一种混合动力系统及其工作方法与流程

1.本发明涉及清洁能源技术领域，具体涉及一种混合动力系统及其工作方法。


背景技术：

2.电动车，即电力驱动车，又名电驱车。通常说的电动车是以电池作为能量来源，通过控制器、电机等部件，将电能转化为机械能运动，以控制电流大小改变速度的车辆。目前锂离子电池由于较高的比能量和动态大电流响应速度，正在逐步替代铅酸电池成为电动自行车的主要动力源。一般锂离子电池的比能量在120wh/kg－150wh/kg。然而锂离子电池的续航能力有限，一般锂离子电池的续驶里程一般在50km－60km，同时充电时间仍然偏长，正常充电一般需要4h－6h。
3.由于燃料电池具有优异的续航能力，因此通常通过燃料电池提高锂电池的续航能力，然而上述动力系统通常系统设置复杂且控制方式较为复杂。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有混合动力系统设置复杂且控制方式复杂的缺陷，从而提供一种混合动力系统及其工作方法。
5.本发明提供一种混合动力系统，包括：燃料电池和储能电池，所述燃料电池与所述储能电池并联并适于为负载供电；单向充电模块，所述单向充电模块的输入端与所述燃料电池电学连接，所述单向充电模块的输出端与所述储能电池电学连接；第一电压监测模块，所述第一电压监测模块与所述燃料电池电学连接且适于监测所述燃料电池的电压；第二电压监测模块，所述第二电压监测模块与所述储能电池电学连接且适于监测所述储能电池的电压；充电控制模块，所述充电控制模块适于根据第一电压监测模块监测到的电压和第二电压监测模块监测到的电压、以及储能电池的充电截至电压控制所述单向充电模块切断或者导通所述燃料电池至所述储能电池的充电路径。
6.可选的，所述第一电压监测模块和所述第二电压监测模块分别与所述充电控制模块的输入端电学连接，所述充电控制模块的输出端与所述单向充电模块电学连接。
7.可选的，所述混合动力系统还包括：直流母线，所述直流母线的输出端连接所述负载；第一二极管，所述第一二极管的正极与所述燃料电池电学连接，所述第一二极管的负极与所述直流母线的输入端电学连接；第二二极管，所述第二二极管的正极与所述储能电池电学连接，所述第二二极管的负极与所述直流母线的输入端电学连接。
8.可选的，所述燃料电池包括氢燃料电池、直接甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池或质子交换膜燃料电池中的任意一种；所述储能电池包括锂电池。
9.可选的，所述负载为电动自行车的驱动电机或电动汽车的驱动电机；所述充电控制模块包括比较判断模块和切断模块，所述第一电压监测模块的输出端、所述第二电压监测模块的输出端分别与所述比较判断模块的输入端电学连接，所述比较判断模块的输出端
和切断模块的输入端电学连接，所述切断模块的输出端与所述单向充电模块电学连接，所述比较判断模块适于比较所述第一电压监测模块监测到的电压和所述第二电压监测模块监测到的电压、所述第一电压监测模块监测到的电压和所述储能电池的充电截至电压、以及所述第二电压监测模块监测到的电压与所述储能电池的充电截至电压，所述切断模块适于接收来自所述比较判断模块的控制信号以控制所述单向充电模块切断或者导通所述燃料电池至所述储能电池的充电路径。
10.本发明还提供一种混合动力系统的工作方法，包括以下步骤：第一电压监测模块获取燃料电池的初始电压；第二电压监测模块获取储能电池的初始电压；所述充电控制模块比较所述燃料电池的初始电压、所述储能电池的初始电压与所述储能电池的充电截止电压；当所述燃料电池的初始电压大于所述储能电池的初始电压且所述储能电池的初始电压小于所述储能电池的充电截止电压时，所述充电控制模块控制所述单向充电模块导通所述燃料电池至所述储能电池的充电路径，使所述燃料电池为所述储能电池充电，同时所述燃料电池为负载供电。
11.可选的，在所述燃料电池为所述储能电池充电过程中，第一电压监测模块获取燃料电池的即时电压，第二电压监测模块获取储能电池的即时电压，所述充电控制模块比较所述燃料电池的即时电压、所述储能电池的即时电压与所述储能电池的充电截止电压；当所述燃料电池为所述储能电池充电至所述储能电池的即时电压等于所述储能电池的充电截止电压时，所述充电控制模块控制所述单向充电模块切断所述燃料电池至所述储能电池的充电路径，所述燃料电池为负载供电；当燃料电池工作至所述燃料电池的即时电压等于所述储能电池的充电截止电压时，所述燃料电池与所述储能电池一同为负载供电；当所述燃料电池为所述储能电池充电至所述燃料电池的即时电压等于所述储能电池的即时电压时，所述燃料电池与所述储能电池一同为负载供电，所述充电控制模块控制所述单向充电模块切断所述燃料电池至所述储能电池的充电路径。
12.可选的，当所述燃料电池的初始电压大于所述储能电池的初始电压且所述储能电池的初始电压等于所述储能电池的充电截止电压时，所述充电控制模块控制所述单向充电模块切断所述燃料电池至所述储能电池的充电路径，所述燃料电池为负载供电；在所述燃料电池工作过程中，第一电压监测模块获取燃料电池的即时电压，所述充电控制模块比较所述燃料电池的即时电压与所述储能电池的初始电压；当燃料电池工作至所述燃料电池的即时电压等于所述储能电池的初始电压时，所述燃料电池与所述储能电池一同为负载供电。
13.可选的，当所述燃料电池的初始电压等于所述储能电池的初始电压时，所述充电控制模块控制所述单向充电模块切断所述燃料电池至所述储能电池的充电路径，所述燃料电池与所述储能电池一同为负载供电。
14.可选的，当所述燃料电池的初始电压小于所述储能电池的初始电压时，所述充电控制模块控制所述单向充电模块切断所述燃料电池至所述储能电池的充电路径，所述储能电池为负载供电；在所述储能电池工作过程中，第二电压监测模块获取储能电池的即时电压，所述充电控制模块比较所述储能电池的即时电压与所述燃料电池的初始电压；当所述储能电池工作至所述储能电池的即时电压等于所述燃料电池的初始电压时，所述燃料电池与所述储能电池一同为负载供电。
15.本发明技术方案，具有如下优点：
16.1.本发明提供的混合动力系统，利用了并联电路中位于不同支路上的若干电池的电压相同时，不同支路上的若干电池能够一同进行自动放电的特性，且放电过程中电池的电压逐渐降低，并利用了在并联电路中位于不同支路上的若干电池的即时电压不同且一同供电时，具有较高即时电压的电池对负载供电，具有较低即时电压的电池不对负载供电的特性，实现了混合动力系统在不同情况下工作模式的自适应，仅需设置所述充电控制模块以根据第一电压监测模块监测到的电压、第二电压监测模块监测到的电压以及储能电池的充电截至电压控制所述单向充电模块，从而控制所述所述燃料电池向所述储能电池进行充电，控制方法简单且系统设置简单。
17.同时，由于并联电路中位于不同支路上的若干电池的即时电压不同且一同供电时，具有较高即时电压的电池对负载供电，具有较低即时电压的电池不对负载供电，同时所述储能电池在放电过程中电压随着电流变化的幅度较小，因此所述燃料电池的电压受到所述储能电池的电压的限制，因此所述燃料电池的电压不会由于对负载充电而降得太低，从而避免了由于燃料电池电压过低导致的发电效率降低使燃料电池发生热失控或产生局部热点，最终避免了燃料电池发生损坏。
18.2.本发明提供的混合动力系统，通过设置第一二极管避免了直流母线上的电压直接加载到所述燃料电池上造成所述燃料电池损坏；通过设置第二二极管避免了直流母线上的电压直接加载到所述储能电池上造成所述储能电池损坏，也确保了储能电池的充电可控。
19.3.本发明提供的混合动力系统的工作方法，当所述燃料电池的初始电压大于所述储能电池的初始电压且所述储能电池的初始电压小于所述储能电池的充电截止电压时，所述燃料电池能够在为所述储能电池充电的同时为负载充电，提高了所述混合动力系统的续航能力。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明的实施例1提供的混合动力系统的结构示意图；
22.图2为图1中所示的充电控制模块的结构示意图；
23.附图标记说明：
24.1－燃料电池；2－储能电池；3－单向充电模块；4－第一电压监测模块；5－第二电压监测模块；6－充电控制模块；61－比较判断模块；62－切断模块；7－直流母线；8－第一二极管；9－第二二极管；10－负载。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.实施例1
28.参见图1，本实施例提供一种混合动力系统，包括：燃料电池1和储能电池2，所述燃料电池1与所述储能电池2并联并适于为负载10供电；单向充电模块3，所述单向充电模块3的输入端与所述燃料电池1电学连接，所述单向充电模块3的输出端与所述储能电池2电学连接；第一电压监测模块4，所述第一电压监测模块4与所述燃料电池1电学连接且适于监测所述燃料电池1的电压；第二电压监测模块5，所述第二电压监测模块5与所述储能电池2电学连接且适于监测所述储能电池2的电压；充电控制模块6，所述充电控制模块6适于根据第一电压监测模块4监测到的电压和第二电压监测模块5监测到的电压、以及储能电池2的充电截至电压控制所述单向充电模块3切断或者导通所述燃料电池1至所述储能电池2的充电路径。
29.上述混合动力系统中，首先，利用了并联电路中位于不同支路上的若干电池的电压相同时，不同支路上的若干电池能够一同进行自动放电的特性，且放电过程中电池的电压逐渐降低，并利用了在并联电路中位于不同支路上的若干电池的即时电压不同且一同供电时，具有较高即时电压的电池对负载供电，具有较低即时电压的电池不对负载供电的特性，实现了混合动力系统在不同情况下工作模式的自适应，仅需设置所述充电控制模块6以根据第一电压监测模块4监测到的电压、第二电压监测模块5监测到的电压以及储能电池2的充电截至电压控制所述单向充电模块3，从而控制所述所述燃料电池1向所述储能电池2进行充电，控制方法简单且系统设置简单。当所述燃料电池1与所述储能电池2的电压相同时，所述燃料电池1与所述储能电池2能自动一同对负载10进行供电，不需要额外的控制模块。
30.其次，由于并联电路中位于不同支路上的若干电池的即时电压不同且一同供电时，具有较高即时电压的电池对负载供电，具有较低即时电压的电池不对负载供电，同时所述储能电池2在放电过程中电压随着电流变化的幅度较小，因此所述燃料电池1的电压受到所述储能电池2的电压的限制，因此所述燃料电池1的电压不会由于对负载充电而降得太低，从而避免了由于燃料电池电压过低导致的发电效率降低使燃料电池发生热失控或产生局部热点，最终避免了燃料电池发生损坏。
31.此外，储能电池2能够为负载10供电且所述燃料电池1也能为负载10供电，燃料电池1还能通过所述单向充电模块3为储能电池2充电，这提高了所述混合动力系统的续航能力，使所述混合动力系统具有续航能力优异和动力响应速度快的优点，提高了混合动力系统对外输出的能力。
32.具体的，参见图1，所述第一电压监测模块4和所述第二电压监测模块5分别与所述充电控制模块6的输入端电学连接，所述充电控制模块6的输出端与所述单向充电模块3电学连接。
33.进一步地，如图2所示，所述充电控制模块6包括比较判断模块61和切断模块62，所述第一电压监测模块4的输出端、所述第二电压监测模块5的输出端分别与所述比较判断模块61的输入端电学连接，所述比较判断模块61的输出端和切断模块62的输入端电学连接，
所述切断模块62的输出端与所述单向充电模块3电学连接，所述比较判断模块61适于比较所述第一电压监测模块监测到的电压和所述第二电压监测模块监测到的电压、所述第一电压监测模块监测到的电压和所述储能电池的充电截至电压、以及所述第二电压监测模块监测到的电压与所述储能电池的充电截至电压，所述切断模块62适于接收来自所述比较判断模块61的控制信号以控制所述单向充电模块3切断或者导通所述燃料电池1至所述储能电池2的充电路径。
34.在本实施例中，所述燃料电池包括氢燃料电池、直接甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池或质子交换膜燃料电池中的任意一种；所述储能电池2包括锂电池；所述负载10为电动自行车的驱动电机或电动汽车的驱动电机。
35.参见图1，在本实施例中，所述混合动力系统还包括：直流母线7，所述直流母线7的输出端连接所述负载10；第一二极管8，所述第一二极管8的正极与所述燃料电池1电学连接，所述第一二极管8的负极与所述直流母线7的输入端电学连接；第二二极管9，所述第二二极管9的正极与所述储能电池2电学连接，所述第二二极管9的负极与所述直流母线7的输入端电学连接。通过设置第一二极管8避免了直流母线7上的电压直接加载到所述燃料电池1上造成所述燃料电池1损坏；通过设置第二二极管9避免了直流母线7上的电压直接加载到所述储能电池2上造成所述储能电池2损坏，也确保了储能电池2的充电可控。
36.实施例2
37.本实施例还提供了一种混合动力系统的工作方法，其采用实施例1提供的混合动力系统，所述混合动力系统的工作方法包括以下步骤：
38.第一电压监测模块4获取燃料电池1的初始电压；
39.第二电压监测模块5获取储能电池2的初始电压；
40.所述充电控制模块6比较所述燃料电池1的初始电压、所述储能电池2的初始电压与所述储能电池2的充电截止电压：
41.(1)当所述燃料电池1的初始电压等于所述储能电池2的初始电压时，所述充电控制模块6控制所述单向充电模块3切断所述燃料电池1至所述储能电池2的充电路径，所述燃料电池1与所述储能电池2一同为负载10供电；
42.(2)当所述燃料电池1的初始电压小于所述储能电池2的初始电压时，所述充电控制模块6控制所述单向充电模块3切断所述燃料电池1至所述储能电池2的充电路径，所述储能电池2为负载10供电；在所述储能电池2工作过程中，第二电压监测模块5获取储能电池2的即时电压，所述充电控制模块6比较所述储能电池2的即时电压与所述燃料电池1的初始电压；当所述储能电池2工作至所述储能电池2的即时电压等于所述燃料电池1的初始电压时，所述燃料电池1与所述储能电池2一同为负载10供电。
43.(3)当所述燃料电池1的初始电压大于所述储能电池2的初始电压且所述储能电池2的初始电压等于所述储能电池2的充电截止电压时，所述充电控制模块6控制所述单向充电模块3切断所述燃料电池1至所述储能电池2的充电路径，所述燃料电池1为负载10供电；在所述燃料电池1工作过程中，第一电压监测模块4获取燃料电池1的即时电压，所述充电控制模块6比较所述燃料电池1的即时电压与所述储能电池2的初始电压；当燃料电池1工作至所述燃料电池1的即时电压等于所述储能电池2的初始电压时，所述燃料电池1与所述储能
电池2一同为负载10供电。
44.(4)当所述燃料电池1的初始电压大于所述储能电池2的初始电压且所述储能电池2的初始电压小于所述储能电池2的充电截止电压时，所述充电控制模块6控制所述单向充电模块3导通所述燃料电池1至所述储能电池2的充电路径，使所述燃料电池1为所述储能电池2充电，同时所述燃料电池1为负载10供电，从而提高了所述混合动力系统的续航能力。
45.进一步地，在所述燃料电池1为所述储能电池2充电过程中，第一电压监测模块4获取燃料电池1的即时电压，第二电压监测模块5获取储能电池2的即时电压，所述充电控制模块6比较所述燃料电池1的即时电压、所述储能电池2的即时电压与所述储能电池2的充电截止电压：
46.(41)当所述燃料电池1为所述储能电池2充电至所述储能电池2的即时电压等于所述储能电池2的充电截止电压时，此时燃料电池1的即时电压大于储能电池2的充电截止电压，所述充电控制模块6控制所述单向充电模块3切断所述燃料电池1至所述储能电池2的充电路径，所述燃料电池1为负载10供电；当燃料电池1工作至所述燃料电池1的即时电压等于所述储能电池2的充电截止电压时，所述燃料电池1与所述储能电池2一同为负载10供电；
47.(42)当所述燃料电池1为所述储能电池2充电至所述燃料电池1的即时电压等于所述储能电池2的即时电压时，此时燃料电池1的即时电压与储能电池2的即时电压均小于或等于储能电池2的充电截止电压，所述燃料电池1与所述储能电池2一同为负载10供电，所述充电控制模块6控制所述单向充电模块3切断所述燃料电池1至所述储能电池2的充电路径。
48.上述混合动力系统的工作方法，利用了并联电路中位于不同支路上的若干电池的电压相同时，不同支路上的若干电池能够一同进行自动放电的特性，且放电过程中电池的电压逐渐降低，并利用了在并联电路中位于不同支路上的若干电池的即时电压不同且一同供电时，具有较高即时电压的电池对负载供电，具有较低即时电压的电池不对负载供电的特性，实现了混合动力系统在不同情况下工作模式的自适应，仅需设置所述充电控制模块6以根据第一电压监测模块4监测到的电压、第二电压监测模块5监测到的电压以及储能电池2的充电截至电压控制所述单向充电模块3，从而控制所述所述燃料电池1向所述储能电池2进行充电，控制方法较为简单。具体的，当所述燃料电池1与所述储能电池2的电压相同时，所述燃料电池1与所述储能电池2能自动一同对负载10进行供电。
49.同时，由于并联电路中位于不同支路上的若干电池的即时电压不同且一同供电时，具有较高即时电压的电池对负载供电，具有较低即时电压的电池不对负载供电，同时所述储能电池2在放电过程中电压随着电流变化的幅度较小，因此所述燃料电池1的电压受到所述储能电池2的电压的限制，因此所述燃料电池1的电压不会由于对负载充电而降得太低，从而避免了由于燃料电池电压过低导致的发电效率降低使燃料电池发生热失控或产生局部热点，最终避免了燃料电池发生损坏。
50.需要理解的是，在本实施例中，燃料电池1的初始电压指的是所述混合动力系统刚启动时燃料电池1的电压值；储能电池2的初始电压指的是所述混合动力系统刚启动时储能电池2的电压值；燃料电池1的即时电压指的是燃料电池1对负载供电过程及燃料电池1对储能电池2充电过程中燃料电池1的电压值；储能电池2的即时电压指的是储能电池2对负载供电过程及燃料电池1对储能电池2充电过程中储能电池2的电压值。
51.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对
于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。