專利名稱：一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)，屬于燃料電池汽車動力系統(tǒng)開發(fā)領域。
背景技術：
燃料電池汽車是一種新能源汽車，由于它與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車輛相比較，具有節(jié)能、環(huán)保、和運行安靜的優(yōu)良工作性能成為當前新一代汽車研發(fā)技術中的熱點。國家“十五”863電動汽車的重大專項中專門成立了燃料電池轎車和燃料電池城市客車的子項目，燃料電池汽車的研發(fā)已經(jīng)成為推動我國汽車工業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大舉措。燃料電池混合動力系統(tǒng)的集成技術是燃料電池汽車研發(fā)技術領域內(nèi)的關鍵技術之一。
燃料電池汽車的動力系統(tǒng)是燃料電池汽車區(qū)別于其它類型車輛(內(nèi)燃機汽車、蓄電池電動汽車以及油-電混合動力汽車)的最主要標志。一般來說，燃料電池汽車的動力系統(tǒng)主要由燃料電池系統(tǒng)(包括燃料電池電堆、燃料電池輔助設備以及燃料電池控制器等)、蓄電池(或超級電容)、電機和電機控制器以及電力電子裝置(如DC/DC變換器、DC/AC變換器等)組成。它使用高效(工作效率可達40％以上)、清潔(排放物為潔凈的水)的燃料電池發(fā)動機替代了效率較低且工作時會產(chǎn)生污染物排放的內(nèi)燃發(fā)動機，并輔助以可以充放電的輔助儲能裝置—蓄電池(或超級電容，等)，彌補了燃料電池發(fā)動機峰值功率輸出能力差、動態(tài)響應慢以及不能回收制動能量等缺陷。因此，這樣的燃料電池混合動力系統(tǒng)被廣泛認為是未來汽車的理想的動力系統(tǒng)型式之一。
當前，在燃料電池汽車研發(fā)中，較為常用的燃料電池混合動力系統(tǒng)結構如圖1所示燃料電池之后連接單向(uni-directional)升壓型的DC/DC變換器，而后與電機控制器相連接，通過電機控制器驅(qū)動電機工作；在升壓型DC/DC變換器與電機控制器相連接的直流母線上，并接蓄電池組(或超級電容)，可以直接并接，也可以通過一個雙向(bi-directional)DC/DC變換器與直流母線并接，燃料電池輔助設備以及動力系統(tǒng)的24V用電電源的供電從單向DC/DC變換器的出口提供。對于這種常用的混合動力系統(tǒng)，在系統(tǒng)起動之前，由于燃料電池系統(tǒng)沒有開始工作，所以，由蓄電池組來直接為燃料電池輔助裝置和24V電源供電，當燃料電池系統(tǒng)被起動以后，整個動力系統(tǒng)開始正常工作。這是現(xiàn)在最常用的一種燃料電池混合動力系統(tǒng)集成的結構方式。在這樣的動力系統(tǒng)結構中，為了能夠在系統(tǒng)啟動時起動燃料電池系統(tǒng)，就必須從燃料電池系統(tǒng)后的單向升壓型DC/DC變換器出口的直流母線上向燃料電池輔助設備引取電力，為燃料電池輔助設備提供電源，這樣就可以使得在動力系統(tǒng)起動的時候由蓄電池組(或超級電容)為燃料電池輔助系統(tǒng)供電來啟動燃料電池系統(tǒng)。
在燃料電池開始工作之后，看起來，燃料電池輔助裝置的電力供應似乎仍然可以是由蓄電池組來提供的，但實際上，燃料電池輔助裝置的電力供應實際上是由燃料電池系統(tǒng)自己承擔的，因為在燃料電池汽車運行的整個過程中，正常情況下，蓄電池組是不額外進行充電的，蓄電池組的能量補充同它的能量釋放一樣，都是在車輛動力系統(tǒng)的工作過程中完成的，蓄電池的電能儲存都是來源于燃料電池的。這就是說，從長期運行過程來看，燃料電池汽車的混合動力系統(tǒng)的所有動力歸根究底都是由燃料電池系統(tǒng)提供的，而蓄電池組(或超級電容)則可視為一個能量“緩存”。這樣一來，上述的動力系統(tǒng)結構方式就存在下面的問題燃料電池輔助設備所需的電力實際上是從燃料電池系統(tǒng)(燃料電池電堆)流出，經(jīng)過了單向升壓型DC/DC變換器之后，再流回到了燃料電池系統(tǒng)(燃料電池輔助設備)。一方面，這一能量流在經(jīng)過DC/DC變換器會損失掉一部分能量(例如一臺100kW的燃料電池，其輔助設備所需功率通常10～20kW之間，DC/DC變換器的效率一般在96％左右，那么這樣的系統(tǒng)中，僅在燃料電池輔助設備的供電方面就會損失掉800W的功率)；另一方面由于單向升壓型DC/DC變換器多承載了燃料電池輔助設備的功率容量，因此，與燃料電池輔助設備的供電不經(jīng)過它而直接由燃料電池系統(tǒng)提供的情況相比，DC/DC變換器的功率容量就必須做的要大的多，導致它的體積、重量以及造價也會大的多。
為避免如圖1所示現(xiàn)有常用燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)中能量傳遞過程中的功率損失，我們就要考慮削減為燃料電池輔助設備和24V電源系統(tǒng)供電的功率傳輸環(huán)節(jié)。因此，很希望將燃料電池輔助設備和24V電源系統(tǒng)的供電點直接設在燃料電池系統(tǒng)的出口，這樣就可以避免這一部分功率傳輸過程因“兜圈子”而造成的功率消耗了。但是，這樣改變系統(tǒng)連接方式又會造成系統(tǒng)的起動困難的問題，因為，系統(tǒng)起動之初，輔助設備沒有途徑得到必須的電力供應，燃料電池系統(tǒng)也就沒有辦法啟動了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種燃料電池汽車的混合動力系統(tǒng)，使它一方面能夠減少燃料電池混合動力系統(tǒng)之后的單向升壓型DC/DC變換器的功率容量，以及燃料電池系統(tǒng)的功率損失；另一方面，和通常被采用的燃料電池系統(tǒng)通過DC/DC變換器在為燃料電池輔助設備供電的混合動力系統(tǒng)一樣，可以很好地解決燃料電池的啟動問題。
為了達到上述目的，本發(fā)明提出了一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括由燃料電池電堆、燃料電池輔助設備和燃料電池控制器組成燃料電池子系統(tǒng)，由蓄電池組、蓄電池控制裝置組成蓄電池子系統(tǒng)以及功率二極管、雙向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器和電機控制器；燃料電池電堆的輸出端通過功率二極管正向連接一雙向DC/DC變換器接在電機控制器的輸入端上；
電機控制器的輸出端接電機；燃料電池輔助設備的輸入端和24V DC/DC變換器的輸入端接在功率二極管的負極；動力蓄電池組的輸入\出端接在電機控制器的輸入端；24VDC/DC的電氣輸出端分別接在燃料電池控制器、雙向DC/DC變換器、電機控制器、蓄電池控制裝置及外部整車控制器的輸入端；系統(tǒng)中的燃料電池控制器、雙向DC/DC變換器、電機控制器及蓄電池控制裝置分別通過CAN網(wǎng)絡連接整車控制器，整車控制器協(xié)調(diào)和控制混合動力系統(tǒng)中每個關鍵的動力部的運行工作。
在這一混合動力系統(tǒng)中，燃料電池輔助設備的供電沒有通過DC/DC變換器，而是直接從燃料電池電堆的輸出端口的功率二極管之后接出電力接線為燃料電池輔助設備供電。這樣就不會由于燃料電池輔助設備的需求功率要經(jīng)過DC/DC變換器而產(chǎn)生功率損失，并且DC/DC變換器也不會由于要承載從燃料電池電堆到燃料電池輔助設備的功率而增加DC/DC變換器的功率容量。
在整個動力系統(tǒng)起動之初，燃料電池系統(tǒng)不會立即啟動，它需要輔助設備先開始工作后才能啟動。此時蓄電池為系統(tǒng)提供動力，雙向DC/DC變換器工作在反向狀態(tài)，通過DC/DC變換器，由蓄電池組為24VDC/DC變換器以及燃料電池輔助設備供電。這樣24VDC/DC變換器為各個控制部件供電，使這些控制器開始工作；燃料電池輔助設備開始工作后，燃料電池系統(tǒng)被啟動并開始正常工作。
燃料電池系統(tǒng)以及整個動力系統(tǒng)完成啟動過程之后，將由燃料電池系統(tǒng)來為整個動力系統(tǒng)提供動力，此時雙向DC/DC變換器工作在正向狀態(tài)。
另外，在燃料電池系統(tǒng)發(fā)生故障時，雙向DC/DC變換器工作又會在反向狀態(tài)，蓄電池組為整個動力系統(tǒng)提供動力，一方面通過電機控制器直接驅(qū)動電機，另一方面通過反向工作的DC/DC變換器為為24VDC/DC變換器供電，進而為所需的所有控制電源供電。這樣就使得在燃料電池發(fā)生故障時，整個動力系統(tǒng)仍然可以正常運行。
在本發(fā)明提出的燃料電池汽車的混合動力系統(tǒng)中，燃料電池系統(tǒng)的出口使用了雙向DC/DC變換器。在系統(tǒng)起動之初，雙向DC/DC變換器處于反向工作狀態(tài)，電流從蓄電池組流出，一部分流向電機控制器，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)；一部分流向雙向DC/DC變換器，通過DC/DC變換器為燃料電池輔助設備提供電源以及24V的DC/DC變換器供電。這樣一來，就可以順利地解決燃料電池系統(tǒng)的起動困難問題了。同時，由于這種混合系統(tǒng)結構型式下，燃料電池輔助設備和24V電源的供電不再繞經(jīng)DC/DC變換器，大大減少了燃料電池輔助設備和24V電源這部分的功率消耗，同時也有效地減小了燃料電池系統(tǒng)出口處的DC/DC變換器功率容量和設計尺寸，增加了系統(tǒng)工作的可靠性；提高了系統(tǒng)運行效率。


圖1是現(xiàn)有的燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)總體結構2是本發(fā)明提出的燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖。
圖3是該燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)起動前、起動時或燃料電池系統(tǒng)故障時的動力系統(tǒng)功率流向圖。
圖4是該燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)工作過程中，蓄電池處于充電狀態(tài)時的動力系統(tǒng)功率流向圖。
圖5是該燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)工作過程中，蓄電池處于放電狀態(tài)時的動力系統(tǒng)功率流向圖。
圖6是該燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)處于制動能量回饋狀態(tài)時的動力系統(tǒng)功率流向圖。
各圖中的粗黑線表示動力系統(tǒng)的電力主接線；帶箭頭的細黑線表示控制電源用電氣接線；帶雙箭頭的黑點線表示CAN網(wǎng)絡通訊線。空心箭頭表示電流流向。
具體實施例方式
下面對照附圖描述本發(fā)明的具體實施方式
。
圖1是現(xiàn)有的燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)總體結構圖。燃料電池輔助設備所需的電力實際上是從燃料電池系統(tǒng)(燃料電池電堆)流出，經(jīng)過了單向升壓型DC/DC變換器之后，再流回到了燃料電池系統(tǒng)(燃料電池輔助設備)。一方面，這一能量流在經(jīng)過DC/DC變換器會損失掉一部分能量，另一方面由于單向升壓型DC/DC變換器多承載了燃料電池輔助設備的功率容量，因此，與燃料電池輔助設備的供電不經(jīng)過它而直接由燃料電池系統(tǒng)提供的情況相比，DC/DC變換器的功率容量就必須做的要大的多，導致它的體積、重量以及造價也會大的多。
如圖2所示，給出了本發(fā)明提出的燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)的總體結構圖，包括系統(tǒng)的動力部分的結構和系統(tǒng)的控制部分的結構。該系統(tǒng)的動力部分主要由燃料電池系統(tǒng)、雙向DC/DC變換器、蓄電池系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)(電機和電機控制器)以及24VDC/DC變換器等動力部件組成。其中，作為動力系統(tǒng)組成部分的燃料電池系統(tǒng)，主要包括由燃料電池電堆、燃料電池輔助設備和燃料電池控制器這三個部分；而蓄電池系統(tǒng)則包括動力蓄電池組和蓄電池控制裝置。系統(tǒng)的控制部分主要包括整車控制器和CAN通訊網(wǎng)絡，整車控制器接收來自于駕駛員操作系統(tǒng)的鑰匙信號、加速踏板信號以及制動踏板信號等駕駛員操縱信號；整車控制器還與動力系統(tǒng)各個動力部件的控制單元進行通訊，向每個部件的控制器下達控制指令，同時還從這些控制單元采集每個動力部件運行狀態(tài)的相關信息，以便結合駕駛員的操縱信號，按照整車控制器自身的控制算法，來決定下一步的控制指令。以下，將分別參照圖3、圖4、圖5和圖6進一步描述。
如圖3所示，給出了在整個動力系統(tǒng)起動前、起動時，或者在燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障而無法工作時，動力系統(tǒng)中的功率流向情況。在這幾種情況下，燃料電池系統(tǒng)均無法正常工作，因此，動力蓄電池組成為系統(tǒng)中唯一可用的動力源部件。電流從蓄電池組流出，一部分流向電機控制器，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)；一部分流向雙向DC/DC變換器。此時雙向DC/DC變換器處于反向工作狀態(tài)，蓄電池組通過DC/DC變換器為24V的DC/DC變換器以及燃料電池輔助設備提供電源。這樣一來，雖然這些情況下，燃料電池系統(tǒng)不能工作，但是，整個動力系統(tǒng)仍然可以依靠動力蓄電池組來維持運行。
如圖4所示，給出了整個動力系統(tǒng)在正常運行的過程中，當蓄電池處于被充電狀態(tài)時系統(tǒng)中的功率流向情況。在這種情況下，燃料電池系統(tǒng)正常工作。從圖中可以看到，燃料電池電堆直接為燃料電池輔助設備和24V的DC/DC變換器提供所需的電功率，同時還通過雙向DC/DC變換器，一方面為電機控制器提供電功率驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，一方面還為動力蓄電池組充電。在這種情況下雙向DC/DC變換器工作在正向狀態(tài)。
如圖5所示，給出了整個動力系統(tǒng)在正常運行的過程中，當蓄電池處于放電狀態(tài)時系統(tǒng)中的功率流向情況。與圖4所示的情況相似，在這種情況下，燃料電池系統(tǒng)也正常工作；不同的是蓄電池組處于放電狀態(tài)。從圖中可以看到，燃料電池輔助設備和24V的DC/DC變換器所需的電功率仍由燃料電池電堆直接提供；通過雙向DC/DC變換器，燃料電池系統(tǒng)還為電機控制器提供所需的部分電功率，而電機控制器所需電功率的剩余部分則有動力蓄電池組直接提供。即由燃料電池系統(tǒng)和動力蓄電池組共同提供電力驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。在這種情況下，雙向DC/DC變換器工作在正向狀態(tài)。
如圖6所示，給出了整個動力系統(tǒng)處在制動能量回饋狀態(tài)時系統(tǒng)中的功率流向情況。制動能量回饋是多數(shù)電動汽車性能上的一個明顯優(yōu)勢。在制動能量回饋時，電機工作在反饋制動的工作區(qū)域里，即處于發(fā)電機的工作狀態(tài)。電機系統(tǒng)將用于回饋的機械形式的制動能量用于發(fā)電，產(chǎn)生的電流從電機控制器的直流端流出，流入動蓄電池組為其充電，將回饋的制動能量儲存于動力蓄電池組中。此時燃料電池系統(tǒng)的工作情況與圖4中所示的蓄電池組處于充電狀態(tài)時的情況相同。此時，雙向DC/DC變換器工作在正向狀態(tài)。
圖6所示的功率流向圖示，只對應于動力蓄電池組的SOC值較低需要較大功率充電的情形。而在蓄電池組SOC值較高，制動能量回饋的電流超出蓄電池組所需的充電電流時，制動能量回饋的電流還要流入雙向DC/DC變換器，雙向DC/DC變換器工作于反向狀態(tài)，通過雙向DC/DC變換器的功率變換，制動回饋的電流為燃料電池輔助設備和24V的DC/DC變換器提供全部或者部分所需電功率。
權利要求
1.一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括；由燃料電池電堆、燃料電池輔助設備和燃料電池控制器組成的燃料電池子系統(tǒng)，由蓄電池組、蓄電池控制裝置組成的蓄電池子系統(tǒng)，以及功率二極管、雙向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器和電機控制器；燃料電池電堆的輸出端通過功率二極管正向連接一雙向DC/DC變換器接在電機控制器的輸入端上；電機控制器的輸出端接電機；燃料電池輔助設備的輸入端和24V DC/DC變換器的輸入端接在功率二極管的負極；動力蓄電池組的輸入\出端接在電機控制器的輸入端；24VDC/DC的電氣輸出端分別接在燃料電池控制器、雙向DC/DC變換器、電機控制器、蓄電池控制裝置及外部整車控制器的輸入端。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)中的燃料電池控制器、雙向DC/DC變換器、電機控制器及蓄電池控制裝置通過CAN網(wǎng)絡連接系統(tǒng)外整車控制器。
全文摘要
一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)，系統(tǒng)由燃料電池子系統(tǒng)，蓄電池子系統(tǒng)，以及功率二極管，雙向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器和電機控制器組成。燃料電池電堆通過功率二極管連接一雙向DC/DC變換器連接到電機控制器上，電機控制器之前并接蓄電池組，雙向DC/DC變換器的輸入端口分別并接燃料電池輔助設備和24VDC/DC變換器。在整個動力系統(tǒng)起動之初，燃料電池系統(tǒng)不會立即啟動，蓄電池為系統(tǒng)提供動力，燃料電池系統(tǒng)被啟動并正常工作后燃料電池系統(tǒng)將為整個動力系統(tǒng)提供動力。本發(fā)明縮減了DC/DC變換器功率容量和設計尺寸，增加了混合動力系統(tǒng)工作可靠性，提高了系統(tǒng)運行效率。
文檔編號B60L11/18GK1663838SQ20041010181
公開日2005年9月7日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權日2004年12月24日
發(fā)明者高大威, 盧青春, 金振華, 歐陽明高, 閻東林, 秦孔建 申請人:清華大學