一種混合動力系統的製作方法

2023-08-07 10:20:31

本發明屬於動力系統領域，具體來說，是一種混合動力系統。

背景技術：

隨著環境問題日益嚴峻，新能源的發展越來越迫切。新能源即傳統能源之外的各種能源形式，如太陽能、風能、氫能等。其中，氫能是通過氫氣和氧氣反應所產生的能量，反應產物為水和熱量，具有極高的能源價值和環保效果。目前氫燃料電池作為氫能的主要實現方式，已經被應用於多個領域。

氫燃料電池的一個重要應用是作為動力系統的動力源。氫燃料電池是一種化學反應電池，不具有儲能作用，故動力系統的啟動必須由儲能電池提供動力。由此，氫燃料電池和儲能電池組成一個混合動力系統。目前，此類混合動力系統一般以氫燃料電池為主動力，儲能電池僅作為輔助啟動動力。這種方案顯著地放大了氫燃料電池反應慢、穩定性差的缺點，又浪費了儲能電池輸出穩定的優點，造成混合動力系統穩定性較差、響應時間久。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種混合動力系統，輸出穩定、響應迅速。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

一種混合動力系統，包括氫燃料電池模塊、儲能電池模塊、系統監測控制模塊、輸出模塊，所述氫燃料電池模塊、所述儲能電池模塊分別與所述系統監測控制模塊電性連接，所述氫燃料電池模塊與所述儲能電池模塊電性連接，所述系統監測控制模塊、所述氫燃料電池模塊及所述儲能電池模塊分別與所述輸出模塊電性連接，所述混合動力系統的瞬時輸出功率與額定輸出功率之比為系統輸出比，所述儲能電池模塊與所述混合動力系統的瞬時輸出功率之比為儲電輸出比，所述系統輸出比與所述儲電輸出比正相關。

作為上述技術方案的改進，所述氫燃料電池模塊包括氫燃料電池、氫氣供給模塊，所述氫燃料電池與所述氫氣供給模塊連接，所述氫燃料電池與所述輸出模塊電性連接。

作為上述技術方案的進一步改進，所述儲能電池模塊包括充電電池，所述充電電池與所述氫燃料電池模塊連接。

作為上述技術方案的進一步改進，所述充電電池為鋰離子電池。

作為上述技術方案的進一步改進，所述系統監測控制模塊包括氫燃料電池監測控制模塊、儲能電池監測控制模塊，所述氫燃料電池監測控制模塊與所述氫燃料電池模塊連接，所述儲能電池監測控制模塊與所述儲能電池模塊連接，所述輸出監測模塊與所述輸出模塊連接。

作為上述技術方案的進一步改進，所述儲能電池模塊與所述氫燃料電池模塊的最大可輸出功率之比不小於9:1。

作為上述技術方案的進一步改進，所述氫燃料電池模塊與所述儲能電池模塊的容量比不小於3:1。

作為上述技術方案的進一步改進，所述輸出模塊為電動機。

作為上述技術方案的進一步改進，所述氫燃料電池模塊連接有制氫裝置。

作為上述技術方案的進一步改進，所述系統監測控制模塊連接有操作面板。

本發明的有益效果是：通過設置系統監測控制模塊，實時監測輸出功率，根據輸出功率計算控制氫燃料電池模塊和儲能電池模塊，使氫燃料電池模塊與儲能電池模塊的輸出比符合工況，提供一種輸出穩定、響應迅速的混合動力系統。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1是本發明實施例1提供的一種混合動力系統的結構示意圖。

主要元件符號說明：

100-混合動力系統，10-氫燃料電池模塊，11-氫燃料電池，12-氫氣供給模塊，20-儲能電池模塊，30-系統監測控制模塊，31-氫燃料電池監測控制模塊，32-儲能電池監測控制模塊，33-輸出監測模塊，34-綜合運算單元，40-輸出模塊。

具體實施方式

為了便於理解本發明，下面將參照相關附圖對一種混合動力系統進行更全面的描述。附圖中給出了一種混合動力系統的優選實施例。但是，一種混合動力系統可以通過許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對一種混合動力系統的公開內容更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在一種混合動力系統的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在限制本發明。本文所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

實施例1

請參閱圖1，混合動力系統100包括氫燃料電池模塊10、儲能電池模塊20、系統監測控制模塊30、輸出模塊40。

氫燃料電池模塊10分別與儲能電池模塊20、系統監測控制模塊30電性連接。儲能電池模塊20提供氫燃料電池模塊10的初始啟動電力。系統監測控制模塊30通過監測氫燃料電池模塊10的輸出狀態，根據獲取的監測值對氫燃料電池模塊10的輸出進行實時控制。

氫燃料電池模塊10的基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解質發生反應後，放出電子通過外部的負載到達陽極，形成電流輸出。通過氫與氧的持續反應，氫燃料電池模塊10源源不斷地產生能量，一方面形成對輸出模塊40的能量供給，另一方面也為混合動力系統100的運轉提供能量。

進一步地，氫燃料電池模塊10包括氫燃料電池11、氫氣供給模塊12。氫燃料電池11與氫氣供給模塊12連接，氫燃料電池11是氫氧反應產生能量的主要場所，氫氣供給模塊12為氫燃料電池11提供氫氧化學反應的氫原料。

氫燃料電池11分別與系統監測控制模塊30、儲能電池模塊20電性連接。系統監測控制模塊30根據獲取的監測值控制控制氫燃料電池11的反應速度，從而實現對氫燃料電池模塊10的輸出調節。儲能電池模塊20提供氫燃料電池11的啟動動力，使氫燃料電池11開始發生反應而發電，從而啟動氫燃料電池模塊10。

儲能電池模塊20與系統監測控制模塊30電性連接，系統監測控制模塊30通過監測儲能電池模塊20的輸出狀態，根據獲取的監測值對儲能電池模塊20的輸出進行實時控制。

儲能電池模塊20本身儲蓄能量，在閉合電路中可以提供能量輸出。由此，混合動力系統100需要啟動時，儲能電池模塊20為氫燃料電池模塊10和系統監測控制模塊30提供初始動力，完成混合動力系統100的啟動。

進一步地，儲能電池模塊20包括充電電池。充電電池集供電與充電於一體，能夠反覆進行充電儲能，避免一次性電池造成浪費。同時，充電電池還能將氫燃料電池模塊10產生的富餘能量收集儲存，進一步提高了混合動力系統100的效率。

進一步地，充電電池為鋰離子電池。鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。鋰離子電池具有電壓平臺高、能量密度大、使用壽命長、適應能力強等優點，特別適合於組成電池組，有利於提高混合動力系統100的使用便利性。

氫燃料電池模塊10和儲能電池模塊20分別與輸出模塊40連接，將其產生的電能傳送給輸出模塊40。輸出模塊40將電能轉換為其他形式的能量，通常是機械能，從而驅動外接的執行機構運轉。進一步地，輸出模塊40為電動機。在另一個實施例中，輸出模塊還可以是其他實現能量轉換的裝置。

輸出模塊40的輸出功率即為混合動力系統100的輸出功率，氫燃料電池模塊10為輸出模塊40提供的功率稱為氫燃料電池模塊10的輸出功率，儲能電池模塊20為輸出模塊40提供的功率稱為儲能電池模塊20的輸出功率，混合動力系統100的輸出功率的瞬時值稱為混合動力系統100的瞬時輸出功率。

顯然地，混合動力系統100的瞬時輸出功率等於氫燃料電池模塊10的輸出功率與儲能電池模塊20的輸出功率之和。混合動力系統100的瞬時輸出功率與額定輸出功率之比為系統輸出比，儲能電池模塊20與混合動力系統100的瞬時輸出功率之比為儲電輸出比，氫燃料電池模塊10與混合動力系統100的瞬時輸出功率之比為氫能輸出比。

進一步地，系統監測控制模塊30包括氫燃料電池監測控制模塊31、儲能電池監測控制模塊32、輸出監測模塊33。氫燃料電池監測控制模塊31與氫燃料電池模塊10連接，用於監測獲取氫燃料電池模塊10的輸出功率值。儲能電池監測控制模塊32與儲能電池模塊20連接，用於監測獲取儲能電池模塊20的輸出功率值。輸出監測模塊33與輸出模塊40連接，用於監測獲取輸出模塊40的實時負載功率值。

氫燃料電池監測控制模塊31獲取的輸出功率值、儲能電池監測控制模塊32獲取的輸出功率值、輸出監測模塊33獲取的實時負載功率值均傳輸到綜合運算單元34，綜合運算單元34據此進行綜合計算，得出儲電輸出比、氫能輸出比、系統輸出比的調整量。根據調整量，系統監測控制模塊30通過氫燃料電池監測控制模塊31、儲能電池監測控制模塊32分別調整氫燃料電池模塊10的輸出功率值、儲能電池模塊20的輸出功率值，使混合動力系統100的輸出狀態達到最佳。

氫燃料電池11由於其反應特點，穩定性較差、響應速度較慢。一般地，系統輸出比數值較大時，混合動力系統100的輸出功率大，其與外界負載之間的關係十分複雜，要求混合動力系統100反應靈敏、穩定性良好，才能應對複雜工況的變化。

此時，若以氫燃料電池模塊10作為主要輸出動力，勢必會對混合動力系統100造成嚴重的損害，甚至引發嚴重的意外事故。同時，此階段載荷頻繁變化，引起作為主動力的氫燃料電池模塊10的頻繁變換，從而縮短氫燃料電池11的壽命，不利於混合動力系統100的性能提升和成本降低。

為此，在系統輸出比數值較大時，混合動力系統100應以儲能電池模塊20作為主要輸出動力，以氫燃料電池模塊10作為輔助輸出動力。相較於氫燃料電池11，儲能電池模塊20輸出穩定、變化迅速，能夠滿足頻繁變載的工況要求。特別地，儲能電池模塊20採用鋰離子電池組形式時，能量輸出變化範圍很大，可進一步改善儲能電池模塊20的輸出變化響應時間和穩定性。此時，儲電輸出比數值較大。

在另一個實施例中，系統輸出比數值較大時，氫燃料電池模塊10也可以為儲能電池模塊20進行充電。在另一個實施例中，氫燃料電池模塊10還具有隨時為儲能電池模塊20充電的能力。

系統輸出比數值較小時，混合動力系統100的輸出功率在可控範圍內，外界工況較為簡單，對響應速度和穩定性的要求不高。若仍以儲能電池模塊20為主要輸出動力，勢必迅速耗光儲能電池的能量。由於充電電池具有固定的充電次數，頻繁充電將會縮短充電電池的壽命。

為此，在系統輸出比數值較小時，氫燃料電池模塊10可作為主要輸出動力，儲能電池模塊20作為輔助輸出動力。此時，氫燃料電池模塊10的輸出功率平穩，使混合動力系統100保持平穩，不會造成負面影響。儲能電池模塊20作為輔助動力，儲電輸出比數值較小。

由於其本身的特點限制，氫燃料電池11不宜頻繁進行高低速變換，否則會對其壽命造成嚴重影響，使成本問題進一步凸顯。為了提高混合動力系統100的使用壽命，應保證氫燃料電池模塊10的總能量輸出的變化平緩。

換言之，在系統輸出比的變化過程中，氫燃料電池模塊10的總能量輸出的變化平緩，變化幅度很小。因此，在系統輸出比數值較大時，氫燃料電池模塊10的總能量輸出約等於氫燃料電池模塊10的輸出功率；在系統輸出比數值較小時，氫燃料電池模塊10的總能量輸出明顯大於氫燃料電池模塊10的輸出功率，二者的能量差值作為富餘能量對儲能電池模塊20進行充電。

綜上所述，系統輸出比與儲電輸出比正相關。當系統輸出比增大時，儲電輸出比隨之增大，儲能電池模塊20的輸出功率不斷提升，成為主要輸出動力；當系統輸出比減小時，儲電輸出比隨之減小，儲能電池模塊20的輸出功率不斷下降，成為輔助輸出動力。進一步地，在一個較佳的實施例中，系統輸出比與儲電輸出比具有相同的變化率。再進一步地，在一個較佳的實施例中，在任意時刻，系統輸出比與儲電輸出比具有相同的數值。

在系統輸出比數值較大時，混合動力系統100的主要輸出動力來自於儲能電池模塊20，為了保證混合動力系統100的輸出功率充足，必須提高儲能電池模塊20的最大可輸出功率。為此，儲能電池模塊20與氫燃料電池模塊10的最大可輸出功率之比不小於9:1。

在一個較佳的實施例中，儲能電池模塊20與氫燃料電池模塊10的最大可輸出功率之比為23kW:2.4kW。在該比例下，儲能電池模塊20能夠提供充足的輸出功率，有效地保障了混合動力系統100的動力輸出範圍，對於應用於叉車等場合十分合適。

系統輸出比數值較小時，氫燃料電池模塊10需要同時負擔儲能電池模塊20的充電能量與輸出模塊40的輸出功率。為了保證氫燃料電池模塊10具有充足的能量，必須對氫燃料電池模塊10的容量加以限定。為此，氫燃料電池模塊10與儲能電池模塊20的容量比不小於3:1。

在一個較佳的實施例中，氫燃料電池模塊10與儲能電池模塊20的容量比為13.6kWh:3.5kWh，有力地保證了儲能電池模塊20的充電效率，充電時間很短。

進一步地，氫燃料電池模塊10還連接有制氫裝置，制氫裝置可以製造生成氫氣，源源不斷地提供反應所需的氫原料。

進一步地，系統監測控制模塊30連接有操作面板。操作者通過操作面板還可以進行手動操作，對混合動力系統100進行最為精確的調節。

在這裡示出和描述的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制，因此，示例性實施例的其他示例可以具有不同的值。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。