專利名稱：電－電混合燃料電池汽車的動力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池汽車的電-電混合動力系統(tǒng)，尤其涉及一種帶有輔助動力源的電-電混合動力系統(tǒng)。
由通用汽車公司研制的零排放“氫動一號(HydroGenl)”燃料電池汽車的發(fā)動機是一個55千瓦三相交流異步電動機，其動力來自由液態(tài)純氫驅(qū)動的燃料電池組，該電池組由200個單個燃料電池串聯(lián)而成，總體積相當于一臺普通的汽油發(fā)動機；電池組旁邊有一個空氣壓縮器，向電池組和一個催化燃燒器輸送氧氣，催化燃燒燃掉電池組中剩余的氣體。這個動力組可以產(chǎn)生平時80千瓦、最高達120千瓦的電流，該車的動力系統(tǒng)可以克服低溫起動的障礙。
但由于燃料電池在啟動發(fā)電前，需要有一定容量的空氣壓縮器(它屬于燃料電池的組成部分，一般情況下，空壓機電機的容量為燃料電池額定輸出功率的20％)為其提供一定壓力和流量的空氣，所以最初需由輔助動力源為空壓機電機供電，當燃料電池啟動并正常發(fā)電后，才由其本身維持對空氣壓縮器的供電。而從燃料電池啟動到輸出較大功率的電能約需數(shù)秒時間，這使它作為汽車動力源時產(chǎn)生這樣的問題如果汽車需在燃料電池啟動期間起步行駛，由于燃料電池尚不能為驅(qū)動電機供電，這時也需由輔助動力源暫時替代燃料電池向驅(qū)動電機供電。另外，對于電動汽車，驅(qū)動電機可以方便的實現(xiàn)再生發(fā)電制動運行。
基于上述技術(shù)原因，目前通行的燃料電池汽車動力系統(tǒng)技術(shù)方案，除采用燃料電池發(fā)動機作為主要動力源外，均設(shè)有動力蓄電池作為輔助動力源，以解決采用燃料電池作為主動力源所帶來的如下問題1)在燃料電池啟動期間，為空壓機供電；2)燃料電池啟動期間為驅(qū)動電機供電；3)汽車制動時通過驅(qū)動電機和驅(qū)動控制器將回收的那部分電能儲蓄起來。
可以說，采用動力蓄電池作為輔助動力源是以燃料電池為主要動力源的車載動力系統(tǒng)的一種必然選擇。目前的技術(shù)關(guān)鍵在于，如何確定作為主動力源的燃料電池的容量和作為輔助動力源的動力蓄電池或超級電容器之間的最佳功率分配。
本發(fā)明所要解決技術(shù)問題是提供一種燃料電池汽車動力系統(tǒng)，其具有動力蓄電池及超級電容器雙輔助動力源并可實現(xiàn)三個動力源之間功率的合理分配。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種以質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機為主要動力源，高能動力蓄電池組和超級電容為輔助動力源，驅(qū)動電機和驅(qū)動控制器為驅(qū)動裝置的電-電混合動力系統(tǒng)。由輔助動力源的作用來看，它所供電的對象所需供電功率都比較小，而且都是短時的充放電工作，所以可以采用大功率燃料電池、小容量高能蓄電池組的方法。但是考慮到國內(nèi)燃料電池和高能蓄電池組的實際情況，截至到目前為止還不能制造功率較大的燃料電池，所以本發(fā)明采用的是較小容量的燃料電池和較大容量的高能動力蓄電池組的方案。另外即便是高能動力蓄電池所能達到的比能量和比功率都還比較低，于是動力蓄電池組的瞬態(tài)放電性能仍然不理想。為了改善汽車啟動、加速時的性能，本發(fā)明采用了超級電容作為另外一個輔助動力源。為了實現(xiàn)上述各器件的功率平衡控制，本發(fā)明采用的方法如下1)、保證燃料電池的電流給定值跟隨平均負載的緩慢變化和電池充電電流控制；2)、合理的調(diào)節(jié)電池電流在保證壽命的前提下起到調(diào)節(jié)峰值功率的作用，對電池充放電的控制采用根據(jù)以SOC狀態(tài)的不同采用不同充放電流限幅值的方法；3)、保證電池在運行一個完整的循環(huán)工況后荷電狀態(tài)SOC(State ofCharge)與初始值SOCinial基本相同。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有下述優(yōu)點本發(fā)明的動力系統(tǒng)可實現(xiàn)燃料電池、動力蓄電池和超級電容之間功率的合理分配，從而保證燃料電池汽車的動力性、經(jīng)濟型、安全性以及各部件的正常壽命。在本發(fā)明的動力系統(tǒng)中，考慮到燃料電池輸出電壓較低、輸出特性較軟及響應(yīng)較慢的特點，通過DC/DC(直流/直流變換器)的電流閉環(huán)控制，并配以超級電容(Ultracapacitor)和高能蓄電池組，實現(xiàn)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。在汽車處于啟動、加速和爬坡工況時時，為滿足動力性的要求，通過高能動力蓄電池組和燃料電池混合提供電能；其余工況下，主要由燃料電池提供電能；超級電容的使用，主要是為了起到能量緩沖和功率平衡的作用，由于超級電容具有超高電荷密度和功率密度，在相同的容量下比動力蓄電池組輕的多和小的多，特別適合汽車啟動、加速、爬坡等短時間需提供大功率輸出的應(yīng)用場合。
一燃料電池3(Fuel Cell Engine)，其包括燃料電池控制器31、空氣壓縮機32、燃燒電池堆33、直流/交流逆變器34，可為燃料電池汽車提供大電流、低電壓的電能；所述燃料電池控制器31通過直流/交流逆變器34控制空氣壓縮機32，為燃料電池堆33提供所需要的空氣供應(yīng)。
一與燃料電池3通過高壓電纜連接的單向高壓DC/DC變換器4，其采用輸出電流閉環(huán)控制，這意味著，DC/DC變換器4不斷檢測輸出側(cè)高壓母線上的輸出電流，并與車輛控制器9的設(shè)定輸出電流進行實時比較，保證輸出側(cè)電流跟蹤車輛控制器9的給定規(guī)律變化。另外，控制算法保證了，燃料電池3的輸出電流跟隨汽車行駛中的平均負載變化，并適當兼顧高能蓄電池組當前的充放電需要，由此得到燃料電池3的期望輸出功率，基于該期望功率，車輛控制器9通過燃料電池控制器31調(diào)節(jié)燃料電池堆的輸出功率。燃料電池3輸出的大電流、低電壓的電能經(jīng)過單向高壓DC/DC變換器4升壓后提供給電機驅(qū)動控制器2；一高能動力蓄電池組5，在燃料電池啟動前為空氣壓縮機32提高電能、并在汽車啟動、加速、爬坡時為驅(qū)動電機1提供一定的峰值功率，在驅(qū)動電機1再生發(fā)電制動時提供電能儲蓄裝置；一超級電容6(Ultra-Capacitor)，在汽車啟動、加速度較大以及爬坡時提供較大的放電峰值功率，并在驅(qū)動電機1再生發(fā)電制動時吸收較大的充電峰值功率；一雙向高壓DC/DC變換器7，其同樣采用電流閉環(huán)控制，即DC/DC變換器7不斷檢測流入/流出超級電容6的電流大小，并與車輛控制器9的設(shè)定電流進行實時比較，保證流入/流出超級電容6的電流跟蹤車輛控制器9的給定規(guī)律變化。以此方式可以主動干預(yù)超級電容6的輸入/輸出，將超級電容6中的電能提供給驅(qū)動電機1，或者吸收部分驅(qū)動電機1再生發(fā)電制動的電能，也可以根據(jù)工況需求提供汽車加速、爬坡時的峰值功率要求。
一高能蓄電池組管理單元8(Batteries Management Unit)，提供關(guān)于蓄電池組荷電狀態(tài)SOC(State Of Charge)的信息以供功率平衡控制策略的有效實施；一車輛控制器9，控制燃料電池3(Fuel Cell Engine)、超級電容6(Ultra-Capacitor)、高能動力蓄電池組5、驅(qū)動電機1及電機驅(qū)動控制器2，并實現(xiàn)上述各器件的功率平衡控制即1)、保證燃料電池的電流給定值跟隨平均負載的緩慢變化和電池充電電流控制；2)、合理的調(diào)節(jié)電池電流在保證壽命的前提下起到調(diào)節(jié)峰值功率的作用，對電池充放電的控制采用根據(jù)以SOC狀態(tài)的不同采用不同充放電流限幅值的方法；3)、保證電池在運行一個完整的循環(huán)工況后荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)與初始值SOCinial基本相同。在這樣的控制方法的指導(dǎo)下，車輛控制器9可以分別計算得到燃料電池堆33的期望輸出功率，超級電容的輸入/輸出電流大小，并協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)控制單向DC/DC變換器4和雙向DC/DC變換器7，控制動力蓄電池5的負載電流，實現(xiàn)整個動力系統(tǒng)的功率平衡控制。
根據(jù)上述基本控制方法，通過詳盡的仿真計算和汽車運行工況的統(tǒng)計分析和動態(tài)建模，本發(fā)明可確定的以上各動力裝置容量的比例關(guān)系大致為驅(qū)動電機及電機控制器為100％；燃料電池為60％；動力蓄電池組為20％；超級電容為20％。
權(quán)利要求
1.一種電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)包括一驅(qū)動電機(1)及與之通過動力線相連接的電機驅(qū)動控制器(2)；一與電機驅(qū)動控制器(2)雙向動力線連接的燃料電池(3)，其包括燃料電池控制器(31)；一與燃料電池(3)通過動力線連接的單向高壓DC/DC變換器(4)，其輸出端與電機驅(qū)動控制器(2)的輸入端相連接；一車輛控制器(9)，其與電機驅(qū)動控制器(2)、單向高壓DC/DC變換器(4)、燃料電池控制器(31)進行雙向通信連接；其特征在于，該系統(tǒng)還包括一高能動力蓄電池組(5)及蓄電池組管理單元(8)，所述的蓄電池組管理單元(8)與車輛控制器(9)雙向通信連接，與電機驅(qū)動控制器(2)通過動力線連接；一超級電容(6)及與超級電容(6)通過動力線連接的雙向高壓DC/DC變換器(7)，所述的雙向高壓DC/DC變換器與電機驅(qū)動控制器(2)通過動力線連接；所述的車輛控制器(9)是這樣實現(xiàn)功率平衡控制的A)、保證燃料電池電流給定值跟隨平均負載的緩慢變化和電池充電電流控制；B)、合理的調(diào)節(jié)燃燒電池電流在保證壽命的前提下起到調(diào)節(jié)峰值功率的作用，對燃燒電池充放電的控制采用根據(jù)以荷電狀態(tài)的不同采用不同充放電流限幅值；C)、保證燃料電池在運行一個完整的循環(huán)工況后荷電狀態(tài)與初始值基本相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動電機(1)采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)，其特征在于，所述的單向高壓DC/DC變換器(4)采用輸出電流閉環(huán)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)，其特征在于，所述的雙向高壓DC/DC變換器(7)采用電流閉環(huán)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電-電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)，其特征在于，所述的驅(qū)動電機(1)及電機控制器(2)、燃料電池(3)、高能動力蓄電池組(5)、超級電容(6)間的功率配置比例關(guān)系為驅(qū)動電機(1)及電機控制器(2)為100％、燃料電池為(3)60％、高能動力蓄電池組(5)為20％、超級電容(6)為20％。
全文摘要
一種電－電混合燃料電池汽車動力系統(tǒng)包括驅(qū)動電機(1)、電機驅(qū)動控制器(2)、燃料電池(3)、單向高壓DC/DC變換器(4)，車輛控制器(9)，該系統(tǒng)還包括高能動力蓄電池組(5)、蓄電池組管理單元(8)、超級電容(6)、雙向高壓DC/DC變換器(7)，所述的車輛控制器(9)可實現(xiàn)功率平衡控制。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有下述優(yōu)點本發(fā)明的動力系統(tǒng)可實現(xiàn)燃料電池、動力蓄電池和超級電容之間功率的合理分配，從而保證燃料電池汽車的動力性、經(jīng)濟型、安全性以及各部件的正常壽命。
文檔編號B60K6/28GK1475378SQ0213650
公開日2004年2月18日 申請日期2002年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月14日
發(fā)明者萬鋼, 孫澤昌, 余卓平, 魏學哲, 鐘再敏, 安浩, 鋼 萬 申請人:上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司, 萬鋼