一种基于质子交换膜燃料电池的动力系统的制作方法

1.本实用新型涉及新能源汽车驱动技术领域，特别涉及一种基于质子交换膜燃料电池的动力系统。


背景技术：

2.能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，随着我国经济的快速增长，能源需求大幅增加。然而传统能源如石油、煤等对环境的污染大，且储量有限，环境污染问题和能源供需矛盾日益严重，从而促进了可再生能源和清洁能源技术的研究和开发。氢燃料能源是一种零排放的清洁能源，燃料电池可将氢气的化学能直接转化为电能。单一燃料电池存在输出特性较软、时滞性强等问题，不适用于负载快速变化的情况，由于燃料电池自身输出特性的不足，通常采用燃料电池与辅助动力源相结合的混合动力系统。
3.目前，燃料电池与辅助动力源相结合的混合动力系统主要存在的缺陷在于：一是，燃料电池辅助能源主要为锂电池，且锂电池直接与母线电压连接，这种结构使得系统需要配置大量锂电池，增加动力系统重量。二是，在这些结构下，电池的电压波动范围变小，无法充分发挥其功能。三是，锂电池本身在面对大功率充放电工况时，寿命急剧缩短，锂电池容量的衰减也会导致燃料电池功率波动变大，从而进一步导致燃料电池寿命衰减，形成恶性循环。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服上述背景技术中的不足，提供一种结构简单的新能源汽车动力系统。
5.为实现以上目的，采用一种基于质子交换膜燃料电池的动力系统，包括：燃料电池、辅助电池组、超级电容组、燃料电池控制器、能量管理系统、负载及制动电阻；
6.燃料电池与单向dcdc升压电路经电线连接，辅助电池组及超级电容组分别与第一双向dcdc、第二双向dcdc经电线连接，第一双向dcdc输出经开关s3与单向dcdc升压电路输出连接，第二双向dcdc与单向dcdc升压电路输出连接，单向dcdc升压电路输出端依次连接有负载和制动电阻，单向dcdc升压电路输出端与负载间设有开关s1，负载与制动电阻间设有开关s2；
7.辅助电池组、超级电容组、燃料电池控制器及负载均能量管理系统信号连接，能量管理系统输出分别与第一双向dcdc、第二双向dcdc以及开关s1、s2、s3信号连接，燃料电池控制器与单向dcdc升压电路信号连接。
8.进一步地，所述系统还包括外围电路，外围电路与所述燃料电池经电线连接，且外围电路与所述燃料电池控制器信号连接。
9.进一步地，所述负载采用直流马达，所述能量管理系统与所述直流马达中电流传感器连接。
10.进一步地，所述辅助电池组与电池管理系统连接，电池管理系统与所述能量管理
系统信号连接。
11.进一步地，所述燃料电池控制器和所述能量管理系统均经can通讯线与上位机连接。
12.与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：本实用新型通过设置质子交换膜燃料电池、燃料电池控制器、单向dcdc升压电路、能量管理系统、辅助电池组、超级电容组、两个双向dcdc、直流马达及制动电阻组成动力系统；通过燃料电池提供稳定能量和动力来源，单向dcdc升压电路将燃料电池电压升到总线电压并维持总线电压稳定，能量管理系统通过收集燃料电池、电池、超级电容以及直流马达等数据信息，分配三种能量元件所需提供的具体功率，辅助电池用于增程和冷启动，通过超级电容实现峰值功率的提升，两个双向dcdc用于将电池组和超级电容组的电压提升至母线电压，直流马达作为负载消耗能量，或产生回收制动的能量。
13.本方案设计的动力系统可以增加锂电池电压变化范围，提升锂电池工作能力，减小电池所需配置的容量。增加的超级电容系统可以吸收不利于电池组工作的大功率充放电电流。整个动力系统结构不仅保障了燃料电池寿命，还延长了电池组使用寿命。
附图说明
14.下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述：
15.图1是一种基于质子交换膜燃料电池的动力系统的结构图。
16.图中：
17.1-燃料电池；2-辅助电池组；3-超级电容组；4-燃料电池控制器；5-能量管理系统；6-负载；7-制动电阻；8-单向dcdc升压电路；9-第一双向dcdc；10-第二双向dcdc；11-上位机；12-外围电路bop。
具体实施方式
18.为了更进一步说明本实用新型的特征，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本实用新型的保护范围加以限制。
19.如图1所示，本实施例公开了一种基于质子交换膜燃料电池的动力系统，包括：燃料电池1、辅助电池组2、超级电容组3、燃料电池控制器4、能量管理系统5、负载6及制动电阻7；
20.燃料电池1与单向dcdc升压电路8经电线连接，辅助电池组2及超级电容组3分别与第一双向dcdc9、第二双向dcdc10经电线连接，第一双向dcdc9输出经开关s3与单向dcdc升压电路8输出连接，第二双向dcdc10与单向dcdc升压电路8输出连接，单向dcdc升压电路8输出端依次连接有负载6和制动电阻7，单向dcdc升压电路8输出端与负载6间设有开关s1，负载6与制动电阻7间设有开关s2；
21.辅助电池组2、超级电容组3、燃料电池控制器4及负载6均能量管理系统5信号连接，能量管理系统5输出分别与第一双向dcdc9、第二双向dcdc10以及开关s1、s2、s3信号连接，燃料电池控制器4与单向dcdc升压电路8信号连接。
22.需要说明的是，所述动力系统通过燃料电池pemfc提供稳定能量和动力来源，燃料电池控制器fcu用于控制单向dcdc升压电路8(boost模块)的输出，boost模块将燃料电池1
电压升到总线电压并维持总线电压稳定；辅助电池用于增程和冷启动，通过超级电容实现峰值功率的提升；两个双向dcdc用于将辅助电池组2和超级电容组3的电压提升至母线电压；直流马达作为负载6消耗能量，或产生回收制动的能量；制动电阻7用于损耗多余的能量，无需复杂的功率计算和能量管理，从结构上解决能量过剩情况，为系统提供安全保障。
23.本方案提升了燃料电池1混合动力系统整体性能，保障系统的安全高效运行。同时节约了不可再生能源，有利于环境保护。
24.另外，本方案通过设置两个双向dcdc变换器，锂电池和超级电容的电压平台可通过双向dcdc直接提升至母线电压，因此无需串联更多容量的辅助电源以满足母线电压相等，可降低锂电池和超级电容的容量占比，无需使得锂电池组和超级电容组的电压平台等于氢燃料电池电压或者母线电压，最大化使用辅助能源的功能；并且将燃料电池控制器4fcu与能量管理系统5ems分开设置，提高系统的容错性。
25.作为进一步优选的技术方案，所述系统还包括外围电路bop12，外围电路bop12与所述燃料电池1经电线连接，且外围电路bop12与所述燃料电池控制器4信号连接。
26.需要说明的是，外围电路用于给燃料电池1模组提供稳定工作条件，如空压机、各类传感器、阀门等等，传感器检测各类信息如，电压、电流、压力、流量和温度等，将其转化为数据信息，燃料控制器用于接收各类传感器数据信号，并控制各类阀门输出。
27.作为进一步优选的技术方案，所述负载6采用直流马达，所述能量管理系统5与所述直流马达中电流传感器连接。
28.作为进一步优选的技术方案，所述辅助电池组2与电池管理系统bms连接，电池管理系统与所述能量管理系统5信号连接。bms用于检测电池组工作状态并发送至ems。
29.作为进一步优选的技术方案，所述燃料电池控制器4和所述能量管理系统5均经can通讯线与上位机连接。其中，fcu与上位机11以can方式进行通讯，fcu将bop中各类信息上传到上位机11中，用于检测各类零部件的状态；ems将辅助电池组2和超级电容组3中的关键信息上传到上位机11中，并显示实时功率分配结果，通过上位机11实时监控各类系统的监控状态，为系统排错溯源提供技术支撑。
30.需要说明的是，本实施例中燃料电池1在动态工况下运行时，始终工作在最优额定功率下，通过ems通过收集燃料电池1、辅助电池组2、超级电容3以及负载6等数据信息，计算并分配三种能量元件所需提供的具体功率，以满足波动的复杂工况，锂电池持续提供2c以内动态电流，超级电容组3吸纳和提供大电流。
31.开关的开/关过程情况具体为：
32.(1)车辆发动时，燃料电池1在启动，在燃料电池1到达可直接功率输出10kw前，由超级电容组3和锂电池组供电，这时s1和s3关闭，s2打开。
33.(2)车辆发动后，燃料电池1可在稳定输出10kw及以上，可在10～60kw无级变功率，输出功率由ems指导分配，这时s1和s3关闭，s2打开。
34.(3)车辆制动时，燃料电池1保持之前输出，锂电池和超级电容进行回收能量，这时s1和s3关闭，s2打开。
35.(4)车辆停止工作时，燃料电池1逐步降低输出，锂电池和超级电容回收boost输出高于5kw功率的能量，这时s1和s3关闭，s2打开。当boost输出低于5kw功率时，通过制动电阻7消耗剩余能量，这时s1和s3打开，s2关闭。
36.(5)当锂电池和超级电容充满时，多余的能量无法回收时，只采用制动电阻7消耗，这时s1和s3打开，s2关闭。
37.本实施例中，在ems中应用与本系统匹配的基于自适应模型预测算法的功率分配策略(比如wang l,wang y,liu c,et al.a power distribution strategy for hybrid energy storage system using adaptive model predictive control[j].ieee transactions on power electronics,2020,35(6):5897-5906)，通过ems对超级电容和锂电池进行功率分配，以满足波动的复杂工况，实现延长质子交换膜燃料电池1寿命，提升系统功率性能的目标。
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以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。