CN204398900U - 基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置 - Google Patents

基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置 Download PDF

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钱金贵
任明
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Abstract

本实用新型公开了一种基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置，构成包括燃料电池模块、锂离子蓄电池模块、超级电容模块、混合动力汽车控制器、电机模块、双向24VDC/DC变换器和双向主DC/DC变换器；燃料电池堆通过功率二极管正向连接电机驱动控制装置，超级电容模块、燃料电池辅助设备、双向24VDC/DC变换器和锂离子蓄电池连接在功率二极管的阴极上；所述电机驱动控制器、双向主DC/DC变换器、超级电容模块、双向24VDC/DC变换器、锂离子蓄电池控制装置、燃料电池控制器均与混合动力汽车控制器连接。本实用新型不仅能提高整个燃料电池汽车混合动力系统的效率，延长使用寿命，降低了成本，从而提升了经济性能，还能减少由于中间传输中双向24VDC/DC变换器造成的功率损失。

Description

基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置
技术领域
本实用新型涉及一种燃料电池汽车混合动力装置，特别是一种基于超级电容、锂离子蓄电池的燃料电池汽车混合动力装置。
背景技术
为了应对全球能源短缺和环境污染等问题，提倡大力发展新能源汽车具有重大意义。燃料电池汽车因具有无污染、效率高、能源可再生等优势，是未来汽车工业的可持续发展方案，世界上的主要国家和组织均投入大量的资金用于技术攻关。基于国家“十五”863计划电动汽车关键技术重大科技专项和“十一五”节能与新能源汽车重大项目,我国燃料电池汽车的研发取得了突破性的进展。
燃料电池动力系统是燃料电池汽车的核心部分，决定了整车的使用性能。一般来说，燃料电池汽车都采用混合动力系统，常规的混合动力系统一般仅采用蓄电池作为辅助动力装置，但因蓄电池的充放电的效率低、寿命短，从而影响了整个燃料电池混合动力系统的使用性能和寿命，而且在汽车的启动、加速时，蓄电池的功率和能量较低，其瞬态放电性能不够理想。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置。本实用新型不仅能提高整个燃料电池汽车混合动力系统的效率，延长使用寿命，降低了成本，从而提升了经济性能，还能减少由于中间传输中双向24VDC/DC变换器造成的功率损失。
本实用新型的技术方案：基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置，其特征在于：包括燃料电池模块、锂离子蓄电池模块、超级电容模块、混合动力汽车控制器、电机模块、双向24VDC/DC变换器和双向主DC/DC变换器；所述燃料电池模块包括依次连接的燃料电池堆、燃料电池辅助设备和燃料电池控制器，锂离子蓄电池模块包括相互连接的锂离子蓄电池和锂离子蓄电池控制装置，所述的电机模块包括相互连接的电机驱动控制器和三相交流电机；所述的燃料电池堆的输出端通过功率二极管正向连接电机驱动控制装置，所述超级电容模块经双向主DC/DC变换器连接在功率二极管的阴极上，燃料电池辅助设备、双向24VDC/DC变换器和锂离子蓄电池连接在功率二极管的阴极上；所述电机驱动控制器、双向主DC/DC变换器、超级电容模块、双向24VDC/DC变换器、锂离子蓄电池控制装置、燃料电池控制器均与混合动力汽车控制器连接。
前述的基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置中，所述混合动力汽车控制器分别经电气连接线、网络通讯总线与电机驱动控制器、双向主DC/DC变换器、超级电容管理模块、双向24VDC/DC变换器、锂离子蓄电池控制装置、燃料电池控制器连接。
前述的基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置中，所述超级电容模块包括相互连接的超级电容和超级电容管理装置，超级电容管理装置与混合动力汽车控制器连接，超级电容连接双向主DC/DC变换器。
前述的基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置中，所述燃料电池堆是质子交换膜燃料电池。
与现有技术相比，本实用新型通过采用超级电容的使用，大大提高了整个系统的运行效率，使用寿命延长，安全性和可靠性增强，减少了系统成本，还通过合理设置锂离子蓄电池模块，降低了系统的中间传输能耗，避免了不必要的能源损失。本实用新型以燃料电池为主要的工作电源，超级电容和锂电子蓄电池为辅助工作电源，实现燃料电池、锂离子蓄电池、超级电容之间的功率合理分配，且由于锂离子蓄电池的容量大，功率大，而超级电容的瞬间放电性能好，特别适合常常在复杂地形上行驶、加速、爬坡等路况的电动汽车。本实用新型不仅能提高整个燃料电池汽车混合动力系统的效率，延长使用寿命，降低了成本，从而提升了经济性能，还能减少由于中间传输中双向24VDC/DC变换器造成的功率损失。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
附图中的标记为：1-燃料电池堆，2-燃料电池辅助设备，3-燃料电池控制器，4-锂离子蓄电池，5-锂离子蓄电池控制装置，6-双向主DC/DC变换器，7-超级电容，8-超级电容管理装置，9-双向24VDC/DC变换器，10-混合动力汽车控制器，11-电机驱动控制器，12-三相交流电机，13-功率二极管，14-电机模块，15-超级电容模块，16-锂离子蓄电池模块，17-燃料电池模块，18-网络通讯总线，19-电气连接线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。
实施例。基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置，构成如图1所示，包括燃料电池模块17、锂离子蓄电池模块16、超级电容模块15、混合动力汽车控制器10、电机模块14、双向24VDC/DC变换器9和双向主DC/DC变换器6；所述燃料电池模块17包括依次连接的燃料电池堆1、燃料电池辅助设备2和燃料电池控制器3，锂离子蓄电池模块16包括相互连接的锂离子蓄电池4和锂离子蓄电池控制装置5，所述的电机模块14包括相互连接的电机驱动控制器11和三相交流电机12；所述的燃料电池堆1的输出端经功率二极管13正向连接电机驱动控制装置11，所述超级电容模块15经双向主DC/DC变换器6连接在功率二极管13的阴极上，燃料电池辅助设备2、双向24VDC/DC变换器9和锂离子蓄电池4连接在功率二极管13的阴极上；所述电机驱动控制器11、双向主DC/DC变换器6、超级电容模块15、双向24VDC/DC变换器9、锂离子蓄电池控制装置5、燃料电池控制器3均与混合动力汽车控制器10连接。
较优的是，所述混合动力汽车控制器10分别经电气连接线19、网络通讯总线18与电机驱动控制器11、双向主DC/DC变换器6、超级电容管理模块15、双向24VDC/DC变换器9、锂离子蓄电池控制装置5、燃料电池控制器3连接。所述超级电容模块15包括相互连接的超级电容7和超级电容管理装置8，超级电容管理装置8与混合动力汽车控制器10连接，超级电容7连接双向主DC/DC变换器6。
更优的是，所述燃料电池堆1是质子交换膜燃料电池。
所述混合动力汽车控制器能实现燃料电池堆、锂离子蓄电池、超级电容之间的功率合理分配。所述的燃料电池模块、锂离子蓄电池模块、超级电容模块的最大可输出功率比为1:0.3:0.3。可实现上述各个器件之间的功率分配平衡所采用的方法是：第一，燃料电池模块的输出电流给定值时刻由平均负载的变化和蓄电池、超级电容的充电电流控制；第二，在保证使用寿命的条件下，合理的调节蓄电池和超级电容的放电功率使其满足不同的峰值功率的需求，根据不同的SOC状态决定充放电的电流限幅方法；第三，混合动力系统处于循环工作状态，在运行一个完整的工况后，其荷电状态SOC与初始状态需要基本不变。
本实用新型的工作原理如下：当整个系统处于启动前或启动过程中时，锂离子蓄电池和超级电容是可用的动力电源。当锂离子蓄电池和超级电容两者的电压都高于燃料电池辅助设备的电压时，可通过相应的控制系统启动任意一个电源，此时电流从该电源流出，一部分分配给电机控制器驱动电机运转，一部分为燃料电池辅助设备提供电源。由于超级电容供电需通过双向主DC/DC变换器，有能量损失，最好使用锂离子蓄电池。若两者中有一个高于燃料电池辅助设备的电压，则选择该电源。若两者均不满足条件，则通过混合动力汽车控制器的控制算法，同时启动两电源，为燃料电池辅助设备和电机驱动控制器提供电源。此情况同样适用于燃料电池出现故障而无法正常工作的条件。
当整个系统处于正常运行的过程中，若锂电子蓄电池或超级电容处于充电状态时，燃料电池堆直接对燃料电池辅助设备和双向24VDC/DC变换器供电；同时还为电机控制器提供电功率驱动电机运转。燃料电池堆直接为锂电子蓄电池充电以及通过双向主DC/DC变换器为超级电容充电。
当整个系统处于正常运行的过程中，若汽车行驶在复杂的地形、爬坡，或汽车处于加速状态下，短时间内需要较大的功率，此时仅通过燃料电池系统供电不足以满足工况，利用混合动力汽车控制器同时启动锂电子蓄电池和/或超级电容，使其处于放电状态，为电机驱动控制器提供相应的峰值功率，燃料电池堆仍直接对燃料电池辅助设备和双向24VDC/DC变换器供电；同时还为电机驱动控制器提供部分电功率驱动电机运转。而电机驱动控制器所需要的余下部分电功率则有锂离子蓄电池或超级电容提供。
当整个系统处于制动能量回馈状态时，电机工作在反馈制动的工作领域，即发电机状态。电机系统可将制动时收集的机械能用于发电，产生的电流为锂电子蓄电池或超级电容充电，电能储存在锂离子蓄电池或超级电容中。

Claims (4)

1.基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置，其特征在于：包括燃料电池模块(17)、锂离子蓄电池模块(16)、超级电容模块(15)、混合动力汽车控制器(10)、电机模块(14)、双向24VDC/DC变换器(9)和双向主DC/DC变换器(6)；所述燃料电池模块(17)包括依次连接的燃料电池堆(1)、燃料电池辅助设备(2)和燃料电池控制器(3)，锂离子蓄电池模块(16)包括相互连接的锂离子蓄电池(4)和锂离子蓄电池控制装置(5)，所述的电机模块(14)包括相互连接的电机驱动控制器(11)和三相交流电机(12)；所述的燃料电池堆(1)的输出端经功率二极管(13)正向连接电机驱动控制装置(11)，所述超级电容模块(15)经双向主DC/DC变换器(6)连接在功率二极管(13)的阴极上，燃料电池辅助设备(2)、双向24VDC/DC变换器(9)和锂离子蓄电池(4)连接在功率二极管(13)的阴极上；所述电机驱动控制器(11)、双向主DC/DC变换器(6)、超级电容模块(15)、双向24VDC/DC变换器(9)、锂离子蓄电池控制装置(5)、燃料电池控制器(3)均与混合动力汽车控制器(10)连接。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置，其特征在于：所述混合动力汽车控制器(10)分别经电气连接线(19)、网络通讯总线(18)与电机驱动控制器(11)、双向主DC/DC变换器(6)、超级电容管理模块(15)、双向24VDC/DC变换器(9)、锂离子蓄电池控制装置(5)、燃料电池控制器(3)连接。
3.根据权利要求2所述的基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置，其特征在于：所述超级电容模块(15)包括相互连接的超级电容(7)和超级电容管理装置(8)，超级电容管理装置(8)与混合动力汽车控制器(10)连接，超级电容(7)连接双向主DC/DC变换器(6)。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于超级电容的燃料电池汽车混合动力装置，其特征在于：所述燃料电池堆(1)是质子交换膜燃料电池。
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