一种以氢燃料电池和锂离子电容的车用能量转换装置

技术领域

本发明涉及汽车智能系统领域，尤其涉及一种以氢燃料电池和锂离子电容的车用能量转换装置。

背景技术

由于燃料电池系统动态响应慢，在启动、急加速、爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆要求，需要有一套能量存储系统来解决这个问题，同时解决燃料电池的低温启动、辅助高压供电问题，目前常用的能量存储系统主要是锂离子电池、超级电容和镍氢电池，由于传统的能量存储系统的储能受到自身体积、自身重量以及整车空间的限制，所以不能储存足够多的能量来供给辅助供电单元或提高车辆的行驶里程，同样燃料电池的氢瓶储氢也受到自身体积、自身重量以及整车空间的限制，氢瓶储存氢气多少决定了车辆的行驶里程，车辆在减速或制动时，驱动电机工作在发电状态，将车辆的部分动能转化为电能储存于能量存储系统中，同时施加转矩于驱动轴，对车辆进行制动。锂离子超级电容比常规电容器能量密度大，比锂离子电池功率密度高，具有性能稳定、充放电时间短、循环寿命长、功率密度大、高低温性能良好等优点，此技术的应用增加了车辆一次加氢的续驶里程，提高汽车能量利用效率，对汽车的节能环保有着重要作用。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种使用大电流放电能力强、充电速度快、循环使用寿命长等特性的锂离子电容与加载、降载相对较慢的氢燃料电池组成车用动力系统，锂离子电容系统和氢燃料电池系统性能上互补，主要解决在车辆启动、急加速、爬陡坡时利用锂离子电容的特性来快速提供能量，而且在车辆制动、惯性滑行过程中释放出的能量储存到锂离子电容中。这对车辆节能环保、提高发动机效率大有益处。

本发明提出的一种以氢燃料电池和锂离子电容的车用能量转换装置，具体包括以下：

辅助能源系统、氢燃料电池系统、整车控制器、电驱系统和其他用电设备；辅助能源系统、氢燃料电池系统与所述整车控制器电性连接；所述辅助能源系统内置双向DC/DC与所述整车控制器进行能量交互；电驱系统、其他用电设备与整车控制器电性连接。整车控制器根据实际工况，自动完成汽车的启动和启动以后的能源分配。

进一步地，所述辅助能源系统为锂离子电容或者超级电容或者镍氢电池。

进一步地，汽车启动过程如下：

所述整车控制器控制所述双向DC/DC输出电压升高直至使氢燃料电池系统的电压达到设定的目标电压；

所述氢燃料电池系统准备就绪，接收来自整车控制器的开机命令；若接收到开机命令，则氢燃料电池系统读取当前环境温度值；否则继续等待开机命令；

若当前环境温度小于预设的目标温度值，则表示氢燃料电池需要进行低温启动及预加热，此时整车控制器控制所述双向DC/DC输出功率，提供能量使所述氢燃料电池系统启动。

氢燃料电池系统启动后，所述整车控制器根据油门踏板信号、氢燃料电池状态和辅助能源系统状态进行功率分配，具体如下：

整车控制器获取所述辅助能源系统的荷电状态SOC，并根据油门踏板信号换算电驱系统需求功率P

整车控制器判断辅助能源系统SOC是否处于预设的目标范围内，若是，则整车控制器输出计算总功率P

所述整车控制器获取氢燃料电池系统当前输出功率P

P＝P

所述整车控制器控制所述辅助能源系统提供其他用电设备的供电功率需求P

本发明提供的有益效果是：解决在车辆启动、急加速、爬陡坡时利用锂离子电容的特性来快速提供能量，而且在车辆制动、惯性滑行过程中释放出的能量储存到锂离子电容中。这对车辆节能环保、提高发动机效率大有益处。

附图说明

图1是本发明一种以氢燃料电池和锂离子电容的车用能量转换装置结构图；

图2是动力系统启动、关闭流程图；

图3是整车控制器进行能量分配流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，一种以氢燃料电池和锂离子电容的车用能量转换装置，包括以下：

辅助能源系统、氢燃料电池系统、整车控制器、电驱系统和其他用电设备；辅助能源系统、氢燃料电池系统与所述整车控制器电性连接；所述辅助能源系统内置双向DC/DC与所述整车控制器进行能量交互；电驱系统、其他用电设备与整车控制器电性连接。整车控制器根据实际工况，自动完成汽车的启动和启动以后的能源分配。

本申请中所述辅助能源系统优选锂离子电容，当然对此不作限制，也可采用超级电容或者镍氢电池。

后文中，本发明所述的辅助能源系统均以锂离子电容为代表，进行解释说明。

锂离子电容通过双向DCDC实现稳压输出作为辅助电源，为氢燃料电池在开机过程、关机过程中提供高压供电；为氢燃料电池低温启动、预热时提供能量；氢燃料电池在降载过程中，输出的部分能量提供给电机驱动系统，多余的能量通过双向DCDC回收到锂离子电容中；电机驱动系统在制动、惯性滑行中产生的能量通过双向DCDC回收到锂离子电容中；车辆在启动、急加速、爬陡坡时需要的瞬时大功率，部分能量由氢燃料电池系统提供，剩余的能量全部来自于锂离子电容通过双向DCDC输出供给；锂离子电容荷电状态较低时，由氢燃料电池输出的能量一部分驱动电机系统，另一部分通过双向DCDC给锂离子电容充电，提高锂离子电容荷电状态。

氢燃料电池启动过程、关机过程的辅助电源，锂离子电容系统内集成双向DCDC控制器，在低压电上电完成后，就要根据整车高压电上电流程控制高压上电，

首先控制锂离子电容系统内集成的双向DCDC的输出电压逐渐升高到达目标设定电压，这时氢燃料电池系统进入准备就绪状态，此时可以接收开机命令启动氢燃料电池工作，可以根据当前环境温度决定是否需要低温启动及预加热，等电堆温度达到合适工作温度，氢燃料电池系统进入开机启动过程，在这之前，锂离子电容系统都是作为辅助电源提供能量，启动成功后，氢燃料电池系统、锂离子电容系统、电驱动系统三者会根据油门踏板信号，控制三者间如何实现能量转换。

当油门踏板信号需求功率比较大时(这里可以进行预设需求功率，大于预设值即表明需求功率比较大)，整车控制器会根据当前氢燃料电池的工作状态、锂离子电容的荷电状态，合理分配功率输出到电驱动系统。

当油门踏板信号需求功率比较小时(这里同上进行预设阈值)，整车控制器会根据当前氢燃料电池的工作状态、锂离子电容的荷电状态，合理分配功率输出到电驱动系统的同时，并决定是否通过双向DCDC给锂离子电容充电。

当锂离子电容荷电状态较低时，整车控制器会根据当前氢燃料电池的工作状态、锂离子电容的荷电状态，合理分配功率输出到电驱动系统的同时，通过双向DC/DC给锂离子电容充电。

当车辆处于制动、惯性滑行时，整车控制器会根据当前氢燃料电池的工作状态、锂离子电容的荷电状态，氢燃料电池输出能量和制动能量同时通过双向DCDC给锂离子电容充电。

当需求功率瞬间增大时，由于氢燃料电池输出动态响应较慢，需求多余的能量全部来自于锂离子电容，随着氢燃料电池输出功率慢慢增加，锂离子电容输出的功率则慢慢减少，总输出功率会满足电驱动系统需求功率。

当需求功率瞬间减小时，由于氢燃料电池输出动态响应较慢，氢燃料电池输出一部分功率给电驱动系统，氢燃料电池输出多余功率通过双向DCDC给锂离子电容充电。

请参考图2，图2是动力系统启动、关闭流程图；

汽车启动过程如下：

所述整车控制器控制所述双向DC/DC输出电压升高直至使氢燃料电池系统的电压达到设定的目标电压；

所述氢燃料电池系统准备就绪，接收来自整车控制器的开机命令；若接收到开机命令，则氢燃料电池系统读取当前环境温度值；否则继续等待开机命令；

若当前环境温度小于预设的目标温度值，则表示氢燃料电池需要进行低温启动及预加热，此时整车控制器控制所述双向DC/DC输出功率，提供能量使所述氢燃料电池系统启动。

汽车关闭的过程，由整车控制器接收关机指令开始；接收到关机指令后，氢燃料电池关机，接着高压下电，最后低压下电，关机完成；

整车控制器进行能量分配的具体过程请参考图3，图3是整车控制器进行能量分配流程图；

整车控制器获取所述辅助能源系统的荷电状态SOC，并根据油门踏板信号换算电驱系统需求功率P

整车控制器判断辅助能源系统SOC是否处于预设的目标范围内，若是，则整车控制器输出计算总功率P

所述整车控制器获取氢燃料电池系统当前输出功率P

P＝P

所述整车控制器控制所述辅助能源系统提供其他用电设备的供电功率需求P

以上仅为解释本发明用，并不用以进行限制。

本发明提供的有益效果是：解决在车辆启动、急加速、爬陡坡时利用锂离子电容的特性来快速提供能量，而且在车辆制动、惯性滑行过程中释放出的能量储存到锂离子电容中。这对车辆节能环保、提高发动机效率大有益处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。