專利名稱：一種燃料電池汽車的能量混合型動力系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池汽車的能量混合型動力系統(tǒng)，屬于燃料電池汽車研發(fā)技術領域。
背景技術：
二十世紀九十年代以來，全球的石油危機以及大氣污染使汽車的節(jié)能與環(huán)保性能日益得到重視，雖然發(fā)動機的電控技術和三元催化等排氣凈化技術的應用，使汽車的排放和油耗已經(jīng)很低，但未能從根本上解決汽車排污和能源問題。燃料電池汽車由于其安靜、高效和零排放等優(yōu)良性能被廣泛認為是未來汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。面對存在于能源環(huán)境問題和汽車工業(yè)發(fā)展之間的尖銳矛盾，國家“十五”863計劃專門設立了燃料電池轎車和燃料電池城市客車的項目，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。燃料電池汽車動力系統(tǒng)的相關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。
燃料電池動力系統(tǒng)是燃料電池汽車的核心部分，是決定燃料電池汽車整車性能的關鍵，也是其不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車、蓄電池電動汽車以及油-電混合動力汽車的重要標志。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)、蓄電池組(或超級電容)及其管理系統(tǒng)、電機及其電機控制器以及電力電子裝置(如DC/DC變換器、逆變器、電子開關等)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)的燃料電池系統(tǒng)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動力裝置——蓄電池組(或超級電容等)，彌補了燃料電池系統(tǒng)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)之一。
目前的技術關鍵在于，如何確定燃料電池混合動力系統(tǒng)的結構方式以及如何確定作為主動力源的燃料電池系統(tǒng)和作為輔助動力源的蓄電池組(或超級電容)的輸出功率大小和功率分配方式。圖1和圖2為目前國內(nèi)外各汽車廠商和研究機構常采用的混合動力系統(tǒng)結構方式。
圖1是現(xiàn)有的一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)結構圖。對于圖1燃料電池系統(tǒng)之后連接單向的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；在單向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。在這種動力系統(tǒng)結構中，燃料電池系統(tǒng)作為主要的動力來源，而蓄電池組作為輔助動力裝置，在動力系統(tǒng)啟動之前，蓄電池組為燃料電池輔助設備、24V蓄電池和各個控制部件或管理部件提供的電能，而動力系統(tǒng)啟動后，燃料電池系統(tǒng)為燃料電池輔助設備、24V蓄電池和各個控制部件或管理部件提系統(tǒng)啟動后，燃料電池系統(tǒng)為燃料電池輔助設備、24V蓄電池和各個控制部件或管理部件提供的電能要流經(jīng)單向DC/DC變換器，由于單向DC/DC變換器存在著能量損失，因此會降低整個動力系統(tǒng)的工作效率。同時，與燃料電池輔助設備、24V蓄電池和各個控制部件或管理部件的供電不經(jīng)過單向DC/DC變換器而直接由燃料電池系統(tǒng)提供的情況相比，單向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。
圖2是現(xiàn)有的另外一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)結構圖。對于圖2燃料電池系統(tǒng)之后連接雙向的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；在雙向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。在這種動力系統(tǒng)結構中，燃料電池系統(tǒng)作為主要的動力來源，而蓄電池組作為輔助動力裝置，在動力系統(tǒng)啟動之前，蓄電池組通過雙向DC/DC變換器為燃料電池輔助設備、24V蓄電池和各個控制部件或管理部件提供的電能，而動力系統(tǒng)啟動后，燃料電池系統(tǒng)直接為燃料電池輔助設備、24V蓄電池和各個控制部件或管理部件提供的電能。在動力系統(tǒng)啟動過程中，蓄電池組(或超級電容)通過雙向DC/DC變換器為燃料電池輔助設備、24V蓄電池和各個控制部件或管理部件提供的電能在雙向DC/DC變換器產(chǎn)生一定的損失，會降低整個動力系統(tǒng)的工作效率。同時，雙向DC/DC變換器技術難度較大，成本也較高。
目前，國內(nèi)外各汽車廠商和研究機構傾向于在燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)中使用大容量燃料電池系統(tǒng)，而輔助以小容量的蓄電池組，這樣做帶來的后果是，由于燃料電池系統(tǒng)的成本過高而使整個動力系統(tǒng)乃至整車成本較高。同時，當燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，小容量的蓄電池組不足以長時間驅(qū)動整車運行，使燃料電池汽車的可靠行降低。另外，大容量燃料電池系統(tǒng)的制造工藝和生產(chǎn)技術要求較高，從一定程度上也限制了燃料電池汽車的發(fā)展。

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)。這種動力系統(tǒng)將采用燃料電池系統(tǒng)作為主動力源，蓄電池組作為輔助動力源，實現(xiàn)兩個動力源之間功率和能量的合理分配。
為了達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是提供一種以質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)為主動力源，蓄電池組為輔助動力源，電機及其控制器為驅(qū)動裝置的能量混合型燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)。本發(fā)明采用功率容量適當燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組的方案，二者的額定輸出功率相等。
一種燃料電池汽車的能量混合型動力系統(tǒng)，該動力系統(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系統(tǒng)，由蓄電池組、蓄電池管理系統(tǒng)構成的蓄電池系統(tǒng)、由電機和電機控制器組成的電機驅(qū)動系統(tǒng)以及功率二極管、單向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器、24V蓄電池和整車控制器、兩個開關。
二極管陰極與單向DC/DC變換器的輸入端相連接；蓄電池組輸出端和單向DC/DC變換器的輸出端相連接，共同接在電機控制器輸入端上；電機控制器的輸出端連接電機；燃料電池輔助設備的輸入端和24VDC/DC變換器的輸入端通過一個開關K1接在功率二極管的陰極，同時通過另一個開關K2接在單向DC/DC變換器的輸出端；單向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器輸出端、24V蓄電池、燃料電池控制器、電機控制器、蓄電池管理系統(tǒng)及整車控制器具有電氣連接；動力系統(tǒng)中的燃料電池控制器、單向DC/DC變換器、電機控制器及蓄電池管理系統(tǒng)、開關K1和K2分別通過CAN網(wǎng)絡連接整車控制器，整車控制器協(xié)調(diào)和控制動力系統(tǒng)中每個關鍵部件的運行和工作。
為了實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組的合理功率分配，本發(fā)明實現(xiàn)1)根據(jù)蓄電池組的荷電狀態(tài)，通過對單向DC/DC變換器給定電流的控制來控制燃料電池系統(tǒng)輸出功率，使其輸出功率平緩的跟蹤負載的變化；2)當電機需求最大功率時，燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組輸出最大功率；3)當汽車等速行駛或減速行駛時，燃料電池系統(tǒng)根據(jù)蓄電池組荷電狀態(tài)對蓄電池組充電，以保證蓄電池組荷電狀態(tài)在一個工況循環(huán)前后基本保持相等；4)當汽車制動時，蓄電池組吸收制動回饋能量；5)當燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，蓄電池組單獨驅(qū)動電機工作，并在汽車停庫存放狀態(tài)下，對蓄電池組進行充電，加大汽車的續(xù)駛里程。
在整個動力系統(tǒng)啟動之初，燃料電池系統(tǒng)不會立即啟動，它需要輔助設備現(xiàn)開始工作后才能啟動。此時整車控制器控制開關K1打開、K2閉合，由蓄電池組提供能量啟動燃料電池輔助設備。同時蓄電池組也通過24VDC/DC變換器向24V蓄電池和各個控制部件或管理部件供電，使這些控制器或管理系統(tǒng)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，此時整車控制器控制開關K2打開、K1閉合，燃料電池系統(tǒng)為燃料電池輔助設備提供能量。同時燃料電池系統(tǒng)通過24VDC/DC變換器向24V蓄電池和各個控制部件或管理部件供電，使這些控制器或管理系統(tǒng)工作。由于此時燃料電池輔助設備和24V蓄電池和各個控制部件或管理部件所需要能量全部直接來源于燃料電池系統(tǒng)，不經(jīng)過單向DC/DC變換器，因此整個動力系統(tǒng)的工作效率會提高。
另外，在燃料電池系統(tǒng)發(fā)生故障時，整車控制器控制開關K1打開、K2閉合，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，另一方面為24VDC/DC變換器及24V蓄電池、各個控制部件或管理部件供電。這樣就使得在燃料電池系統(tǒng)發(fā)生故障時，整個動力系統(tǒng)仍然可以正常運行。
由于采用上述技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有以下優(yōu)點1)本發(fā)明的能量混合型混由于采用上述技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有以下優(yōu)點1)本發(fā)明的能量混合型混合動力系統(tǒng)由于采用較小容量燃料電池系統(tǒng)，因此成本較低，運行較為可靠；2)本發(fā)明可以較好地實現(xiàn)燃料電池汽車動力系統(tǒng)中燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組合理的功率和能量分配，同時由于控制燃料電池輸出功率平緩地變化，大大延長燃料電池系統(tǒng)的使用壽命；3)通過對開關K1、K2的自動控制，使整個動力系統(tǒng)工作效率較高，從而提高了整車的燃油經(jīng)濟性；4)由于蓄電池組可以在汽車停庫存放狀態(tài)下進行充電，加大了整車的續(xù)駛里程，并保證了整車運行的可靠性。


圖1是現(xiàn)有的一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)結構示意圖。
圖2是現(xiàn)有的另外一種燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)結構示意3是本發(fā)明提出的能量混合型燃料電池汽車動力系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖來說明本發(fā)明。
圖3是本發(fā)明提出的能量混合型燃料電池汽車動力系統(tǒng)結構示意圖。
一種燃料電池汽車的能量混合型動力系統(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的燃料電池系統(tǒng)，由蓄電池組、蓄電池管理系統(tǒng)構成的蓄電池系統(tǒng)、由電機和電機控制器組成的電機驅(qū)動系統(tǒng)以及功率二極管、單向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器、24V蓄電池和整車控制器、兩個開關；燃料電池系統(tǒng)的電堆輸出端連接功率二極管陽極；二極管陰極與單向DC/DC變換器的輸入端相連接；蓄電池組輸出端和單向DC/DC變換器的輸出端相連接，共同接在電機控制器輸入端上；電機控制器的輸出端連接電機；燃料電池輔助設備的輸入端和24VDC/DC變換器的輸入端通過一個開關K1接在功率二極管的陰極，同時通過另一個開關K2接在單向DC/DC變換器的輸出端；單向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器輸出端、24V蓄電池、燃料電池控制器、電機控制器、蓄電池管理系統(tǒng)及整車控制器具有電氣連接；動力系統(tǒng)中的燃料電池控制器、單向DC/DC變換器、電機控制器及蓄電池管理系統(tǒng)、開關K1和K2分別通過CAN網(wǎng)絡連接整車控制器，整車控制器協(xié)調(diào)和控制動力系統(tǒng)中每個關鍵部件的運行和工作。
參照圖3，本發(fā)明系統(tǒng)1)由燃料電池電堆、燃料電池附屬設備和燃料電池控制器組成的燃料電池系統(tǒng)，通過功率二極管與外面負載相連，保證外部高壓不會施加在燃料電池電堆上，保證了燃料電池系統(tǒng)工作可靠性；2)本發(fā)明所確定動力系統(tǒng)中燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組的額定輸出功率相等；
燃料電池系統(tǒng)的輸出功率平緩地跟蹤負載需求變化，借此來緩沖復雜的工況對燃料電池系統(tǒng)的沖擊；4)蓄電池組輸出端、單向DC/DC變換器輸出端和電機控制器輸入端連接在一起，保證燃料電池系統(tǒng)輸出能量通過單向DC/DC變換器和蓄電池組輸出能量進行混合，共同用來驅(qū)動電機；5)電機與電機控制器輸出側(cè)相連，用來將電能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動車輛；6)燃料電池輔助設備、24VDC/DC變換器通過K1與單向DC/DC變換器輸入側(cè)相連，通過K2與單向DC/DC變換器輸出側(cè)相連，通過K1和K2自動互鎖切換完成供電電源的轉(zhuǎn)換；7)整車控制器通過CAN總線和燃料電池控制器、單向DC/DC變換器、蓄電池管理系統(tǒng)、電機控制器、開關K1和K2相連。整車控制器根據(jù)動力系統(tǒng)啟動狀態(tài)控制開關K1和K2的開關狀態(tài)，根據(jù)司機的鑰匙信號來啟動或關閉動力系統(tǒng)，同時根據(jù)加速踏板信號和制動踏板信號，輸出電機的轉(zhuǎn)矩需求信號，并根據(jù)電機控制器通過CAN送回的轉(zhuǎn)速信號，得到電機的功率需求。應用此功率需求信號，通過給定單向DC/DC變換器輸出電流信號來合理分配燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組的輸出功率和能量，并保證燃料電池系統(tǒng)輸出功率平緩地變化，同時蓄電池組荷電狀態(tài)在一個完整工況前后基本保持不變。
本發(fā)明成本較低，較好地實現(xiàn)燃料電池汽車動力系統(tǒng)中燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組合理的功率和能量分配，由于控制燃料電池輸出功率平緩地變化，大大延長燃料電池系統(tǒng)的使用壽命；通過對開關K1、K2的自動控制，使整個動力系統(tǒng)工作效率較高，提高了整車的燃油經(jīng)濟性，可靠性高。
權利要求
1.一種燃料電池汽車的能量混合型動力系統(tǒng)，其特征在于，該動力系統(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系統(tǒng)，由蓄電池組、蓄電池管理系統(tǒng)組成的蓄電池系統(tǒng)、由電機和電機控制器組成的電機驅(qū)動系統(tǒng)以及功率二極管、單向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器、24V蓄電池和整車控制器以及兩個開關；燃料電池系統(tǒng)的電堆輸出端連接功率二極管陽極；二極管陰極與單向DC/DC變換器的輸入端相連接；蓄電池組輸出端和單向DC/DC變換器的輸出端相連接，共同接在電機控制器輸入端上；電機控制器的輸出端連接電機；燃料電池輔助設備的輸入端和24VDC/DC變換器的輸入端通過一個開關接在功率二極管的陰極，同時通過另外一個開關接在單向DC/DC變換器的輸出端；單向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器輸出端、24V蓄電池、燃料電池控制器、電機控制器、蓄電池管理系統(tǒng)及整車控制器具有電氣連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種燃料電池汽車的能量混合型動力系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池控制器、單向DC/DC變換器、24VDC/DC變換器、電機控制器、兩個開關及蓄電池管理系統(tǒng)分別通過CAN網(wǎng)絡連接整車控制器。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種燃料電池汽車的能量混合型動力系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組額定輸出功率相等。
全文摘要
一種燃料電池汽車的能量混合型動力系統(tǒng)，屬燃料電池汽車研發(fā)技術領域。電堆輸出端通過功率二極管陽極與單向DC/DC變換器輸入端相連接；蓄電池組輸出端和單向DC/DC變換器輸出端相連接，同時接在電機控制器輸入端上；燃料電池輔助設備輸入端和24VDC/DC變換器輸入端通過開關K
文檔編號B60L11/18GK1817679SQ20061001155
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月24日 優(yōu)先權日2006年3月24日
發(fā)明者歐陽明高, 盧青春, 高大威, 金振華, 閻東林, 黃海燕, 裴普成, 李建秋 申請人:清華大學