專利名稱：燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于新能源電動汽車領(lǐng)域，是一種增程式電動汽車動力系統(tǒng)，進一步說是一種燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
新能源電動汽車有著節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，正成為新一代汽車研發(fā)的熱點。近年來，電動汽車技術(shù)已取得了重大進展，然而在研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化推進過程中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn)，如動力電池壽命短，充電時間長，能量密度不高導(dǎo)致一次充電后整車?yán)m(xù)駛里程短等問題。由于純電動汽車一次充電后的續(xù)駛里程短，故作為提高整車?yán)m(xù)駛里程的增程式電 動汽車應(yīng)運而生。增程式電動汽車是在純電動汽車的基礎(chǔ)上配備車載充電器的新能源電動汽車，從而大大提高了電動汽車的續(xù)航能力。增程式電動汽車主要采用動力蓄電池作為驅(qū)動能源，如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等，而車載充電器一般采用小型汽油或柴油內(nèi)燃發(fā)動機，當(dāng)動力蓄電池電量充足時該內(nèi)燃機無需啟動，當(dāng)動力蓄電池電量不足時該內(nèi)燃機將啟動，且可連續(xù)工作在最佳轉(zhuǎn)速下，輸出的功率和扭矩也基本恒定，因而其效率、排放、可靠性等均處在較佳狀態(tài)。內(nèi)燃機可持續(xù)給動力蓄電池進行在線充電，這將大大增加整車?yán)m(xù)駛里程。此外，增程式電動汽車的動力蓄電池容量只需相同級別純電動車的40%至50%，綜合成本基本相當(dāng)。但是內(nèi)燃機工作燃料仍然采用汽油或柴油等不可再生能源，能量轉(zhuǎn)換效率不足30%,且排放出CO、C02、硫化物、氮氧化合物等污染物，這與純電動汽車實現(xiàn)零排放的清潔能源目標(biāo)不符合，因此續(xù)駛里程更高的燃料電池電動汽車誕生。但燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)一般采用質(zhì)子交換膜燃料電池作為車載主能源，而動力蓄電池則為輔助能源，只是在車輛啟動及加速爬坡狀態(tài)下提供輔助功率用，這樣燃料電池系統(tǒng)輸出功率隨著車載工況動態(tài)變化，而燃料電池系統(tǒng)在這種動態(tài)工況下壽命及耐久性欠佳，而且大功率的燃料電池系統(tǒng)成本遠高于動力電池，這兩點導(dǎo)致燃料電池電動汽車難以進行有效推廣。因此提出采用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)增程式電動汽車動力系統(tǒng)方案，即整車采用動力蓄電池作為車載主能源，而小功率燃料電池系統(tǒng)為動力蓄電池的車載充電器。一方面質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)以高壓氫氣及壓縮空氣為反應(yīng)劑，生產(chǎn)電和水，轉(zhuǎn)換效率超過50%，且完全零污染零排放，優(yōu)于采用汽油或柴油的內(nèi)燃機做增程器方案；另一方面由于燃料電池系統(tǒng)功率配置低于傳統(tǒng)燃料電池電動汽車從而成本更低，且此動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下燃料電池系統(tǒng)工作在穩(wěn)定輸出狀態(tài)，車載使用壽命更高。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供了一種以磷酸鐵鋰動力電池為車載主能源，以質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)為其車載充電器，通過可控DC/DC變換器對磷酸鐵鋰電池包進行在線充電，從而提高電動汽車的續(xù)航里程的燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案是一種燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)，包括配備氫氣罐的燃料電池系統(tǒng)、DC/DC變換器、動力蓄電池系統(tǒng)、電機控制器及驅(qū)動電機、整車控制器VMS，所述燃料電池系統(tǒng)包括氫氣供給裝置、燃料電池發(fā)電裝置及燃料電池控制器，其特征在于所述氫氣罐通過減壓閥以及可控電磁閥為燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)所需氫氣；燃料電池系統(tǒng)輸出端通過繼電器SI與DC/DC變換器輸入相連；DC/DC變換器輸出與動力蓄電池系統(tǒng)相連；動力蓄電池系統(tǒng)與電機控制器的高壓輸入相連，電機控制器三相輸出連接驅(qū)動電機；整車控制器VMS通過I/O 口直接控制氫氣輸出的電磁閥和繼電器SI，整車控制器VMS通過CAN總 線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、動力蓄電池系統(tǒng)、電機控制器進行通訊，從而控制電機驅(qū)動整車行駛并管理整個動力系統(tǒng)。在本實用新型的一個實施例中，所述燃料電池系統(tǒng)為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)所述減壓閥分為兩級，所述氫氣罐儲存的氫氣通過一級減壓閥、二級減壓閥以及可控電磁閥為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)用氫氣。所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池發(fā)電裝置及燃料電池控制器。燃料電池控制器獲得發(fā)電裝置的電壓、電流、壓力、溫度等信息，并控制進入發(fā)電裝置的氫氣及空氣，從而產(chǎn)生電能。所述DC/DC變換器包括DC/DC拓?fù)渥儞Q及DC/DC控制器。燃料電池系統(tǒng)傳輸過來的電能通過DC/DC變換器的變換，給磷酸鐵鋰動力電池包進行可控充電。而可控充電功率則由整車控制器通過CAN總線發(fā)給DC/DC控制器。動力蓄電池系統(tǒng)包括磷酸鐵鋰動力電池包和電池管理系統(tǒng)。動力電池包輸入端與DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出端相連，輸出端則連接電機控制器的輸入端。磷酸鐵鋰動力電池包為電動汽車的驅(qū)動電機提供電能，當(dāng)磷酸鐵鋰電池電流不足時，則由燃料電池系統(tǒng)通過DC/DC變換器為其充電，從而來提高整車?yán)m(xù)駛里程。電池管理系統(tǒng)則用于獲取動力電池包的SOC電量值、電壓、電流及溫度等信息。電機控制器及驅(qū)動電機則將電能轉(zhuǎn)換為機械能，結(jié)合驅(qū)動變速箱以及驅(qū)動橋來實現(xiàn)對整車的驅(qū)動及行駛。整車控制器為整個動力系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件。首先它根據(jù)磷酸鐵鋰電池包電量SOC及燃料電池狀態(tài)，直接通過IO 口去控制管理高壓氫氣輸入的電磁閥以及繼電器SI ;其次它通過CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、電池管理系統(tǒng)以及電機控制器進行通訊，實現(xiàn)對整個動力系統(tǒng)的控制和管理。具體的控制方法詳見具體實施方式
。所述氫氣罐壓力為100_700bar,氫氣通過一級減壓閥后壓力為O-IObar,通過二級減壓閥后壓力為0-lbar，再通過電磁閥為燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)所需燃料，燃料電池通過氫氣與空氣中的氧氣在質(zhì)子交換膜上發(fā)生反應(yīng)生成直流電和水，其中直流電則通過后級DC/DC變換器為磷酸鐵鋰動力電池包充電，從而提高磷酸鐵鋰動力電池包的在線電量，延長整車?yán)m(xù)駛里程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(I)在動力蓄電池包前級增加燃料電池系統(tǒng)及DC/DC變換器，解決了車載動力電池能量儲存的不足，增加了車輛的行駛里程。(2)以質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機作為車載發(fā)電裝置，具有零排放、零污染、低噪音、高效能的優(yōu)點。(3)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)工作在穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)下，相比燃料電池電動汽車動力結(jié)構(gòu)來說，燃料電池壽命更高，成本更低。

圖1為本實用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型整車控制器信號流圖。
具體實施方式
現(xiàn)在參考附圖描述本實用新型的實施方式。本實用新型燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)的連接方式如圖I所示高壓氫氣罐的輸出端通過一級減壓閥、二級減壓閥和可控電磁閥連接質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)；燃料電池系統(tǒng)的輸出端通過可控繼電器SI與DC/DC變換器輸入端相接，DC/DC變換器輸出端則與磷酸鐵鋰電池包輸入端連接；磷酸鐵鋰電池包輸出端連接到電機控制器的輸入端，電機控制器輸出端連接驅(qū)動電機；驅(qū)動電機再通過變速箱、驅(qū)動橋去驅(qū)動車輪行駛。整車控制器VMS通過I/O 口去控制電磁閥和繼電器SI，并通過CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、電池管理系統(tǒng)以及電機控制器進行通訊。本實用新型的工作過程是整車控制器VMS獲得點火開關(guān)信號、油門踏板模擬信號、剎車踏板模擬信號，通過I/O 口輸出電磁閥開閉信號及繼電器SI開閉信號,通過CAN總線獲得磷酸鐵鋰動力電池電量SOC值、鋰電池包狀態(tài)(正常或故障，下同)、燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)、DC/DC變換器狀態(tài)、驅(qū)動電機及控制器狀態(tài)、DC/DC輸入輸出電壓電流，通過CAN總線控制驅(qū)動電機的輸出扭矩以及DC/DC變換器的輸出功率，從而實現(xiàn)驅(qū)動整車行駛及燃料電池系統(tǒng)對磷酸鐵鋰電池包的在線充電。以上結(jié)合最佳實施例對本實用新型進行了描述，但本實用新型并不局限于以上揭示的實施例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本實用新型的本質(zhì)進行的修改、等效組合。
權(quán)利要求1.一種燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)，包括配備氫氣罐的燃料電池系統(tǒng)、DC/DC變換器、動力蓄電池系統(tǒng)、電機控制器及驅(qū)動電機、整車控制器VMS，所述燃料電池系統(tǒng)包括氫氣供給裝置、燃料電池發(fā)電裝置及燃料電池控制器，其特征在于所述氫氣罐通過減壓閥以及可控電磁閥為燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)所需氫氣；燃料電池系統(tǒng)輸出端通過繼電器SI與DC/DC變換器輸入相連；DC/DC變換器輸出與動力蓄電池系統(tǒng)相連；動力蓄電池系統(tǒng)與電機控制器的高壓輸入相連，電機控制器三相輸出連接驅(qū)動電機；整車控制器VMS通過I/O 口直接控制氫氣輸出的電磁閥和繼電器SI，整車控制器VMS通過CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、動力蓄電池系統(tǒng)、電機控制器進行通訊。
2.如權(quán)利要求I所述的燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)，其特征在于所述燃料電池系統(tǒng)為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)， 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池發(fā)電裝置及燃料電池控制器，燃料電池控制器獲得發(fā)電裝置的電壓、電流、壓力、溫度信息，并控制進入發(fā)電裝置的氫氣及空氣，從而產(chǎn)與三％倉泛; 減壓閥分為兩級，所述氫氣罐儲存的氫氣通過一級減壓閥、二級減壓閥以及可控電磁閥為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)用氫氣； DC/DC變換器包括DC/DC拓?fù)渥儞Q及DC/DC控制器，燃料電池系統(tǒng)傳輸過來的電能通過DC/DC變換器的變換，給磷酸鐵鋰動力電池包進行可控充電，而可控充電功率則由整車控制器VMS通過CAN總線發(fā)給DC/DC控制器； 動力蓄電池系統(tǒng)包括磷酸鐵鋰動力電池包和電池管理系統(tǒng)，動力電池包輸入端與DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出端相連，輸出端則連接電機控制器的輸入端，磷酸鐵鋰動力電池包為電動汽車的驅(qū)動電機提供電能，當(dāng)磷酸鐵鋰電池電流不足時，則由燃料電池系統(tǒng)通過DC/DC變換器為其充電，從而來提高整車?yán)m(xù)駛里程，電池管理系統(tǒng)則用于獲取磷酸鐵鋰動力電池包的SOC電量值、電壓、電流及溫度信息； 電機控制器及驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，結(jié)合驅(qū)動變速箱以及驅(qū)動橋來實現(xiàn)對整車的驅(qū)動及行駛； 整車控制器整個動力系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件，首先它根據(jù)磷酸鐵鋰電池包電量SOC及燃料電池狀態(tài)，直接通過I/O 口去控制管理氫氣輸入的電磁閥以及繼電器SI ;其次它通過CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、電池管理系統(tǒng)以及電機控制器進行通訊，實現(xiàn)對整個動力系統(tǒng)的控制和管理。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)，其特征在于所述氫氣罐壓力為100-700bar,氫氣通過一級減壓閥后壓力為O-IObar,通過二級減壓閥后壓力為O-Ibar。
專利摘要本實用新型公開了一種燃料電池做車載增程式充電器的電動汽車動力系統(tǒng)，其配備氫氣罐的燃料電池系統(tǒng)輸出端通過可控繼電器S1與DC/DC變換器輸入相連；DC/DC變換器輸出與磷酸鐵鋰動力電池包相連；磷酸鐵鋰動力電池包與電機控制器的高壓輸入端相連，電機控制器三相輸出端連接驅(qū)動電機；整車控制器VMS通過I/O口直接控制管理氫氣輸出的電磁閥和繼電器S1，并通過CAN總線與燃料電池系統(tǒng)、DC/DC變換器、電池管理系統(tǒng)、電機控制器進行通訊，從而控制電機驅(qū)動整車行駛并管理整個動力系統(tǒng)。帶氫氣罐的燃料電池系統(tǒng)作為磷酸鐵鋰動力電池包的車載充電器，可提供一種電動汽車車載增程器方案。燃料電池系統(tǒng)作車載增程器效率高于內(nèi)燃機，且低噪聲，零排放零污染。
文檔編號B60L11/00GK202357902SQ20112028554
公開日2012年8月1日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者全書海, 孫曉明, 張立炎, 沈迪, 石英, 謝長君, 鄧堅, 陳啟宏, 黃亮 申請人:武漢理工大學(xué)