CN2750946Y - 一种燃料电池电动车的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池电动车的驱动装置，包括燃料电池、直流—直流变换装置，驱动马达、脚踏板、车速控制器、电流传感器，所述的燃料电池输出的电压与电流经直流—直流变换装置稳压稳流后直接驱动驱动马达。与现有技术相比，本实用新型具有功耗小、体积小、可靠性高等特点。

Description

一种燃料电池电动车的驱动装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池电动车的驱动装置。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式、固定式的发电装置。

质子交换膜燃料电池可用作车、船动力系统或移动式和固定式发电站时，必须包括电池堆、燃料氢气供应系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出各个部分。

例如，图1是一种典型的燃料电池发电系统，在图1中1为燃料电池堆，2为储氢瓶或其他储氢装置，3为减压阀，4为空气过滤装置，5为空气压缩供应装置，6’、6为水-汽分离器，7为水箱，8为冷却流体循环泵，9为散热器，10为氢循环泵，11、12为氢气、空气增湿装置。

燃料电池发电原理实际上是燃料电池中氢燃料与向燃料电池供应空气中的氧气化合生成水，这一化学反应过程是大部分化学能转化成电能的过程。所以燃料电池发电的速度受到许多因素的影响：

1.向燃料电池供应氢燃料、空气的速度与充分性；

2.氢气、空气中的氧气向燃料电池中的电极扩散的速度；

3.氢气、空气中的氧气在电极中的催化反应速度；

上述三点与燃料电池本身的发电能力设计有关。

一般来说，当出现燃料电池电动车起动、加速等变功况情况，或燃料电池发电站供应的用户变加载等情况时，要求燃料电池输出功率的响应也随之变化。

虽然燃料电池额定输出功率的设计即本身的发电能力一般都会满足作为车载动力源，或发电站最大功率需求的要求，但是燃料电池在输出功率变化时，由于燃料电池本身的上述三种极化效应，导致输出电压也发生较大的变化。一般来说，燃料电池功率输出随着电流输出的增大而增大。典型的一种是10KW燃料电池伏-安-功率输出曲线，如图2所示。一种10KW燃料电池发电系统的典型伏-安-功率输出曲线图，由此可见，燃料电池发电系统作为一种车载动力源的电源，当功率输出发生变化时，其输出的电压变化是较大的。

所以，目前将燃料电池发电系统作为车载动力源的电源使用时，其驱动系统往往需要一种直流-直流变换稳压装置，图3为以一般的燃料电池为动力电源的电动车驱动系统原理图。图3中，100为燃料电池发电系统(电流、电压由正负极输出)，20为第一个直流-直流变换稳压装置，30为电动车驱动马达的车速控制器，40为电动车驱动马达，50为脚踏板。

上述电动车驱动系统主要由动力电源——燃料电池发电系统100输出功率，由于燃料电池发电系统的输出电压随电流的增加变化很大，先经过第一个直流-直流变换装置20(DC/DC)降压或升压稳压，并通过驾驶员对脚踏板50的功率需求控制电动车驱动马达的车速，控制器驱动电动车驱动马达40运行。

上述电动车驱动系统有以下技术缺陷：

1.20、30都是一种电压调节器，每一个都有较大的功率损耗，从而使整个驱动系统的能量转换效率降低；

2.20、30每个器件都昂贵，且占据了较大的空间、重量；

3.20、30每个器件的可靠性、稳定性都有限。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种功耗小、体积小、可靠性高的燃料电池电动车的驱动装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池电动车的驱动装置，包括燃料电池、直流-直流变换装置，驱动马达、脚踏板，其特征在于，还包括车速控制器、电流传感器，所述的燃料电池输出的电压与电流经直流-直流变换装置稳压稳流后直接驱动驱动马达。

所述的脚踏板接收驾驶指令并通过车速控制器将弱电信号传输给直流-直流变换装置，并控制其电压与电流输出直接驱动驱动马达。

所述的弱电信号包括来自电流传感器与脚踏板的传感信号。

所述的燃料电池的输出电压为100V～60V，电流为0A～165A。

所述的直流-直流变换装置的输入电压为100V～60V，输出电压为0V～60V。

本实用新型的工作原理如图4所示，该电动驱动系统主要由动力电源燃料电池发电系统100输出功率，由于燃料电池发电系统的输出电压随电流的增加变化很大，采用一种可以完全适应在燃料电池输出最高电压(最小电流时)与最低电压(最大电流时)范围之间的直流-直流变换装置(DC-DC)来直接驱动电动车驱动马达40。驾驶员通过脚踏板50将驾驶指令通过车速控制器将弱电信号(来自电流传感器与脚踏板的传感信号)传输并控制20的电压输出，并直接驱动主电机马达40。

与现有技术相比，本实用新型技术方案有以下优点：

1.新的电动车驱动系统主电路减少了一个电压变换器件，减少了功率自损耗；

2.驱动系统的主电路减少了一个体积和重量较大的功率器件，取而代之的是一个体积、重量较小且价格不贵的弱电信号转换的车速控制器4；

3.驱动系统主电路(强电电路)减少了一个功率器件，增加了可靠性。在弱电电路采用了一个信号转换器件——车速控制器，使电动车整体的可靠性增加。

4.车速控制器向U2(功率器件)控制输出功率大小的同时可以受脚踏板、电流传感器信号同时或交叉控制。有时脚踏板踩得太猛，车速控制器就会受电流传感器的控制，这样可以较平稳地控制燃料电池发电系统输出的功率。

附图说明

图1为现有燃料电池发电系统的结构示意图；

图2为现有10KW燃料电池伏-安-功率输出曲线图；

图3为现有以燃料电池为动力源的电动车驱动系统结构示意图；

图4为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

实施例

如图4并结合图3所示，一种燃料电池电动车的驱动装置，包括燃料电池100、直流-直流变换装置20，驱动马达40、脚踏板50、车速控制器60、电流传感器70，所述的燃料电池100输出的电压与电流经直流-直流变换装置20稳压稳流后直接驱动驱动马达40。所述的脚踏板50接收驾驶指令并通过车速控制器60将弱电信号传输给直流-直流变换装置20，并控制其电压与电流输出直接驱动驱动马达40。所述的弱电信号包括来自电流传感器70与脚踏板50的传感信号。

具体地说，本实施例为一种由100个单电池组成地燃料电池堆及其支持运行系统构成的10KW燃料电池发电系统，用作以燃料电池为动力的电动游览车。该电动车的驱动系统如图4所示。

燃料电池发电系统的输出电压范围为100V～60V，电流范围为0V～165A，主驱动电路上有一种输入电压范围为100V～60V，输出电压范围为0V～60V的直流-直流电压变换器件20，并直接驱动驱动电机主马达40。

驱动装置中的弱电控制部分由脚踏板5传达驾驶员指令，并由一个电流传感器70监视燃料电池发电系统100输出电流的大小，这二种传感器可分别转化为驱动信号，控制车速控制器60，车速控制器60将在正确的燃料电池发电系统输出电流允许增加速率以及大小范围的前提下，将驱动信号转换成对功率器件20的控制电压输出信号，并达到对20的电压(60V～0V直流)输出进行控制，同时控制驱动马达40的转速或扭转矩的目的。

驱动马达是一种额定电压60V的直流串激电机，额定功率为5KW，峰值功率为10KW。

Claims (5)

1.一种燃料电池电动车的驱动装置，包括燃料电池、直流—直流变换装置，驱动马达、脚踏板，其特征在于，还包括车速控制器、电流传感器，所述的燃料电池输出的电压与电流经直流—直流变换装置稳压稳流后直接驱动驱动马达。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电动车的驱动装置，其特征在于，所述的脚踏板接收驾驶指令并通过车速控制器将弱电信号传输给直流—直流变换装置，并控制其电压与电流输出直接驱动驱动马达。

3.根据权利要求1所述的燃料电池电动车的驱动装置，其特征在于，所述的弱电信号包括来自电流传感器与脚踏板的传感信号。

4.根据权利要求1所述的燃料电池电动车的驱动装置，其特征在于，所述的燃料电池的输出电压为100V～60V，电流为0A～165A。

5.根据权利要求1所述的燃料电池电动车的驱动装置，其特征在于，所述的直流—直流变换装置的输入电压为100V～60V，输出电压为0V～60V。

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