[发明专利]带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统

说明书

技术领域

本发明属于一种燃料电池汽车的混合动力系统，特别是一种带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统及控制方法。

背景技术

燃料电池汽车有着节能、环保、效率高、运行平稳无噪声等优点，成为新一代汽车研发的热点。近年来，燃料电池汽车技术已经取得了重大的进展，然而在燃料电池汽车开发过程中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器，优化燃料电池汽车动力系统等。由于燃料电池在峰值功率输出能力以及功率输出的动态响应等方面性能欠佳，因此往往需要辅助能源在功率输出能力等方面对它加以补充和改善，这些辅助能源通常是蓄电池，有的还包括超级电容。

现有的燃料电池混合动力电动汽车的辅助能源大都包含蓄电池，然而蓄电池满足整车峰值功率要求和紧急功率要求能力有限，在爬坡或加速等情况下需要大电流放电，极大地影响了寿命，导致频繁更换蓄电池，增加运行成本。超级电容相比蓄电池，以其充放电效率高、充放电寿命长，可提供很高的放电电流、接受快速大电流充电能力强、能在其允许电压范围内的任何电压下充电的优点满足整车峰值功率要求和紧急功率要求并保护蓄电池。因此，本发明采用蓄电池和超级电容作为辅助能源，并运用双向DC/DC转换器调控超级电容的充放电。

现有的燃料电池汽车混合动力系统中，燃料电池或蓄电池组的输出接DC/DC转换器后再给直流母线供电，DC/DC转换器的存在不仅降低了电池的供电效率，它的高频斩波取电方式对电池存在一定危害。因此，摒弃传统的需要DC/DC转换器稳定直流母线电压的结构，本发明提出了燃料电池与蓄电池直接并联的结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种弥补蓄电池组单独作为燃料电池混合动力电动汽车辅助能源的不足，同时提高动力系统的供电效率的带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统，所述系统包括燃料电池电堆、燃料电池辅助系统及燃料电池控制器、蓄电池组及蓄电池组管理系统、超级电容组及超级电容管理系统、高压双向DC/DC转换器、小功率单向DC/DC转换器、电机控制器及驱动电机、系统能量管理控制器、高压开关K1、高压开关K2以及功率二极管，所述燃料电池电堆的高压输出端通过高压开关K1与功率二极管阳极相连，蓄电组的高压输出端通过高压开关K2与功率二极管阴极及电机控制器的高压输入端直接并联，从而构成直流母线。

所述超级电容组通过高压双向DC/DC转换器与直流母线相连。

所述蓄电池组的高压输出端通过小功率单向DC/DC转换器与燃料电池辅助系统相连。

所述系统能量管理控制器通过CAN总线连接燃料电池控制器、小功率单向DC/DC转换器、蓄电池管理系统、高压双向DC/DC转换器、超级电容管理系统、电机控制器，实时采集各部件状态信息，在各部件状态信息均正常的情况下，系统能量管理控制器通过直接控制高压开关K1和高压开关K2，以及通过CAN总线控制小功率单向DC/DC转换器的输出、高压双向DC/DC转换器的输出以及电机控制器的转矩输出来完成整车在各状态下对动力系统的控制与管理。

当整车处于启动状态时，燃料电池电堆没有能量输出，整车所需功率全部由蓄电池组提供。系统能量管理控制器控制小功率单向DC/DC转换器输出恒定电压给燃料电池辅助系统，以启动燃料电池电堆。同时控制高压开关K1断开、高压开关K2闭合、电机控制器输出转矩完成整车起步。当燃料电池电堆启动完毕后，控制高压开关K1闭合，燃料电池电堆接入直流母线。

当整车处于加速状态时，需求功率较大，辅助能源补偿燃料电池电堆的输出功率。系统能量管理控制器控制高压开关K1闭合、电机控制器输出大驱动转矩完成加速过程。考虑到辅助能源装置的SOC较低时不宜放电，因此按照如下方式配置辅助能源的输出。

若蓄电池组的SOC大于30%,则控制高压开关K2闭合，蓄电池组与燃料电池电堆直接并联输出功率；否则，控制高压开关K2断开。

若超级电容组的SOC大于10%，则控制高压双向DC/DC转换器由超级电容组向直流母线正向输出大电流，分担加速过程中电机控制器的目标需求功率，从而减小燃料电池电堆与蓄电池组并联提供给电机控制器的功率，间接稳定母线电压，防止母线电压陡降；否则控制高压双向DC/DC转换器由超级电容组向直流母线正向输出零电流。