車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統的製作方法
2023-05-16 04:23:21 1
專利名稱：車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池汽車的混合動力系統，屬於燃料電池汽車動力系統研發領域。
背景技術：
燃料電池汽車有著節能、環保、效率高、運行平穩無噪聲等優點，成為新一代汽車研發的熱點。近年來，燃料電池汽車技術已經取得了重大的進展，然而在燃料電池汽車開發過程中仍然存在著技術性挑戰，如燃料電池組的一體化，提高商業化電動汽車燃料處理器， 優化燃料電池汽車動力系統等。燃料電池汽車動力系統是其區別於其他類型車輛(內燃機汽車、蓄電池純電動汽車以及油電混合動力汽車)的主要標誌。使用燃料電池系統作為動力源是燃料電池汽車動力系統的標誌性特點。而由於燃料電池系統的燃料電池在峰值功率輸出能力以及功率輸出的動態響應等性能方面欠佳，因此往往需要一些輔助能源來在功率輸出能力等方面對它加以補充和改善，這些輔助能源包括蓄電池和超級電容等。由燃料電池系統和輔助能源組成的混合動力系統的結構及配置必須保證燃料電池汽車動力系統良好的經濟性、動力性及安全性，特別保證燃料電池系統的安全。現有的燃料電池汽車混合動力系統一般採用燃料電池系統與輔助能源間接並聯式的形式，輔助能源可選擇鎳氫電池或鋰電池、或者蓄電池與超級電容的組合。圖1展示了現有的一種燃料電池汽車間接並聯混合動力系統的結構。如圖1所示， 混合動力系統的燃料電池系統不直接與驅動電機相連，而是通過DC/DC變換器再與輔助電池併網。燃料電池系統通過DC/DC變換器聯入直流母線，DC/DC變換器對燃料電池的輸出電壓進行穩壓調節，並根據電機的功率需求調節燃料電池輸出的母線電壓。同時DC/DC變換器可以對燃料電池最大輸出電流和功率進行控制，起到保護燃料電池的作用。此外，在 DC/DC的輸出端並聯一個輔助電池來覆蓋功率波動，提高峰值功率，以改善燃料電池輸出功率的瞬態特性。實踐表明，這個方案中，DC/DC轉換器的存在降低了整個系統的效率，此外， DC/DC轉換器的高頻斬波取電方式對燃料電池系統存在一定的傷害。圖2展示了現有的另外一種燃料電池汽車間接並聯混合動力系統的結構。如圖2 所示，混合動力系統的燃料電池系統直接與驅動電機相聯，而輔助電池通過DC/DC變換器再與燃料電池併網。在這種結構中輔助電池是主能源，給車輛的穩定運行提供能量；燃料電池是輔助能源，在輔助電池不需要輸出能量的時候給它充電。這種結構中，DC/DC變換器採用恆壓式能量分配控制策略，通過電壓控制可穩定燃料電池系統輸出電流，避免燃料電池系統出現極大電流的惡劣情況。然而，燃料電池系統輸出為隨動量，這樣，一方面燃料電池系統會受到傷害，並且給其控制策略帶來挑戰，另一方面對DC/DC變換器的要求較高，開發成本較大。由於上述現有燃料電池汽車間接並聯混合動力系統存在的種種缺陷，因此有必要提供一種改進的燃料電池汽車混合動力系統。
發明內容
本發明提供了一種車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，能避免現有燃料電池汽車間接並聯混合動力系統結構中DC/DC變換器導致的降低系統效率、增加控制策略難度、對燃料電池本身帶來傷害，以及增加開發大功率DC/DC變換器的成本的問題。為實現上述目的，本發明提提供了一種車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，包括燃料電池發電裝置、獲取燃料電池發電裝置的電壓、電流、壓力、溫度信息的燃料電池控制器、鋰電池組、獲取鋰電池組的SOC值、電壓、電流信息的鋰電池管理系統、第一開關導電裝置、第二開關導電裝置以及系統能量管理控制器；燃料電池發電裝置的一個輸出端連接第一開關導電裝置的一端，鋰電池組的一個輸出端連接第二開關導電裝置的一端， 第一開關導電裝置的另一端、第二開關導電裝置的另一端適用於連接電機控制器的一個輸入端，燃料電池發電裝置的另一輸出端、鋰電池組的另一輸出端適用於連接電機控制器的另一輸入端，其中電機控制器的兩個輸出端連接電機；系統能量管理控制器分別連接第一開關導電裝置的控制端、第二開關導電裝置的控制端、燃料電池控制器、鋰電池管理系統和電機控制器，用於根據燃料電池控制器和鋰電池管理系統獲取的信息控制第一開關導電裝置導通或斷開以及控制第二開關導電裝置正嚮導通或反嚮導通或斷開。與現有技術相比，本發明車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統採取燃料電池發電裝置和鋰電池組直接並聯的動力系統結構，燃料電池發電裝置和鋰電池組直接並聯在直流母線上，一起給電機及其他整車設備供電，通過相應第一導電裝置和第二導電裝置進行控制，本系統無DC/DC變換器，消除了 DC/DC轉換環節帶來的問題，摒棄了傳統的需要DC/DC穩壓的間接並聯模式，因而避免了 DC/DC變換器導致的降低系統效率、增加控制策略難度、對燃料電池本身帶來傷害，以及增加開發大功率DC/DC變換器的成本的問題。在本發明的一個實施例中，所述系統還包括大功率二極體，第一開關導電裝置的另一端通過所述大功率二極體與電機控制器的一個輸入端連接，其中，大功率二極體的陽極與第一開關導電裝置的另一端連接，陰極連接電機控制器的一個輸入端。由上述技術方案可知，燃料電池發電裝置通過大功率二極體與負載相連，能保證外部高壓不會施加於燃料電池電堆，從而保護燃料電池發電裝置不受反衝能量的損壞。在本發明的另一實施例中，所述系統還包括超級電容，所述超級電容的一端連接第一開關導電裝置的另一端，另一端連接燃料電池發電裝置的另一輸出端。由上述技術方案可知，當系統能量管理控制器控制第一開關導電裝置導通或斷開以及第二開關導電裝置正嚮導通或反嚮導通或斷開時，超級電容器可以在切換的瞬間補償波動。在本發明的另一實施例中，所述系統還包括第一驅動單元和第二驅動單元，系統能量管理控制器通過所述第一驅動單元連接第一開關導電裝置的控制端，通過所述第二驅動單元連接第二開關導電裝置的控制端。由上述技術方案可知，第一驅動單元可以增強系統能量管理控制器發出控制第一開關導電裝置的導通與斷開的控制信號的驅動能力。同樣地，第二驅動單元可以增強系統能量管理控制器發出的控制信號的驅動能力。在本發明的又一實施例中，第一開關導電裝置由一個大功率絕緣柵雙極電晶體構
5成或一個高壓繼電器構成。在本發明的再一實施例中，第二開關導電裝置S2由一個大功率絕緣柵雙極電晶體與一個大功率二極體相併聯組成，或由一個高壓繼電器和一個大功率二極體相併聯組成，或由一個高壓繼電器和一個大功率絕緣柵雙極電晶體相併聯組成。在本發明的又一實施例中，所述系統能量管理控制器包括點火信號接收處理單元，用於當接收到來自駕駛員的點火信號時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置斷開的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號；啟動信息接收處理單元，用於當通過燃料電池控制器獲取到燃料電池發電裝置的啟動信息時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置正嚮導通的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號；剎車信號接收處理單元，用於當接收到來自駕駛員的剎車信號時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置斷開的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置正嚮導通的控制信號；油門信號接收處理單元，用於當接收到來自駕駛員的油門信號時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置正嚮導通的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號。由上述技術方案可知，在車輛啟動的時候，鋰電池組給電機提供能量；在燃料電池發電裝置啟動後，燃料電池發電裝置與鋰電池組一起給電機提供能量；在加速或者爬坡時， 鋰電池組可以在開始時段短時間內擔任主能源的角色，給電機提供能量，使燃料電池發電裝置的輸出功率不至於突變，從而保護燃料電池發電裝置；在滑行或制動狀態時，不需要燃料電池發電裝置和鋰電池組給電機提供能量。在本發明的再一實施例中，所述系統能量管理控制器還包括工作狀態信息接收處理單元，用於通過燃料電池控制器獲取的燃料電池發電裝置的工作狀態信息，當判斷出工作為故障信息時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置斷開的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號。由上述技術方案可知，當燃料電池發電裝置出現故障時，系統能量管理控制器的工作狀態信息接收處理單元可以控制第一開關導電裝置斷開，從而保護燃料電池發電裝置，此時鋰電池組給電機提供能量，保證電機正常運轉。在本發明的又一實施例中，所述系統能量管理控制器還包括鋰電池組SOC值接收處理單元，用於通過鋰電池管理系統獲取到鋰電池組的SOC 值，判斷鋰電池組的SOC值是否小於預設的限制下限，小於時向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置正嚮導通的控制信號；不小於時，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號。由上述技術方案可知，系統能量管理控制器的鋰電池組SOC值接收處理單元實時判斷鋰電池組的SOC值，進而控制第二開關導電裝置，以維持鋰電池組SOC動態平衡於一定的小範圍內，縮小鋰電池特性離散度，延長鋰電池組的使用壽命。在本發明的再一實施例中，所述系統能量管理控制器還包括
電壓接收處理單元，用於通過燃料電池控制器獲取到燃料電池發電裝置的電壓信息並通過鋰電池管理系統獲取到鋰電池組的電壓信息，當燃料電池發電裝置的電壓高於鋰電池組的電壓時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置導通的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置正嚮導通的控制信號；當燃料電池發電裝置的電壓低於鋰電池組的電壓時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置斷開的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號，當通過燃料電池控制器獲取到燃料電池發電裝置的電壓信息高於工作點的電壓時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置導通的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置正嚮導通的控制信號。由上述技術方案可知，系統能量管理控制器的電壓接收處理單元直接通過配置燃料電池發電裝置與鋰電池組的電壓及輸出功率規格，達到二者輸出功率、輸出電壓、輸出電流的合理匹配，提高了供電效率。同時利用燃料電池輸出特性軟而鋰電池輸出特性相對偏硬的特性，通過控制實現鋰電池承擔大部分輸出功率波動，減小了燃料電池上的電壓波動， 從而保護了燃料電池，延長燃料電池使用壽命。通過以下的描述並結合附圖，本發明將變得更加清晰，這些附圖用於解釋本發明的實施例。
圖1為現有的一種燃料電池汽車間接並聯混合動力系統的結構框圖。圖2為現有的另一種燃料電池汽車間接並聯混合動力系統的結構框圖。圖3為本發明車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統的結構框圖。圖3a為圖3所示車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統中系統能量管理控制器的詳細結構框圖。圖4a_4c為圖3所示車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統中第二開關導電裝置的結構圖。圖5為圖3所示車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統中燃料電池與鋰電池工作點匹配圖。
具體實施例方式現在參考附圖描述本發明的實施方式，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。如圖3所示，本發明燃料電池汽車車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統包括燃料電池發電裝置110、燃料電池控制器120、鋰電池組130、鋰電池管理系統140、第一開關導電裝置150、第一驅動單元160、第二開關導電裝置170、第二驅動單元180、系統能量管理控制器190大功率二極體310、超級電容320。燃料電池控制器120控制燃料電池發電裝置110上的發電設備及輔助發電設備的工作，檢測燃料電池發電裝置110的電壓、電流、壓力、溫度信息。鋰電池管理系統140檢測鋰電池組130的SOC值、電壓、電流信息。燃料電池發電裝置110的一個輸出端連接第一開關導電裝置150的一端，第一開關導電裝置150的另一端連接大功率二極體310的陽極以及超級電容320的一端，超級電容320的另一端連接燃料電池發電裝置110的另一輸出端。鋰電池組130的一個輸出端連接第二開關導電裝置170的一端，第二開關導電裝置170的另一端連接大功率二極體310的陰極。大功率二極體310的陰極和第二開關導電裝置170的另一端適用於連接電機控制器210的一個輸入端，超級電容320的另一端、燃料電池發電裝置110的另一輸出端和鋰電池組130的另一輸出端連接電機控制器210的另一輸入端，電機控制器210的兩個輸出端連接電機220。系統能量管理控制器190連接第一驅動單元160的輸入端、第二驅動單元180的輸入端以及燃料電池控制器120、鋰電池管理系統140和電機控制器210。第一驅動單元 160的輸出端連接第一開關導電裝置150的控制端，第二驅動單元180的輸出端連接第二開關導電裝置170的控制端。其中系統能量管理控制器190與燃料電池控制器120、鋰電池管理系統140、電機控制器210是通過CAN總線進行通訊的(如圖1中虛線所示)。系統能量管理控制器190通過CAN總線接收電機控制器210送回的轉速信號得到電機的功率需求， 另可根據油門踏板和剎車踏板信號輸出電機的轉矩需求信號。如圖3a，所述系統能量管理控制器190包括點火信號接收處理單元191，與第一驅動單元160的輸入端和第二驅動單元180的輸入端連接，用於當接收到來自駕駛員的點火信號時，向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150斷開的控制信號，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170 反嚮導通的控制信號；啟動信息接收處理單元192，與燃料電池控制器120、第一驅動單元160的輸入端和第二驅動單元180的輸入端連接，用於當通過燃料電池控制器120獲取到燃料電池發電裝置110的啟動信息時，向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150導通的控制信號，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170反嚮導通的控制信號；剎車信號接收處理單元193，與第一驅動單元160的輸入端和第二驅動單元180的輸入端連接，用於當接收到來自駕駛員的剎車信號時，向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150斷開的控制信號，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170 正嚮導通的控制信號；油門信號接收處理單元194，與第一驅動單元160的輸入端和第二驅動單元180的輸入端連接，用於當接收到來自駕駛員的油門信號時，向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150導通的控制信號，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170 反嚮導通的控制信號；工作狀態信息接收處理單元195，與燃料電池控制器120、第一驅動單元160的輸入端和第二驅動單元180的輸入端連接，用於通過燃料電池控制器120獲取燃料電池發電裝置的工作狀態信息，當判斷出工作狀態為故障信息(壓力過大或溫度過高)時，向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150斷開的控制信號，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170反嚮導通的控制信號；鋰電池組SOC值接收處理單元196，與鋰電池管理系統140和第二驅動單元180 的輸入端連接，用於通過鋰電池管理系統140獲取到鋰電池組130的SOC值，判斷鋰電池組 130的SOC值是否小於預設的限制下限，小於時向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170正嚮導通的控制信號；不小於時，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置 170反嚮導通的控制信號；電壓接收處理單元197，與燃料電池控制器120、鋰電池管理系統140、第一驅動單元160的輸入端和第二驅動單元180的輸入端連接，用於通過燃料電池控制器120獲取燃料電池發電裝置110的電壓信息並通過鋰電池管理系統140獲取鋰電池組130的電壓信息，當燃料電池發電裝置110的電壓高於鋰電池組130的電壓時，向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150導通的控制信號，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170正嚮導通的控制信號；當燃料電池發電裝置110的電壓低於鋰電池組130的電壓時，向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150斷開的控制信號，向第二驅動單元 180輸出控制第二開關導電裝置170反嚮導通的控制信號，當通過燃料電池控制器120獲取到燃料電池發電裝置110的電壓信息高於工作點的電壓時，向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150導通的控制信號，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置 170正嚮導通的控制信號。下面說明本發明混合動力系統的工作原理。首先需要說明的是第一開關導電裝置 150的導通方向與圖3中的Il箭頭相同，第二開關導電裝置170的正嚮導通方向與圖3中的12箭頭相同，第二開關導電裝置170的反嚮導通方向與圖3中的12箭頭相反。系統起動之初，系統能量管理控制器190的點火信號接收處理單元191接收到來自駕駛員的點火信號，點火信號接收處理單元191向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150斷開的控制信號1並且向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170 反嚮導通的控制信號2。第一驅動單元160增強控制信號1，第一開關導電裝置150接收到控制信號1後斷開。第二驅動單元180增強控制信號2，第二開關導電裝置170接收到控制信號2後反嚮導通，此時鋰電池組130給電機控制器210供電，等待燃料電池發電裝置110 啟動。燃料電池發電裝置110啟動成功後，燃料電池控制器120獲取到燃料電池發電裝置的啟動成功信息，將燃料電池發電裝置啟動信息發送給系統能量管理控制器190的啟動信息接收處理單元192，啟動信息接收處理單元192向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150正嚮導通的控制信號1並且向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170反嚮導通的控制信號2。控制信號1經第一驅動單元160增強後，第一開關導電裝置150正嚮導通，燃料電池發電裝置110給電機控制器210供電。控制信號2經第二驅動單元180增強後，第二開關導電裝置170反嚮導通，鋰電池組130給電機控制器210供電。當車輛處於滑行或制動狀態，系統能量管理控制器190的剎車信號接收處理單元 193接收到來自駕駛員的剎車信號，剎車信號接收處理單元193向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150斷開的控制信號1並且向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170正嚮導通的控制信號2。控制信號1經第一驅動單元160增強後，第一開關導電裝置150斷開(若此時剎車信號接收處理單元193控制第一開關導電裝置150處於正嚮導通狀態，燃料電池發電裝置110輸出端電壓升高，工作在小電流狀態，對燃料電池發電裝置 110不利，控制第一開關導電裝置150斷開是為了保護燃料電池發電裝置110)。控制信號 2經第二驅動單元180增強後，第二開關導電裝置170正嚮導通，電機220給鋰電池組130 充電(電機220此時工作在再生制動狀態，回收多餘的動能給鋰電池組130充電)。
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當車輛處於加速或爬坡階段，系統能量管理控制器190的油門信號接收處理單元 194接收到來自駕駛員的油門信號，油門信號接收處理單元194向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150正嚮導通的控制信號1並且向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170反嚮導通的控制信號2。控制信號1經第一驅動單元160增強後，第一開關導電裝置150正嚮導通，燃料電池發電裝置110經過大功率二極體310接入直流母線給電機控制器210提供電能，單向二極體320保護燃料電池發電裝置110不受反衝能量的損壞。 控制信號2經第二驅動單元180增強後，第二開關導電裝置170反嚮導通，鋰電池組130給電機控制器210提供電能。燃料電池發電裝置110和鋰電池組130同時驅動整車電機，鋰電池組130主要提供瞬時高功率輸出以滿足整車的動力性要求。當燃料電池控制器120檢測燃料電池發電裝置110的工作狀態，並判斷是否發生故障，將故障信息發送至系統能量管理控制器190的工作狀態信息接收處理單元195，工作狀態信息接收處理單元195向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150斷開的控制信號1並且向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170反嚮導通的控制信號2。 控制信號1經第一驅動單元160增強後，第一開關導電裝置150斷開，從而保護燃料電池發電裝置110。控制信號2經第二驅動單元180增強後，第二開關導電裝置170反嚮導通，鋰電池組130給電機控制器210提供電能。這樣使燃料電池發電裝置110出現故障時，整個動力系統仍然可以正常運行。鋰電池管理系統140檢測鋰電池組130的SOC值，將鋰電池組130的SOC值傳遞給系統能量管理控制器190的鋰電池組SOC值接收處理單元196，鋰電池組SOC值接收處理單元196判斷鋰電池組的SOC值是否小於預設的限制下限，若是，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170正嚮導通的控制信號2，控制信號2經第二驅動單元180增強後，第二開關導電裝置170正嚮導通，燃料電池發電裝置110給鋰電池組130供電；若否，向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170反嚮導通的控制信號2，控制信號2經第二驅動單元180增強後，第二開關導電裝置170反嚮導通，鋰電池組130給電機控制器210 提供電能(這一過程旨在維持鋰電池組130的SOC動態平衡於一定的小範圍內，縮小鋰電池特性離散度，使控制更加有效，延長鋰電池使用壽命)。系統能量管理控制器190的電壓接收處理單元197接收燃料電池控制器120發送的燃料電池發電裝置110的電壓信息以及鋰電池管理系統140發送的鋰電池組130的電壓信息，根據接收的信息判斷燃料電池發電裝置110的電壓信息與鋰電池組130的電壓信息調整燃料電池系統與鋰電池的輸出電壓、輸出電流。具體如下如果電壓接收處理單元197判斷出燃料電池發電裝置110的電壓高於鋰電池組 130的電壓，電壓接收處理單元197向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150導通的控制信號1並且向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170正嚮導通的控制信號2。一方面控制信號1經第一驅動單元160增強後，第一開關導電裝置150導通，另一方面控制信號2經第二驅動單元180增強後，第二開關導電裝置170正嚮導通，這樣燃料電池發電裝置110給鋰電池組130充電，直到電壓接收處理單元197判斷出燃料電池發電裝置110的電壓與鋰電池組130的電壓相等。這一過程使得燃料電池發電裝置110輸出電壓下降，鋰電池組130電壓上升，維持燃料電池發電裝置110及鋰電池組130的工作狀態動態平衡。
如果電壓接收處理單元197判斷出燃料電池發電裝置110的電壓低於鋰電池組 130的電壓，電壓接收處理單元197向第一驅動單元160輸出控制第一開關導電裝置150斷開的控制信號1並且向第二驅動單元180輸出控制第二開關導電裝置170反嚮導通的控制信號3。控制信號1經第一驅動單元160增強後，第一開關導電裝置150斷開，燃料電池發電裝置110與直流母線斷開，處於空載狀態，此時產生電能的氫氧化學反應仍在進行，一段時間後，燃料電池發電裝置110的電壓回升，直到在一定範圍內高於工作點(最大負載電流的一半為工作點)對應的電壓。控制信號2經第二驅動單元180增強後，第二開關導電裝置170反嚮導通，鋰電池組130給電機220供電，由於鋰電池組130單獨給電機220供電， 鋰電池組130電壓下降，此時，電壓接收處理單元197判斷出燃料電池發電裝置110的電壓高於工作點的電壓時，執行上述燃料電池發電裝置110給鋰電池組130充電的步驟來控制第一開關導電裝置150和第二開關導電裝置170，實現燃料電池發電裝置110的電壓與鋰電池組130的電壓相等。圖5為燃料電池發電裝置110與鋰電池組130的工作點匹配圖，展示了燃料電池發電裝置110的輸出電壓-電流特性曲線和鋰電池組130的輸出電壓-電流特性曲線。圖中，A點表明燃料電池發電裝置110的電壓與鋰電池組130的電壓相等，是兩曲線的交點， 即為上述的工作點(確定最大負載電流的一半為系統工作點)；B點表明燃料電池發電裝置 110的電壓大於鋰電池組130的電壓；C點表明燃料電池發電裝置110的電壓小於鋰電池組 130的電壓；D點表明燃料電池發電裝置110的電壓小於鋰電池組130的電壓，其中D點鋰電池組130的電壓小於C點鋰電池組130的電壓。當系統運行在B點時，系統能量管理控制器190的電壓接收處理單元197控制第二開關導電裝置170正嚮導通，使系統從B點向A 點移動。若系統運行在C點，系統能量管理控制器190的電壓接收處理單元197控制第一開關導電裝置150斷開，使燃料電池發電裝置110的工作點由C點向A點移動，此時，鋰電池組130由C點向D點移動，當燃料電池發電裝置110的電壓高於A點到達B點時，控制第二開關導電裝置170正嚮導通，使燃料電池發電裝置110由B點向A點移動，鋰電池組130 由D點向A點移動。這樣，通過系統能量管理控制器的控制，實現燃料電池發電裝置110和鋰電池組130的輸出功率、輸出電壓、輸出電流的合理匹配。需要說明的是，本系統具有可控正嚮導通功能的第一開關導電裝置150可由一個大功率絕緣柵雙極電晶體構成或一個高壓繼電器構成。本系統具有可控正向、反嚮導通功能的第二開關導電裝置170可由圖如所示的一個大功率絕緣柵雙極電晶體與一個大功率二極體相併聯組成，或由圖4b所示的一個高壓繼電器和一個大功率二極體相併聯組成，或由圖如所示的一個高壓繼電器和一個大功率絕緣柵雙極電晶體相併聯組成。由於採用上述技術方案，本發明與現有技術相比較，有以下優點和創新點1)採取燃料電池發電裝置110和鋰電池組130直接並聯的動力系統結構，燃料電池發電裝置110和鋰電池組130直接並聯在直流母線上，一起給電機220及其他整車設備供電，通過相應第一導電裝置150和第二導電裝置170進行控制，本系統無DC/DC變換器， 消除了 DC/DC轉換環節帶來的問題，摒棄了傳統的需要DC/DC穩壓的間接並聯模式，因而避免了 DC/DC變換器導致的降低系統效率、增加控制策略難度、對燃料電池本身帶來傷害，以及增加開發DC/DC變換器的成本的問題；2)燃料電池發電裝置110通過大功率二極體310與負載相連，能保證外部高壓不會施加於燃料電池電堆，從而保護燃料電池發電裝置110不受反衝能量的損壞；3)當系統能量管理控制器190控制第一開關導電裝置150導通或斷開以及第二開關導電裝置170正嚮導通或反嚮導通或斷開時，超級電容器320可以在切換的瞬間補償波動；4)第一驅動單元160可以增強系統能量管理控制器190發出控制第一開關導電裝置的導通與斷開的控制信號的驅動能力。同樣地，第二驅動單元170可以增強系統能量管理控制器發出190的控制信號的驅動能力；5)在車輛啟動的時候，鋰電池組130給電機控制器210提供能量；在燃料電池發電裝置110啟動後，燃料電池發電裝置110與鋰電池組130 —起給電機控制器210提供能量；在加速或者爬坡時，鋰電池組130可以在開始時段短時間內擔任主能源的角色，給電機控制器210提供能量，使燃料電池發電裝置110的輸出功率不至於突變，從而保護燃料電池發電裝置110 ；在滑行或制動狀態時，不需要燃料電池發電裝置110和鋰電池組130給電機控制器210提供能量；6)當燃料電池發電裝置110出現故障時，系統能量管理控制器190的工作狀態信息接收處理單元195可以控制第一開關導電裝置160斷開，從而保護燃料電池發電裝置 110 ；7)系統能量管理控制器190的鋰電池組SOC值接收處理單元196實時判斷鋰電池組的SOC值，進而控制第二開關導電裝置170，以維持鋰電池組SOC動態平衡於一定的小範圍內，縮小鋰電池特性離散度，延長鋰電池組的使用壽命；8)系統能量管理控制器190的電壓接收處理單元197直接通過配置燃料電池發電裝置110與鋰電池組130的電壓及輸出功率規格，達到二者輸出功率、輸出電壓、輸出電流的合理匹配，提高了供電效率。同時利用燃料電池輸出特性軟而鋰電池輸出特性相對偏硬的特性，通過控制實現鋰電池組130承擔大部分輸出功率波動，減小了燃料電池發電裝置 110的電壓波動，從而保護了燃料電池發電裝置110，延長燃料電池發電裝置110的使用壽命。以上結合最佳實施例對本發明進行了描述，但本發明並不局限於以上揭示的實施例，而應當涵蓋各種根據本發明的本質進行的修改、等效組合。
權利要求
1.一種車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於，包括燃料電池發電裝置、獲取燃料電池發電裝置的電壓、電流、壓力、溫度信息的燃料電池控制器、鋰電池組、獲取鋰電池組的SOC值、電壓、電流信息的鋰電池管理系統、第一開關導電裝置、第二開關導電裝置以及系統能量管理控制器；燃料電池發電裝置的一個輸出端連接第一開關導電裝置的一端，鋰電池組的一個輸出端連接第二開關導電裝置的一端，第一開關導電裝置的另一端、第二開關導電裝置的另一端適用於連接電機控制器的一個輸入端，燃料電池發電裝置的另一輸出端、鋰電池組的另一輸出端適用於連接電機控制器的另一輸入端，其中電機控制器的兩個輸出端連接電機；系統能量管理控制器分別連接第一開關導電裝置的控制端、第二開關導電裝置的控制端、燃料電池控制器、鋰電池管理系統和電機控制器，用於根據燃料電池控制器和鋰電池管理系統獲取的信息控制第一開關導電裝置導通或斷開以及控制第二開關導電裝置正嚮導通或反嚮導通或斷開。
2.如權利要求1所述的車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於， 還包括大功率二極體，第一開關導電裝置的另一端通過所述大功率二極體與電機控制器的一個輸入端連接，其中，大功率二極體的陽極與第一開關導電裝置的另一端連接，陰極連接電機控制器的一個輸入端。
3.如權利要求1所述的車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於， 還包括超級電容，所述超級電容的一端連接第一開關導電裝置的另一端，另一端連接燃料電池發電裝置的另一輸出端。
4.如權利要求1所述的車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於， 還包括第一驅動單元和第二驅動單元，系統能量管理控制器通過所述第一驅動單元連接第一開關導電裝置的控制端，通過所述第二驅動單元連接第二開關導電裝置的控制端。
5.如權利要求1所述的車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於， 第一開關導電裝置由一個大功率絕緣柵雙極電晶體構成或一個高壓繼電器構成。
6.如權利要求1所述的車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於， 第二開關導電裝置S2由一個大功率絕緣柵雙極電晶體與一個大功率二極體相併聯組成， 或由一個高壓繼電器和一個大功率二極體相併聯組成，或由一個高壓繼電器和一個大功率絕緣柵雙極電晶體相併聯組成。
7.如權利要求1所述的車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於， 所述系統能量管理控制器包括點火信號接收處理單元，用於當接收到來自駕駛員的點火信號時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置斷開的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號；啟動信息接收處理單元，用於當通過燃料電池控制器獲取到燃料電池發電裝置的啟動信息時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置正嚮導通的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號；剎車信號接收處理單元，用於當接收到來自駕駛員的剎車信號時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置斷開的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置正嚮導通的控制信號；油門信號接收處理單元，用於當接收到來自駕駛員的油門信號時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置正嚮導通的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號。
8.如權利要求7所述的車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於， 所述系統能量管理控制器還包括工作狀態信息接收處理單元，用於通過燃料電池控制器獲取的燃料電池發電裝置的工作狀態信息，當判斷出工作為故障信息時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置斷開的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號。
9.如權利要求7所述的車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於， 所述系統能量管理控制器還包括鋰電池組SOC值接收處理單元，用於通過鋰電池管理系統獲取到鋰電池組的SOC值，判斷鋰電池組的SOC值是否小於預設的限制下限，小於時向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置正嚮導通的控制信號；不小於時，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號。
10.如權利要求7所述的車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其特徵在於， 所述系統能量管理控制器還包括電壓接收處理單元，用於通過燃料電池控制器獲取到燃料電池發電裝置的電壓信息並通過鋰電池管理系統獲取到鋰電池組的電壓信息，當燃料電池發電裝置的電壓高於鋰電池組的電壓時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置導通的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置正嚮導通的控制信號；當燃料電池發電裝置的電壓低於鋰電池組的電壓時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置斷開的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置反嚮導通的控制信號，當通過燃料電池控制器獲取到燃料電池發電裝置的電壓信息高於工作點的電壓時，向第一開關導電裝置輸出控制第一開關導電裝置導通的控制信號，向第二開關導電裝置輸出控制第二開關導電裝置正嚮導通的控制信號。
全文摘要
本發明公開了一種車載燃料電池與鋰電池直接並聯混合動力系統，其燃料電池發電裝置的輸出端通過第一開關導電裝置連接電機控制器的輸入端，鋰電池組的輸出端通過第二開關導電裝置連接電機控制器的輸入端；電機控制器的輸出端連接電機；系統能量管理控制器分別連接燃料電池控制器、鋰電池管理系統、電機控制器、第一開關導電裝置的控制端和第二開關導電裝置的控制端，用於根據燃料電池控制器和鋰電池管理系統獲取的信息控制第一開關導電裝置導通或斷開以及控制第二開關導電裝置正嚮導通或反嚮導通或斷開。本系統摒棄了傳統的需要DC/DC穩壓的供電模式，提高了供電效率，鋰電池組分擔了燃料電池發電裝置的電壓波動，保護了燃料電池。
文檔編號B60K6/48GK102180087SQ20111009416
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月14日 優先權日2011年4月14日
發明者全書海, 張琴, 張立炎, 石英, 謝長君, 鄧堅, 陳啟宏, 黃亮 申請人:武漢理工大學