专利名称：车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种燃料电池汽车的混合动力系统，属于燃料电池汽车动力系统研发领域。
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。燃料电池汽车动力系统是其区别于其他类型车辆(内燃机汽车、蓄电池纯电动汽车以及油电混合动力汽车)的主要标志。使用燃料电池系统作为动力源是燃料电池汽车动力系统的标志性特点。而由于燃料电池系统的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性能方面欠佳，因此往往需要一些辅助能源来在功率输出能力等方面对它加以补充和改善，这些辅助能源包括蓄电池和超级电容等。由燃料电池系统和辅助能源组成的混合动力系统的结构及配置必须保证燃料电池汽车动力系统良好的经济性、动力性及安全性，特别保证燃料电池系统的安全。现有的燃料电池汽车混合动力系统一般采用燃料电池系统与辅助能源间接并联式的形式，辅助能源可选择镍氢电池或锂电池、或者蓄电池与超级电容的组合。图1展示了现有的一种燃料电池汽车间接并联混合动力系统的结构。如图1所示， 混合动力系统的燃料电池系统不直接与驱动电机相连，而是通过DC/DC变换器再与辅助电池并网。燃料电池系统通过DC/DC变换器联入直流母线，DC/DC变换器对燃料电池的输出电压进行稳压调节，并根据电机的功率需求调节燃料电池输出的母线电压。同时DC/DC变换器可以对燃料电池最大输出电流和功率进行控制，起到保护燃料电池的作用。此外，在 DC/DC的输出端并联一个辅助电池来覆盖功率波动，提高峰值功率，以改善燃料电池输出功率的瞬态特性。实践表明，这个方案中，DC/DC转换器的存在降低了整个系统的效率，此外， DC/DC转换器的高频斩波取电方式对燃料电池系统存在一定的伤害。图2展示了现有的另外一种燃料电池汽车间接并联混合动力系统的结构其。如图 2所示，混合动力系统的燃料电池系统直接与驱动电机相联，而辅助电池通过DC/DC变换器再与燃料电池并网。在这种结构中辅助电池是主能源，给车辆的稳定运行提供能量；燃料电池是辅助能源，在辅助电池不需要输出能量的时候给它充电。这种结构中，DC/DC变换器采用恒压式能量分配控制策略，通过电压控制可稳定燃料电池系统输出电流，避免燃料电池系统出现极大电流的恶劣情况。然而，燃料电池系统输出为随动量，这样，一方面燃料电池系统会受到伤害，并且给其控制策略带来挑战，另一方面对DC/DC变换器的要求较高，开发成本较大。由于上述现有燃料电池汽车间接并联混合动力系统存在的种种缺陷，因此有必要提供一种改进的燃料电池汽车混合动力系统。
实用新型内容本实用新型提供了一种车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，能避免现有燃料电池汽车间接并联混合动力系统结构中DC/DC变换器导致的降低系统效率、增加控制策略难度、对燃料电池本身带来伤害，以及增加开发DC/DC变换器的成本的问题。为达到实现上述目的，本实用新型提提供了一种车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，包括燃料电池发电装置、获取燃料电池发电装置的电压、电流、压力、温度信息的燃料电池控制器、锂电池组、获取锂电池组的SOC值、电压、电流信息的锂电池管理系统、第一 IGBT、第二 IGBT、第一大功率二极管以及系统能量管理控制器；燃料电池发电装置的一个输出端连接第一 IGBT的集电极，锂电池组的一个输出端连接第二 IGBT的发射极，第
一IGBT的发射极、第二 IGBT的集电极适用于连接电机控制器的一个输入端；燃料电池发电装置的另一输出端、锂电池组的另一输出端适用于连接电机控制器的另一输入端，电机控制器的输出端连接电机；第一大功率二极管的阳极和阴极分别连接第一 IGBT的发射极和第二 IGBT的集电极；系统能量管理控制器分别连接第一 IGBT的门极、第二 IGBT的门极、 燃料电池控制器、锂电池管理系统和电机控制器，用于根据燃料电池控制器和锂电池管理系统获取的信息控制第一 IGBT导通或截止以及控制第二 IGBT导通或截止。与现有技术相比，本实用新型车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统采取燃料电池发电装置和锂电池组直接并联的动力系统结构，燃料电池发电装置和锂电池组直接并联在直流母线上，一起给电机及其他整车设备供电，通过相应第一 IGBT和第二 IGBT进行控制，本系统无DC/DC变换器，消除了 DC/DC转换环节带来的问题，摒弃了传统的需要DC/ DC稳压的间接并联模式，因而避免了 DC/DC变换器导致的降低系统效率、增加控制策略难度、对燃料电池本身带来伤害，以及增加开发DC/DC变换器的成本的问题。在本实用新型的一个实施例中，所述系统还包括第二大功率二极管，第一 IGBT的发射极通过所述第二大功率二极管与电机控制器的一个输入端连接，其中，第二大功率二极管的阳极与第一 IGBT的发射极连接，阴极连接电机控制器的一个输入端。由上述技术方案可知，燃料电池发电装置通过第二大功率二极管与负载相连，能保证外部高压不会施加于燃料电池电堆，从而保护燃料电池发电装置不受反冲能量的损坏。在本实用新型的另一实施例中，所述系统还包括超级电容，所述超级电容的一端连接第一 IGBT的发射极，另一端连接燃料电池发电装置的另一输出端。由上述技术方案可知，当系统能量管理控制器控制第一 IGBT导通或截止以及第
二IGBT导通或截止时，超级电容器可以在切换的瞬间补偿波动。在本实用新型的另一实施例中，所述系统还包括第一驱动单元和第二驱动单元， 系统能量管理控制器通过所述第一驱动单元连接第一 IGBT的门极，通过所述第二驱动单元连接第二 IGBT的门极。由上述技术方案可知，第一驱动单元可以增强系统能量管理控制器发出控制第一开关导电装置的导通与截止的控制信号，这样，系统能量管理控制器控制第一 IGBT的导通与截止更加精确。同样地，第二驱动单元可以增强系统能量管理控制器发出的控制信号，这样，系统能量管理控制器控制第二 IGBT的导通与截止更加精确。[0017]在本实用新型的又一实施例中，所述系统能量管理控制器包括点火信号接收处理单元，与第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接，用于当接收到来自驾驶员的点火信号时，向第一 IGBT输出控制第一 IGBT截止的控制信号，向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号；启动信息接收处理单元，与燃料电池控制器、第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接，用于当通过燃料电池控制器获取到燃料电池发电装置的启动信息时， 向第一 IGBT输出控制第一 IGBT导通的控制信号，向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号；刹车信号接收处理单元，与第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接，用于当接收到来自驾驶员的刹车信号时，向第一 IGBT输出控制第一 IGBT截止的控制信号，向第二 IGBT输出控制第二 IGBT导通的控制信号；油门信号接收处理单元，与第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接，用于当接收到来自驾驶员的油门信号时，向第一 IGBT输出控制第一 IGBT导通的控制信号，向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号。由上述技术方案可知，在车辆启动的时候，锂电池组给燃料电池发电装置和电机驱动器提供能量；在燃料电池发电装置启动后，燃料电池发电装置与锂电池组一起给电机驱动器提供能量；在加速或者爬坡时，锂电池组可以在开始时段短时间内担任主能源的角色，给电机驱动器提供能量，使燃料电池发电装置的输出功率不至于突变，从而保护燃料电池发电装置；在滑行或制动状态时，燃料电池发电装置与锂电池组一起给电机驱动器提供能量°在本实用新型的再一实施例中，所述系统能量管理控制器还包括工作状态信息接收处理单元，与燃料电池控制器、第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接，用于通过燃料电池控制器获取的燃料电池发电装置的工作状态信息，当判断出工作为故障信息时，向第一 IGBT输出控制第一 IGBT截止的控制信号，向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号。由上述技术方案可知，当燃料电池发电装置出现故障时，系统能量管理控制器的工作状态信息接收处理单元可以控制第一 IGBT截止，从而保护燃料电池发电装置。在本实用新型的又一实施例中，所述系统能量管理控制器还包括锂电池组SOC值接收处理单元，与锂电池管理系统和第二驱动单元的输入端连接，用于通过锂电池管理系统获取到锂电池组的SOC值，判断锂电池组的SOC值是否小于预设的限制下限，小于时向第二 IGBT输出控制第二 IGBT导通的控制信号；不小于时，向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号。由上述技术方案可知，系统能量管理控制器的锂电池组SOC值接收处理单元实时判断锂电池组的SOC值，进而控制第二 IGBT，以维持锂电池组SOC动态平衡于一定的小范围内，缩小锂电池特性离散度，延长锂电池组的使用寿命。在本实用新型的再一实施例中，所述系统能量管理控制器还包括电压接收处理单元，与燃料电池控制器、锂电池管理系统、第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接，用于通过燃料电池控制器获取到燃料电池发电装置的电压信息并通过锂电池管理系统获取到锂电池组的电压信息，当燃料电池发电装置的电压高于锂电池组的电压时，向第一 IGBT输出控制第一 IGBT导通的控制信号，向第二 IGBT输出控制第二 IGBT导通的控制信号；当燃料电池发电装置的电压低于锂电池组的电压时，向第一 IGBT输出控制第一 IGBT截止的控制信号，向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号，当通过燃料电池控制器获取到燃料电池发电装置的电压信息高于工作点的电压时，向第一 IGBT输出控制第一 IGBT导通的控制信号，向第二 IGBT输出控制第二 IGBT导通的控制信号。由上述技术方案可知，系统能量管理控制器的电压接收处理单元直接通过配置燃料电池发电装置与锂电池组的电压及输出功率规格，达到二者输出功率、输出电压、输出电流的合理匹配，提高了供电效率。同时利用燃料电池输出特性软而锂电池输出特性相对偏硬的特性，通过控制实现锂电池承担大部分输出功率波动，减小了燃料电池上的电压波动， 从而保护了燃料电池，延长燃料电池使用寿命。通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。
图1为现有的一种燃料电池汽车间接并联混合动力系统的结构框图。图2为现有的另一种燃料电池汽车间接并联混合动力系统的结构框图。图3为本实用新型车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统的结构框图。图3a为本实用新型系统能量管理控制器结构框图。图4为图3所示车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统中燃料电池与锂电池工作点匹配图。
具体实施方式
现在参考附图描述本实用新型的实施方式，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如图3所示，本实用新型燃料电池汽车车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统包括燃料电池发电装置110、燃料电池控制器120、锂电池组130、锂电池管理系统140、 第一 IGBT150、第一驱动单元160、第二 IGBT170、第二驱动单元180、系统能量管理控制器 190、第一大功率二极管171、第二大功率二极管310、超级电容320。燃料电池控制器120控制燃料电池发电装置110上的发电设备及辅助发电设备的工作，检测燃料电池发电装置110的电压、电流、压力、温度信息。锂电池管理系统140检测锂电池组130的SOC值、电压、电流信息。燃料电池发电装置110的一个输出端连接第一 IGBT150的集电极，第一 IGBT150 的发射极连接第二大功率二极管310的阳极以及超级电容320的一端，超级电容320的另一端连接燃料电池发电装置110的另一输出端。锂电池组130的一个输出端连接第二 IGBT170的发射极，第二 IGBT170的集电极连接第二大功率二极管310的阴极。第二大功率二极管310的阴极和第二 IGBT170的集电极适用于连接电机控制器 210的一个输入端，超级电容320的另一端、燃料电池发电装置110的另一输入端、锂电池组130的另一输入端适用于连接电机控制器210的另一输入端，其中电机控制器210的两个输出端连接电机220。系统能量管理控制器190连接第一驱动单元160的输入端、第二驱动单元180的输入端以及燃料电池控制器120、锂电池管理系统140和电机控制器210。第一驱动单元 160的输出端连接第一 IGBT150的门极，第二驱动单元180的输出端连接第二 IGBT170的门极。其中系统能量管理控制器190与燃料电池控制器120、锂电池管理系统140、电机控制器210是通过CAN总线进行通讯的(如图1中虚线所示)。系统能量管理控制器190通过CAN总线接收电机控制器210送回的转速信号得到电机的功率需求，另可根据油门踏板和刹车踏板信号输出电机的转矩需求信号。如图3a，所述系统能量管理控制器190包括点火信号接收处理单元191，与第一驱动单元160的输入端和第二驱动单元180的输入端连接，用于当接收到来自驾驶员的点火信号时，向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150截止的控制信号，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号；启动信息接收处理单元192，与燃料电池控制器120、第一驱动单元160的输入端和第二驱动单元180的输入端连接，用于当通过燃料电池控制器120获取到燃料电池发电装置110的启动信息时，向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150导通的控制信号，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号；刹车信号接收处理单元193，与第一驱动单元160的输入端和第二驱动单元180的输入端连接，用于当接收到来自驾驶员的刹车信号时，向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150截止的控制信号，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170导通的控制信号；油门信号接收处理单元194，与第一驱动单元160的输入端和第二驱动单元180的输入端连接，用于当接收到来自驾驶员的油门信号时，向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150导通的控制信号，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号；工作状态信息接收处理单元195，与燃料电池控制器120、第一驱动单元160的输入端和第二驱动单元180的输入端连接，用于通过燃料电池控制器120获取燃料电池发电装置的工作状态信息，当判断出工作状态为故障信息(压力过大或温度过高)时，向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150截止的控制信号，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号；锂电池组SOC值接收处理单元196，与锂电池管理系统140和第二驱动单元180 的输入端连接，用于通过锂电池管理系统140获取到锂电池组130的SOC值，判断锂电池组 130的SOC值是否小于预设的限制下限，小于时向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170 导通的控制信号；不小于时，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号；电压接收处理单元197，与燃料电池控制器120、锂电池管理系统140、第一驱动单元160的输入端和第二驱动单元180的输入端连接，用于通过燃料电池控制器120获取燃料电池发电装置110的电压信息并通过锂电池管理系统140获取锂电池组130的电压信息，当燃料电池发电装置110的电压高于锂电池组130的电压时，向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150导通的控制信号，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170导通的控制信号；当燃料电池发电装置110的电压低于锂电池组130的电压时，向第一驱动单元160 输出控制第一 IGBT150截止的控制信号，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号，当通过燃料电池控制器120获取到燃料电池发电装置110的电压信息高于工作点的电压时，向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150导通的控制信号，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170导通的控制信号。下面说明本实用新型混合动力系统的工作原理。系统起动之初，系统能量管理控制器190的点火信号接收处理单元191接收到来自驾驶员的点火信号，点火信号接收处理单元191向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150截止的控制信号1并且向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号2。第一驱动单元160增强控制信号1，第一 IGBT150接收到控制信号1后截止。第二驱动单元180增强控制信号2，第二 IGBT170接收到控制信号2后截止，此时锂电池组130给电机控制器210供电，等待燃料电池发电装置110启动。燃料电池发电装置110启动成功后，燃料电池控制器120获取到燃料电池发电装置的启动成功信息，将燃料电池发电装置启动信息发送给系统能量管理控制器190的启动信息接收处理单元192，启动信息接收处理单元192向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150导通的控制信号1并且向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号2。控制信号1经第一驱动单元160增强后，第一 IGBT150导通，燃料电池发电装置110 给电机控制器210供电。控制信号2经第二驱动单元180增强后，第二 IGBT170截止，锂电池组130给电机控制器210供电。当车辆处于滑行或制动状态，系统能量管理控制器190的刹车信号接收处理单元 193接收到来自驾驶员的刹车信号，刹车信号接收处理单元193向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150截止的控制信号1并且向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170导通的控制信号2。控制信号1经第一驱动单元160增强后，第一 IGBT150截止(若此时刹车信号接收处理单元193控制第一 IGBT150处于导通状态，燃料电池发电装置110输出端电压升高，工作在小电流状态，对燃料电池发电装置110不利，控制第一 IGBT150截止是为了保护燃料电池发电装置110)。控制信号2经第二驱动单元180增强后，第二 IGBT170导通，电机220给锂电池组130充电(电机220此时工作在再生制动状态，回收多余的动能给锂电池组130充电)。当车辆处于加速或爬坡阶段，系统能量管理控制器190的油门信号接收处理单元 194接收到来自驾驶员的油门信号，油门信号接收处理单元194向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150导通的控制信号1并且向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号2。控制信号1经第一驱动单元160增强后，第一 IGBT150导通，燃料电池发电装置110经过大功率二极管310接入直流母线给电机控制器210提供电能，单向二极管320保护燃料电池发电装置110不受反冲能量的损坏。控制信号2经第二驱动单元180增强后， 第二 IGBT170截止，锂电池组130给电机控制器210提供电能。燃料电池发电装置110和锂电池组130同时驱动整车电机，锂电池组130主要提供瞬时高功率输出以满足整车的动力性要求。当燃料电池控制器120检测燃料电池发电装置110的工作状态，并判断是否发生故障，将故障信息发送至系统能量管理控制器190的工作状态信息接收处理单元195，工作状态信息接收处理单元195向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150截止的控制信号1 并且向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号2。控制信号1经第一驱动单元160增强后，第一 IGBT150截止，从而保护燃料电池发电装置110。控制信号2经第二驱动单元180增强后，第二 IGBT170截止，锂电池组130给电机控制器210提供电能。这样使燃料电池发电装置110出现故障时，整个动力系统仍然可以正常运行。锂电池管理系统140检测锂电池组130的SOC值，将锂电池组130的SOC值传递给系统能量管理控制器190的锂电池组SOC值接收处理单元196，锂电池组SOC值接收处理单元196判断锂电池组的SOC值是否小于预设的限制下限，若是，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170导通的控制信号2，控制信号2经第二驱动单元180增强后，第二 IGBT170 导通，燃料电池发电装置110给锂电池组130供电；若否，向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号2，控制信号2经第二驱动单元180增强后，第二 IGBT170截止， 锂电池组130给电机控制器210提供电能(这一过程旨在维持锂电池组130的SOC动态平衡于一定的小范围内，缩小锂电池特性离散度，使控制更加有效，延长锂电池使用寿命)。系统能量管理控制器190的电压接收处理单元197接收燃料电池控制器120发送的燃料电池发电装置110的电压信息以及锂电池管理系统140发送的锂电池组130的电压信息，根据接收的信息判断燃料电池发电装置110的电压信息与锂电池组130的电压信息调整燃料电池系统与锂电池的输出电压、输出电流。具体如下如果电压接收处理单元197判断出燃料电池发电装置110的电压高于锂电池组 130的电压，电压接收处理单元197向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150导通的控制信号1并且向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170导通的控制信号2。一方面控制信号1经第一驱动单元160增强后，第一 IGBT150导通，另一方面控制信号2经第二驱动单元180增强后，第二 IGBT170导通，这样燃料电池发电装置110给锂电池组130充电，直到电压接收处理单元197判断出燃料电池发电装置110的电压与锂电池组130的电压相等。 这一过程使得燃料电池发电装置110输出电压下降，锂电池组130电压上升，维持燃料电池发电装置110及锂电池组130的工作状态动态平衡。如果电压接收处理单元197判断出燃料电池发电装置110的电压低于锂电池组 130的电压，电压接收处理单元197向第一驱动单元160输出控制第一 IGBT150截止的控制信号1并且向第二驱动单元180输出控制第二 IGBT170截止的控制信号3。控制信号1经第一驱动单元160增强后，第一 IGBT150截止，燃料电池发电装置110与直流母线截止，处于空载状态，此时产生电能的氢氧化学反应仍在进行，一段时间后，燃料电池发电装置110 的电压回升，直到在一定范围内高于工作点(最大负载电流的一半为工作点)对应的电压。 控制信号2经第二驱动单元180增强后，第二 IGBT170截止，锂电池组130给电机220供电，由于锂电池组130单独给电机220供电，锂电池组130电压下降，此时，电压接收处理单元197判断出燃料电池发电装置110的电压高于工作点的电压时，执行上述燃料电池发电装置110给锂电池组130充电的步骤来控制第一 IGBT150和第二 IGBT170，实现燃料电池发电装置110的电压与锂电池组130的电压相等。图5为燃料电池发电装置110与锂电池组130的工作点匹配图，展示了燃料电池发电装置110的输出电压-电流特性曲线和锂电池组130的输出电压-电流特性曲线。图中，A点表明燃料电池发电装置110的电压与锂电池组130的电压相等，是两曲线的交点， 即为上述的工作点；B点表明燃料电池发电装置110的电压大于锂电池组130的电压；C点表明燃料电池发电装置110的电压小于锂电池组130的电压；D点表明燃料电池发电装置110的电压小于锂电池组130的电压，其中D点锂电池组130的电压小于C点锂电池组130 的电压。当系统运行在B点时，系统能量管理控制器190的电压接收处理单元197控制第二 IGBT170截止，使系统从B点向A点移动。若系统运行在C点，系统能量管理控制器190 的电压接收处理单元197控制第一 IGBT150截止，使燃料电池发电装置110的工作点由C 点向A点移动，此时，锂电池组130由C点向D点移动，当燃料电池发电装置110的电压高于A点到达B点时，控制第二 IGBT170截止，使燃料电池发电装置110由B点向A点移动， 锂电池组130由D点向A点移动。这样，通过系统能量管理控制器的控制，实现燃料电池发电装置110和锂电池组130的输出功率、输出电压、输出电流的合理匹配。由于采用上述技术方案，本实用新型与现有技术相比较，有以下优点和创新点1)采取燃料电池发电装置110和锂电池组130直接并联的动力系统结构，燃料电池发电装置110和锂电池组130直接并联在直流母线上，一起给电机220及其他整车设备供电，通过相应第一导电装置150和第二导电装置170进行控制，本系统无DC/DC变换器， 消除了 DC/DC转换环节带来的问题，摒弃了传统的需要DC/DC稳压的间接并联模式，因而避免了 DC/DC变换器导致的降低系统效率、增加控制策略难度、对燃料电池本身带来伤害，以及增加开发DC/DC变换器的成本的问题；2)燃料电池发电装置110通过大功率二极管310与负载相连，能保证外部高压不会施加于燃料电池电堆，从而保护燃料电池发电装置110不受反冲能量的损坏；3)当系统能量管理控制器190控制第一 IGBT150导通或截止以及第二 IGBT170导通或截止时，超级电容器320可以在切换的瞬间补偿波动；4)第一驱动单元160可以增强系统能量管理控制器190发出控制第一 IGBT的导通与截止的控制信号，这样，系统能量管理控制器190控制第一 IGBT的导通与截止更加精确。同样地，第二驱动单元170可以增强系统能量管理控制器发出190的控制信号，这样， 系统能量管理控制器190控制第二 IGBT的导通与截止更加精确；5)在车辆启动的时候，锂电池组130给燃料电池发电装置110和电机驱动器210 提供能量；在燃料电池发电装置110启动后，燃料电池发电装置110与锂电池组130 —起给电机驱动器220提供能量；在加速或者爬坡时，锂电池组130可以在开始时段短时间内担任主能源的角色，给电机驱动器220提供能量，使燃料电池发电装置110的输出功率不至于突变，从而保护燃料电池发电装置110 ；在滑行或制动状态时，燃料电池发电装置110与锂电池组130 —起给电机驱动器提供能量；6)当燃料电池发电装置110出现故障时，系统能量管理控制器190的工作状态信息接收处理单元195可以控制第一 IGBT160截止，从而保护燃料电池发电装置110 ；7)系统能量管理控制器190的锂电池组SOC值接收处理单元196实时判断锂电池组的SOC值，进而控制第二 IGBT170，以维持锂电池组SOC动态平衡于一定的小范围内，缩小锂电池特性离散度，延长锂电池组的使用寿命；8)系统能量管理控制器190的电压接收处理单元197直接通过配置燃料电池发电装置110与锂电池组130的电压及输出功率规格，达到二者输出功率、输出电压、输出电流的合理匹配，提高了供电效率。同时利用燃料电池输出特性软而锂电池输出特性相对偏硬的特性，通过控制实现锂电池组130承担大部分输出功率波动，减小了燃料电池发电装置 110的电压波动，从而保护了燃料电池发电装置110，延长燃料电池发电装置110的使用寿
11命。9)当第二 IGBT170截止时，锂电池组130经过单向二极管171给电机控制器210 提供电能，单向二极管171可以保护锂电池组130不受电机反冲能量的损坏。以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。
权利要求1.一种车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，其特征在于，包括燃料电池发电装置、获取燃料电池发电装置的电压、电流、压力、温度信息的燃料电池控制器、锂电池组、获取锂电池组的SOC值、电压、电流信息的锂电池管理系统、第一 IGBT、第二 IGBT、第一大功率二极管以及系统能量管理控制器；燃料电池发电装置的一个输出端连接第一 IGBT 的集电极，锂电池组的一个输出端连接第二 IGBT的发射极，第一 IGBT的发射极、第二 IGBT 的集电极适用于连接电机控制器的一个输入端；燃料电池发电装置的另一输出端、锂电池组的另一输出端适用于连接电机控制器的另一输入端，电机控制器的输出端连接电机；第一大功率二极管的阳极和阴极分别连接第一 IGBT的发射极和第二 IGBT的集电极；系统能量管理控制器分别连接第一 IGBT的门极、第二 IGBT的门极、燃料电池控制器、锂电池管理系统和电机控制器，用于根据燃料电池控制器和锂电池管理系统获取的信息控制第一 IGBT 导通或截止以及控制第二 IGBT导通或截止。
2.如权利要求1所述的车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，其特征在于， 还包括第二大功率二极管，第一 IGBT的发射极通过所述第二大功率二极管与电机控制器的一个输入端连接，其中，第二大功率二极管的阳极与第一 IGBT的发射极连接，阴极连接电机控制器的一个输入端。
3.如权利要求1所述的车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，其特征在于， 还包括超级电容，所述超级电容的一端连接第一 IGBT的发射极，另一端连接燃料电池发电装置的另一输出端。
4.如权利要求1所述的车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，其特征在于， 还包括第一驱动单元和第二驱动单元，系统能量管理控制器通过所述第一驱动单元连接第一 IGBT的门极，通过所述第二驱动单元连接第二 IGBT的门极。
5.如权利要求1所述的车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，其特征在于， 所述系统能量管理控制器包括用于当接收到来自驾驶员的点火信号时向第一 IGBT输出控制第一 IGBT截止的控制信号并向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号的点火信号接收处理单元，与第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接；用于当通过燃料电池控制器获取到燃料电池发电装置的启动信息时向第一 IGBT输出控制第一 IGBT导通的控制信号并向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号的启动信息接收处理单元，与燃料电池控制器、第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接；用于当接收到来自驾驶员的刹车信号时向第一 IGBT输出控制第一 IGBT截止的控制信号并向第二 IGBT输出控制第二 IGBT导通的控制信号的刹车信号接收处理单元，与第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接；用于当接收到来自驾驶员的油门信号时向第一 IGBT输出控制第一 IGBT导通的控制信号并向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号的油门信号接收处理单元，与第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接。
6.如权利要求1所述的车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，其特征在于， 所述系统能量管理控制器还包括用于当燃料电池控制器获取的燃料电池发电装置的工作状态信息为故障信息时向第一IGBT输出控制第一 IGBT截止的控制信号并向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号的工作状态信息接收处理单元，与燃料电池控制器、第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接。
7.如权利要求1所述的车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，其特征在于， 所述系统能量管理控制器还包括用于当锂电池组的SOC值小于预设的限制下限时向第二 IGBT输出控制第二 IGBT导通的控制信号并当锂电池组的SOC值不小于预设的限制下限时向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号的锂电池组SOC值接收处理单元，与锂电池管理系统和第二驱动单元的输入端连接。
8.如权利要求7所述的车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，其特征在于， 所述系统能量管理控制器还包括用于当燃料电池发电装置的电压高于锂电池组的电压时向第一 IGBT输出控制第一 IGBT导通的控制信号并向第二 IGBT输出控制第二 IGBT导通的控制信号，以及当燃料电池发电装置的电压低于锂电池组的电压时向第一 IGBT输出控制第一 IGBT截止的控制信号并向第二 IGBT输出控制第二 IGBT截止的控制信号直到燃料电池发电装置的电压信息高于工作点的电压，再向第一 IGBT输出控制第一 IGBT导通的控制信号并向第二 IGBT输出控制第二IGBT导通的控制信号的电压接收处理单元，与燃料电池控制器、锂电池管理系统、第一驱动单元的输入端和第二驱动单元的输入端连接。
专利摘要本实用新型公开了一种车载燃料电池与锂电池直接并联混合动力系统，其燃料电池发电装置的输出端依次通过第一绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极、发射极连接电机控制器的输入端，锂电池组的输出端依次通过第二IGBT的发射极、集电极连接电机控制器的输入端；电机控制器的输出端连接电机；系统能量管理控制器分别连接燃料电池控制器、锂电池管理系统、电机控制器、第一IGBT的门极和第二IGBT的门极，用于根据燃料电池控制器和锂电池管理系统获取的信息控制第一IGBT以及第二IGBT的导通或截止。本系统摒弃了传统的需要DC/DC稳压的供电模式，提高了供电效率，锂电池组分担了燃料电池发电装置的电压波动，保护了燃料电池。
文档编号B60L11/18GK202098293SQ20112011027
公开日2012年1月4日 申请日期2011年4月14日 优先权日2011年4月14日
发明者全书海, 张琴, 张立炎, 石英, 谢长君, 邓坚, 陈启宏, 黄亮 申请人:武汉理工大学