一种可切换能量流的混合动力系统、车辆及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域、自动控制领域，特别是涉及一种可切换能量流的混合动力系统、车辆及方法。

背景技术

化石燃料的燃烧，有害气体的排放对环境和人民健康造成的损害日益严重，无论是温室效应还是全球变暖又或是雾霾严重无不在催促着化石燃料向绿色能源的转变。氢能作为二十一世纪清洁能源的首选，已被各国纳入到发展体系中，作为实现氢能利用的主要途径之一，燃料电池被欧盟认为是未来实现低碳环保经济的重要方式之一，也是未来清洁能源体系不可或缺的重要环节。

当今，氢能因其储量巨大、效率高、无污染、无排放等优势，受到世界各国的重视，采用燃料电池驱动的电动小车应运而生。但单纯采用燃料电池驱动的小车，由于燃料电池本身的特性较软的特点，在设计中往往需要付出巨大的代价来适应新能源系统的需求，同时会牺牲运行性能且设计制造成本高昂。

在动力系统方面，由已知储能器件的能量密度与功率密度之间关系图，比较不同储能原件的特性可知：铅酸、镍镉、锂电池等化学电池的功率密度较高，适合短时间高功率放电。因此锂电池等化学电池已经在小型电动汽车、无人机等负载中得到较为广泛的应用。这些电池主要问题在于能量密度小，无法满足长航时小车对于高能量密度电源的要求。与化学电池相比，燃料电池能量密度较高，适合小功率长时间放电；但功率密度较小，不适合高功率短时放电。因此，可以提高动力系统性能为出发点，提出了氢-锂混合动力系统概念。

混合动力系统可以分为串联结构和并联结构。由于燃料电池特性较“软”的特点，无法满足短时间高功率的放电，因此目前市面上的混合动力系统大多采用串联结构，即燃料电池为锂电池充电，锂电池为负载供电。而并联结构，即燃料电池和锂电池同时为负载供电，则目前的应用还比较少。这样就造成了混合动力系统使用场景比较局限的问题。

发明内容

发明目的：为了解决上述技术的不足，实现混合动力系统对于多场景的应用，本发明的目的是提供一款可切换能量流的混合动力系统。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

一种可切换能量流的混合动力系统，包括：

燃料电池，燃料电池电堆的输出端连接DC/DC转换器的输入端，DC/DC转换器的第一输出端经第一继电器与动力电池的的充电接口连接，动力电池的供电接口经第二继电器与动力模块连接；

DC/DC转换器的第二输出端经第三继电器与动力模块连接；

控制模块，分别与所述第一继电器、第二继电器以及第三继电器控制连接。

系统电源输出包括燃料电池电堆和/或动力电池的电源输出。

所述燃料电池为氢燃料电池。

还包括电压读取判断电量的亮灯显示模块，用于判断所述动力电池的电量，所述电压读取判断电量的亮灯显示模块通过分压电路将动力电池电压分配到所述系统控制模块的模数转换器刻度范围内，随后经过一个电压跟随器接入系统控制模块的模数转换器中读取电压，通过指示灯的个数显示锂电池的电压余量，实现对于动力电池电量的监控。

所述动力电池为锂电池。

所述系统控制模块为单片机。

一种车辆，包括燃料箱，包括所述混合动力系统，所述混合动力系统设置在所述车辆内部，所述燃料箱与所述燃料电池连接。

所述燃料箱为氢气储存罐。

本发明进一步公开了一种基于所述可切换能量流的混合动力系统的切换方法，燃料电池电堆和动力电池同时供电时，负载先从燃料电池电堆和动力电池中电压较高的电源取电，当负载所需要的功率小于电压较高的电源所能提供的最大功率时，则全部由该电源供电；

当负载所需要的功率大于燃料电池电堆和动力电池中电压较高的电源所能提供的最大功率时，则另一个电源补充剩余的功率缺额，设置经过DC/DC变换器后的燃料电池输出电压略低于动力电池输出电压，即燃料电池供电优先级高于动力电池，此时，燃料电池为主要的负载供电来源，动力电池起辅助作用，以弥补负载所需功率的突然变化；

系统控制模块，通过控制不同通路继电器的通断，实现两种动力系统的切换，具体是：串联运行时，将连接燃料电池为动力电池充电通路的第一继电器和动力电池与动力模块之间的第二继电器打开，闭合燃料电池给负载供电通路的第三继电器；

并联运行时，将连接燃料电池为锂电池充电通路的第一继电器闭合，打开燃料电池给负载供电通路的第三继电器和动力电池给负载供电通路的第二继电器，从而实现能量流的切换。

本发明进一步公开了一种可切换能量流的混合动力系统的氢气余量检测方法，所述燃料电池的电堆控制模块通过温度压力法读取氢气余量，通过控制风扇转速控制温度及氧气的涉入，所述温度压力法是通过检测发生变化前后的储氢瓶内氢气相对温度和相对压力，通过相应的变化量来检测氢气量的变化 ：

式中，M 为氢气的摩尔质量 2.016 g/mol，V 为存储氢气的体积，R 为温度常数8.314 J/mol·K，P1 和 P2 分别为两时间节点的压力，T1 和T2 为两时间节点的温度。

有益效果：

本发明公开了一种可切换能量流的混合动力系统、车辆及方法，与现有设计相比，本发明通过对于燃料电池及动力电池功能特性的研究，设计混合动力系统的串联及并联结构，实现了对于燃料电池和动力电池构成的混合动力系统串、并联结构的切换，可以根据实际情况灵活调节混合动力系统的供能模式，实现效率的最大化。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中可切换串、并联结构的燃料电池与锂电池混合动力系统的总结构图；

图2为本发明具体实施方式中燃料电池运行特性曲线图；

图3为本发明具体实施方式中锂电池放电特性曲线图；

图4为本发明具体实施方式中锂电池充电特性曲线图；

图5为本发明具体实施方式中燃料电池与锂电池串联混合动力系统结构图；

图6为本发明具体实施方式中燃料电池与锂电池并联混合动力系统结构图；

图7为本发明具体实施方式中并联混合动力系统流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

实施例1

本发明公开了一种可切换能量流的混合动力系统，包括：

燃料电池；燃料电池电堆的输出端连接DC/DC转换器的输入端，DC/DC转换器的第一输出端经第一继电器与动力电池的的充电接口连接，动力电池的供电接口经第二继电器与动力模块连接；

DC/DC转换器的第二输出端经第三继电器与动力模块连接；

控制模块，分别与所述第一继电器、第二继电器以及第三继电器控制连接。

本实施例中，所述燃料电池为以铂作为催化剂的氢燃料电池、对应的气罐与电堆控制模块。采用四线轴流风扇，工作电压为12V或24V，受PWM信号控制，并可反馈转速信号。通过控制系统调节输出PWM信号的占空比对应调节风扇转速。

燃料电池额定输出电压为25.2V，额定输出功率为300W。

所述动力电池为锂电池，型号为NCR18650GA，电量3450mAh，最大放电电流10A；

本发明可切换能量流的混合动力系统的控制方法是：

燃料电池电堆和动力电池同时供电时，负载先从燃料电池电堆和动力电池中电压较高的电源取电，当负载所需要的功率小于电压较高的电源所能提供的最大功率时，则全部由该电源供电；

当负载所需要的功率大于燃料电池电堆和动力电池中电压较高的电源所能提供的最大功率时，则另一个电源补充剩余的功率缺额，设置经过DC/DC变换器后的燃料电池输出电压略低于动力电池输出电压，即燃料电池供电优先级高于动力电池，此时，燃料电池为主要的负载供电来源，动力电池起辅助作用，以弥补负载所需功率的突然变化；

系统控制模块，通过控制不同通路继电器的通断，实现两种动力系统的切换，具体是：串联运行时，将连接燃料电池为动力电池充电通路的第一继电器和动力电池与动力模块之间的第二继电器打开，闭合燃料电池给负载供电通路的第三继电器；通过燃料电池输出电压至DC/DC变换器，经过稳压后接入超级电容组为锂电池充电，锂电池对于负载供电，形成能量流为：氢气→氢气反应堆→充电装置→锂电池→负载，可以达到延长续航时间的目的。

并联运行时，将连接燃料电池为锂电池充电通路的第一继电器闭合，打开燃料电池给负载供电通路的第三继电器和动力电池给负载供电通路的第二继电器，从而实现能量流的切换。燃料电池经过DC/DC变换器稳压后与锂电池共同接入电压母线为负载供电，形成能量流为：锂电池+氢燃料电池→负载，通过控制系统对优先级的设定可以实现对于负载供能的功率分配。

所述燃料电池的电堆控制模块通过温度压力法读取氢气余量，通过控制风扇转速控制温度及氧气的涉入，所述温度压力法是通过检测发生变化前后的储氢瓶内氢气相对温度和相对压力，通过相应的变化量来检测氢气量的变化 ：

式中，M 为氢气的摩尔质量 2.016 g/mol，V 为存储氢气的体积，R 为温度常数8.314 J/mol·K，P1 和 P2 分别为两时间节点的压力，T1 和T2 为两时间节点的温度。