專利名稱：車載燃料電池與蓄電池及超級(jí)電容混合并聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于ー種燃料電池汽車的混合動(dòng)カ系統(tǒng)，特別是ー種車載燃料電池與蓄電池及超級(jí)電容混合并聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池汽車有著節(jié)能、環(huán)保、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代汽車研發(fā)的熱點(diǎn)。近年來，燃料電池汽車技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展，然而在燃料電池汽車開發(fā)過程中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn)，如燃料電池組的一體化，提高商業(yè)化電動(dòng)汽車燃料處理器，優(yōu)化燃料電池汽車動(dòng)カ系統(tǒng)等。由于燃料電池在峰值功率輸出能力以及功率輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面性能欠佳，因 此往往需要輔助能源在功率輸出能力等方面對(duì)它加以補(bǔ)充和改善，這些輔助能源通常是蓄電池，有的還包括超級(jí)電容。現(xiàn)有的燃料電池混合動(dòng)カ電動(dòng)汽車的輔助能源大都包含蓄電池，然而蓄電池滿足整車峰值功率要求和緊急功率要求能力有限，在爬坡或加速等情況下需要大電流放電，極大地影響了壽命，導(dǎo)致頻繁更換蓄電池，增加運(yùn)行成本。超級(jí)電容相比蓄電池，以其充放電效率高、充放電壽命長(zhǎng)，可提供很高的放電電流、接受快速大電流充電能力強(qiáng)、能在其允許電壓范圍內(nèi)的任何電壓下充電的優(yōu)點(diǎn)滿足整車峰值功率要求和緊急功率要求并保護(hù)蓄電池。因此，本實(shí)用新型采用蓄電池和超級(jí)電容作為輔助能源，并運(yùn)用雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器調(diào)控超級(jí)電容的充放電?，F(xiàn)有的燃料電池汽車混合動(dòng)カ系統(tǒng)中，燃料電池或蓄電池組的輸出接DC/DC轉(zhuǎn)換器后再給直流母線供電，DC/DC轉(zhuǎn)換器的存在不僅降低了電池的供電效率，它的高頻斬波取電方式對(duì)電池存在一定危害。因此，摒棄傳統(tǒng)的需要DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定直流母線電壓的結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型提出了燃料電池與蓄電池直接并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供ー種彌補(bǔ)蓄電池組單獨(dú)作為燃料電池混合動(dòng)カ電動(dòng)汽車輔助能源的不足，同時(shí)提高動(dòng)カ系統(tǒng)的供電效率的車載燃料電池與蓄電池及超級(jí)電容混合并聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種車載燃料電池與蓄電池及超級(jí)電容混合并聯(lián)動(dòng)カ系統(tǒng)，包括燃料電池電堆、燃料電池輔助系統(tǒng)及燃料電池控制器、蓄電池組及蓄電池管理系統(tǒng)、超級(jí)電容組及超級(jí)電容管理系統(tǒng)、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器、小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)控制器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)、系統(tǒng)能量管理控制器、高壓開關(guān)K1、高壓開關(guān)K2及功率ニ極管，所述燃料電池電堆的高壓輸出端通過高壓開關(guān)Kl與功率ニ極管陽極相連，蓄電組的高壓輸出端通過高壓開關(guān)K2與功率ニ極管陰極及電機(jī)控制器的高壓輸入端直接并聯(lián)，從而構(gòu)成直流母線。所述超級(jí)電容組通過高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器與直流母線相連。[0010]所述蓄電池組的高壓輸出端通過小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器與燃料電池輔助系統(tǒng)相連。所述系統(tǒng)能量管理控制器通過CAN總線連接燃料電池控制器、小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器、蓄電池管理系統(tǒng)、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器、超級(jí)電容管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器，實(shí)時(shí)采集各部件狀態(tài)信息。在各部件狀態(tài)信息均正常的情況下，系統(tǒng)能量管理控制器通過直接控制高壓開關(guān)Kl和高壓開關(guān)K2，以及通過CAN總線控制小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出以及電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)矩輸出來完成整車在各狀態(tài)下對(duì)動(dòng)カ系統(tǒng)的控制與管理。當(dāng)整車處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)能量管理控制器控制小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出恒定電壓給燃料電池輔助系統(tǒng)，以啟動(dòng)燃料電池電堆，同時(shí)控制高壓開關(guān)Kl斷開、高壓開 關(guān)K2閉合、電機(jī)控制器輸出轉(zhuǎn)矩完成整車起步，當(dāng)燃料電池電堆啟動(dòng)完畢后，控制高壓開關(guān)Kl閉合；當(dāng)整車處于加速狀態(tài)時(shí)，控制高壓開關(guān)Kl閉合、電機(jī)控制器輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩完成加速過程；若蓄電池組的SOC大于30%，則控制高壓開關(guān)K2閉合；若超級(jí)電容組的SOC大于10%，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由超級(jí)電容組向直流母線正向輸出大電流；若蓄電池組的SOC不大于30%且超級(jí)電容組的SOC不大于10%，則控制高壓開關(guān)K2斷開、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由超級(jí)電容組向直流母線正向輸出零電流、電機(jī)控制器減小輸出轉(zhuǎn)矩；當(dāng)整車處于巡航狀態(tài)時(shí)，控制高壓開關(guān)Kl閉合、高壓開關(guān)K2斷開、電機(jī)控制器輸出小驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩維持巡航車速；若超級(jí)電容組的SOC小于70%，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組反向充電；當(dāng)整車處于滑行狀態(tài)時(shí)，控制高壓開關(guān)Kl閉合、電機(jī)控制器輸出零轉(zhuǎn)矩；若超級(jí)電容組的SOC小于90%，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組反向充電；若蓄電池組的SOC小于70%且超級(jí)電容組的SOC大于90%，則控制高壓開關(guān)K2閉合；若超級(jí)電容組的SOC不小于90%且蓄電池組的SOC不小于70%，則控制高壓開關(guān)Kl斷開、高壓開關(guān)K2斷開、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組零電流充電；當(dāng)整車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，控制高壓開關(guān)Kl斷開，井根據(jù)制動(dòng)踏板強(qiáng)度控制電機(jī)控制器輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；若超級(jí)電容組的SOC小于90%，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組反向充電；若蓄電池組的SOC小于70%且超級(jí)電容組的SOC大于90%時(shí)，控制高壓開關(guān)K2閉合；若超級(jí)電容組的SOC不小于90%且蓄電池組的SOC不小于70%，則控制電機(jī)控制器輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零、高壓開關(guān)K2斷開、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組零電流充電。系統(tǒng)配置的超級(jí)電容組可提供很高的放電電流，補(bǔ)償直流母線瞬時(shí)需求功率，滿足整車峰值功率及大功率需求。超級(jí)電容組接受快速大電流充電能力強(qiáng)，快速有效地回收制動(dòng)能量。直流母線向輔助能源充電時(shí)，本系統(tǒng)控制超級(jí)容組優(yōu)先蓄電池組吸收制動(dòng)能量，從而減少蓄電池組的充電次數(shù)，對(duì)蓄電池組起保護(hù)作用。本系統(tǒng)中，燃料電池電堆的輸出端與蓄電池組的輸出端直接并聯(lián)構(gòu)成直流母線，有別于傳統(tǒng)的需要大功率DC/DC穩(wěn)定直流母線電壓的供電模式，提高了電池的供電效率。
圖I為本實(shí)用新型的原理框圖，圖中一表示電氣主接線；---表示CAN通訊線。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)ー步的詳細(xì)描述。圖I是本實(shí)用新型提出的帶超級(jí)電容的車載燃料電池與蓄電池直接并聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)包括燃料電池電堆110、燃料電池輔助系統(tǒng)130及燃料電池控制器120、蓄電池組210及蓄電池管理系統(tǒng)220、超級(jí)電容組320及超級(jí)電容管理系統(tǒng)330、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器310、小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器230、電機(jī)控制器410及驅(qū)動(dòng)電機(jī)420、系統(tǒng)能量管理控制器510、高壓開關(guān)K1140、高壓開關(guān)K2240及功率ニ極管150。
·[0023]燃料電池電堆110的高壓輸出端依次與高壓開關(guān)K1140及功率ニ極管150的陽極相連，蓄電組210的高壓輸出端連接高壓開關(guān)K2240后與功率ニ極管150的陰極及電機(jī)控制器410的高壓輸入端直接并聯(lián)，從而構(gòu)成直流母線。由于燃料電池電堆110與蓄電池組210直接并聯(lián)，動(dòng)態(tài)匹配直流母線電壓，因此燃料電池電堆110與蓄電池組210的輸出電壓等級(jí)必須相當(dāng)，電機(jī)控制器410的驅(qū)動(dòng)電壓處于直流母線可調(diào)電壓范圍內(nèi)。超級(jí)電容組320通過高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器310與直流母線相連，高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器310工作在雙向電流輸出模式，完成對(duì)超級(jí)電容組320的在線充放電。蓄電池組210的高壓輸出端通過小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器230與燃料電池輔助系統(tǒng)130相連。蓄電池組210為燃料電池輔助系統(tǒng)130提供能量。如圖I所示，系統(tǒng)能量管理控制器510通過CAN總線連接燃料電池控制器120、小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器230、蓄電池管理系統(tǒng)220、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器310、超級(jí)電容管理系統(tǒng)330、電機(jī)控制器410，實(shí)時(shí)采集各部件狀態(tài)信息。在各部件狀態(tài)信息均正常的情況下，系統(tǒng)能量管理控制器510通過直接控制高壓開關(guān)Kl 140和高壓開關(guān)K2240，以及通過CAN總線控制小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器230的輸出、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器310的輸出以及電機(jī)控制器410的轉(zhuǎn)矩輸出來完成整車在各狀態(tài)下對(duì)動(dòng)カ系統(tǒng)的控制與管理。下面說明當(dāng)整車處于各種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)能量管理控制器510如何合理配置燃料電池電堆110、蓄電池組210、超級(jí)電容組320這三種能源，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)420的正常運(yùn)行及能源的合理利用。當(dāng)整車處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，燃料電池電堆沒有能量輸出，整車所需功率全部由蓄電池組提供。系統(tǒng)能量管理控制器控制小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出恒定電壓給燃料電池輔助系統(tǒng)，以啟動(dòng)燃料電池電堆。同時(shí)控制高壓開關(guān)Kl斷開、高壓開關(guān)K2閉合、電機(jī)控制器輸出轉(zhuǎn)矩完成整車起歩。當(dāng)燃料電池電堆啟動(dòng)完畢后，控制高壓開關(guān)Kl閉合，燃料電池電堆接入直流母線。當(dāng)整車處于加速狀態(tài)時(shí)，需求功率較大，輔助能源補(bǔ)償燃料電池電堆的輸出功率。系統(tǒng)能量管理控制器控制高壓開關(guān)Kl閉合、電機(jī)控制器輸出大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩完成加速過程?？紤]到輔助能源裝置的SOC較低時(shí)不宣放電，因此按照如下方式配置輔助能源的輸出。若蓄電池組的SOC大于30%，則控制高壓開關(guān)K2閉合，蓄電池組與燃料電池電堆直接并聯(lián)輸出功率；否則，控制高壓開關(guān)K2斷開。若超級(jí)電容組的SOC大于10%，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由超級(jí)電容組向直流母線正向輸出大電流，分擔(dān)加速過程中電機(jī)控制器的目標(biāo)需求功率，從而減小燃料電池電堆與蓄電池組并聯(lián)提供給電機(jī)控制器的功率，間接穩(wěn)定母線電壓，防止母線電壓陡降；否則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由超級(jí)電容組向直流母線正向輸出零電流。加速時(shí)，如若蓄電池組的SOC不高于30%且超級(jí)電容組的SOC不高于10%，輔助能源裝置不宜輸出功率，需要控制電機(jī)控制器減小輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，限制整車加速。當(dāng)整車處于巡航狀態(tài)時(shí)，整車需求功率小而穩(wěn)定，全部由燃料電池電堆提供，輔助能源無需輸出功率。系統(tǒng)能量管理控制器控制高壓開關(guān)Kl閉合、高壓開關(guān)Κ2斷開，并控制電機(jī)控制器輸出小驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩維持巡航車速。蓄電池組與直流母線斷開，不參與充放電，超級(jí)電容組依據(jù)自身SOC狀況采取充電措施。若超級(jí)電容組的SOC小于50%，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容器反向中小電流充電；若超級(jí)電容組的SOC介于50%與70%之間，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容器反向小電流充電；若超級(jí)電容組的SOC大于70%吋，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組反向零電流充電。當(dāng)整車處于滑行狀態(tài)時(shí)，需求功率為零，燃料電池電堆輸出的多余功率需要由輔助能源吸收。系統(tǒng)能量管理控制器控制高壓開關(guān)Ki閉合、電機(jī)控制器輸出零轉(zhuǎn)矩?？紤]到輔助能源的SOC較高時(shí)不宣充電，因此按照如下方式儲(chǔ)存能量。若超級(jí)電容組的SOC小于60%，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組反向中小電流充電；若超級(jí)電容組的SOC介于60%與90%之間，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組反向小電流充電；否則，控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組反向零電流充電。若蓄電池組的SOC小于70%且超級(jí)電容組的SOC大于90%，則控制高壓開關(guān)Κ2閉合，燃料電池電堆與蓄電池組直接并聯(lián)給蓄電池組充電；否則，控制高壓開關(guān)Κ2斷開。滑行時(shí)，如若超級(jí)電容組的SOC不小于90%且蓄電池組的SOC不小于70%，輔助能源裝置不宣吸收能量，則控制高壓開關(guān)Kl斷開。當(dāng)整車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，回饋的制動(dòng)能量由輔助能源吸收，燃料電池電堆不需要輸出功率。系統(tǒng)能量管理控制器控制高壓開關(guān)Ki斷開，井根據(jù)制動(dòng)踏板強(qiáng)度控制電機(jī)控制器輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。考慮到輔助能源的SOC較高時(shí)不宣充電，因此按照如下方式回收制動(dòng)
倉tfi。若超級(jí)電容組的SOC小于30%，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組反向大電流充電；若超級(jí)電容組的SOC介于30%與90%之間，則控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組反向中小電流充電；否則，控制高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器由直流母線向超級(jí)電容組零電流充電。若蓄電池組的SOC小于70%且超級(jí)電容組的SOC大于90%，則控制高壓開關(guān)K2閉合，直流母線給蓄電池組充電；否則，控制高壓開關(guān)K2斷開。制動(dòng)時(shí)，如若超級(jí)電容組的SOC不小于90%且蓄電池組的SOC不小于70%，輔助能源不宣吸收功率，因此控制電機(jī)控制器輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，即制動(dòng)回饋能量為零。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技木。
權(quán)利要求1.一種車載燃料電池與蓄電池及超級(jí)電容混合并聯(lián)動(dòng)カ系統(tǒng)，其特征在于包括燃料電池電堆、燃料電池輔助系統(tǒng)及燃料電池控制器、蓄電池組及蓄電池管理系統(tǒng)、超級(jí)電容組及超級(jí)電容管理系統(tǒng)、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器、小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)控制器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)、系統(tǒng)能量管理控制器、高壓開關(guān)K1、高壓開關(guān)K2及功率ニ極管；燃料電池電堆的高壓輸出端通過高壓開關(guān)Kl與功率ニ極管陽極相連，蓄電組的高壓輸出端通過高壓開關(guān)K2與功率ニ極管陰極及電機(jī)控制器的高壓輸入端直接并聯(lián)，從而構(gòu)成直流母線；超級(jí)電容組通過高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器與直流母線相連，蓄電池組高壓輸出端通過小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器與燃料電池輔助系統(tǒng)相連；超級(jí)電容組與高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，系統(tǒng)能量管理控制器通過CAN總線連接燃料電池控制器、小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器、蓄電池管理系統(tǒng)、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器、超級(jí)電容管理系統(tǒng)以及電機(jī)控制器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種車載燃料電池與蓄電池及超級(jí)電容混合并聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池電堆、燃料電池輔助系統(tǒng)及燃料電池控制器、蓄電池組、超級(jí)電容組、高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器、小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)控制器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及系統(tǒng)能量管理控制器，燃料電池電堆的高壓輸出端通過高壓開關(guān)K1與功率二極管陽極相連，蓄電組的高壓輸出端通過高壓開關(guān)K2與功率二極管陰極及電機(jī)控制器的高壓輸入端直接并聯(lián)構(gòu)成直流母線；超級(jí)電容組通過高壓雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器與直流母線相連，蓄電池組的高壓輸出端通過小功率單向DC/DC轉(zhuǎn)換器與燃料電池輔助系統(tǒng)相連。本實(shí)用新型摒棄了傳統(tǒng)燃料電池電堆輸出需要大功率DC/DC穩(wěn)壓的供電模式，提高了效率，配置的超級(jí)電容組可補(bǔ)償直流母線瞬時(shí)需求功率，穩(wěn)定母線電壓，并快速、有效地回收制動(dòng)能量。
文檔編號(hào)B60L11/18GK202641416SQ20122025553
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者謝長(zhǎng)君, 全書海, 張琴, 石英, 陳啟宏, 黃亮, 張立炎, 孫曉明, 鄧堅(jiān) 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)