小型内河艇用燃料电池混合动力系统的制作方法

本发明涉及混合动力电源领域，更具体地说，涉及一种小型内河艇用燃料电池混合动力系统。

背景技术：

近年来，随着环保要求的不断提高，传统以燃油机为能源的小型内河艇不能满足环境要求，很多景区已严禁仅采用柴油机驱动的游览船运行，采用太阳能和蓄电池的纯太阳能小型内河艇越来越受到重视。但是现阶段，由于太阳能能量密度低、不稳定性以及游览船空间有限，纯太阳能游览船的电力系统容量有限，续航能力不足，使得小型内河艇应用受到限制，严重影响旅游景区经济发展。燃料电池具有排放低、噪声小、低震动并且能量效率高等优点，在小型内河艇领域的研究快速展开。由于燃料电池动态特性差，功率的快速波动会严重影响其自身的寿命，并造成母线电压波动从而降低电能质量，所以燃料电池需要与储能装置相配合。目前大部分混合动力系统辅助能源采用单一蓄电池供电，蓄电池的特点是技术相对比较完善，结构简单成本较低，但其占用空间较大、电池的一致性连同精确性很难解决，运行过程中常出现功率大幅波动的情况，此时蓄电池难以满足性能要求并存在寿命缩短问题。另外，燃料电池动力系统需要根据功率大小匹配电动空气压缩机，目前燃料电池动力系统的空气供应系统的电动空气压缩机部件数量较多，在小型内河艇上应用时，存在结构复杂及启动等待时间过长的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提出一种小型内河艇用燃料电池混合动力系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

设计一种小型内河艇用燃料电池混合动力系统，包括燃料电池模块、辅助电源模块、应急电源模块、充电装置模块和空气供应模块，所述空气供应模块为燃料电池模块提供空气，所述燃料电池模块、应急电源模块的输出端连接单向dc/dc变换器的输入端，所述单向dc/dc变换器的输出端与开关k1、二极管d1和熔断器f1依次连接后分为两个支路，第一支路连接小型内河艇的电机控制器的输入端，第二支路依次连接开关k2、二极管d2和熔断器f2后接入所述充电装置模块的输入端，所述充电装置模块的输出端连接辅助电源模块的输入端，所述辅助电源模块的输出端连接电机控制器的输入端，所述电机控制器的输出端连接小型内河艇的驱动电机m，所述驱动电机m与空气供应模块之间通过离合器连接。

在上述方案中，所述燃料电池模块包括燃料电池控制器、燃料电池电堆和氢气供应系统，所述氢气供应系统为燃料电池堆提供氢气，所述燃料电池控制器的输出端连接燃料电池电堆；所述燃料电池堆的输出端连接单向dc/dc变换器的输入端。

在上述方案中，所述应急电源模块包括柴油发电机组和整流器，所述柴油发电机组的输出端依次连接整流器、二极管d5、熔断器f4、开关k4后接入单向dc/dc变换器的输入端。

在上述方案中，所述充电装置模块由继电器和可控硅串联构成。

在上述方案中，所述所述充电装置模块的输入端还与单向dc/dc变换器的输出端连接，对所述单向dc/dc变换器的输出电压v2进行监测；所述充电装置的输出端还通过二极管d4与超级电容的输出端连接，对所述超级电容的端电压v1进行监测。

在上述方案中，所述辅助电源模块包括超级电容器和双向dc/dc变换器，所述超级电容的输入端与充电装置模块的输出端，所述超级电容的输出端依次连接双向dc/dc变换器、开关k3、二极管d3和熔断器f3后接入电机控制器的输入端。

在上述方案中，所述空气供应模块包括空压机组件、加湿器和空气过滤消音器，所述空压机组件与驱动电机m之间通过离合器连接，所述加湿器设置在空压机组件的空气输出端，所述空气过滤消音器设置在空压机组件内部。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将燃料电池和超级电容并联，在小型内河艇处于加速阶段同时工作；小型内河艇巡航和下降过程只是用燃料电池，超级电容不工作，能够最大程度的延长小型内河艇航行时间；本发明还加入柴油发电机组提供应急输出，最大程度保证小艇航行的可靠性与安全性；引入充电装置，在整个过程中对单向dc/dc变换器的输出电压和超级电容的端电压保持监测，确保超级电容充放电过程能够正常进行；提供符合工况需求、简化的空气动力系统，减小了电源系统占用比重，使小艇启动时无需等待，从而降低了系统的能耗。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例小型内河艇用燃料电池混合动力系统的结构示意图；

图2为本发明实施例小型内河艇用燃料电池混合动力系统的控制原理示意图；

图3是本发明实施例小型内河艇用燃料电池混合动力系统的工作模式时序控制图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种小型内河艇用燃料电池混合动力系统，包括燃料电池模块、辅助电源模块、应急电源模块、充电装置模块和空气供应模块。燃料电池模块包括燃料电池控制器、燃料电池电堆和氢气供应系统，氢气供应系统为燃料电池堆提供氢气，燃料电池控制器的输出端连接燃料电池电堆，燃料电池堆的输出端连接单向dc/dc变换器的输入端。应急电源模块包括柴油发电机组和整流器，柴油发电机组的输出端依次连接整流器、二极管d5、熔断器f4、开关k4后接入单向dc/dc变换器的输入端。单向dc/dc变换器的输出端与开关k1、二极管d1和熔断器f1依次连接后分为两个支路，第一支路连接小型内河艇的电机控制器的输入端，第二支路依次连接开关k2、二极管d2和熔断器f2后接入充电装置模块的输入端。充电装置模块由继电器和可控硅串联构成，充电装置模块的输入端还与单向dc/dc变换器的输出端连接，对单向dc/dc变换器的输出电压v2进行监测。辅助电源模块包括超级电容器和双向dc/dc变换器，充电装置模块的输出端与超级电容的输入端连接，超级电容的输出端依次连接双向dc/dc变换器、开关k3、二极管d3和熔断器f3后接入电机控制器的输入端。充电装置的输出端还通过二极管d4与超级电容的输出端连接，对超级电容的端电压v1进行监测。空气供应模块为燃料电池模块提供空气，空气供应模块包括空压机组件、加湿器和空气过滤消音器，空压机组件与驱动电机m之间通过离合器连接，加湿器设置在空压机组件的空气输出端，空气过滤消音器设置在空压机组件内部。

本发明与现有技术的最大区别是，将燃料电池与超级电容并联输出，当其中一组电源性能下降时，另一组可以提供小型内河艇所需能量。燃料电池堆经过单向dc/dc变换器的输出电压要高于超级电容的满电电压。当小型内河艇所需输出功率较低时，由燃料电池提供能量，同时给超级电容充电，直至超级电容的电量达到满电，超级电容达到满电后停止充电，这能够延长航时。当小型内河艇所需输出功率超出燃料电池的能力时，燃料电池与超级电容同时工作，为小型内河艇提供动力。一旦在小型内河艇航行过程中出现燃料电池故障或燃料耗尽时，柴油发电机组启动，为小型内河艇提供返航电能。

该燃料电池混合动力系统在工作时，充电系统时刻检测单向dc/dc变换器的输出端电压与超级电容的输出电压，当超级电容的输出电压低于单向dc/dc变换器的输出端电压时，充电装置会给超级电容进行充电，当超级电容达到满电时，停止充电。

单向dc/dc变换器的输出端电压要高于超级电容的满电电压，这样保证了系统工作过程中，当超级电容消耗过大后，燃料电池经过单向dc/dc变换器后可以在为小艇提供电能的同时为超级电容充电，保证超级电容电量始终在正常工作范围内，不会使超级电容出现过充或过放的情况。

充电装置在燃料电池混合动力系统工作过程中时刻监控单向dc/dc变换器的输出端电压和超级电容的输出电压，确保超级电容充、放电过程能够正常进行。

如图2所示，小艇控制系统分别与电机控制器、燃料电池堆、超级电容管理器互相通信，氢气供应系统、空气供应系统受小艇控制系统控制。燃料电池堆的输出端与单向dc/dc变换器连接，单向dc/dc变换器的输出端连接开关k1，一路给电机控制器供电，另一路连接开关k2给充电装置供电，从而为超级电容充电。超级电容为小艇控制系统及超级电容管理系统提供低压输入，超级电容通过双向dc/dc变换器，连接开关k3后为电机控制器供电。柴油发电机组通过整流器，连接开关k4为小艇应急情况下供电。开关k1～k4是继电器开关，开关k1～k4受小艇艇控制系统的控制完成闭合/断开。小艇的控制系统带有微处理器，可以方便进行数字运算处理和实现整船控制，离合器受小艇控制系统控制。

本发明的工作过程如下所示：图3呈现了小艇在各个工作模式下各开关器件的开闭、元件/装置的启停时序控制。

燃料电池混合动力系统电源输出包括燃料电池电堆和/或超级电容的电源输出及柴油发电机组的输出。

当小艇处于启动阶段；油门信号给出时，k1、k2、k4处于断开状态，k3处于闭合状态，超级电容为小艇提供启动能量，此时驱动电机m开始转动，空压机组件与驱动电机m之间的离合器吸合，带动空压机组件旋转工作，通过过滤消音器的空气压缩后提供给燃料电池堆。氢气供应系统为燃料电池堆提供氢气，使燃料电池电压逐步升高至系统所需正常工作电压。

当小艇处于巡航阶段时，开关k2、k3、k4断开，开关k1处于闭合状态，燃料电池堆单独为小艇提供电能，驱动电机m转速趋于恒定，并带动空压机组件为燃料电池堆提供稳定压力和气量的空气。同时，根据需要，开关k2闭合状态，燃料电池堆通过充电装置为超级电容充电。

当小艇处于加速阶段时，开关k2、k4处于断开状态，开关k1、k3处于闭合状态，燃料电池堆与超级电容共同为小艇提供电能；当超级电容输出端的电压值低于设定的电压值时，开关k3断开，超级电容停止输出。小艇在加速过程中，驱动电机m转速愈来愈大，空压机转速也随之增大，为燃料电池堆提供的空气压力和气量也随之增大，相应地提高氢气的供应量即可满足整个小艇的功率需求。

当小艇减速制动时，开关k1、k3、k4处于断开状态，开关k2处于闭合状态，驱动电机m转速逐步降低，燃料电池堆停止供应氢气，空压机组件产生的高压空气对系统内部进行吹扫，制动产生的回馈能量给超级电容充电，当超级电容电压值高于设定的电压值时，停止充电。燃料电池堆停止供应氢气，小艇机械制动。

当小艇倒车时，开关k1、k4处于断开状态，开关k2、开关k3处于闭合状态，空压机组件与驱动电机m间的离合器断开，燃料电池堆停止工作，由超级电容单独为小艇提供能源。倒车所需功率不足时，燃料电池堆或超级电容或燃料电池堆与超级电容共同提供能量来源。当超级电容电压值低于设定的电压值时，超级电容停止工作。

当燃料电池堆发生故障或燃料耗尽时，开关k1、k4闭合，开关k2、k3断开，启动柴油发电机组为小艇提供返航电能。

本实例中所选单向dc/dc变换器的输出端电压为380v，超级电容满电电压为370v，小艇在加速阶段所需的功率为40kw，燃料电池堆额定功率为20kw，柴油发电机组的容量设计需满足在燃料电池发生故障时，使游艇能够在在经济航行下安全返航，同时向超级电容充电，小艇处于经济航行时螺旋桨转速约为最高转速的50％～70％，所选柴油发电机功率为12kw。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。