專利名稱：電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人們對綠色出行需求的不斷增加和環(huán)保意識的不斷增強，以輕便靈活、節(jié)能環(huán)保為特征的燃料電池/鋰離子電池電動自行車逐漸進入人們的視野。目前電動自行車配置直流電機的額定電壓通常為36V和48V，因而在這種低壓直流應(yīng)用中，燃料電池/鋰離子電池混合動力系統(tǒng)的主要制式為在燃料電池級聯(lián)直流變換器的輸出直流總線上掛接鋰離子電池組，該直流總線的電壓變化范圍，即鋰離子電池組充放電電壓范圍與電動自行車電機及其控制器的工作電壓范圍相匹配。這種混合動力配置形式降低了對燃料電池功率和動態(tài)性能的要求，提高了系統(tǒng)效率，同時也降低了燃料電池系統(tǒng)的成本和鋰離子電池組充放電管理的成本，改善了供電的靈活性和系統(tǒng)的運行性能。為了在既有混合動力配置形式基礎(chǔ)上進一步提高燃料電池/鋰離子電池混合動力系統(tǒng)的運行性能，延長燃料電池和鋰離子電池組的使用壽命，在燃料電池混合動力電動自行車設(shè)計中已提出基于最優(yōu)功率分配和直接功率跟隨的燃料電池/鋰離子電池混合動力系統(tǒng)能量管理策略，通過實時采集燃料電池和鋰離子電池的運行參數(shù)以及自行車的行駛參數(shù)等，以最優(yōu)功率分配或功率實時跟隨調(diào)整為不同目標，通過對燃料電池級聯(lián)直流變換器的調(diào)整實現(xiàn)燃料電池與鋰離子電池組輸出功率的動態(tài)分配和調(diào)整。上述能量管理策略由燃料電池汽車(FCV)能量管理策 略轉(zhuǎn)化而來，需要采集大量參數(shù)進行實時運算和參量預(yù)測估計，并且需要燃料電池及其級聯(lián)直流變換器進行耦合控制，因而需要采用額外的高性能的微處理器或微控制器作為系統(tǒng)的控制核心，以提高運算和控制精度，最大限度地優(yōu)化系統(tǒng)輸出，以提高整個電源系統(tǒng)的運行性能。但上述計及燃料電池系統(tǒng)控制器及其輔助外設(shè)成本后的能量管理系統(tǒng)控制器復(fù)雜度較高，控制器所占空間較大、靈活性較差，并會大幅增加系統(tǒng)的寄生功耗，而且系統(tǒng)控制器集成成本在系統(tǒng)構(gòu)建成本中所占比例較大，可達20%以上，這都嚴重制約了燃料電池/鋰電池混合動力電動自行車的商業(yè)化推廣，因而需要在實際的供電系統(tǒng)設(shè)計中有效的平衡系統(tǒng)控制性能、功耗和整車成本?？紤]到燃料電池系統(tǒng)和鋰離子電池本身的相對獨立性和燃料電池系統(tǒng)獨特的輸出特性，并且根據(jù)電動自行車的工況特性確定的能量管理策略可以進一步精簡，因而燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)可以進行有效的解耦控制，在計及燃料電池輸出特性和鋰離子電池組充放電特性的基礎(chǔ)上，進行合理的能量分配，實現(xiàn)整車系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明的目的是為燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車提供一種滿足實際運行需求的能量管理系統(tǒng)。該混合動力能量管理系統(tǒng)不僅需要對燃料電池和動力鋰離子電池組進行必要的保護，以延長系統(tǒng)的循環(huán)使用壽命，并且以集成成本較高的燃料電池系統(tǒng)為核心提高燃料電池的能效；能夠根據(jù)電動自行車的負載需求和鋰離子電池組的充放電狀態(tài)及其環(huán)境特性，以電壓前饋鉗位技術(shù)和鋰離子電池欠壓浮充技術(shù)為基礎(chǔ)，動態(tài)分配燃料電池和鋰離子電池組的功率輸出，以滿足電動自行車對快速啟動和變速性能的要求，確保系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、高效地運行。本發(fā)明的目的是通過以下的手段實現(xiàn)的?！N電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，包括:一燃料電池系統(tǒng)單元接口，該燃料電池系統(tǒng)單元接口用于連接至少包括一燃料電池模塊的燃料電池系統(tǒng)單元；一鋰離子電池單元接口，該鋰離子電池單元接口用于連接包括一鋰離子電池或相互串并聯(lián)的多個鋰離子電池的鋰離子電池單元；其特征在于，所述電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)包括一能量管理單元16，該能量管理單元通過前饋燃料電池系統(tǒng)單元輸出電壓，實時鉗位燃料電池單元輸出功率，并對鋰離子電池單元進行浮充充電及放電管理；所述能量管理單元16包括:一用于用 于檢測并調(diào)理所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓的燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路172、一用于檢測并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電流的鋰離子電池單元工作電流檢測電路174、一用于檢測并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電壓的鋰離子電池單元工作電壓檢測電路176 ；一用于加權(quán)并前饋所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路172的檢測信號和加權(quán)并反饋鋰離子電池單元工作電流檢測電路174及鋰離子電池單元工作電壓檢測電路176的檢測信號于功率控制電路170及信號處理與邏輯控制電路190的信號加權(quán)前饋與反饋電路178 ；一受所述信號處理與邏輯控制電路使能并用于管理所述燃料電池系統(tǒng)單元對所述鋰離子電池單元充電并向負載供電的功率控制電路170，所述功率控制電路根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路172所得電壓信號，經(jīng)信號加權(quán)前饋與反饋電路178實施前饋，并鉗位所述燃料電池系統(tǒng)單元的輸出功率；一用于控制所述燃料電池/鋰離子電池混合動力系統(tǒng)開始或停止對外供電的過放保護電路194 ；一用于控制所述燃料電池系統(tǒng)單元開始或停止對所述鋰離子電池充電并對負載供電的輸入檢測保護與反饋電路192 ；一用于使所述能量管理單元向外放電的第一輸出端160和一第二輸出端161 ；一用于檢測并調(diào)理鋰離子電池單元工作溫度的鋰離子電池單元工作溫度檢測電路 196。一用于根據(jù)所述信號加權(quán)前饋與反饋電路178的反饋信號及所述鋰離子電池單元工作溫度檢測電路196的反饋信號估計所需荷電狀態(tài)對應(yīng)的工作電壓并控制所述功率控制電路170、輸入檢測保護與反饋電路192及過放保護電路194的工作狀態(tài)的信號處理與邏輯控制電路190。在實際實施時，所述功率控制電路170根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路所得電壓信號，經(jīng)信號加權(quán)前饋與反饋電路作用于功率控制電路實施前饋，并鉗位所述燃料電池系統(tǒng)單元的輸出功率。所述信號處理與邏輯控制電路190通過溫度檢測電路檢測鋰離子電池單元的工作溫度，設(shè)置其放電截止電壓并實施實施溫度校正；當所述鋰離子電池單元的工作電壓低于或等于該放電截止電壓時，過放保護電路194斷開功率控制電路170與第二輸出端的電連接，避免鋰離子電池過放電；信號處理與邏輯控制電路190實施欠壓浮充充電電壓校正，當鋰離子電池單元的工作電壓等于該欠壓浮充電壓時，所述鋰離子電池單元的工作電壓被鉗位于該欠壓浮充電壓，由功率控制電路170對鋰離子電池單元進行浮充管理，實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)單元與鋰離子電池單元同時對外部負載供電，所述欠壓浮充電壓低于所述鋰離子電池單元的浮充電壓。所述鋰離子電池單元工作電流檢測電路174檢測鋰離子電池單元的充電電流，當鋰離子電池單元的充電電流等于其預(yù)設(shè)定的最大充電電流時，通過信號加權(quán)前饋與反饋電路178控制功率控制電路170使鋰離子電池單元的充電電流被鉗位于該最大充電電流，保證鋰離子電池安全充電。所述能量管理單元16包括一用于使所述能量管理單元向外放電的第一輸出端和一第二輸出端，當所述鋰離子電池單元的工作電壓高于放電截止電壓時，與所述功率控制電路有電連接的鋰離子電池單元和燃料電池系統(tǒng)單元通過所述過放保護電路連接至第一輸出端，以使所述鋰離子電池單元和所述燃料電池系統(tǒng)單元同時向外輸電；當所述鋰離子電池單元的工作電壓低于其放電截止電壓時，所述過放保護電路使第一輸出端斷開能量管理單元與外部電機驅(qū)動控制器的電連接，從而使所述能量管理單元停止向外輸電。所述鋰離子電池單元接口所電連接的鋰離子電池可為磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池或錳酸鈷鋰電池。所述燃料電池系統(tǒng)單元接口所電連接的燃料電池系統(tǒng)可為質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC系統(tǒng)、堿性燃料電池AFC系統(tǒng)或直接甲醇燃料電池CMFC系統(tǒng)。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，通過所述燃料電池系統(tǒng)單元接口引入輸入電壓前饋，能夠根據(jù)實時可靠地鉗位燃料電池單元的輸出功率，優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)單元的輸出性能；此外，根據(jù)鋰離子電池的充放電特性和浮充特性，結(jié)合鋰離子電池工作溫度實時估算所述鋰離子電池單元的欠壓浮充充電電壓，據(jù)此設(shè)置的浮充充電電壓在確保降低鋰離子電池容量損失的基礎(chǔ)上能夠避免鋰離子電池單元的過充，結(jié)合所述能量管理單元進一步包括的功率控制電路以其高效的直流-直流轉(zhuǎn)換效率以及對所述鋰離子電池單元的浮充管理，能夠提高所述鋰離子電池單元的浮充安全性，進一步提高燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車系統(tǒng)的整車安全性和經(jīng)濟性。


圖1為本發(fā)明實施例提供的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管
理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明實施例提供的基于所述能量管理系統(tǒng)的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)示意3為本發(fā)明實施例提供的基于所述能量管理系統(tǒng)的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)主視4為本發(fā)明實施例提供的基于所述能量管理系統(tǒng)的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)后視5為本發(fā)明實施例提供的基于所述能量管理系統(tǒng)的燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車示意圖主要元件符號說明電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)100儲氫單元11燃料電池系統(tǒng)單元12燃料電池120燃料電池系統(tǒng)正輸出端122燃料電池系統(tǒng)負輸出 端124鋰離子電池單元14鋰離子電池單元正輸出端142鋰離子電池單元負輸出端144能量管理單元16第一輸出端160第二輸出端161燃料電池系統(tǒng)單元接口正輸入端162燃料電池系統(tǒng)單元接口負輸入端164鋰離子電池單元接口正輸入端166鋰離子電池單元接口負輸入端168功率控制電路170燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路172鋰離子電池單元工作電流檢測電路174鋰離子電池單元工作電壓檢測電路176信號加權(quán)前饋與反饋電路178信號處理與邏輯控制電路190輸入檢測保護與反饋電路192過放保護電路194鋰離子電池單元工作溫度檢測電路196電機驅(qū)動控制器20電機驅(qū)動控制器正輸入端22電機驅(qū)動控制器負輸入端24電機驅(qū)動控制器傳感信號輸入端25電機驅(qū)動控制器A相驅(qū)動輸出端26電機驅(qū)動控制器B相驅(qū)動輸出端27電機驅(qū)動控制器C相驅(qū)動輸出端28
驅(qū)動電機30驅(qū)動電機傳感信號輸出端32驅(qū)動電機傳感A相驅(qū)動輸入端36驅(qū)動電機傳感B相驅(qū)動輸入端37驅(qū)動電機傳感C相驅(qū)動輸入端38框體40鋰離子電池單元獨立充電輸入端42電動自行車后衣架50電動自行車電量檢測儀表60電動自行車電源開關(guān)70燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車200
具體實施例方式以下結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明實施例的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)及 應(yīng)用該能量管理系統(tǒng)的燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車。參閱圖1，本發(fā)明第一實施例提供一種電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10，該燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)包括一燃料電池系統(tǒng)單元12、一鋰離子電池單元14及一與該燃料電池系統(tǒng)單元12和鋰離子電池單元14電連接的燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，該燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)進一步包括一能量管理單元16。燃料電池系統(tǒng)單元12包括至少一燃料電池，當該燃料電池系統(tǒng)單元包括多個燃料電池120時，該多個燃料電池120相互串聯(lián)。具體為，如果要提高該燃料電池系統(tǒng)單元12的輸出電壓，可將該多個燃料電池120串聯(lián)。所述燃料電池系統(tǒng)單元12包括分別與所述相互串聯(lián)的多個燃料電池120電連接的一燃料電池系統(tǒng)正輸出端122及一燃料電池系統(tǒng)負輸出端124。該燃料電池120可選用現(xiàn)有的燃料電池，如質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池(AFC )、直接甲醇燃料電池(CMFC )等。鋰離子電池單元14包括至少一鋰離子電池組及分別與鋰離子電池單元14電連接的一鋰離子電池正輸出端142和一鋰離子電池負輸出端144。當其包括多個鋰離子電池組時，該多個鋰離子電池組相互串并聯(lián)，以增大所述鋰離子電池單元14的容量，所述鋰離子電池單元14的正極與所述鋰離子電池單元正輸出端142電連接，所述鋰離子電池單元14的負極與所述鋰離子電池負輸出端144電連接。所述鋰離子電池可選用現(xiàn)有的鋰離子電池，如磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池或錳酸鈷鋰電池等。根據(jù)選用的鋰離子電池種類的不同，所述鋰離子電池單元14在正常工作溫度下的工作電壓范圍也不同，如當該離子電池為磷酸鐵鋰電池時，其在正常工作溫度下的工作電壓范圍為2.5V 3.6V，而當該鋰離子電池為錳酸鋰電池時，其在正常溫度下的工作電壓范圍為3V 4V，該工作電壓范圍會隨著溫度的不同而變化?？紤]工作溫度的影響，當所述鋰離子電池單元14充電時，所述鋰離子電池單元14有一浮充充電荷電狀態(tài)，對應(yīng)不同溫度下的相應(yīng)浮充充電電壓；當所述鋰離子電池單元14放電時，所述鋰離子電池單元14有一放電截止荷電狀態(tài)，對應(yīng)不同溫度下的相應(yīng)放電截止電壓。能量管理單元16用于控制所述燃料電池系統(tǒng)單元12對鋰離子電池單元14的充電，并控制所述燃料電池系統(tǒng)單元12及所述鋰離子電池單元14的對外供電。該能量管理單元16進一步包括一燃料電池系統(tǒng)單元接口正輸入端162，一燃料電池系統(tǒng)單元接口負輸入端164，一鋰離子電池單元接口正輸入端166，一鋰離子電池單元接口負輸入端168，一第一輸出端160, —第二輸出端161, —功率控制電路170, —燃料電池系統(tǒng)單兀工作電壓檢測電路172，一鋰離子電池單元工作電流檢測電路174，一鋰離子電池單元工作電壓檢測電路176，一信號加權(quán)前饋與反饋電路178，一信號處理與邏輯控制電路190，一輸入檢測保護與反饋電路192，一過放保護電路194，一鋰離子電池單元工作溫度檢測電路196。燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路172用于檢測并調(diào)理燃料電池系統(tǒng)單元14的工作電壓。所述鋰離子電池單元工作電流檢測電路174用于檢測并調(diào)理所述鋰離子電池單元14的工作電流。所述鋰離子電池單元工作電壓檢測電路176用于檢測并調(diào)理所述鋰離子電池單元14的工作電壓。所述信號加權(quán)前饋與反饋電路178用于加權(quán)前饋所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路172的檢測信號和加權(quán)反饋鋰離子電池單元工作電流檢測電路174及鋰離子電池單元工作電 壓檢測電路176的檢測信號于功率控制電路170及信號處理與邏輯控制電路190。所述信號處理與邏輯控制電路190用于根據(jù)所述信號加權(quán)前饋與反饋電路178的反饋信號及所述鋰離子電池單元工作溫度檢測電路196的反饋信號估計所需荷電狀態(tài)對應(yīng)的工作電壓并控制所述功率控制電路170、輸入檢測保護與反饋電路192及過放保護電路194的工作狀態(tài)。所述鋰離子電池單元工作溫度檢測電路196用于檢測并調(diào)理所述鋰離子電池單元14的工作溫度。所述功率控制電路170用于控制所述燃料電池系統(tǒng)單元12對所述鋰離子電池單元14的充電及所述燃料電池系統(tǒng)單元12與所述鋰離子電池單元14的對外輸出，并對所述鋰離子電池單元14進行浮充管理，此外，該所述功率控制電路170包括的直流-直流變換器可以避免所述鋰離子電池單元14對燃料電池系統(tǒng)單元12的反沖，起到反充電保護的作用，為了更好地實現(xiàn)反充電保護，建議使用的直流-直流變換器類型為升壓型變換器，以避免所述燃料電池系統(tǒng)單元12電壓過低導(dǎo)致的拓撲失效。所述輸入檢測保護與反饋電路192用于控制所述燃料電池系統(tǒng)單元12對所述能量管理單元16的電輸入及切斷，以及為鋰離子電池單元工作溫度檢測電路196的反饋信號提供通路。所述過放保護電路194用于控制所述燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10的向外輸出和輸出切斷，并對所述鋰離子電池單元14進行過放電保護。上述信號加權(quán)前饋與反饋電路178，信號處理與邏輯控制電路190，輸入檢測保護與反饋電路192，過放保護電路194，及功率控制電路170之間的電路連接關(guān)系不限，僅需實現(xiàn)上述功能即可。本實施例中，燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路172分別與燃料電池系統(tǒng)單元接口正輸入端162和所述燃料電池系統(tǒng)單元接口負輸入端164電連接。所述鋰離子電池單元工作電流檢測電路174分別與所述鋰離子電池單元接口負輸入端168和所述能量管理單元16的第二輸出端161及所述燃料電池系統(tǒng)單元接口負輸入端164電連接。所述鋰離子電池單元工作電壓檢測電路176分別與所述鋰離子電池單元接口正輸入端166和所述鋰離子電池單元接口負輸入端168電連接。所述輸入檢測保護與反饋電路192分別與所述燃料電池系統(tǒng)單元接口正輸入端162、功率控制電路170、信號加權(quán)前饋與反饋電路178以及信號處理與邏輯控制電路190電連接。所述過放保護電路194分別與所述功率控制電路170、信號處理與邏輯控制電路190、第一輸出端160電連接。所述信號加權(quán)前饋與反饋電路178分別與所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路172、鋰離子電池單元工作電流檢測電路174、鋰離子電池單元工作電壓檢測電路176、信號處理與邏輯控制電路190以及功率控制電路170電連接。所述信號處理與邏輯控制電路190分別與所述輸入檢測保護與反饋電路192、鋰離子電池單元工作溫度檢測電路196、過放保護電路194及功率控制電路170電連接。能量管理單元16與燃料電池系統(tǒng)單元12和鋰離子電池單元14的連接關(guān)系如下:所述燃料電池系統(tǒng)單元接口正輸入端162與所述燃料電池系統(tǒng)單元正輸出端122電連接；所述燃料電池系統(tǒng)單元接口負輸入端164與所述燃料電池系統(tǒng)單元負輸出端124電連接；所述鋰離子電池單元接口正輸入端166與所述鋰離子電池單元正輸出端142電連接；所述鋰離子電池單元接口負輸入端168與所述鋰離子電池單元負輸出端144電連接；所述第一輸出端160和第二輸出端161可實現(xiàn)與外部用電設(shè)備連接以輸出電能。當信號處理與邏輯控制電路190使能功率控制電路170以接通鋰離子電池單元14的充電回路時，所述燃料電池系統(tǒng)單元接口正輸入端162通過所述輸入檢測保護與反饋電路192與所述功率控制電路170電連接，所述功率控制電路170同時與所述鋰離子電池單元接口正輸入端166電連接，由于所述鋰離子電池接口負輸入端168通過所述鋰離子電池單元電流檢測電路176與所述燃料電池系統(tǒng)單元接口負輸入端164電連接，則此時，該燃料電池系統(tǒng)單元12可在功率控制電路170的控制下向該鋰離子電池單元14充電。當所述功率控制電路170及所述輸入檢測保護與反饋電路192將所述鋰離子電池單元14的充電回路連通的同時，所述信號處理與邏輯控制電路190可控制所述過放保護電路194分別使所述功率控制電路170的輸出端與所述第一輸出端160電連接，使所述鋰離子電池單元14和所述燃料電池系統(tǒng)單元12同時向外供電或所述燃料電池系統(tǒng)單元12向外供電的同時給鋰離子電池單元14充電。 當燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)100工作時，其進一步包括的所述燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10中的燃料電池系統(tǒng)單元12經(jīng)輸入檢測保護與反饋電路192及功率控制電路170向所述鋰離子電池單元14充電，當鋰離子電池單元14的電壓高于充電截止電壓時，該燃料電池系統(tǒng)單元12通過功率控制電路170對所述鋰離子電池單元14進行欠壓浮充管理，在保證所述鋰離子電池單元14可用容量并避免過充的同時使所述燃料電池系統(tǒng)單元12與所述鋰離子電池單元14同時對外輸出電能。在電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10對燃料電池系統(tǒng)單元12的功率需求逐漸加大時，通過控制功率控制電路170，改變直流-直流變換器的占空比，從而增大燃料電池系統(tǒng)單元12的輸出功率，為有效保護燃料電池，延長燃料電池壽命，燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路172實時檢測燃料電池系統(tǒng)單元12的輸出電壓信號，經(jīng)信號加權(quán)前饋與反饋電路178前饋燃料電池系統(tǒng)單元12的輸出電壓信號于功率控制電路170，若前饋電壓信號低于已考慮工作溫度、環(huán)境濕度等因素環(huán)境下所設(shè)置的燃料電池最優(yōu)功率點時對應(yīng)的輸出端電壓時，則鉗位燃料電池系統(tǒng)單元12的輸出功率于該功率點。當功率控制電路170根據(jù)信號加權(quán)前饋與反饋電路178所反饋的鋰離子電池14的工作電壓比較出該工作電壓大于或等于由所述信號處理與邏輯控制電路190根據(jù)所述工作溫度檢測電路196檢測到的溫度信號所設(shè)置的浮充荷電狀態(tài)對應(yīng)的欠壓浮充充電電壓時，所述功率控制電路170輸出電壓將鉗位于該欠壓浮充充電電壓，使得所述燃料電池系統(tǒng)單元12和所述鋰離子電池單元14同時向外輸出電能。當所述功率控制電路170根據(jù)所述信號加權(quán)前饋與反饋電路178所反饋的所述鋰離子電池單元14的工作電流比較出該工作電流大于或等于預(yù)設(shè)的所述鋰離子電池單元14的最大充電電流時，所述功率控制電路170將鉗位向所述鋰離子電池單元14的充電電流于該最大充電電流，使得所述燃料電池系統(tǒng)單元12向所述鋰離子電池單元14充電的同時向外輸出電能。當所述功率控制電路170根據(jù)所述信號加權(quán)前饋與反饋電路178所反饋的所述鋰離子電池14的工作電壓比較出該工作電壓小于由所述信號處理與邏輯控制電路190根據(jù)所述鋰離子電池單元工作溫度檢測電路196檢測到的溫度信號所設(shè)置的放電截止荷電狀態(tài)對應(yīng)的放電截止電壓時，由所述信號處理與邏輯控制電路190控制所述過放保護電路194切斷與所述第一輸出端160的電連接，從而使所述燃料電池系統(tǒng)單元12和鋰離子電池單元14斷開與外部電路的電連接，使所述鋰離子電池單元14和燃料電池系統(tǒng)單元12均停止向外輸電，此時所述燃料電池系統(tǒng)單元12通過所述功率控制電路170僅向所述鋰離子電池單元14充電。所述信號處理與邏輯控制電路190根據(jù)燃料電池系統(tǒng)單元12的實時工作狀態(tài)來使能或禁能所述功率控制電路170以及閉合或斷開所述輸 入檢測保護與反饋電路192，以保護所述燃料電池系統(tǒng)單元12的輸出性能。當所述信號處理與邏輯控制電路190根據(jù)所述信號加權(quán)前饋與反饋電路178反饋的檢測信號及估算的所述燃料電池系統(tǒng)單元12最優(yōu)輸出功率歸算到所述功率控制電路170的輸出電流大于當前負載需求電流及當前所述鋰離子電池單元14充電電流之和且所述鋰離子電池單元電壓14高于安全放電截止電壓時，由所述信號處理與邏輯控制電路190控制所述過放保護電路194恢復(fù)所述燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10的對外供電。當燃料電池系統(tǒng)單元12供氣不足時，信號處理與邏輯控制電路190禁能功率控制電路170并通過所述輸入檢測保護與反饋電路192斷開所述燃料電池系統(tǒng)單元12與所述功率控制電路170的電連接，因此燃料電池系統(tǒng)單元12將不再向鋰離子電池單元14充電及對外供電，此時的鋰離子電池單元14將單獨放電，所述鋰離子電池單元14放電至其當前放電電壓低于由所述信號處理與邏輯控制電路190預(yù)設(shè)的放電截止電壓時，所述信號處理與邏輯控制電路190控制所述過放保護電路194使該鋰離子電池單元14停止向外輸電，直至所述燃料電池系統(tǒng)單元12的供氫系統(tǒng)11得到氣體補充即所述燃料電池系統(tǒng)單元12供氣充足時，由所述信號處理與邏輯控制電路190控制所述輸入檢測保護與反饋電路192電連接所述燃料電池系統(tǒng)單元12與所述功率控制電路170，由所述燃料電池系統(tǒng)單元12通過功率控制電路170向所述鋰離子電池單元14充電，當鋰離子電池單元14充電至高于充電截止電壓時，功率控制電路170實現(xiàn)對所述鋰離子電池單元14的欠壓浮充管理，當所述信號處理與邏輯控制電路190根據(jù)所述信號加權(quán)前饋與反饋電路178反饋的檢測信號及估算的所述燃料電池系統(tǒng)單元12最優(yōu)輸出功率歸算到所述功率控制電路170的輸出電流大于當前負載需求電流及當前所述鋰離子電池單元14充電電流之和且鋰離子電池單元電壓高于安全放電截止電壓時，由所述信號處理與邏輯控制電路190控制所述過放保護電路194恢復(fù)所述燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10的向外輸電。參閱圖2 4，本發(fā)明實施例提供了一種基于所述能量管理單元16的燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)100，該燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)包括一燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10。進一步地，為使所述燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10與驅(qū)動電機30相匹配，可將燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10的第一輸出端160和第二輸出端161分別與一電機驅(qū)動控制器20的正輸入端22和負輸入端24電連接，該電機驅(qū)動控制器為DC/AC變換驅(qū)動控制器。通過該所述電機驅(qū)動控制器20可使所述燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10的輸出電壓轉(zhuǎn)換為實際應(yīng)用于驅(qū)動電機30的交變電壓。另外，該整個燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)100的所述燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10、鋰離子電池單元14以及所述電機驅(qū)動控制器20可進一步被設(shè)置于一框體40中，其中，該電機驅(qū)動控制器20包括一電機驅(qū)動控制器正輸入端22、一電機驅(qū)動控制器負輸入端24、電機驅(qū)動控制器傳感信號輸入端25、一電機驅(qū)動控制器A相驅(qū)動輸出端26、一電機驅(qū)動控制器B相驅(qū)動輸出端27、一電機驅(qū)動控制器C相驅(qū)動輸出端28。其具體連接方式為,對于該電機驅(qū)動控制器20,該電機驅(qū)動控制器正輸入端22與一燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10的第一輸出端160電連接,該電機驅(qū)動控制器負輸入端24與該燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10的第二輸出端161電連接，該電機驅(qū)動控制器的A相驅(qū)動輸出端26、B相驅(qū)動輸出端27和C相驅(qū)動輸出端28用于與所述驅(qū)動電機30的驅(qū)動電機A相驅(qū)動輸入端36、B相驅(qū)動輸入端37、C相驅(qū)動輸入端38的電連接以驅(qū)動電機運行，該電機驅(qū)動控制器傳感信號輸入端25與所述驅(qū)動電機30的驅(qū)動電機傳感信號輸出端32電連接，用于接收來自驅(qū)動電機30的傳感信號，以控制電機的轉(zhuǎn)動。參閱圖5，本發(fā)明第二實施例提供一種燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車200，其包括一所述燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)100及一電動自行車車體。具體為，有所述燃料電池/鋰離子 電池混合動力電動自行車200車體的電源開關(guān)70使能或禁能所述燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)100的運行，并通過所述電動自行車電量檢測儀表60來顯示所述燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10的供電情況；由所述加速把手80和所述剎車件90來控制并調(diào)整所述燃料電池/鋰離子電池混合動力供電系統(tǒng)10的供電輸出，滿足所述燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車200的整車運行需求。在實際實施中，可將鋰離子電池單元14及所述能量管理單元16設(shè)置于所述燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車200的后托架上，將燃料電池系統(tǒng)單元12和儲氫單元11放置于車座下方，從而形成一完整緊湊的燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車200。本發(fā)明提供的燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)及在其基礎(chǔ)上構(gòu)建的燃料電池/鋰離子電池混合動力驅(qū)動系統(tǒng)及燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車具有以下優(yōu)點:所述燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，通過所述燃料電池系統(tǒng)單元接口引入輸入電壓前饋，能夠根據(jù)工作溫度、燃料電池性能衰減等因素實時、可靠地鉗位燃料電池單元的輸出功率，優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)單元的輸出性能；此外，根據(jù)鋰離子電池的充放電特性和浮充特性，采用欠壓浮充方法，結(jié)合鋰離子電池工作溫度實時估算所述鋰離子電池單元的欠壓浮充充電電壓，據(jù)此設(shè)置的浮充充電電壓在確保降低鋰離子電池容量損失的基礎(chǔ)上能夠避免鋰離子電池單元的過充，結(jié)合所述能量管理單元進一步包括的功率控制電路以其高效的直流-直流轉(zhuǎn)換效率以及對所述鋰離子電池單元的浮充管理，能夠提高所述鋰離子電池單元的浮充安全性，進一步提高燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車系統(tǒng)的整車安全性和經(jīng)濟性。顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明基本方案內(nèi)作出其他應(yīng)用性的實施變化，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化， 都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，其包括:一燃料電池系統(tǒng)單元接口，該燃料電池系統(tǒng)單元接口用于連接至少包括一燃料電池模塊的燃料電池系統(tǒng)單元；一鋰離子電池單元接口，該鋰離子電池單元接口用于連接包括一鋰離子電池或相互串并聯(lián)的多個鋰離子電池的鋰離子電池單元；其特征在于，所述電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)包括一能量管理單元(16)，該能量管理單元通過前饋燃料電池系統(tǒng)單元輸出電壓，實時鉗位燃料電池單元輸出功率，對鋰離子電池單元進行浮充充電及放電管理； 所述能量管理單元(16)包括: 一用于用于檢測并調(diào)理所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓的燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路(172)、一用于檢測并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電流的鋰離子電池單元工作電流檢測電路(174)、一用于檢測并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電壓的鋰離子電池單元工作電壓檢測電路(I76)； 一用于加權(quán)并前饋所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路(172)的檢測信號和加權(quán)并反饋鋰離子電池單元工作電流檢測電路(174)及鋰離子電池單元工作電壓檢測電路(176)的檢測信號于功率控制電路(170)及信號處理與邏輯控制電路(190)的信號加權(quán)前饋與反饋電路(178); 一受所述信號處理與邏輯控制電路使能并 用于管理所述燃料電池系統(tǒng)單元對所述鋰離子電池單元充電并向負載供電的功率控制電路(170)，所述功率控制電路根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路(172)所得電壓信號，經(jīng)信號加權(quán)前饋與反饋電路(178)實施前饋，并鉗位所述燃料電池系統(tǒng)單元的輸出功率； 一用于控制所述燃料電池/鋰離子電池混合動力系統(tǒng)開始或停止對外供電的過放保護電路(194)； 一用于控制所述燃料電池系統(tǒng)單元開始或停止對所述鋰離子電池充電并對負載供電的輸入檢測保護與反饋電路(192)； 一用于使所述能量管理單元向外放電的第一輸出端(160)和一第二輸出端(161)； 一用于檢測并調(diào)理鋰離子電池單元工作溫度的鋰離子電池單元工作溫度檢測電路(196)； 一用于根據(jù)所述信號加權(quán)前饋與反饋電路(192)的反饋信號及所述鋰離子電池單元工作溫度檢測電路(196)的反饋信號估計所需荷電狀態(tài)對應(yīng)的工作電壓并控制所述功率控制電路、輸入檢測保護與反饋電路192及過放保護電路194的工作狀態(tài)的信號處理與邏輯控制電路(190)。
2.如權(quán)利要求1所述的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，其特征在于，所述功率控制電路(170)根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測電路所得電壓信號，經(jīng)信號加權(quán)前饋與反饋電路作用于功率控制電路實施前饋，并鉗位所述燃料電池系統(tǒng)單元的輸出功率。
3.如權(quán)利要求1所述的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理與邏輯控制電路(190)通過溫度檢測電路檢測鋰離子電池單元的工作溫度，設(shè)置其放電截止電壓并實施實施溫度校正；當所述鋰離子電池單元的工作電壓低于或等于該放電截止電壓時，過放保護電路(194)斷開功率控制電路(170)與第二輸出端的電連接，避免鋰離子電池過放電；信號處理與邏輯控制電路(190)實施欠壓浮充充電電壓校正，當鋰離子電池單元的工作電壓等于該欠壓浮充電壓時，所述鋰離子電池單元的工作電壓被鉗位于該欠壓浮充電壓，由功率控制電路(170)對鋰離子電池單元進行浮充管理，實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)單元與鋰離子電池單元同時對外部負載供電，所述欠壓浮充電壓低于所述鋰離子電池單元的浮充電壓。
4.如權(quán)利要求1所述的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，其特征在于，所述鋰離子電池單元工作電流檢測電路(174)檢測鋰離子電池單元的充電電流，當鋰離子電池單元的充電電流等于其預(yù)設(shè)定的最大充電電流時，通過信號加權(quán)前饋與反饋電路(178)控制功率控制電路(170)使鋰離子電池單元的充電電流被鉗位于該最大充電電流，保證鋰離子電池安全充電。
5.如權(quán)利要求1所述的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，其特征在于，所述能量管理單元(16)包括一用于使所述能量管理單元向外放電的第一輸出端和一第二輸出端，當所述鋰離子電池單元的工作電壓高于放電截止電壓時，與所述功率控制電路有電連接的鋰離子電池單元和燃料電池系統(tǒng)單元通過所述過放保護電路連接至第一輸出端，以使所述鋰離子電池單元和所述燃料電池系統(tǒng)單元同時向外輸電；當所述鋰離子電池單元的工作電壓低于其放電截止電壓時，所述過放保護電路使第一輸出端斷開能量管理單元與外部電機驅(qū)動控制器的電連接，從而使所述能量管理單元停止向外輸電。
6.如權(quán)利要求1所述的電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，其特征在于，所述鋰離子電池單元接口所電連接的鋰離子電池可為磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池或錳酸 鈷鋰電池。所述燃料電池系統(tǒng)單元接口所電連接的燃料電池系統(tǒng)可為質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC系統(tǒng)、堿性燃料電池AFC系統(tǒng)或直接甲醇燃料電池CMFC系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動力能量管理系統(tǒng)，包括一用于管理所述燃料電池系統(tǒng)單元向鋰離子電池單元充電及混合動力系統(tǒng)對外供電，并分別與所述燃料電池系統(tǒng)單元、鋰離子電池單元進行電連接的能量管理單元。本發(fā)明根據(jù)實時可靠地鉗位燃料電池單元的輸出功率，優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)單元的輸出性能；結(jié)合鋰離子電池工作溫度實時估算所述鋰離子電池單元的欠壓浮充充電電壓，在確保降低鋰離子電池容量損失的基礎(chǔ)上避免鋰離子電池單元的過充，能夠提高所述鋰離子電池單元的浮充安全性，進一步提高燃料電池/鋰離子電池混合動力電動自行車系統(tǒng)的整車安全性和經(jīng)濟性。
文檔編號H02J7/00GK103227487SQ201310103998
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者田維民, 彭飛, 陳維榮, 李奇, 劉志祥, 戴朝華, 張雪霞 申請人:西南交通大學