千瓦级燃料电池/锂离子电池混合动力装置及其能量管理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池领域，特别涉及千瓦级燃料电池/锂离子电池混合动力装置及其能量管理方法。
【背景技术】
[0002]近些年来，人类对化石燃料的大量使用导致了很严重的污染问题，加上煤、石油等化石能源的日益减少，全球能源短缺与环保问题日益突出，各国政府对新能源的开发和利用都非常重视，因此研发清洁、环保的新型能源具有重要意义。氢能是一种环境友好型的能源，其排放物一般为水，不含C02及其它有害物质。燃料电池正是利用氢能的一种能量转换装置，将富氢气体的化学能直接转化为电能。燃料电池是一种通过电化学反应把反应物质的化学能转换成电能的发电装置，由于其发电过程不涉及燃料的燃烧，因而不受卡诺循环限制，能量转换效率高，并且燃料电池一般以氢氧作为反应物质，还具有功率密度和能量密度高，清洁高效，功率范围广的优点，在移动电源、家庭电源、交通领域、分布式电站和潜艇等领域具有广泛的应用前景。然而，当负载需求功率变化较大时，燃料电池输出特性无法满足负载快速变化的要求。由于燃料电池存在特性曲线较软且功率响应较慢等缺点，因此不太适合直接给车辆等功率变化较频繁的负载做电源使用。
[0003]现有的燃料电池/锂离子电池混合动力系统在燃料电池级联DC/DC变换器的输出直流总线上直接挂接锂离子电池组，这种混合动力配置形式虽然降低了对燃料电池功率和动态性能的要求，但缺乏对混合动力系统进行较好的能量管理和对锂离子电池的有效管理，从而使得锂离子电池充放电周期混乱，降低电池的使用寿命和系统性能。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种千瓦级燃料电池/锂离子电池混合动力装置及其能量管理方法，以在保证对负载的可靠供电的同时，对燃料电池和锂离子电池进行能量管理，提高两种电池的使用寿命和安全系数。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
本发明提供了一种千瓦级燃料电池/锂离子电池混合动力装置，其特征在于，所述千瓦级燃料电池/锂离子电池混合动力装置包括:
燃料电池供电回路，所述燃料电池供电回路的输入端与燃料电池相连，所述燃料电池供电回路的输出端与负载相连；所述燃料电池供电回路将电能从所述输入端传送至所述输出立而;
锂离子电池供电回路，所述锂离子电池供电回路的第一端与锂离子电池单元相连，其第二端与所述燃料电池供电回路的输出端并联相连，从而连接所述负载；所述锂离子电池供电回路在不同状态下将电能从所述第一端传送至所述第二端，或从所述第二端传送至所^_Ι>.Λ.Λ-上山述弟一栖；
与所述燃料电池供电回路相连的燃料电池功率控制单元，用于检测所述燃料电池单元的状态，并产生表示所述燃料电池单元状态的第一状态信号；以及与所述锂离子电池供电回路相连的锂离子电池功率控制单元，用于检测所述锂离子电池单元的状态，并产生表示所述锂离子电池单元的状态的第二状态信号；
所述锂离子电池功率控制单元和所述燃料电池功率控制单元相互连接，所述锂离子电池功率控制单元将所述第二状态信号传送给所述燃料电池功率控制单元；所述燃料电池功率控制单元将所述第一状态信号传送给所述锂离子电池功率控制单元；所述燃料电池功率控制单元根据所述第一状态信号和所述第二状态信号控制所述燃料电池供电回路传送至所述输出端的电能；所述锂离子电池功率控制单元根据所述第一状态信号和所述第二状态信号控制所述锂离子电池供电回路中的电能功率和传递方向。
[0007]在一个实施例中，所述千瓦级燃料电池/锂离子电池混合动力装置还包括: 弱电供电单元，用于从所述锂离子电池单元处吸收电能，并给所述燃料电池功率控制单元和所述锂离子电池功率控制单元提供弱电。
[0008]在一个实施例中，所述燃料电池供电回路包括:
DC/DC变换器，用于将所述输入端的电能转换为所述输出端的电能；
连接于所述DC/DC变换器和所述燃料电池单元之间的第一开关；
连接于所述DC/DC变换器和所述燃料电池单元之间的燃料电池电流检测电路，用于产生表示流经所述燃料电池单元的电流的第一电流信号；
连接于所述DC/DC变换器和所述燃料电池单元之间的燃料电池电压检测电路，用于产生表示所述燃料电池单元的电压的第一电压信号；
与所述DC/DC变换器的输出端相连的系统输出电压检测电路，用于产生表示所述输出端电压的第三电压信号，
所述燃料电池功率控制单元根据所述第一电流信号、所述第一电压信号和所述第三电压信号产生所述第一状态信号。
[0009]在一个实施例中，所述锂离子电池供电回路包括:
双向DC/DC变换器，当所述锂离子电池单元处于充电状态时，所述双向DC/DC变换器将电能从所述第二端传送至所述第一端，以给所述锂离子电池单元充电；当所述锂离子电池单元处于放电状态时，所述双向DC/DC变换器将电能从所述第一端传送至所述第二端，以使所述锂离子电池单元对外放电；
连接于所述双向DC/DC变换器和所述锂离子电池单元之间的第二开关；
与所述锂离子电池单元相连的锂离子电池电压检测电路，用于检测所述锂离子电池单元的电压，并根据所述锂离子电池单元的电压产生第二电压信号；
与所述锂离子电池单元相连的锂离子电池电流检测电路，用于检测所述锂离子电池单元的电流，并根据所述锂离子电池单元的电流产生第二电流信号，
所述锂电池功率控制单元根据所述第二电流信号和所述第二电压信号产生所述第二状态信号。
[0010]在一个实施例中，当所述第一状态信号表示所述燃料电池单元处于正常状态且所述第二状态信号表示所述锂离子电池单元处于欠压状态，则所述锂离子电池功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器，以对所述锂离子电池单元充电；当所述第一状态信号表示所述燃料电池单元处于正常状态且所述第二状态信号表示所述锂离子电池单元处于正常状态，则所述锂离子电池功率控制单元控制所述第二开关，以关闭所述锂离子电池单元；当所述第一状态信号表示所述燃料电池单元处于欠压状态且所述第二状态信号表示所述锂离子电池单元处于正常状态，则所述锂离子电池功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器将所述锂离子电池单元的电能传送至所述负载，以为所述负载充电。
[0011]在一个实施例中，当所述第一状态信号表示所述燃料电池单元处于低压状态且所述第二状态信号表示所述锂离子电池单元处于低压状态时，则所述锂离子电池功率控制单元控制所述第二开关以关闭所述锂离子电池单元，并且所述燃料电池功率控制单元控制所述第一开关以关闭所述燃料电池单元。
[0012]在一个实施例中，当所述燃料电池单元处于所述正常状态且当所述燃料电池单元的输出电压小于预设电压阈值时，所述燃料电池功率控制单元减小所述DC/DC变换器的占空比，以增加所述燃料电池单元的输出电压；当所述燃料电池单元的处于所述正常状态且当所述燃料电池单元的输出电流大于预设电流阈值时，所述燃料电池功率控制单元增加所述DC/DC变换器的占空比，以减小所述燃料电池单元的输出电流。
[0013]本发明还提供了一种千瓦级燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理方法，其特征在于，所述千瓦级燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理方法包括:
检测燃料电池单元的状态，并产生表示所述燃料电池单元状态的第一状态信号，所述燃料电池单元通过DC/DC变换器与负载相连；
检测锂离子电池单元的状态，并产生表示所述锂离子电池单元状态的第二状态信号，所述锂离子电池单元通过双向DC/DC变换器与所述负载相连；
当所述第一状态信号表示所述燃料电池单元处于正常状态且所述第二状态信号表示所述锂离子电池单元处于欠压状态，则控制所述双向DC/DC变换器，以对所述锂离子电池单元充电；
当所述第一状态信号表示所述燃料电池单元处于正常状态且所述第二状态信号表示所述锂离子电池单元处于正常状态，则控制所述双向DC/DC变换器，以关闭所述锂离子电池单元；以及
当所述第一状态信号表示所述燃料电池单元处于欠压状态且所述第二状态信号表示所述锂离子电池单元处于正常状态，则控制所述双向DC/DC变换器将所述锂离子电池单元的电能传送至所述负载，以为所述负载供电。
[0014]在一个实施例中，所述千瓦级燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理方法还包括:
检测流经所述DC/DC变换器和所述燃料电池单元之间电路的