一種基于燃料電池的客車及其動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于燃料電池的客車及其動(dòng)力系統(tǒng)，本實(shí)用新型提供的動(dòng)力系統(tǒng)。儲(chǔ)能裝置的電壓范圍在電機(jī)控制器、燃料電池輔助設(shè)備的輸入電壓和單向主DC/DC輸出電壓范圍內(nèi)，避免了中間能量轉(zhuǎn)化損失。燃料電池電堆的輸出電壓范圍可以隨意匹配，既可以高于電機(jī)控制器的輸入電壓范圍也可以低于電機(jī)控制器的輸入電壓范圍，我們可以通過升壓、降壓?jiǎn)蜗蛑鱀C/DC來調(diào)節(jié)燃料電池電堆的輸出電壓范圍。
【專利說明】一種基于燃料電池的客車及其動(dòng)力系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于燃料電池的客車及其動(dòng)力系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有汽車工業(yè)中，燃油車仍然占絕對(duì)多數(shù)。然而燃油汽車的大量應(yīng)用，引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染、全球氣候變暖和人類生存的危機(jī)；由于燃油汽車的大量應(yīng)用，導(dǎo)致了地球石油資源的迅速遞減，以致最終枯竭。因此，新能源汽車的發(fā)展勢(shì)在必行。燃料電池汽車是新能源汽車的終極目標(biāo)，該類車以氫為燃料，通過燃料電池裝置將氫氣/氧氣反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池汽車具有能量轉(zhuǎn)化率高、燃料經(jīng)濟(jì)性好、低噪聲、零污染物排放、氫來源廣泛等突出優(yōu)點(diǎn)。燃料電池技術(shù)目前已經(jīng)在客車上得到應(yīng)用，是理想的新一代城市公共交通工具，代表了城市公交發(fā)展的未來方向，也因此成為當(dāng)前電動(dòng)汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003]燃料電池作為動(dòng)力源是燃料電池汽車上的核心零部件。它的可靠性、壽命和成本等問題直接影響著整車的安全性和整個(gè)生命周期的成本。目前的關(guān)鍵技術(shù)在于，如何的確保整車的可靠性、延長(zhǎng)動(dòng)力系統(tǒng)的壽命和降低動(dòng)力系統(tǒng)的成本。現(xiàn)有的技術(shù)中都提到了采用燃料電池作為主動(dòng)力源、動(dòng)力電池(超級(jí)電容)作為輔助動(dòng)力源的電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)。
[0004]但現(xiàn)有技術(shù)的動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性差。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種基于燃料電池的客車動(dòng)力系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)的動(dòng)力系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性差的問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的方案包括:
[0007]一種基于燃料電池的客車動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池電堆，燃料電池電堆通過單向主DC/DC連接直流母線，直流母線上連接超級(jí)電容和雙向DC/DC，動(dòng)力電池通過所述雙向DC/DC連接直流母線，直流母線通過電機(jī)控制器連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0008]燃料電池電堆配備有燃料電池控制器和燃料電池輔助設(shè)備，燃料電池輔助設(shè)備通過一個(gè)接觸器連接所述直流母線。
[0009]燃料電池電堆通過氣體管路連接高壓儲(chǔ)氫瓶，氣體管路上設(shè)有電磁閥。
[0010]還包括控制部分，包括動(dòng)力電池配備的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，雙向DC/DC配置的雙向DC/DC控制器，超級(jí)電容配備的超級(jí)電容管理系統(tǒng)；所述燃料電池控制器、單向主DC/DC控制器、電機(jī)控制器、雙向DC/DC控制器、超級(jí)電容管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、電磁閥和接觸器分別通過網(wǎng)絡(luò)連接整車控制器。
[0011]一種基于燃料電池的客車，其動(dòng)力系統(tǒng)包括燃料電池電堆，燃料電池電堆通過單向主DC/DC連接直流母線，直流母線上連接超級(jí)電容和雙向DC/DC，動(dòng)力電池通過所述雙向DC/DC連接直流母線，直流母線通過電機(jī)控制器連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0012]燃料電池電堆配備有燃料電池控制器和燃料電池輔助設(shè)備，燃料電池輔助設(shè)備通過一個(gè)接觸器連接所述直流母線。
[0013]燃料電池電堆通過氣體管路連接高壓儲(chǔ)氫瓶，氣體管路上設(shè)有電磁閥。
[0014]還包括控制部分，包括動(dòng)力電池配備的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，雙向DC/DC配置的雙向DC/DC控制器，超級(jí)電容配備的超級(jí)電容管理系統(tǒng)；所述燃料電池控制器、單向主DC/DC控制器、電機(jī)控制器、雙向DC/DC控制器、超級(jí)電容管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、電磁閥和接觸器分別通過網(wǎng)絡(luò)連接整車控制器。
[0015]本實(shí)用新型提供的動(dòng)力系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比:動(dòng)力系統(tǒng)采用超級(jí)電容和動(dòng)力電池組成的儲(chǔ)能裝置子系統(tǒng)，超級(jí)電容直接與電機(jī)的高壓線相連，動(dòng)力電池經(jīng)雙向DC/DC與電機(jī)的高壓線相連，電機(jī)給動(dòng)力電池充電必須經(jīng)雙向DC/DC控制，而給電容充電則是直接充。這樣用利于提供加速或吸收緊急制動(dòng)的尖峰電流，減輕動(dòng)力電池負(fù)擔(dān)，大大延長(zhǎng)動(dòng)力電池的壽命；動(dòng)力系統(tǒng)采用滿足整車平均功率需求的小功率、高效率燃料電池子系統(tǒng)，小功率、小容量動(dòng)力電池，因此成本低、運(yùn)行可靠。混合動(dòng)力模式的開機(jī)順序和關(guān)機(jī)順序可以很好的保護(hù)燃料電池，延長(zhǎng)燃料電池的壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是基于燃料電池的客車動(dòng)力系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0018]如圖1所示的客車動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池電堆，燃料電池電堆通過單向主DC/DC連接直流母線，直流母線上連接超級(jí)電容和雙向DC/DC，動(dòng)力電池通過所述雙向DC/DC連接直流母線，直流母線通過電機(jī)控制器連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0019]動(dòng)力系統(tǒng)還包括控制部分，包括整車控制器，各種設(shè)備的控制器等，如動(dòng)力電池配備的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，雙向DC/DC配置的雙向DC/DC控制器，超級(jí)電容配備的超級(jí)電容管理系統(tǒng)，燃料電池配備的燃料電池控制器。
[0020]具體的:由燃料電池電堆、燃料電池輔助設(shè)備和燃料電池控制器組成燃料電池子系統(tǒng)，燃料電池輔助設(shè)備主要是指給電堆提供空氣的風(fēng)機(jī)；由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)；由單向主DC/DC和單向主DC/DC控制器組成單向主DC/DC子系統(tǒng)；由高壓儲(chǔ)氫瓶和電磁閥組成的儲(chǔ)氫子系統(tǒng)；動(dòng)力電池、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，雙向DC/DC、雙向DC/DC控制器，超級(jí)電容、超級(jí)電容管理系統(tǒng)組成儲(chǔ)能裝置子系統(tǒng)。
[0021]另外，燃料電池輔助設(shè)備通過一個(gè)接觸器連接到直流母線。接觸器是常斷開狀態(tài)，只有在燃料電池輔助設(shè)備需要供電時(shí)，才會(huì)給接觸器供24V電閉合接觸器。
[0022]高壓儲(chǔ)氫瓶通過電磁閥控制把氫氣送到燃料電池電堆；電磁閥是常關(guān)閉狀態(tài)，只有在燃料電池電堆需要供給氫氣時(shí)，才會(huì)給電磁閥供24V電打開電磁閥。
[0023]動(dòng)力系統(tǒng)中的燃料電池控制器、單向主DC/DC控制器、電機(jī)控制器、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、雙向DC/DC控制器、超級(jí)電容管理系統(tǒng)、電磁閥和接觸器分別通過FlexRay網(wǎng)絡(luò)連接整車控制器，整車控制器協(xié)調(diào)和控制動(dòng)力系統(tǒng)中每個(gè)關(guān)鍵部件的運(yùn)行和工作。
[0024]分為兩種工作模式:
[0025]1、純儲(chǔ)能裝置子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式:
[0026]電磁閥閉合，接觸器斷開，燃料電池子系統(tǒng)不工作。儲(chǔ)能裝置子系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車運(yùn)行和回收制動(dòng)能量，并且滿足續(xù)駛里程30km。當(dāng)燃料電池子系統(tǒng)出故障、不能正常工作時(shí)，整車可以以純儲(chǔ)能裝置子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式開回去維修。
[0027]2、混合動(dòng)力模式:
[0028]混合動(dòng)力模式的開機(jī)順序:第一打開電磁閥、供給氫氣，第二閉合接觸器、開始燃料電池輔助設(shè)備供電；混合動(dòng)力模式的關(guān)機(jī)順序:第一斷開接觸器、切斷氫氣，第二關(guān)閉電磁閥、停止燃料電池輔助設(shè)備供電。
[0029]電磁閥打開，接觸器閉合，燃料電池通過單向主DC/DC間接和儲(chǔ)能裝置構(gòu)成并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。燃料電池子系統(tǒng)作為主動(dòng)力源來驅(qū)動(dòng)整車運(yùn)行，提供整車所需的平均功率；儲(chǔ)能裝置子系統(tǒng)作為輔助動(dòng)力源，主要起調(diào)峰、增容、回收能量的作用。
[0030]混合動(dòng)力模式通過單向主DC/DC來保證燃料電池輸出功率平穩(wěn)，始終處在高效工作區(qū)間，并且儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)在一個(gè)完整的工況前后基本保持不變。
[0031 ] I)當(dāng)整車靜止時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不需要功率，燃料電池處于怠速狀態(tài)，所產(chǎn)生的電能僅供本身輔助系統(tǒng)、整車電附件系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)使用，儲(chǔ)能裝置作為輔助動(dòng)力源基本沒有功率輸出和輸入；
[0032]2)當(dāng)整車啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率增加，儲(chǔ)能裝置作為輔助動(dòng)力源迅速提供大功率，等燃料電池的功率慢慢變大、穩(wěn)定后，儲(chǔ)能裝置的功率才變小；
[0033]3)當(dāng)整車勻速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率平穩(wěn)，燃料電池作為主動(dòng)力源來驅(qū)動(dòng)整車運(yùn)行，儲(chǔ)能裝置作為輔助動(dòng)力源基本沒有功率輸出和輸入；
[0034]4)當(dāng)整車加速、上坡時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率增加，燃料電池作為主動(dòng)力源來提供平均功率，儲(chǔ)能裝置作為輔助動(dòng)力源迅速提供多余的功率來滿足整車的功率需求；
[0035]5)當(dāng)整車下坡、減速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率減少，儲(chǔ)能裝置作為輔助動(dòng)力源回收燃料電池的富余電量和回收制動(dòng)能量。
[0036]本文以12米燃料電池城市客車滿載18噸為例，詳細(xì)介紹動(dòng)力系統(tǒng):根據(jù)中國(guó)典型城市工況，整車所需的平均功率為40kw，整車所需的最大功率為160kw。因此，我們采用的是高效工作區(qū)間在40kw，額定功率為50kw的燃料電池子系統(tǒng)，輸出電壓范圍是550-350V ；額定功率為50kw的單向主DC/DC子系統(tǒng)，輸入電壓范圍是550-350V，輸出電壓范圍是400-750V ;持續(xù)輸出功率為120kw的儲(chǔ)能裝置子系統(tǒng)，工作電壓范圍是400-700V ;電機(jī)控制器的輸入電壓范圍是350-750V ;燃料電池輔助設(shè)備的輸入電壓范圍是350-750V。
[0037]兩種工作模式，兩種動(dòng)力源，整車更穩(wěn)定、更可靠、更安全。
[0038]混合動(dòng)力模式的開機(jī)順序和關(guān)機(jī)順序可以很好的保護(hù)燃料電池，延長(zhǎng)燃料電池的壽命。
[0039]超級(jí)電容直接與電機(jī)的高壓線相連，動(dòng)力電池經(jīng)雙向DC/DC與電機(jī)的高壓線相連，電機(jī)給動(dòng)力電池充電必須經(jīng)雙向DC/DC控制，而給電容充電則是直接充。這樣用利于提供加速或吸收緊急制動(dòng)的尖峰電流，減輕動(dòng)力電池負(fù)擔(dān)，大大延長(zhǎng)動(dòng)力電池的壽命；還可以采用小功率、小容量動(dòng)力電池，因此成本低、運(yùn)行可靠。
[0040]燃料電池電堆的輸出電壓范圍可以隨意匹配，既可以高于電機(jī)控制器的輸入電壓范圍也可以低于電機(jī)控制器的輸入電壓范圍，我們可以通過升壓、降壓?jiǎn)蜗蛑鱀C/DC來調(diào)節(jié)燃料電池電堆的輸出電壓范圍。
[0041]燃料電池輔助設(shè)備的輸入端通過一個(gè)接觸器和單向主DC/DC的輸出端相連，可以進(jìn)一步減少燃料電池輔助設(shè)備的變功率對(duì)燃料電池的影響，延長(zhǎng)燃料電池的壽命。
[0042]通過單向主DC/DC來保證燃料電池輸出功率平穩(wěn)，始終處在高效工作區(qū)間，并且動(dòng)力電池荷電狀態(tài)在一個(gè)完整的工況前后基本保持不變。大大延長(zhǎng)燃料電池的壽命，提高燃料利用率、降低氣耗；大大延長(zhǎng)動(dòng)力電池的壽命，避免動(dòng)力電池過充、過放。
[0043]整車采用滿足整車平均功率需求的小功率、高效率燃料電池系統(tǒng)，小容量動(dòng)力電池系統(tǒng)，因此成本低、運(yùn)行可靠。
[0044]整車還可以配備外接充電，為動(dòng)力電池充電，增加整車?yán)m(xù)駛里程。
[0045]以上給出了具體的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型不局限于所描述的實(shí)施方式。本實(shí)用新型的基本思路在于上述基本方案，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本實(shí)用新型的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)。在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于燃料電池的客車動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，包括燃料電池電堆，燃料電池電堆通過單向主DC/DC連接直流母線，直流母線上連接超級(jí)電容和雙向DC/DC，動(dòng)力電池通過所述雙向DC/DC連接直流母線，直流母線通過電機(jī)控制器連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于燃料電池的客車動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，燃料電池電堆配備有燃料電池控制器和燃料電池輔助設(shè)備，燃料電池輔助設(shè)備通過一個(gè)接觸器連接所述直流母線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于燃料電池的客車動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，燃料電池電堆通過氣體管路連接高壓儲(chǔ)氫瓶，氣體管路上設(shè)有電磁閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于燃料電池的客車動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制部分，包括動(dòng)力電池配備的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，雙向DC/DC配置的雙向DC/DC控制器，超級(jí)電容配備的超級(jí)電容管理系統(tǒng)；所述燃料電池控制器、單向主DC/DC控制器、電機(jī)控制器、雙向DC/DC控制器、超級(jí)電容管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、電磁閥和接觸器分別通過網(wǎng)絡(luò)連接整車控制器。
5.一種基于燃料電池的客車，其特征在于，其動(dòng)力系統(tǒng)包括燃料電池電堆，燃料電池電堆通過單向主DC/DC連接直流母線，直流母線上連接超級(jí)電容和雙向DC/DC，動(dòng)力電池通過所述雙向DC/DC連接直流母線，直流母線通過電機(jī)控制器連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于燃料電池的客車,其特征在于,燃料電池電堆配備有燃料電池控制器和燃料電池輔助設(shè)備，燃料電池輔助設(shè)備通過一個(gè)接觸器連接所述直流母線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于燃料電池的客車，其特征在于，燃料電池電堆通過氣體管路連接高壓儲(chǔ)氫瓶，氣體管路上設(shè)有電磁閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于燃料電池的客車，其特征在于，還包括控制部分，包括動(dòng)力電池配備的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，雙向DC/DC配置的雙向DC/DC控制器，超級(jí)電容配備的超級(jí)電容管理系統(tǒng)；所述燃料電池控制器、單向主DC/DC控制器、電機(jī)控制器、雙向DC/DC控制器、超級(jí)電容管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、電磁閥和接觸器分別通過網(wǎng)絡(luò)連接整車控制器。
【文檔編號(hào)】B60L11/18GK204161142SQ201420389105
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】李玉鵬, 秦自瑞, 王宗田, 李進(jìn), 陳育偉 申請(qǐng)人:鄭州宇通客車股份有限公司