CN102856612A - 混合动力电源*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合动力电源***，包括多个相互串联的电源模块，每一该电源模块包括一燃料电池单元以及一锂离子电池单元，该燃料电池单元包括两个以上相互串联的燃料电池单体，该锂离子电池单元包含一个或两个以上相互并联的锂离子电池单体，其中，该燃料电池单元与该锂离子电池单元并联连接，用于给该锂离子电池单元充电。

Description

混合动力电源***
技术领域
本发明涉及一种混合动力***，尤其涉及一种具有燃料电池以及锂离子电池的混合动力电源***。
背景技术
目前，各国都在致力于研发和推广使用电动汽车，以解决日益严重的能源紧缺和空气污染等问题。其中，对具有锂离子电池与燃料电池混合动力***的电动汽车的研究引起了人们的广泛关注。该混合动力***主要包括多个锂离子电池单体串联的锂离子电池组，以及多个燃料电池单体串联的燃料电池组作为储能动力源分别或同时给汽车提供动力。
在燃料电池与锂离子电池作为储能动力源的混合动力***中，通常用燃料电池组整体对锂离子电池组整体充电。然而，对于锂离子电池组而言，由于生产工艺水平的制约，锂离子电池单体之间的性能在生产或使用的过程中具有一定的差异性。这种差异性会使锂离子电池单体间充放电不均衡而导致某个锂离子电池单体过充或过放，从而引起锂离子电池的漏液、燃烧、起火、***，引发严重的安全性事故。即使采取措施避免过充、过放，电池组的性能也会取决于性能最差的单体电池，使整个锂离子电池组的充放电容量、循环寿命大大降低。
现有技术中通常采用电池管理***（Battery Management System）来对锂离子电池组进行充放电控制以解决锂离子电池单体在充放电过程中的不一致性。如：在充电过程中，当锂离子电池组中的某一锂离子电池单体已充满电，而相邻锂离子电池单体还未充满时，需要通过电池管理***保持整个锂离子电池组的充电一致性。然而，这种充放电管理方式对锂离子电池组电量的有效利用率不高，且此类电池管理***比较复杂，导致混合动力***的成本一直无法降低。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较长循环使用寿命且成本较低的混合动力电源***。
一种混合动力电源***，包括多个相互串联的电源模块，每一该电源模块包括一燃料电池单元以及一锂离子电池单元，该燃料电池单元包括两个以上相互串联的燃料电池单体，该锂离子电池单元包含一个或两个以上相互并联的锂离子电池单体，其中，该燃料电池单元与该锂离子电池单元并联连接，用于给该锂离子电池单元充电。
相较于现有技术，本发明实施例中所述混合动力电源***中的每个锂离子电池单体或单体并联组成的锂离子电池单元分别通过各自的燃料电池单元对其进行充电管理，从而无需解决锂离子电池单元间的充放电一致性，且提高了串联的锂离子单元向负载供电的电量有效利用率。相应地，用于充放电控制的电池管理单元不再需要额外的电路来调节串联的锂离子电池单元间的充放电不一致性，降低了电池管理单元的复杂度，从而降低了电池管理***的成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的混合动力电源***结构示意框图。
图2为本发明实施例提供的混合动力电源***连接方式示意图。
图3为本发明实施例提供的混合动力电源***中的单个电源模块的结构示意框图。
图4为燃料电池以及锂离子电池放电特性曲线示意图。
图5为本发明实施例提供的混合动力电源***中电源模块自适应供电电压-电流曲线图，其中该电源模块供电电流小于燃料电池单元最大输出电流。
图6为本发明实施例提供的混合动力电源***中电源模块自适应供电电压-电流曲线图，其中该电源模块供电电流大于燃料电池单元最大输出电流。
图7为本发明实施例提供的混合动力电源***自适应充电以及供电过程电压-电流曲线图。
图8为本发明实施例提供的混合动力电源***中的电池管理单元功能框图。
主要元件符号说明
电源模块 10
混合动力电源*** 100
燃料电池单元 12
燃料电池单体 120
燃料电池电堆 13
锂离子电池单元 14
锂离子电池单体 140
电池管理单元 16
变换器 102
负载 104
过充保护电路 160
过放保护电路 162
检测电路 164
控制电路 166
防反充电路 168
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例的混合动力电源***。
请参阅图1，本发明实施例提供一种混合动力电源***100，包括多个相互串联的电源模块10，每一该电源模块10包括一燃料电池单元12以及一锂离子电池单元14，该燃料电池单元12包括两个以上相互串联的燃料电池单体120，该锂离子电池单元14包括一个或多个相互并联的锂离子电池单体140。在该电源模块10中，该燃料电池单元12与该锂离子电池单元14并联连接，用于直接给该锂离子电池单元14中的锂离子电池单体140充电。该每一电源模块10进一步包括与燃料电池单元12以及锂离子电池单元14串联的开关元件（图未示），用于控制该燃料电池单元12对该锂离子电池单元14的充电。
所述相互串联的电源模块10具体指的是：该各个电源模块10的燃料电池单元12之间相互串联；且所述锂离子电池单元14之间相互串联。所述燃料电池单元12之间可共用所需的燃料以及氧化剂，如共用氢气或甲醇等燃料，以及共用作为氧化剂的空气等，从而可以同时管理该相互串联的多个燃料电池单元12。所述多个相互串联的燃料电池单元12与多个相互串联的锂离子电池单元14可同时提供电力或单独提供电力给负载104。
请同时参阅图2，图2为本发明实施例提供的混合动力电源***100的一种连接结构示意图。其中，多个所述燃料电池单元12可进行多片串联叠加构成一燃料电池电堆13，该燃料电池电堆13的每个燃料电池单元12均引出正负极与所述锂离子电池单元14并联连接构成电源模块10。该每一电源模块10可进一步包括与燃料电池单元12以及锂离子电池单元14串联的开关元件（图未示），用于控制该燃料电池单元12对该锂离子电池单元14的充电。该燃料电池电堆中的各个所述燃料电池单元12之间共用燃料（如氢气）、氧化剂（如空气）以及冷却剂等。
本发明实施例将具体对每一电源模块10进行介绍。请参阅图3，所述燃料电池单元12与所述锂离子电池单元14并联连接。可直接通过该燃料电池单元12对所述锂离子电池单元14进行充电，同时，该燃料电池单元12和所述锂离子电池单元14可一起或择一向负载提供电力。该燃料电池单元12的开路电压可为所述锂离子电池单元14的充电截止电压的1倍至4倍。优选地，该燃料电池单元12的开路电压为锂离子电池单元14充电截止电压的1倍至2倍。为避免使锂离子电池单元14的充电电流过大，降低锂离子电池单元14的使用寿命，可使所述燃料电池单元12的短路电流小于或等于锂离子电池单元14的最大充电电流。所述短路电流是指将该燃料电池单元12的输出端短路时，流过该燃料电池单元12的电流。该燃料电池单体120可选用现有常用的燃料电池，如碱性燃料电池、固态氧化物燃料电池以及质子交换膜燃料电池等。该燃料电池单体120的数量可根据所述锂离子电池单元14的充电截止电压来决定，只需确保所述燃料电池单元12中所述燃料电池单体120的串联电压大于该锂离子电池单元14的充电截止电压。本发明实施例中每个所述燃料电池单元12包括5个开路电压为1V的燃料电池单体120；每个所述锂离子电池单元14包括3个并联的锂离子电池单体140。该混合动力电源***100共包括80个相互串联的燃料电池单元12，以及80个相互串联的锂离子电池单元14。
该锂离子电池单元14包括一个或多个相互并联的锂离子电池单体140，这样能够保证每个锂离子电池单体140都不会发生过充电。且当多个电源模块10串联时，每个电源模块10中的锂离子电池单元14都是独立的，其容量的差异、电压的差异都不会对电源***的输出造成影响。因此，在该混合动力电源***100中，无需对任意两个或多个锂离子电池单元14之间进行均衡管理，其充电管理只由与其并联的燃料电池单元12完成。这样的方式避免了多个锂离子电池串联时的均衡管理难题，解决了锂离子电池过充、过放引起安全性问题。所述锂离子电池单元14中的锂离子电池单体140可选用现有的锂离子电池，如磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池或锰酸钴锂电池等。根据选用的锂离子电池种类的不同，每个所述锂离子电池单体140的工作电压范围也不同，如当该锂离子电池单体140为磷酸铁锂电池时，其工作电压的范围为2.5V~3.6V，而当该锂离子电池单体140为锰酸锂电池时，其工作电压的范围为3V~4V。当所述燃料电池单元12向所述锂离子电池单元14充电时，所述锂离子电池单元14有一充电截止电压，当所述锂离子电池单元14向外放电（如给负载104供电）时，所述锂离子电池单元14有一放电截止电压。本发明实施例中，所述锂离子电池单体140为钴酸锂电池，该钴酸锂电池的充电截止电压为4.2V，放电截止电压为3.2V，放电容量为3Ah。
本发明实施例在每一电源模块10中，通过燃料电池单元12与所述锂离子电池单元14并联，能够充分利用燃料电池和锂离子电池的本身的特性对外自适应供电以及燃料电池单元12对锂离子电池单元14的自适应充电。请参阅图4，图4为锂离子电池以及燃料电池本身的放电曲线。对于燃料电池特性曲线而言，电流随着电压的降低而逐渐增大。锂离子电池的特性曲线中，锂离子电池在恒定电流条件下工作，电池电压随着时间变化而降低，直至锂离子电池中储存的电能即将消耗殆尽时，电池电压迅速降低。随着锂离子电池放电电流的增大，电池放电容量和放电电压有一定程度降低。
请参阅图5，图5为当对外（如负载）供电电流低于燃料电池单元12最大输出电流时，所述电源模块10对外自适应供电的过程。燃料电池单元12与锂离子电池单元14并联后对外持续恒流（输出电流为I0）供电。放电初期，燃料电池单元12和锂离子电池单元14并联的电压较高，锂离子电池单元14作为主要的电源对外输出。从图4的锂离子电池特性曲线中可以看到，随着锂离子电池放电深度的加大，锂离子电池电压随之降低。而燃料电池与锂离子电池是并联供电，电压是相同的。从图4的燃料电池特性曲线可以看到，随着燃料电池电压的下降，燃料电池输出电流逐渐增大。所以，在图5中，随着放电时间的延长，锂离子电池单元14输出电流逐渐减小，燃料电池单元12输出电流逐渐增大。最后，当燃料电池单元12和锂离子电池单元14的电压降至U0时，锂离子电池单元电流减小为0，燃料电池单元输出电流增大到I0，与输出电流相同，表明此时是燃料电池单元12对外输出，锂离子电池单元14不再对外输出。在此时间点t0之后，燃料电池单元12和锂离子电池单元14的电压保持恒定U0。如果仅由锂离子电池单元14进行供电，锂离子电池单元14电压曲线将会如图5中的U-t曲线虚线所示，放电到一定程度即终止。
请参阅图6，图6为输出电流I0高于燃料电池单元12最大输出电流时，所述电源模块10对外自适应供电的过程。与图5中所示情况相似，随着放电深度增加，燃料电池单元12与锂离子电池单元14的电压逐渐下降，燃料电池单元12的电流逐渐增大，锂离子电池单元14电流逐渐减小。当燃料电池单元12的电流增大到接近极限电流时，电流增大幅度很小，此后，随着锂离子电池单元14放电深入，不足以维持输出电流时，输出电流开始下降。此时，需要停止该电源模块10对外输出，避免锂离子电池单元14过放电。在这个过程中，由于有燃料电池单元12的耦合供电，能大大延长该电源模块10对外供电时间。
请参阅图7，图7为所述电源模块10自适应向外供电时的输出电流变化过程，以及所述燃料电池单元12对锂离子电池单元14的自适应充电过程。从图7中可以看到，在时间0到t1之间，输出电流为I1，随着放电的进行，该电源模块10的电压由U0下降到U1，其中，该锂离子电池单元14输出电流减小，燃料电池单元12的输出电流增大，与图6、图6中趋势相同；在时间t1到t2之间，该电源模块10切断对外输出，输出电流降到0A，此时，燃料电池单元12可继续工作，为锂离子电池单元14充电，该燃料电池单元12和锂离子电池单元14的电压由U1逐渐升高到U2，随着电压的升高，根据图4中所示的燃料电池特性曲线，燃料电池单元12的输出电流（即锂离子电池单元14的充电电流）逐步减小；到时间t2时，该电源模块10继续对外输出，燃料电池单元12和锂离子电池单元14的电压由U2下降到U3，到时间t3时，该电源模块10的输出电流由I1减小为I2，此时，电压U3对应的燃料电池单元12的输出电流足够大，除了满足电源模块10的输出电流I2之外，还可对锂离子电池单元14进行充电，使得锂离子电池单元14的电压从U3升高到U4；下一个阶段，继续对外放电。
从上述图5至图7所示过程可以看出，由该燃料电池单元12和锂离子电池单元14并联组成的电源模块10在对外输出时，该燃料电池单元12和锂离子电池单元14之间可以自适应的调节对外供电的电流。同时，由于该燃料电池单元12以及锂离子电池单元14并联连接，电压同时降低或增大，因此，当锂离子电池单元14的电压下降到需要充电时，燃料电池单元12由于电压下降从而电流增大来为该锂离子电池单元14来充电。
此外，请参阅图3，所述电源模块10可进一步包括一电池管理单元16，该电池管理单元16可同时控制所述燃料电池单元12向所述锂离子电池单元14的充电，以及该锂离子电池单元14的放电和燃料电池单元12的放电以及燃料、氧化剂的补给等。具体地，请参阅图8，该电池管理单元16可包括：一过充保护电路160，用于防止所述燃料电池单元12对所述锂离子电池单元14过充电；一过放保护电路162，用于防止所述燃料电池单元12以及锂离子电池单元14的过放电；一检测电路164，用于检测所述锂离子电池单元14以及燃料电池单元12的电压、温度等信息；以及一控制电路166，该控制电路166可根据所述检测电路164检测到的数据，对该燃料电池单元12的放电以及锂离子电池单元14的充放电进行控制。具体地，该控制电路166可预设有所述锂离子电池单元14的充电截止电压以及放电截止电压等信息，并将所述检测电路164检测到的锂离子电池单元14的工作电压与所述充电截止电压以及所述放电截止电压相比较，进而确定所述燃料电池单元12是否需要对该锂离子电池单元14进行充电，以及何时需要对该锂离子电池单元14进行过充或过放电保护。该控制电路166可根据所述检测电路检测到的燃料电池单元12以及锂离子电池单元14的温度、电流等信息来避免该电源模块10由于过热等造成的安全隐患。此外，还可通过所述检测电路164检测到的所述燃料电池单元12的工作电压大小来控制所述燃料和氧化剂的供给，检测所述燃料电池单元12的温度来控制冷却剂的循环等。可以理解，该控制电路166还可具有其他功能以使该电源模块10更好以及安全的工作。
该电池管理单元16可进一步包括一防反充电路168，当该燃料电池单元12不工作时，其电压可能会小于所述锂离子单元14的电压，此时，该防反充电路168可避免所述锂离子电池单元14向所述燃料电池单元12充电，如该防反充电路168可用一二极管来实现。
对于多个电源模块10串联组成的所述混合动力电源***100而言，所述电池管理单元16可为多个单独的电路，分别连接于每个所述电源模块10中。也可为一个多工器，该多工器包括多个独立的电路，其中每一该电路单独控制每个所述电源模块10。由于每个电源模块10中的燃料电池单元12可对所述锂离子电池单元14自适应充电，因此，该电池管理单元16不需要在该混合动力电源***100中设计对各个串联的所述锂离子电池单元14之间的充放电不一致进行调节的调节电路等。从而可大大简化该电池管理单元16电路的设计。
需要说明的是，就充电而言，本发明实施例所述电池管理单元16只实现检测电压、温度等数据以及通过检测的该数据来控制所述燃料电池单元12对所述锂离子电池单元14的充电。该电池管理单元16的增加并不影响所述燃料电池单元12对该锂离子电池单元14的所述自适应充电过程。
请参阅图1，该混合动力电源***100可进一步包括一变换器102，该变换器102与所述相互串联的多个电源模块10并联电连接，通过该变换器102可将所述混合动力电源***100的输出电压转换成实际需要应用的电压提供给负载104。该变换器102可为直流-直流变换器或直流-交流变换器等。
在实际应用中，可将该混合动力电源***100通过所述变换器102与所述负载104电连接。该混合动力电源***100输出的总电压为所述电源模块10的输出电压之和。具体地，该混合动力电源***100中的燃料电池单元12相互串联给该负载供电，以及所述锂离子电池单元14相互串联给该负载104供电。
本发明实施例中该混合动力电源***100应用于汽车，当汽车在平稳运行过程中，主要由该多个相互串联的燃料电池单元12提供动力；当汽车在加速行驶或爬坡等需要加大功率的过程中，所述相互串联的燃料电池单元12以及相互串联的锂离子电池单元14同时提供动力。当汽车下坡、制动或减速过程中，所述燃料电池单元12可对该锂离子电池单元14充电；此外，当所述相互串联的燃料电池单元12停止向外提供能量时，如燃料耗尽或其它故障，所述相互串联的锂离子电池单元14向外提供动力。
本发明实施例中所述混合动力电源***中的每个锂离子电池单元分别通过各自的燃料电池单元对其进行充电管理，从而无需解决锂离子电池单体间的充放电一致性，且提高了串联的锂离子单体向负载供电的电量有效利用率。相应地，用于充放电控制的电池管理单元不再需要额外的电路来调节串联的锂离子单元间的充放电不一致性，降低了电池管理单元设计的复杂度，从而降低了电池管理单元的成本。由于该锂离子电池单元可包括多个锂离子电池单体之间并联连接，因此，一方面可提高该锂离子电池单元的输出电流，另一方面，当其中某一锂离子电池单体发生故障时，其它锂离子电池单体仍然可以保证该锂离子电池单元正常工作，提高了该混合动力电源***的可靠性。此外，由于燃料电池以及锂离子电池本身相似的放电特性，所述燃料电池单元可根据锂离子电池放电量的大小自适应地为其充电，一方面提高了充电速率，另一方面避免了所述电池管理单元设计单独的控制电路来动态管理锂离子单体的充电。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (15)

1.一种混合动力电源***，其特征在于，包括多个相互串联的电源模块，每一该电源模块包括一燃料电池单元以及一锂离子电池单元，该燃料电池单元包括两个以上相互串联的燃料电池单体，该锂离子电池单元包括一个或多个相互并联的锂离子电池单体，在每一电源模块中，该燃料电池单元与该锂离子电池单元并联连接，用于给该锂离子电池单元充电。
2.如权利要求1所述的混合动力电源***，其特征在于，所述多个相互串联的电源模块中，所述燃料电池单元之间相互串联，所述锂离子电池单元之间相互串联。
3.如权利要求1所述的混合动力电源***，其特征在于，所述多个串联的燃料电池单元之间共用燃料、氧化剂以及冷却剂。
4.如权利要求1所述的混合动力电源***，其特征在于，所述锂离子电池单体为磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池或锰酸钴锂电池。
5.如权利要求1所述的混合动力电源***，其特征在于，所述燃料电池单体为碱性燃料电池、固态氧化物燃料电池或质子交换膜燃料电池。
6.如权利要求1所述的混合动力电源***，其特征在于，所述电源模块中，所述燃料电池单元的开路电压为所述锂离子电池单体的充电截止电压的1倍至4倍。
7.如权利要求6所述的混合动力电源***，其特征在于，所述电源模块中，所述燃料电池单元的开路电压为所述锂离子电池单体的充电截止电压的1倍至2倍。
8.如权利要求1所述的混合动力电源***，其特征在于，所述电源模块中，所述燃料电池单元的短路电流小于或等于所述锂离子电池单体的最大充电电流。
9.如权利要求1所述的混合动力电源***，其特征在于，所述每一该电源模块进一步包括一电池管理单元，该电池管理单元分别与所述燃料电池单元以及锂离子单体电连接。
10.如权利要求9所述的混合动力电源***，其特征在于，所述锂离子单体具有一充电截止电压以及一放电截止电压，所述电池管理单元包括：
用于检测所述燃料电池单元以及锂离子电池单体工作电压、电流以及温度的检测电路；
用于将所述检测电路检测到的锂离子电池单体的工作电压与该锂离子单体的充电截止电压以及放电截止电压进行比较的控制电路；
用于防止所述燃料电池单元对所述锂离子电池单体过充电的过充保护电路；以及
用于防止所述燃料电池单元以及锂离子单体过放电的过放保护电路。
11.如权利要求9所述的混合动力电源***，其特征在于，所述电池管理***进一步包括一防反充电路以防止所述锂离子电池单体向所述燃料电池单元充电。
12.如权利要求1所述的混合动力电源***，其特征在于，进一步包括一变换器，该变换器与所述相互串联的多个电源模块并联连接。
13.如权利要求12所述的混合动力电源***，其特征在于，所述变换器为直流-直流变换器或直流-交流变换器。
14.一种混合动力电源***，包括：
多个相互串联的燃料电池单元构成一燃料电池电堆；
多个相互串联的锂离子电池单元，上述燃料电池电堆中的每个燃料电池单元均引出正负极与一个所述锂离子电池单元并联连接构成一电源模块；
多个电池管理单元分别对应多个电源模块，每个电源模块内的电池管理单元分别与所述燃料电池单元以及锂离子单体电连接。
15.如权利要求14所述的混合动力电源***，其特征在于，所述锂离子电池单元包括多个相互并联的锂离子电池单体。
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