一种车用氢燃料电池系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池汽车动力能源技术领域，特别涉及一种车用氢燃料电池系统。


背景技术：

2.为达成“碳中和、碳达峰”的目标，占据碳排放量一部分的交通领域的清洁能源转型势在必行。质子交换膜氢燃料电池通过氢气和氧气的电化学反应释放电能，同时排泄物只有水，被誉为汽车业清洁能源转型的“最终解决方案”。
3.燃料电池具有高能量转化效率、短氢气加注时间、无污染排放等优点。但车辆行驶环境较为复杂，存在频繁加减速、起步、爬坡、急停、长时制动等情况，只依靠燃料电池是无法应对的。因为燃料电池存在一定的动力响应延时、无法进行能量回收制动等不足，不能很好地匹配汽车驾驶工况。
4.现有技术通过匹配一定数量的电池，与燃料电池系统共同作为动力能源，但电池的功率密度没有锂电容大，且频繁充放电也会对电池寿命造成影响。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服上述背景技术中的不足，提供解决燃料电池的动力响应延时，无法进行能量回收制动的问题。
6.为实现以上目的，采用一种车用氢燃料电池系统，包括质子交换膜氢燃料电池、燃料电池控制器、锂电容组、锂电容控制器、高压配电箱、能量管理系统、单向dc/dc变换器、双向dc/dc变换器、辅助单向dc/dc变换器、辅助蓄电池、低压配电盒和电机子回路；
7.质子交换膜氢燃料电池和锂电容组分别经单向dc/dc变换器和双向dc/dc变换器与高压配电箱连接，高压配电箱分别与电机子回路和辅助单向dc/dc变换器连接，辅助单向dc/dc变换器经辅助蓄电池与低压配电盒连接，电机子回路及低压配电盒分别与车载通信装置连接；
8.燃料电池控制器与质子交换膜氢燃料电池信号连接，锂电容组与锂电容控制器信号连接，锂电容控制器、燃料控制器及单向dc/dc变换器均与能量管理系统信号连接，燃料控制器、能量管理系统、单向dc/dc变换器、高压配电箱、低压配电盒及电机子回路均与车载通信装置信号连接。
9.进一步地，所述系统还包括bop外围设备，bop外围设备包括bop高压设备和bop低压设备，bop高压设备分别与所述高压配电箱、所述辅助单向dc/dc变换器及所述电机子回路连接，bop低压设备、所述燃料电池控制器、所述锂电容控制器、所述能量管理系统经低压线接入所述低压配电盒，所述燃料控制器分别与bop高压设备和bop低压设备信号连接。
10.进一步地，所述系统还包括车载充电机和充电机控制器，充电机控制器与车载充电机信号连接，车载充电机分别与所述高压配电箱、所述辅助单向dc/dc变换器及所述电机子回路连接，充电机控制器经低压线接入所述低压配电盒，充电机控制器与所述车载通信
装置信号连接。
11.进一步地，所述系统还包括指示灯和仪表，指示灯和仪表均经低压线接入所述低压配电盒，指示灯和仪表分别于所述车载通信装置信号连接。
12.进一步地，所述电机子回路包括第一子回路、第二子回路、第三子回路和第四子回路，第一子回路包括第一功率变换器、驱动电机和第一控制器，第二子回路包括第二功率变换器、转向电机和第二控制器，第三子回路包括第三功率变换器、制动电机和第三控制器，第四子回路包括第四功率变换器、电动空调和第四控制器；
13.所述高压配电箱经高压线分别与第一功率变换器、第二功率变换器、第三功率变换器及第四功率变换器连接，第一功率变换器经高压线与驱动电机连接，第二功率变换器经高压线与转向电机连接，第三功率变换器经高压线与制动电机连接，第四功率变换器经高压线与电动空调连接；
14.驱动电机经第一控制器接入所述车载通信装置，转向电机经第二控制器接入所述车载通信装置，制动电机经第三控制器接入所述车载通信装置，电动空调经第四控制器接入所述车载通信装置；
15.第一控制器、第二控制器、第三控制器及第四控制器均与所述车载通信装置信号连接。
16.进一步地，所述高压配电箱包括熔断器、接触器、预充回路及维修开关，熔断器包括主回路熔断器和各子回路熔断器，主回路熔断器设置在所述单向dc/dc变换器、所述双向dc/dc变换器与所述高压配电箱的连接线上，并与维修开关相连接；各子回路熔断器设置在所述高压配电箱输出与所述电机子回路之间的高压线上；主接触器设置在所述高压配电箱输出高压母线上；预充回路并联在主回路上。
17.与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：本实用新型中，锂电容组在燃料电池刚开机和车辆起步阶段提供车辆主要的动力能源，在燃料电池功率攀升完毕后，锂电容组主要提供或消纳由于行驶工况不确定性带来的短时功率波动和大电流冲击。锂电容组能够充电和放电，既解决了燃料电池的慢响应问题，又能存储回收制动能量、释放短时大功率，保证燃料电池输出功率处于平缓的区间。解决燃料电池的动力响应延时、无法进行能量回收制动等问题，达到延长燃料电池寿命、提高燃料电池系统的动力性能、降低维护成本的效果。
附图说明
18.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：
19.图1是一种车用氢燃料电池系统的结构图。
20.图中：
21.1-质子交换膜氢燃料电池；2-燃料电池控制器；3-锂电容组；4-锂电容控制器；5-高压配电箱；6-能量管理系统；7-单向dc/dc变换器；8-双向dc/dc变换器；9-辅助单向dc/dc变换器；10-辅助蓄电池；11-低压配电盒；12-电机子回路；1211-第一功率变换器；1212驱动电机；1213-第一控制器；1221-第二功率变换器；1222-转向电机；1223-第二控制器；1231-第三功率变换器；1232-制动电机；1233-第三控制器；1241-第四功率变换器；1242-电动空调；1243-第四控制器；13-bop外围设备；131-bop高压设备；132-bop低压设备；14-车载通信
装置；15-车载充电机；16-充电机控制器；17-指示灯；18-仪表。
具体实施方式
22.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。
23.如图1所示，本实施例公开了一种车用氢燃料电池系统，包括质子交换膜氢燃料电池1、燃料电池控制器2、锂电容组3、锂电容控制器4、高压配电箱5、能量管理系统6、单向dc/dc变换器7、双向dc/dc变换器8、辅助单向dc/dc变换器9、辅助蓄电池10、低压配电盒11和电机子回路12；
24.质子交换膜氢燃料电池1和锂电容组3分别经单向dc/dc变换器7和双向dc/dc变换器8与高压配电箱5连接，高压配电箱5分别与电机子回路12和辅助单向dc/dc变换器9连接，辅助单向dc/dc变换器9经辅助蓄电池10与低压配电盒11连接，电机子回路12及低压配电盒11分别与车载通信装置14连接；
25.燃料电池控制器2与质子交换膜氢燃料电池1信号连接，锂电容组3与锂电容控制器4信号连接，锂电容控制器4、燃料控制器及单向dc/dc变换器7均与能量管理系统6信号连接，燃料控制器、能量管理系统6、单向dc/dc变换器7、高压配电箱5、低压配电盒11及电机子回路12均与车载通信装置14信号连接。
26.需要说明的是，质子交换膜氢燃料电池1通过氢气与氧气化学反应发电，经单向dc/dc变换器7升压后为车辆高压电气系统提供主要动力能源，锂电容组3作为辅助动力能源，用来应对车辆运行中高频功率波动和大电流冲击，锂电容控制器4用于实现锂电容组3内均衡等功能，高压配电箱5用于配置氢燃料电池系统与车载电机间的功率接口，单向dc/dc变换器7对燃料电池电压进行升压，以匹配母线电压，双向dc/dc变换器8对锂电容组3电压进行升压，以匹配母线电压。
27.本实施例提供的燃料电池系统结构设计的独特之处在于将锂电容纳入燃料电池辅助能源中，并采用全主动连接方式，即燃料电池和锂电容均通过dc/dc变换器连接至高压配电箱5，锂电容的引入可大大减轻燃料电池的动态响应压力，提高整个系统的动力性能，延长燃料电池的使用寿命，全主动连接方式的引入可增加控制的灵活度，使得能量管理系统6更加准确地实现能量分配。而燃料电池控制器和锂电容控制器的控制过程可通过现有算法实现。
28.锂电容组3在车辆起步阶段、车辆爬坡阶段以及燃料电池开机阶段提供动力能源，在车辆制动阶段回收能量以电能形式存储，在车辆频繁加减速阶段提供或吸收频繁波动的动力能源，保证燃料电池处于较为平稳的功率输出环境。通过充分利用锂电容组3的动态响应极快、瞬时功率能力极强的特点，完美应对复杂道路工况，实现在满足车辆功率和能量需求的前提下，延长燃料电池寿命、减少能量损失。
29.作为进一步优选的技术方案，所述系统还包括bop外围设备13，bop外围设备13包括bop高压设备131和bop低压设备132，bop高压设备131分别与所述高压配电箱5、所述辅助单向dc/dc变换器9及所述电机子回路12连接，bop低压设备132、所述燃料电池控制器2、所述锂电容控制器4、所述能量管理系统6经低压线接入所述低压配电盒11，所述燃料控制器分别与bop高压设备131和bop低压设备132信号连接。
30.其中，燃料电池控制器2用于控制氢气、空气供给管路和水热冷却管路等外围辅助设备，保证燃料电池电堆安全、稳定、高效运行。具体来说，燃料电池控制器2可以控制氢气比例阀的阀门开度以达到控制喷氢量的目的，氢气的进入量直接关系到燃料电池电堆的反应速率，需要大功率时进氢量就会加大。所述的燃料电池控制器2可以控制空气压缩机的工作强度，进而控制空气进入燃料电池电堆的流量和压力。所述的燃料电池控制器2可以读取冷却液温度信号并控制三通阀节温器的开度，冷却液温度低时，燃料电池控制器2控制节温器关闭，形成燃料电池和冷却液的小循环，冷却液温度变高时，节温器慢慢打开，部分冷却液进行外部散热降低温度。
31.作为进一步优选的技术方案，所述系统还包括车载充电机15和充电机控制器16，充电机控制器16与车载充电机15信号连接，车载充电机15分别与所述高压配电箱5、所述辅助单向dc/dc变换器9及所述电机子回路12连接，充电机控制器16经低压线接入所述低压配电盒11，充电机控制器16与所述车载通信装置14信号连接。
32.作为进一步优选的技术方案，所述系统还包括指示灯17和仪表18，指示灯17和仪表18均经低压线接入所述低压配电盒11，指示灯17和仪表18分别于所述车载通信装置14信号连接。
33.作为进一步优选的技术方案，所述电机子回路12包括第一子回路、第二子回路、第三子回路和第四子回路，第一子回路包括第一功率变换器1211、驱动电机1212和第一控制器1213，第二子回路包括第二功率变换器1221、转向电机1222和第二控制器1223，第三子回路包括第三功率变换器1231、制动电机1232和第三控制器1234，第四子回路包括第四功率变换器1241、电动空调1242和第四控制器1243；
34.所述高压配电箱5经高压线分别与第一功率变换器1211、第二功率变换器1221、第三功率变换器1231及第四功率变换器1241连接，第一功率变换器1211经高压线与驱动电机1212连接，第二功率变换器1221经高压线与转向电机1222连接，第三功率变换器1231经高压线与制动电机1232连接，第四功率变换器1241经高压线与电动空调1242连接；
35.驱动电机1212经第一控制器1213接入所述车载通信装置14，转向电机1222经第二控制器1223接入所述车载通信装置14，制动电机1232经第三控制器1234接入所述车载通信装置14，电动空调1242经第四控制器1243接入所述车载通信装置14；
36.第一控制器1213、第二控制器1223、第三控制器1234及第四控制器1243均与所述车载通信装置14信号连接。
37.作为进一步优选的技术方案，所述高压配电箱5包括熔断器、接触器、预充回路、手动维修开关等，熔断器包括主回路熔断器和各子回路熔断器主回路熔断器在单向dc/dc变换器7、双向dc/dc变换器8与高压配电箱5的连接线上，以及与手动维修开关相连，各子回路熔断器在高压配电箱5输出各子回路高压线与各子回路功率变换器之间；主接触器处于高压配电箱5输出高压母线上，在需要接触器的子回路上，如电动空调1242回路等，也连接有接触器；预充回路并联在主回路上，实现上电瞬间限制电流大小的功能。
38.本实施例通过设置高压配电箱5将燃料电池和锂电容提供的电能分配至各电机子回路12上。熔断器包括主回路熔断器和各子回路熔断器，在某一子回路发生超过阈值的大电流故障时，子回路熔断器会自动切断该回路，保护该子回路的电机电器，在主回路发生超过阈值的大电流故障时，主回路熔断器会自动切断主回路，对动力能源系统和高压回路电
机电器进行保护，所述接触器在车辆发生需要立即断电的故障时可快速断电，切断动力能源系统和高压电机电器的回路，保证人员与车辆安全。
39.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。