專利名稱：燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置，屬于燃料電池汽車動(dòng)力裝置開發(fā)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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(jī)車輛相比較，具有節(jié)能、環(huán)保、和運(yùn)行安靜等優(yōu)良工作性能，因而成為當(dāng)前新一代汽車研發(fā)技術(shù)中的熱點(diǎn)。國(guó)家“十五”863電動(dòng)汽車的重大專項(xiàng)中專門成立了燃料電池轎車和燃料電池城市客車的子項(xiàng)目，燃料電池汽車的研發(fā)已經(jīng)成為推動(dòng)我國(guó)汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大舉措。燃料電池混合動(dòng)力裝置的集成技術(shù)是燃料電池汽車研發(fā)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
燃料電池汽車的動(dòng)力裝置是燃料電池汽車區(qū)別于其它類型車輛(內(nèi)燃機(jī)汽車、蓄電池電動(dòng)汽車以及油-電混合動(dòng)力汽車)的最主要標(biāo)志。一般來說，燃料電池汽車的動(dòng)力裝置主要由燃料電池裝置(包括燃料電池電堆、燃料電池輔助設(shè)備以及燃料電池控制器等)、蓄電池(或超級(jí)電容)、電機(jī)和電機(jī)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(dá)40％以上)、清潔(排放物為潔凈的水)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)替代了效率較低且工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生污染物排放的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，并輔助以可以充放電的輔助儲(chǔ)能裝置—蓄電池(或超級(jí)電容，等)，彌補(bǔ)了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率輸出能力差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢以及不能回收制動(dòng)能量等缺陷。因此，這樣的燃料電池混合動(dòng)力裝置被廣泛認(rèn)為是未來汽車的理想的動(dòng)力裝置型式之一。
當(dāng)前，在燃料電池汽車研發(fā)中，較為常用的燃料電池混合動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示燃料電池之后連接單向升壓型的DC/DC變換器，而后與電機(jī)控制器相連接，通過電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作；燃料電池輔助設(shè)備以及動(dòng)力裝置的24V用電電源的供電從單向DC/DC變換器的出口提供；在升壓型DC/DC變換器與電機(jī)控制器相連接的直流母線上，并接蓄電池組(或超級(jí)電容)，可以直接并接，也可以通過一個(gè)雙向DC/DC變換器與直流母線并接。對(duì)于這種常用的混合動(dòng)力裝置，在裝置起動(dòng)之前，由于燃料電池裝置沒有開始工作，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(dāng)燃料電池裝置被起動(dòng)以后，整個(gè)動(dòng)力裝置開始正常工作。這是現(xiàn)在最常用的一種燃料電池混合動(dòng)力裝置集成的結(jié)構(gòu)方式，在這樣的動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)中，為了能夠在裝置啟動(dòng)時(shí)起動(dòng)燃料電池裝置，就必須從燃料電池裝置后的單向升壓型DC/DC變換器出口的直流母線上向燃料電池輔助設(shè)備引取電力，為燃料電池輔助設(shè)備提供電源，這樣就可以使得在動(dòng)力裝置起動(dòng)的時(shí)候，由蓄電池組(或超級(jí)電容)為燃料電池輔助裝置供電來啟動(dòng)燃料電池裝置。
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(yīng)似乎仍然可以是由蓄電池組來提供的，但實(shí)際上，燃料電池輔助裝置的電力供應(yīng)實(shí)際上是由燃料電池裝置自己承擔(dān)的，因?yàn)樵谌剂想姵仄囘\(yùn)行的整個(gè)過程中，正常情況下，蓄電池組是不額外進(jìn)行充電的，蓄電池組的能量補(bǔ)充同它的能量釋放一樣，都是在車輛動(dòng)力裝置的工作過程中完成的，蓄電池的電能儲(chǔ)存都是來源于燃料電池的。這就是說，從長(zhǎng)期運(yùn)行過程來看，燃料電池汽車的混合動(dòng)力裝置的所有動(dòng)力歸根究底都是由燃料電池裝置提供的，而蓄電池組(或超級(jí)電容)則可視為一個(gè)能量“緩存”。這樣一來，上述的動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)方式就存在下面的問題燃料電池輔助設(shè)備所需的電力實(shí)際上是從燃料電池裝置(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裝置(燃料電池輔助設(shè)備)。一方面，這一能量流在經(jīng)過DC/DC變換器會(huì)損失掉一部分能量(例如一臺(tái)100kW的燃料電池，其輔助設(shè)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，那么這樣的裝置中，僅在燃料電池輔助設(shè)備的供電方面就會(huì)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(shè)備的功率容量，因此，與燃料電池輔助設(shè)備的供電不經(jīng)過它而直接由燃料電池裝置提供的情況相比，DC/DC變換器的功率容量就必須做的要大的多，導(dǎo)致它的體積、重量以及造價(jià)也會(huì)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(dòng)力裝置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(shè)備和24V電源裝置供電的功率傳輸環(huán)節(jié)。因此，很希望將燃料電池輔助設(shè)備和24V電源裝置的供電點(diǎn)直接設(shè)在燃料電池裝置的出口，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，這樣改變裝置連接方式又會(huì)造成裝置的起動(dòng)困難的問題，因?yàn)?，裝置起動(dòng)之初，輔助設(shè)備沒有途徑得到必須的電力供應(yīng)，燃料電池裝置也就沒有辦法啟動(dòng)了。
也即是如果燃料電池輔助設(shè)備的供電不經(jīng)過它而直接由燃料電池裝置提供，將能構(gòu)解決上述的兩個(gè)問題，但需要解決動(dòng)力裝置起動(dòng)時(shí)燃料電池的啟動(dòng)問題。本實(shí)用新型給出了一種新的燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置，很好地解決了這三個(gè)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為了提供一種燃料電池汽車的混合動(dòng)力裝置，使它一方面能夠減少燃料電池混合動(dòng)力裝置之后的單向升壓型DC/DC變換器的功率容量，以及燃料電池裝置的功率損失；另一方面可以很好地解決燃料電池的啟動(dòng)問題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提出一種新的混合動(dòng)力裝置，該裝置包括燃料電池電堆、燃料電池輔助設(shè)備和燃料電池控制器、功率二極管、雙向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器、動(dòng)力蓄電池組和電池管理器以及電機(jī)和電機(jī)控制器；
燃料電池之后連接一雙向DC/DC變換器，同時(shí)二者之間使用一功率二極管作為隔離，以防止反向電流進(jìn)入燃料電池電堆；在功率二極管之后雙向DC/DC變換器之前的電力接線上，引出分支接線通往燃料電池輔助設(shè)備，為燃料電池輔助設(shè)備供電；雙向DC/DC變換器的輸出端與電機(jī)控制器的輸入端相連接，電機(jī)控制器的輸出端接交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)；在雙向DC/DC變換器之后電機(jī)控制器之前的動(dòng)力裝置直流母線上，并接蓄電池組。同時(shí)還在雙向DC/DC變換器的輸入端口并接輸出電壓為24V的小功率DC/DC變換器，為動(dòng)力裝置中各個(gè)控制部件供電。另外，混合動(dòng)力裝置還需要一個(gè)整車控制器協(xié)調(diào)和控制混合動(dòng)力裝置中每個(gè)關(guān)鍵的動(dòng)力部的運(yùn)行工作。
在這一混合動(dòng)力裝置中，燃料電池輔助設(shè)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(shè)備供電。這樣就不會(huì)由于燃料電池輔助設(shè)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(huì)由于要承載從燃料電池電堆到燃料電池輔助設(shè)備的功率而增加DC/DC變換器的功率容量。
在整個(gè)動(dòng)力裝置起動(dòng)之初，燃料電池裝置不會(huì)立即啟動(dòng)，它需要輔助設(shè)備先開始工作后才能啟動(dòng)。此時(shí)蓄電池為裝置提供動(dòng)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(shè)備供電。這樣24VDC/DC變換器為各個(gè)控制部件供電，使這些控制器開始工作；燃料電池輔助設(shè)備開始工作后，燃料電池裝置被啟動(dòng)并開始正常工作。
燃料電池裝置以及整個(gè)動(dòng)力裝置完成啟動(dòng)過程之后，將由燃料電池裝置來為整個(gè)動(dòng)力裝置提供動(dòng)力，此時(shí)雙向DC/DC變換器工作在正向狀態(tài)。
另外，在燃料電池裝置發(fā)生故障時(shí)，雙向DC/DC變換器工作又會(huì)在反向狀態(tài)，蓄電池組為整個(gè)動(dòng)力裝置提供動(dòng)力，一方面通過電機(jī)控制器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(jìn)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(shí)，整個(gè)動(dòng)力裝置仍然可以正常運(yùn)行。
在本實(shí)用新型提出的燃料電池汽車的混合動(dòng)力裝置中，燃料電池裝置的出口使用了雙向DC/DC變換器。在裝置起動(dòng)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(jī)控制器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(shè)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裝置的起動(dòng)困難問題了。同時(shí)，由于這種混合裝置結(jié)構(gòu)型式下，燃料電池輔助設(shè)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(shè)備和24V電源這部分的功率消耗，同時(shí)也有效地減小了燃料電池裝置出口處的DC/DC變換器功率容量和設(shè)計(jì)尺寸。


圖1是現(xiàn)有較為常用的燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本實(shí)用新型提出的燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置的裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖3是該燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置起動(dòng)前、起動(dòng)時(shí)或燃料電池裝置故障時(shí)的動(dòng)力裝置功率流向圖。
圖4是該燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置工作過程中，蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí)的動(dòng)力裝置功率流向圖。
圖5是該燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置工作過程中，蓄電池處于放電狀態(tài)時(shí)的動(dòng)力裝置功率流向圖。
圖6是該燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置處于制動(dòng)能量回饋狀態(tài)時(shí)的動(dòng)力裝置功率流向圖。
具體實(shí)施方式
圖1是現(xiàn)有的燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置總體結(jié)構(gòu)圖。燃料電池輔助設(shè)備所需的電力實(shí)際上是從燃料電池裝置(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裝置(燃料電池輔助設(shè)備)。一方面，這一能量流在經(jīng)過DC/DC變換器會(huì)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(shè)備的功率容量，因此，與燃料電池輔助設(shè)備的供電不經(jīng)過它而直接由燃料電池裝置提供的情況相比，DC/DC變換器的功率容量就必須做的要大的多，導(dǎo)致它的體積、重量以及造價(jià)也會(huì)大的多。
如圖2所示，給出了本實(shí)用新型提出的燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置的總體結(jié)構(gòu)圖，包括裝置的動(dòng)力部分的結(jié)構(gòu)和裝置的控制部分的結(jié)構(gòu)。該裝置的動(dòng)力部分主要由燃料電池裝置、雙向DC/DC變換器、蓄電池裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置(電機(jī)和電機(jī)控制器)以及24VDC/DC變換器等動(dòng)力部件組成。其中，作為動(dòng)力裝置組成部分的燃料電池裝置，主要包括由燃料電池電堆、燃料電池輔助設(shè)備和燃料電池控制器這三個(gè)部分；而蓄電池裝置則包括動(dòng)力蓄電池組和電池管理器。裝置的控制部分主要包括整車控制器和CAN通訊網(wǎng)絡(luò)，整車控制器接收來自于駕駛員操作裝置的鑰匙信號(hào)、加速踏板信號(hào)以及制動(dòng)踏板信號(hào)等駕駛員操縱信號(hào)；整車控制器還與動(dòng)力裝置各個(gè)動(dòng)力部件的控制單元進(jìn)行通訊，向每個(gè)部件的控制器下達(dá)控制指令，同時(shí)還從這些控制單元采集每個(gè)動(dòng)力部件運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)信息，以便結(jié)合駕駛員的操縱信號(hào)，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?qǐng)D3、圖4、圖5和圖6對(duì)該裝置的運(yùn)行原理進(jìn)行解釋。
如圖3所示，給出了在整個(gè)動(dòng)力裝置起動(dòng)前、起動(dòng)時(shí)，或者在燃料電池裝置出現(xiàn)故障而無法工作時(shí)，動(dòng)力裝置中的功率流向情況。在這幾種情況下，燃料電池裝置均無法正常工作，因此，動(dòng)力蓄電池組成為裝置中唯一可用的動(dòng)力源部件。電流從蓄電池組流出，一部分流向電機(jī)控制器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；一部分流向雙向DC/DC變換器。此時(shí)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(shè)備提供電源。這樣一來，雖然這些情況下，燃料電池裝置不能工作，但是，整個(gè)動(dòng)力裝置仍然可以依靠動(dòng)力蓄電池組來維持運(yùn)行。
如圖4所示，給出了整個(gè)動(dòng)力裝置在正常運(yùn)行的過程中，當(dāng)蓄電池處于被充電狀態(tài)時(shí)裝置中的功率流向情況。在這種情況下，燃料電池裝置正常工作。從圖中可以看到，燃料電池電堆直接為燃料電池輔助設(shè)備和24V的DC/DC變換器提供所需的電功率，同時(shí)還通過雙向DC/DC變換器，一方面為電機(jī)控制器提供電功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，一方面還為動(dòng)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(gè)動(dòng)力裝置在正常運(yùn)行的過程中，當(dāng)蓄電池處于放電狀態(tài)時(shí)裝置中的功率流向情況。與圖4所示的情況相似，在這種情況下，燃料電池裝置也正常工作；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(shè)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，燃料電池裝置還為電機(jī)控制器提供所需的部分電功率，而電機(jī)控制器所需電功率的剩余部分則有動(dòng)力蓄電池組直接提供。即由燃料電池裝置和動(dòng)力蓄電池組共同提供電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(gè)動(dòng)力裝置處在制動(dòng)能量回饋狀態(tài)時(shí)裝置中的功率流向情況。制動(dòng)能量回饋是多數(shù)電動(dòng)汽車性能上的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。在制動(dòng)能量回饋時(shí)，電機(jī)工作在反饋制動(dòng)的工作區(qū)域里，即處于發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。電機(jī)裝置將用于回饋的機(jī)械形式的制動(dòng)能量用于發(fā)電，產(chǎn)生的電流從電機(jī)控制器的直流端流出，流入動(dòng)蓄電池組為其充電，將回饋的制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存于動(dòng)力蓄電池組中。此時(shí)燃料電池裝置的工作情況與圖4中所示的蓄電池組處于充電狀態(tài)時(shí)的情況相同。此時(shí)，雙向DC/DC變換器工作在正向狀態(tài)。
然而，圖6所示的功率流向圖示，只對(duì)應(yīng)于動(dòng)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(dòng)能量回饋的電流超出蓄電池組所需的充電電流時(shí)，制動(dòng)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(dòng)回饋的電流為燃料電池輔助設(shè)備和24V的DC/DC變換器提供全部或者部分所需電功率。
權(quán)利要求1.燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置，其特征在于，該裝置包括燃料電池電堆、燃料電池輔助設(shè)備和燃料電池控制器、功率二極管、雙向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器、動(dòng)力蓄電池組和電池管理器以及電機(jī)和電機(jī)控制器；燃料電池電堆通過電力主接線連接一雙向DC/DC變換器，該DC/DC變換器的輸出端通過電力主接線與電機(jī)控制器的輸入端相連接，電機(jī)控制器的輸出端接交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)；在DC/DC變換器之后電機(jī)控制器之前的電力主接線上，并接蓄電池組；在DC/DC變換器的輸入端口通過電力主接線分別并接燃料電池輔助設(shè)備和另一24V的DC/DC變換器；燃料電池控制器，電池管理器，DC/DC變換器，電機(jī)控制器電氣接線兩兩相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置，其特征在于，在燃料電池電堆之后，與DC/DC變換器連接方向，即正向連接一功率二極管。
專利摘要一種燃料電池汽車混合動(dòng)力裝置，主要包括燃料電池電堆、燃料電池輔助設(shè)備和燃料電池控制器、功率二極管、雙向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器、動(dòng)力蓄電池組和電池管理器以及電機(jī)和電機(jī)控制器。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(jī)控制器上，電機(jī)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(shè)備和24V DC/DC變換器。裝置啟動(dòng)后燃料電池輔助設(shè)備不經(jīng)過DC/DC變換器而直接由燃料電池裝置供電，同時(shí)也解決了動(dòng)力裝置起動(dòng)時(shí)燃料電池的啟動(dòng)問題；縮減了動(dòng)力裝置中DC/DC變換器功率容量和設(shè)計(jì)尺寸，增加了混合動(dòng)力裝置工作可靠性，提高了裝置運(yùn)行效率。
文檔編號(hào)B60L11/18GK2756489SQ20042000995
公開日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17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(qǐng)人:清華大學(xué)