括相连接的DCDC变换器21和大功率二极管22。

具体地，所述燃料电池1的输出端连接所述DCDC变换单元2的输入端，DCDC变换单元2通过所述接触器3连接所述蓄能装置4，所述DCDC变换单元2的输出端还连接所述电源输出端5和所述辅助系统8所包含的大功率辅助部件80，所述蓄能装置4的端口通过所述接触器3连接所述电源输出端5和辅助系统8，所述操作控制单元6分别连接所述蓄能装置4、DCDC变换单元2、控制器7，所述控制器7分别连接所述燃料电池1、DCDC变换单元2、接触器3的控制端、蓄能装置4、辅助系统8。

在本实施例中，所述DCDC变换单元2的输出端正极通过所述接触器3连接所述蓄能装置4的正极，所述DCDC变换单元2的输出端负极通过所述接触器3连接所述蓄能装置4的负极，所述蓄能装置4的正极通过所述接触器3连接所述电源输出端5的正极和辅助系统8的正极，所述蓄能装置4的负极直接连接所述电源输出端5的负极和辅助系统8的负极；而在本实施例的一个变化例中，与图1所示第一实施例的区别在于，在本变化例中，所述接触器3的连接位置变化为：所述接触器3连接在所述DCDC变换单元2的输出端负极与所述蓄能装置4的负极之间，而所述DCDC变换单元2的输出端正极与所述蓄能装置4的正极之间直接连接，相应地，所述蓄能装置4的正极直接连接所述电源输出端5的正极和辅助系统8的正极，所述蓄能装置4的负极通过所述接触器3连接所述电源输出端5的负极和辅助系统8的负极。本领域技术人员理解，本自然段中描述的接触器3的两种连接方式均可以实现“DCDC变换单元2通过所述接触器3连接所述蓄能装置4”、以及“所述蓄能装置4的端口通过所述接触器3连接所述电源输出端5和辅助系统8”。

所述辅助系统8包括空气供应系统、冷却系统、氢气供应系统、氢气安全系统，所述大功率辅助部件80是指辅助系统中的大功率部件（例如风机、泵、散热风扇）。本领域技术人员可以参考现有技术实现所述辅助系统8及其大功率辅助部件80，在此不予赘述。

所述操作控制单元6用于接收操作信号并为所述控制器7和DCDC变换单元2供电，所述控制器7用于接收所述操作控制单元6根据所述操作信号生成的操作指令并根据所述操作指令控制所述接触器3、DCDC变换单元2、辅助系统8，所述控制器7还用于测量所述燃料电池1的状态参数、测量所述蓄能装置4的状态参数、测量所述辅助系统8的状态参数和接收所述DCDC变换单元2的状态数据。所述DCDC变换器21包括CAN通讯模块、输入电压测量模块、输入电流测量模块、输出电压测量模块、输出电流测量模块。优选地，DCDC变换器21可以根据CAN通讯模块的通讯数据控制输出电流、电压的具体数值；还通过CAN通讯模块输出输入电压、输入电流、输出电压、输出电流等数据。所述DCDC变换单元2的状态数据包括DCDC输入电流、DCDC输入电压。

所述控制器7是一体化设计的控制器，相当于集成了专利申请号为“200610011555.1”的中国发明专利申请中的分散的燃料电池控制器、整车控制器、蓄电池能量管理系统；进一步具体地，所述控制器7可以包括能量管理单元、燃料电池控制单元、蓄能装置监控单元、氢气安全监测单元、系统故障监控单元、启动控制单元。

更为具体地，如图2所示，所述燃料电池1的输出端连接所述DCDC变换器21的输入端，所述DCDC变换器21的输出端正极连接所述大功率二极管22的正极，所述大功率二极管22的负极通过所述接触器3连接所述蓄能装置4，所述DCDC变换器21连接所述控制器7并接受所述控制器7的控制，所述DCDC变换器21连接所述操作控制单元6并接收所述操作控制单元6的供电。而在本实施例的一个变换例中，与图2所示第一实施例的区别在于，在本变化例中，所述燃料电池1的输出端正极连接所述大功率二极管22的正极，所述大功率二极管22的负极连接所述DCDC变换器21的输入端正极，所述燃料电池1的输出端负极直接连接所述DCDC变换器21的输入端负极，所述DCDC变换器21的输出端直接通过所述接触器3连接所述蓄能装置4。

进一步地，在本实施例中，所述紧凑型燃料电池电源系统还包括监测显示器91、开关机按钮92、无线遥控器93、急停按钮94，其中，所述监测显示器91连接所述控制器7，所述开关机按钮92分别连接所述操作控制单元6和控制器7，所述无线遥控器93以无线方式连接所述操作控制单元6，所述急停按钮94连接所述操作控制单元6。如图1所示，当所述开关机按钮92或无线遥控器93给出启动信号时，所述操作控制单元6对所述控制器7供电，所述控制器7输出控制信号给接触器使作为开关的接触器合上，所述蓄能装置4通过所述接触器3给所述大功率辅助部件80供电，所述辅助系统8中除所述大功率辅助部件80外的其他装置（例如氢气供应系统、氢气安全系统）由所述控制器7供电，同时，所述控制器7给所述辅助系统8的所有组成模块输出信号，从而启动所述燃料电池1；启动后，所述接触器3一直保持连通状态。采用这样的启动模式，无需使用额外配置的辅助蓄电池和充电用辅助DC/DC变换器，减少了零部件以及对应的线路、提高了系统的可靠性，节约了空间，精简了系统体积，降低了成本。

在本实施例的一个优选例中，如图3所示，所述大功率二极管22放置在所述DCDC变换器21的散热通道上，这样可以利用所述DCDC变换器的自带的散热风扇2102从风道2101排出的空气对所述大功率二极管22散热。省去了所述大功率二极管的散热器2201（即铝翅片）上的散热风扇，减小了散热器的体积、节约了能源，同时也省去了对该散热风扇进行供电的线路。所述操作控制单元6根据接收到的开机操作信号改变与所述DCDC变换单元、以及控制器7的电连接状态。这样，所述控制器7仅在系统工作时处于运转状态，不会因为一直处于运转状态而导致的系统能耗高的问题。

接下来通过本实用新型的一个优选的具体实施方式中来说明系统工作原理，具体地，系统未启动时，所述操作控制单元6与所述控制器7、DCDC变换单元2之间未建立电连接状态。当所述无线遥控器93按钮或所述开关机按钮92被压下时，所述操作控制单元6与所述控制器7、DCDC变换单元2建立电连接，所述蓄能装置4通过所述操作控制单元6供电至所述控制器7，所述控制器7的输出信号驱动所述接触器3连通，所述蓄能装置4通过所述接触器3给所述大功率辅助部件80供电，所述辅助系统8中除所述大功率辅助部件80外的其他装置（例如氢气供应系统、氢气安全系统）由所述控制器7供电，同时，所述控制器7给所述辅助系统8的所有组成模块输出工作信号，从而启动所述燃料电池1；所述燃料电池1输出电力至所述DCDC变换单元2，所述控制器7根据接收到的所述燃料电池1、蓄能装置4、DCDC变换单元2的状态数据信号控制所述DCDC变换单元2输出电流；系统正常工作状态下，所述DCDC变换单元2的输出电压高于所述蓄能装置4输出电压，所述DCDC变换单元2的输出电流通过所述电源输出端5输出至搭载所述燃料电池电源系统的小型车驱动系统，驱动该小型车工作，同时所述DCDC变换单元2给所述蓄能装置4充电、给所述大功率辅助部件80、操作控制单元6供电；当小型车处于大功率行驶状态时，所述电源输出端5需要输出高功率、大电流，此时所述DCDC变换单元2输出电流不足以满足要求，所述蓄能装置4将与所述DCDC变换单元2共同输出电流通过所述电源输出端5输出至搭载该燃料电池电源系统的小型车驱动系统，驱动该小型车维持大功率行驶状态；当小型车处于制动状态时，制动回收的电能通过电源输出端给蓄能装置充电。

需要启动系统时，压下所述无线遥控器93按钮或所述开关机按钮92，所述操作控制单元6与所述控制器7、DCDC变换单元2建立电连接的同时，所述操作控制单元6输出开关信号给所述控制器7，所述控制器7接收到开关信号后输出保持供电信号给所述操作控制单元6，使得所述操作控制单元6与所述控制器7、DCDC变换单元2保持电连接状态；同时，所述控制器7还驱动所述开关机按钮92的指示灯亮起，提示系统启动；此时，可松开所述无线遥控器93按钮或所述开关机按钮92。

需要关闭系统时，再次压下所述无线遥控器93按钮或所述开关机按钮92，所述操作控制单元6输出开关信号给所述控制器7，所述控制器7接收到开关信号后，控制所述开关机按钮92上的指示灯闪烁（提示关机，此时可松开所述无线遥控器93的按钮或所述开关机按钮92），所述控制器7同时控制所述辅助系统8停止工作，然后停止输出保持供电信号给所述操作控制单元6，使得所述操作控制单元7与所述控制器7、DCDC变换单元2的电连接断开；整个系统停止工作。

压下所述急停按钮94时，所述操作控制单元6与所述控制器7、DCDC变换单元2之间的电连接迅速断开，从而切断整个系统的供电，使得系统停止工作。

所述监测显示器91从所述控制器7获得电力、通讯数据，在屏幕上显示系统状态、故障信息等。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (7)

1.一种紧凑型燃料电池电源系统，包括燃料电池（1）、DCDC变换单元（2）、接触器（3）、蓄能装置（4）、控制器（7）、辅助系统（8），其特征在于，还包括电源输出端（5）、操作控制单元（6），其中，所述接触器（3）为常开型大电流接触器，所述DCDC变换单元（2）包括相连接的DCDC变换器（21）和大功率二极管（22），

所述燃料电池（1）的输出端连接所述DCDC变换单元（2）的输入端，DCDC变换单元（2）通过所述接触器（3）连接所述蓄能装置（4），所述DCDC变换单元（2）的输出端还连接所述电源输出端（5）和所述辅助系统（8）所包含的大功率辅助部件（80），所述蓄能装置（4）的端口通过所述接触器（3）连接所述电源输出端（5）和辅助系统（8），所述操作控制单元（6）分别连接所述蓄能装置（4）、DCDC变换单元（2）、控制器（7），所述控制器（7）分别连接所述燃料电池（1）、DCDC变换单元（2）、接触器（3）的控制端、蓄能装置（4）、辅助系统（8）。

2.根据权利要求1所述的紧凑型燃料电池电源系统，其特征在于，所述燃料电池（1）的输出端连接所述DCDC变换器（21）的输入端，所述DCDC变换器（21）的输出端正极连接所述大功率二极管（22）的正极，所述大功率二极管（22）的负极通过所述接触器（3）连接所述蓄能装置（4），所述DCDC变换器（21）连接所述控制器（7）并接受所述控制器（7）的控制，所述DCDC变换器（21）连接所述操作控制单元（6）并接收所述操作控制单元（6）的供电。

3.根据权利要求1所述的紧凑型燃料电池电源系统，其特征在于，所述大功率二极管（22）放置在所述DCDC变换器（21）的散热通道上。

4.根据权利要求1所述的紧凑型燃料电池电源系统，其特征在于，还包括监测显示器（91），所述监测显示器（91）连接所述控制器（7）。

5.根据权利要求1所述的紧凑型燃料电池电源系统，其特征在于，还包括开关机按钮（92），所述开关机按钮（92）分别连接所述操作控制单元（6）和控制器（7）。

6.根据权利要求1所述的紧凑型燃料电池电源系统，其特征在于，还包括无线遥控器（93），所述无线遥控器（93）以无线方式连接所述操作控制单元（6）。

7.根据权利要求1所述的紧凑型燃料电池电源系统，其特征在于，还包括急停按钮（94），所述急停按钮（94）连接所述操作控制单元（6）。

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