TW201300255A - 混合動力電源系統 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種混合動力電源系統，包括複數相互串聯的電源模組，每一該電源模組包括一燃料電池單元以及一鋰離子電池單元，該燃料電池單元包括兩個以上相互串聯的燃料電池單體，該鋰離子電池單元包含一個或兩個以上相互並聯的鋰離子電池單體，其中，該燃料電池單元與該鋰離子電池單元並聯連接，用於給該鋰離子電池單元充電。

Description

混合動力電源系統

本發明涉及一種混合動力系統，尤其涉及一種具有燃料電池以及鋰離子電池的混合動力電源系統。

目前，各國都在致力於研發和推廣使用電動汽車，以解決日益嚴重的能源緊缺和空氣污染等問題。其中，對具有鋰離子電池與燃料電池混合動力系統的電動汽車的研究引起了人們的廣泛關注。該混合動力系統主要包括複數鋰離子電池單體串聯的鋰離子電池組，以及複數燃料電池單體串聯的燃料電池組作為儲能動力源分別或同時給汽車提供動力。

在燃料電池與鋰離子電池作為儲能動力源的混合動力系統中，通常用燃料電池組整體對鋰離子電池組整體充電。然而，對於鋰離子電池組而言，由於生產工藝水準的制約，鋰離子電池單體之間的性能在生產或使用的過程中具有一定的差異性。這種差異性會使鋰離子電池單體間充放電不均衡而導致某個鋰離子電池單體過充或過放，從而引起鋰離子電池的漏液、燃燒、起火、爆炸，引發嚴重的安全性事故。即使採取措施避免過充、過放，電池組的性能也會取決於性能最差的單體電池，使整個鋰離子電池組的充放電容量、循環壽命大大降低。

先前技術中通常採用電池管理系統（Battery Management System）來對鋰離子電池組進行充放電控制以解決鋰離子電池單體在充放電過程中的不一致性。如：在充電過程中，當鋰離子電池組中的某一鋰離子電池單體已充滿電，而相鄰鋰離子電池單體還未充滿時，需要通過電池管理系統保持整個鋰離子電池組的充電一致性。然而，這種充放電管理方式對鋰離子電池組電量的有效利用率不高，且此類電池管理系統比較複雜，導致混合動力系統的成本一直無法降低。

有鑒於此，提供一種具有較長循環使用壽命且成本較低的混合動力電源系統實為必要。

一種混合動力電源系統，包括複數相互串聯的電源模組，每一該電源模組包括一燃料電池單元以及一鋰離子電池單元，該燃料電池單元包括兩個以上相互串聯的燃料電池單體，該鋰離子電池單元包含一個或兩個以上相互並聯的鋰離子電池單體，其中，該燃料電池單元與該鋰離子電池單元並聯連接，用於給該鋰離子電池單元充電。

相較於先前技術，本發明實施例中所述混合動力電源系統中的每個鋰離子電池單體或單體並聯組成的鋰離子電池單元分別通過各自的燃料電池單元對其進行充電管理，從而無需解決鋰離子電池單元間的充放電一致性，且提高了串聯的鋰離子單元向負載供電的電量有效利用率。相應地，用於充放電控制的電池管理單元不再需要額外的電路來調節串聯的鋰離子電池單元間的充放電不一致性，降低了電池管理單元的複雜度，從而降低了電池管理系統的成本。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例的混合動力電源系統。

請參閱圖1，本發明實施例提供一種混合動力電源系統100，包括複數相互串聯的電源模組10，每一該電源模組10包括一燃料電池單元12以及一鋰離子電池單元14，該燃料電池單元12包括兩個以上相互串聯的燃料電池單體120，該鋰離子電池單元14包括一個或複數相互並聯的鋰離子電池單體140。在該電源模組10中，該燃料電池單元12與該鋰離子電池單元14並聯連接，用於直接給該鋰離子電池單元14中的鋰離子電池單體140充電。該每一電源模組10進一步包括與燃料電池單元12以及鋰離子電池單元14串聯的開關元件（圖未示），用於控制該燃料電池單元12對該鋰離子電池單元14的充電。

所述相互串聯的電源模組10具體指：該各個電源模組10的燃料電池單元12之間相互串聯；且所述鋰離子電池單元14之間相互串聯。所述燃料電池單元12之間可共用所需的燃料以及氧化劑，如共用氫氣或甲醇等燃料，以及共用作為氧化劑的空氣等，從而可以同時管理該相互串聯的複數燃料電池單元12。所述複數相互串聯的燃料電池單元12與複數相互串聯的鋰離子電池單元14可同時提供電力或單獨提供電力給負載104。

請同時參閱圖2，圖2為本發明實施例提供的混合動力電源系統100的一種連接結構示意圖。其中，複數所述燃料電池單元12可進行複數片串聯疊加構成一燃料電池電堆13，該燃料電池電堆13的每個燃料電池單元12均引出正負極與所述鋰離子電池單元14並聯連接構成電源模組10。該每一電源模組10可進一步包括與燃料電池單元12以及鋰離子電池單元14串聯的開關元件（圖未示），用於控制該燃料電池單元12對該鋰離子電池單元14的充電。該燃料電池電堆中的各個所述燃料電池單元12之間共用燃料（如氫氣）、氧化劑（如空氣）以及冷卻劑等。

本發明實施例將具體對每一電源模組10進行介紹。請參閱圖3，所述燃料電池單元12與所述鋰離子電池單元14並聯連接。可直接通過該燃料電池單元12對所述鋰離子電池單元14進行充電，同時，該燃料電池單元12和所述鋰離子電池單元14可一起或擇一向負載提供電力。該燃料電池單元12的開路電壓可為所述鋰離子電池單元14的充電截止電壓的1倍至4倍。優選地，該燃料電池單元12的開路電壓為鋰離子電池單元14充電截止電壓的1倍至2倍。為避免使鋰離子電池單元14的充電電流過大，降低鋰離子電池單元14的使用壽命，可使所述燃料電池單元12的短路電流小於或等於鋰離子電池單元14的最大充電電流。所述短路電流為指將該燃料電池單元12的輸出端短路時，流過該燃料電池單元12的電流。該燃料電池單體120可選用先前常用的燃料電池，如鹼性燃料電池、固態氧化物燃料電池以及質子交換膜燃料電池等。該燃料電池單體120的數量可根據所述鋰離子電池單元14的充電截止電壓來決定，只需確保所述燃料電池單元12中所述燃料電池單體120的串聯電壓大於該鋰離子電池單元14的充電截止電壓。本發明實施例中每個所述燃料電池單元12包括5個開路電壓為1V的燃料電池單體120；每個所述鋰離子電池單元14包括3個並聯的鋰離子電池單體140。該混合動力電源系統100共包括80個相互串聯的燃料電池單元12，以及80個相互串聯的鋰離子電池單元14。

該鋰離子電池單元14包括一個或複數相互並聯的鋰離子電池單體140，這樣能夠保證每個鋰離子電池單體140都不會發生過充電。且當複數電源模組10串聯時，每個電源模組10中的鋰離子電池單元14都係獨立的，其容量的差異、電壓的差異都不會對電源系統的輸出造成影響。故，在該混合動力電源系統100中，無需對任意兩個或複數鋰離子電池單元14之間進行均衡管理，其充電管理只由與其並聯的燃料電池單元12完成。這樣的方式避免了複數鋰離子電池串聯時的均衡管理難題，解決了鋰離子電池過充、過放引起安全性問題。所述鋰離子電池單元14中的鋰離子電池單體140可選用先前的鋰離子電池，如磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池或錳酸鈷鋰電池等。根據選用的鋰離子電池種類的不同，每個所述鋰離子電池單體140的工作電壓範圍也不同，如當該鋰離子電池單體140為磷酸鐵鋰電池時，其工作電壓的範圍為2.5V~3.6V，而當該鋰離子電池單體140為錳酸鋰電池時，其工作電壓的範圍為3V~4V。當所述燃料電池單元12向所述鋰離子電池單元14充電時，所述鋰離子電池單元14有一充電截止電壓，當所述鋰離子電池單元14向外放電（如給負載104供電）時，所述鋰離子電池單元14有一放電截止電壓。本發明實施例中，所述鋰離子電池單體140為鈷酸鋰電池，該鈷酸鋰電池的充電截止電壓為4.2V，放電截止電壓為3.2V，放電容量為3Ah。

本發明實施例在每一電源模組10中，通過燃料電池單元12與所述鋰離子電池單元14並聯，能夠充分利用燃料電池和鋰離子電池的本身的特性對外自適應供電以及燃料電池單元12對鋰離子電池單元14的自適應充電。請參閱圖4，圖4為鋰離子電池以及燃料電池本身的放電曲線。對於燃料電池特性曲線而言，電流隨著電壓的降低而逐漸增大。鋰離子電池的特性曲線中，鋰離子電池在恒定電流條件下工作，電池電壓隨著時間變化而降低，直至鋰離子電池中儲存的電能即將消耗殆盡時，電池電壓迅速降低。隨著鋰離子電池放電電流的增大，電池放電容量和放電電壓有一定程度降低。

請參閱圖5，圖5為當對外（如負載）供電電流低於燃料電池單元12最大輸出電流時，所述電源模組10對外自適應供電的過程。燃料電池單元12與鋰離子電池單元14並聯後對外持續恒流（輸出電流為I₀）供電。放電初期，燃料電池單元12和鋰離子電池單元14並聯的電壓較高，鋰離子電池單元14作為主要的電源對外輸出。從圖4的鋰離子電池特性曲線中可以看到，隨著鋰離子電池放電深度的加大，鋰離子電池電壓隨之降低。而燃料電池與鋰離子電池係並聯供電，電壓係相同的。從圖4的燃料電池特性曲線可以看到，隨著燃料電池電壓的下降，燃料電池輸出電流逐漸增大。所以，在圖5中，隨著放電時間的延長，鋰離子電池單元14輸出電流逐漸減小，燃料電池單元12輸出電流逐漸增大。最後，當燃料電池單元12和鋰離子電池單元14的電壓降至U₀時，鋰離子電池單元電流減小為0，燃料電池單元輸出電流增大到I₀，與輸出電流相同，表明此時為燃料電池單元12對外輸出，鋰離子電池單元14不再對外輸出。在此時間點t₀之後，燃料電池單元12和鋰離子電池單元14的電壓保持恒定U₀。如果僅由鋰離子電池單元14進行供電，鋰離子電池單元14電壓曲線將會如圖5中的U-t曲線虛線所示，放電到一定程度即終止。

請參閱圖6，圖6為輸出電流I₀高於燃料電池單元12最大輸出電流時，所述電源模組10對外自適應供電的過程。與圖5中所示情況相似，隨著放電深度增加，燃料電池單元12與鋰離子電池單元14的電壓逐漸下降，燃料電池單元12的電流逐漸增大，鋰離子電池單元14電流逐漸減小。當燃料電池單元12的電流增大到接近極限電流時，電流增大幅度很小，此後，隨著鋰離子電池單元14放電深入，不足以維持輸出電流時，輸出電流開始下降。此時，需要停止該電源模組10對外輸出，避免鋰離子電池單元14過放電。在這個過程中，由於有燃料電池單元12的耦合供電，能大大延長該電源模組10對外供電時間。

請參閱圖7，圖7為所述電源模組10自適應向外供電時的輸出電流變化過程，以及所述燃料電池單元12對鋰離子電池單元14的自適應充電過程。從圖7中可以看到，在時間0到t₁之間，輸出電流為I₁，隨著放電的進行，該電源模組10的電壓由U₀下降到U₁，其中，該鋰離子電池單元14輸出電流減小，燃料電池單元12的輸出電流增大，與圖6、圖6中趨勢相同；在時間t₁到t₂之間，該電源模組10切斷對外輸出，輸出電流降到0A，此時，燃料電池單元12可繼續工作，為鋰離子電池單元14充電，該燃料電池單元12和鋰離子電池單元14的電壓由U₁逐漸升高到U₂，隨著電壓的升高，根據圖4中所示的燃料電池特性曲線，燃料電池單元12的輸出電流（即鋰離子電池單元14的充電電流）逐步減小；到時間t₂時，該電源模組10繼續對外輸出，燃料電池單元12和鋰離子電池單元14的電壓由U₂下降到U₃，到時間t₃時，該電源模組10的輸出電流由I₁減小為I₂，此時，電壓U₃對應的燃料電池單元12的輸出電流足夠大，除了滿足電源模組10的輸出電流I₂之外，還可對鋰離子電池單元14進行充電，使得鋰離子電池單元14的電壓從U₃升高到U₄；下一個階段，繼續對外放電。

從上述圖5至圖7所示過程可以看出，由該燃料電池單元12和鋰離子電池單元14並聯組成的電源模組10在對外輸出時，該燃料電池單元12和鋰離子電池單元14之間可以自適應的調節對外供電的電流。同時，由於該燃料電池單元12以及鋰離子電池單元14並聯連接，電壓同時降低或增大，故，當鋰離子電池單元14的電壓下降到需要充電時，燃料電池單元12由於電壓下降從而電流增大來為該鋰離子電池單元14來充電。

此外，請參閱圖3，所述電源模組10可進一步包括一電池管理單元16，該電池管理單元16可同時控制所述燃料電池單元12向所述鋰離子電池單元14的充電，以及該鋰離子電池單元14的放電和燃料電池單元12的放電以及燃料、氧化劑的補給等。具體地，請參閱圖8，該電池管理單元16可包括：一過充保護電路160，用於防止所述燃料電池單元12對所述鋰離子電池單元14過充電；一過放保護電路162，用於防止所述燃料電池單元12以及鋰離子電池單元14的過放電；一檢測電路164，用於檢測所述鋰離子電池單元14以及燃料電池單元12的電壓、溫度等資訊；以及一控制電路166，該控制電路166可根據所述檢測電路164檢測到的資料，對該燃料電池單元12的放電以及鋰離子電池單元14的充放電進行控制。具體地，該控制電路166可預設有所述鋰離子電池單元14的充電截止電壓以及放電截止電壓等資訊，並將所述檢測電路164檢測到的鋰離子電池單元14的工作電壓與所述充電截止電壓以及所述放電截止電壓相比較，進而確定所述燃料電池單元12是否需要對該鋰離子電池單元14進行充電，以及何時需要對該鋰離子電池單元14進行過充或過放電保護。該控制電路166可根據所述檢測電路檢測到的燃料電池單元12以及鋰離子電池單元14的溫度、電流等資訊來避免該電源模組10由於過熱等造成的安全隱患。此外，還可通過所述檢測電路164檢測到的所述燃料電池單元12的工作電壓大小來控制所述燃料和氧化劑的供給，檢測所述燃料電池單元12的溫度來控制冷卻劑的循環等。可以理解，該控制電路166還可具有其他功能以使該電源模組10更好以及安全的工作。

該電池管理單元16可進一步包括一防反充電路168，當該燃料電池單元12不工作時，其電壓可能會小於所述鋰離子單元14的電壓，此時，該防反充電路168可避免所述鋰離子電池單元14向所述燃料電池單元12充電，如該防反充電路168可用一二極體來實現。

對於複數電源模組10串聯組成的所述混合動力電源系統100而言，所述電池管理單元16可為複數單獨的電路，分別連接於每個所述電源模組10中。也可為一個多工器，該多工器包括複數獨立的電路，其中每一該電路單獨控制每個所述電源模組10。由於每個電源模組10中的燃料電池單元12可對所述鋰離子電池單元14自適應充電，故，該電池管理單元16不需要在該混合動力電源系統100中設計對各個串聯的所述鋰離子電池單元14之間的充放電不一致進行調節的調節電路等。從而可大大簡化該電池管理單元16電路的設計。

就充電而言，本發明實施例所述電池管理單元16只實現檢測電壓、溫度等資料以及通過檢測的該資料來控制所述燃料電池單元12對所述鋰離子電池單元14的充電。該電池管理單元16的增加並不影響所述燃料電池單元12對該鋰離子電池單元14的所述自適應充電過程。

請參閱圖1，該混合動力電源系統100可進一步包括一變換器102，該變換器102與所述相互串聯的複數電源模組10並聯電連接，通過該變換器102可將所述混合動力電源系統100的輸出電壓轉換成實際需要應用的電壓提供給負載104。該變換器102可為直流-直流變換器或直流-交流變換器等。

在實際應用中，可將該混合動力電源系統100通過所述變換器102與所述負載104電連接。該混合動力電源系統100輸出的總電壓為所述電源模組10的輸出電壓之和。具體地，該混合動力電源系統100中的燃料電池單元12相互串聯給該負載供電，以及所述鋰離子電池單元14相互串聯給該負載104供電。

本發明實施例中該混合動力電源系統100應用於汽車，當汽車在平穩運行過程中，主要由該複數相互串聯的燃料電池單元12提供動力；當汽車在加速行駛或爬坡等需要加大功率的過程中，所述相互串聯的燃料電池單元12以及相互串聯的鋰離子電池單元14同時提供動力。當汽車下坡、制動或減速過程中，所述燃料電池單元12可對該鋰離子電池單元14充電；此外，當所述相互串聯的燃料電池單元12停止向外提供能量時，如燃料耗盡或其他故障，所述相互串聯的鋰離子電池單元14向外提供動力。

本發明實施例中所述混合動力電源系統中的每個鋰離子電池單元分別通過各自的燃料電池單元對其進行充電管理，從而無需解決鋰離子電池單體間的充放電一致性，且提高了串聯的鋰離子單體向負載供電的電量有效利用率。相應地，用於充放電控制的電池管理單元不再需要額外的電路來調節串聯的鋰離子單元間的充放電不一致性，降低了電池管理單元設計的複雜度，從而降低了電池管理單元的成本。由於該鋰離子電池單元可包括複數鋰離子電池單體之間並聯連接，故，一方面可提高該鋰離子電池單元的輸出電流，另一方面，當其中某一鋰離子電池單體發生故障時，其他鋰離子電池單體仍然可以保證該鋰離子電池單元正常工作，提高了該混合動力電源系統的可靠性。此外，由於燃料電池以及鋰離子電池本身相似的放電特性，所述燃料電池單元可根據鋰離子電池放電量的大小自適應地為其充電，一方面提高了充電速率，另一方面避免了所述電池管理單元設計單獨的控制電路來動態管理鋰離子單體的充電。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10．．．電源模組

100．．．混合動力電源系統

12．．．燃料電池單元

120．．．燃料電池單體

13．．．燃料電池電堆

14．．．鋰離子電池單元

140．．．鋰離子電池單體

16．．．電池管理單元

102．．．變換器

104．．．負載

160．．．過充保護電路

162．．．過放保護電路

164．．．檢測電路

166．．．控制電路

168．．．防反充電路

圖1為本發明實施例提供的混合動力電源系統結構示意框圖。

圖2為本發明實施例提供的混合動力電源系統連接方式示意圖。

圖3為本發明實施例提供的混合動力電源系統中的單個電源模組的結構示意框圖。

圖4為燃料電池以及鋰離子電池放電特性曲線示意圖。

圖5為本發明實施例提供的混合動力電源系統中電源模組自適應供電電壓-電流曲線圖，其中該電源模組供電電流小於燃料電池單元最大輸出電流。

圖6為本發明實施例提供的混合動力電源系統中電源模組自適應供電電壓-電流曲線圖，其中該電源模組供電電流大於燃料電池單元最大輸出電流。

圖7為本發明實施例提供的混合動力電源系統自適應充電以及供電過程電壓-電流曲線圖。

圖8為本發明實施例提供的混合動力電源系統中的電池管理單元功能框圖。

10．．．電源模組

100．．．混合動力電源系統

102．．．變換器

104．．．負載

Claims (15)

1. 一種混合動力電源系統，其改良在於，包括複數相互串聯的電源模組，每一該電源模組包括一燃料電池單元以及一鋰離子電池單元，該燃料電池單元包括兩個以上相互串聯的燃料電池單體，該鋰離子電池單元包括一個或複數相互並聯的鋰離子電池單體，在每一該電源模組中，該燃料電池單元與該鋰離子電池單元並聯連接，用於給該鋰離子電池單元充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述的混合動力電源系統，其中，所述複數相互串聯的電源模組中，所述燃料電池單元之間相互串聯，所述鋰離子電池單元之間相互串聯。
3. 如申請專利範圍第1項所述的混合動力電源系統，其中，所述複數串聯的燃料電池單元之間共用燃料、氧化劑以及冷卻劑。
4. 如申請專利範圍第1項所述的混合動力電源系統，其中，所述鋰離子電池單體為磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池或錳酸鈷鋰電池。
5. 如申請專利範圍第1項所述的混合動力電源系統，其中，所述燃料電池單體為鹼性燃料電池、固態氧化物燃料電池或質子交換膜燃料電池。
6. 如申請專利範圍第1項所述的混合動力電源系統，其中，所述電源模組中，所述燃料電池單元的開路電壓為所述鋰離子電池單體的充電截止電壓的1倍至4倍。
7. 如申請專利範圍第6項所述的混合動力電源系統，其中，所述燃料電池單元的開路電壓為所述鋰離子電池單體的充電截止電壓的1倍至2倍。
8. 如申請專利範圍第1項所述的混合動力電源系統，其中，所述電源模組中，所述燃料電池單元的短路電流小於或等於所述鋰離子電池單體的最大充電電流。
9. 如申請專利範圍第1項所述的混合動力電源系統，其中，所述每一該電源模組進一步包括一電池管理單元，該電池管理單元分別與所述燃料電池單元以及鋰離子單體電連接。
10. 如申請專利範圍第9項所述的混合動力電源系統，其中，所述鋰離子單體具有一充電截止電壓以及一放電截止電壓，所述電池管理單元包括：
    用於檢測所述燃料電池單元以及鋰離子電池單體工作電壓、電流以及溫度的檢測電路；
    用於將所述檢測電路檢測到的鋰離子電池單體的工作電壓與該鋰離子單體的充電截止電壓以及放電截止電壓進行比較的控制電路；
    用於防止所述燃料電池單元對所述鋰離子電池單體過充電的過充保護電路；以及
    用於防止所述燃料電池單元以及鋰離子單體過放電的過放保護電路。
11. 如申請專利範圍第9項所述的混合動力電源系統，其中，所述電池管理系統進一步包括一防反充電路以防止所述鋰離子電池單體向所述燃料電池單元充電。
12. 如申請專利範圍第1項所述的混合動力電源系統，其中，進一步包括一變換器，該變換器與所述相互串聯的複數電源模組並聯連接。
13. 如申請專利範圍第12項所述的混合動力電源系統，其中，所述變換器為直流-直流變換器或直流-交流變換器。
14. 一種混合動力電源系統，包括：複數相互串聯的燃料電池單元構成一燃料電池電堆；
    複數相互串聯的鋰離子電池單元，上述燃料電池電堆中的每個燃料電池單元均引出正負極與一個所述鋰離子電池單元並聯連接構成一電源模組；
    複數電池管理單元分別對應複數電源模組，每個電源模組內的電池管理單元分別與所述燃料電池單元以及鋰離子單體電連接。
15. 如申請專利範圍第14項所述的混合動力電源系統，其中，所述鋰離子電池單元包括複數相互並聯的鋰離子電池單體。