CN104015629A - 一种负载隔离式电电集成动力*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于动力技术领域,涉及一种负载隔离式电电集成动力***,燃料电池控制器的一端与动力***中央控制器电连接,另一端与燃料电池电连接;第一调整开关和第二调整开关串联后与串联的第三调整开关和第四调整开关并联构成调整开关组;主DC/DC分别与燃料电池、主DC/DC控制器和调整开关组电连接;调整开关组分别与第一储能电池组、第二储能电池组和电能输出控制装置电连接,第一电池组与第一电池组管理***连接,第二电池组与第二电池组管理***连接,第一储能电池组和第二储能电池组分别与动力***中央控制器电连接;其结构简单,操作方便,使用安全,能量回收利用效率高,反应性和稳定性好,环境友好。
Description
技术领域:
本发明属于动力技术领域,涉及一种电-电驱动动力***,特别是一种负载隔离式电电集成动力***,将燃料电池能量输出与负载动力需求隔离开来,以负载需求的总能量而不以最大的动力需求匹配确定燃料电池的需求容量及其最佳稳态工况。
背景技术:
随着人们对能源危机和环保问题认识的深入,燃料电池因其高效率、模块化、高可靠性、燃料来源多样性和环境友好等优点引起了人们的普遍关注。世界各大汽车生产厂商一致看好燃料电池在汽车工业中的应用前景,其中的PEMFC(质子交换膜燃料电池)已成为现今燃料电池汽车动力的主要发展方向。在航空航天特别是无人飞行器领域,以及分散电站、移动电子设备电源、家庭电源、潜艇以及水下机器人不依赖空气推进电源等方面,燃料电池也有非常广泛应用前景。燃料电池动力***按照驱动型式主要可分为:纯燃料电池(FC)、燃料电池和辅助蓄电池联合驱动(FC+B),燃料电池和超级电容联合驱动(FC+C),燃料电池加辅助电池加超级电容联合驱动(FC+B+C)四种结构,纯燃料电池(FC)驱动动力***只有燃料电池一个动力源,所有功率负荷都由燃料电池承担,这对燃料电池的功率需求比较大,降低了***质量,改善超载能力,控制方便,然而其要求燃料电池的功率大,成本增加,不能进行制动能量回收,对燃料电池***的动态性能和可靠性能提出了更高要求,动力***的冷启动时间很长;燃料电池+蓄电池混合驱动(FC+B)型式的燃料电池动力***是在纯燃料电池驱动模式基础上增加了一组蓄电池和一个直流/直流变换器,燃料电池输出的功率经过转换和控制直接输入到电机,当需求功率过大时,蓄电池起辅助作用;同时,蓄电池可以回收部分制动能,所有工况下蓄电池的工作均由电池管理***统一管理,降低对燃料电池的功率和动态特性的要求,降低燃料电池成本,启动方便且可靠性高;但是其增加了驱动***的重量和体积,结构较复杂,增加了电池的维护和更换费用;燃料电池和超级电容联合驱动(FC+C)***是在燃料电池的基础上增加一超级电容,这种结构的一个明显特点就是用超级电容代替了蓄电池,完全摒弃了寿命短、成本高、使用要求复杂的电池,降低***一对燃料电池的功率和动态特性的要求,降低燃料电池成本,超级电容的瞬时功率较大,动力***启动轻松,然而其增加了驱动***的结构复杂性,电池的维护和更换费用高,控制电容的充放电电流,提高其放电时间等一些控制问题有待进一步研究;燃料电池加辅助电池加超级电容联合驱动(FC+B+C)动力***是在FC+B的基础上,在电压总线上再并联一组超级电容,它可以提供加速所需的尖峰电流或吸收紧急制动的尖峰电流。超级电容的功率密度大,充放电效率高,接受快速大电流充电能力强,能够保护蓄电池组防止过充,增加一组蓄电池和一组超级电容的燃料电池混合动力***是目前比较理想的一种燃料电池驱动动力情况。然而这种结构的模型过于复杂,这对***的控制和参数的匹配提出了一定的挑战性。中国专利201210038662.9公开了“一种燃料电池-锂离子电池混合动力***”,该混合动力***包括燃料电池子***、锂电池子***、充电控制子***、智能混合电源管理***、电机及电机控制***。混合动力***中以燃料电池为主要工作电源,锂离子电池组为辅助电源,这种动力***方式通过其复杂的智能混合电源管理***在一定程度上延长了燃料电池的使用寿命,但因其没有将燃料电池能量输出与负载动力需求隔离开来,燃料电池的反应性与稳定性不可兼得的矛盾仍没有得以彻底解决。
发明内容:
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点,寻求设计提供一种一种负载隔离式电电集成动力***,将能量与动力概念区别开来,将燃料电池能量输出与负载动力需求隔离开来,即燃料电池与负载***工作隔离,燃料电池工作不受负载影响。
为了实现上述目的,本发明的主体结构包括动力***中央控制器、燃料电池控制器、燃料电池、主DC/DC、第一电池组管理***、第二电池组管理***、第一储能电池组、第二储能电池组、第一调整开关、第二调整开关、第三调整开关、第四调整开关、电能输出控制装置和主DC/DC控制器;燃料电池控制器的一端与动力***中央控制器电连接,另一端与燃料电池电连接;第一调整开关和第二调整开关串联后与串联的第三调整开关和第四调整开关并联构成调整开关组;主DC/DC分别与燃料电池、主DC/DC控制器和调整开关组电连接;调整开关组分别与第一储能电池组、第二储能电池组和电能输出控制装置电连接,第一电池组与第一电池组管理***连接,第二电池组与第二电池组管理***连接,第一储能电池组和第二储能电池组分别与动力***中央控制器电连接;燃料电池控制器具有保护反应堆和蓄电池功能,在多变的环境下保持燃料电池的高度可靠性和稳定性,燃料电池输出的电能通过燃料电池控制器接收第一电池组管理***和第二电池组管理***输出的指令指示动力***中央控制器,动力***中央控制器通过调节调整开关组根据实际情况完成第一储能电池组和第二储能电池组的电能储存,第一储能电池组和第二储能电池组中的电能经动力***中央控制器输出的指令指示,通过调整开关组根据实际情况由电能输出控制装置输出,接负载满足相应工作需求;主DC/DC通过主DC/DC控制器和动力***中央控制器1实现对燃料电池控制器输出电压的调整。
本发明所述燃料电池仅有两种状态,即于最佳经济工作点工作状态和停止状态,由动力***中央控制器根据负载隔离式电电集成动力***中负载情况及第一电池组管理***、第二电池组管理***和电能输出控制装置进行控制,实现***中动力输出与负载***工作隔离,燃料电池工作不受负载影响,解决燃料电池动力***的反应性与稳定性不可兼得的矛盾。
本发明所述动力***中央控制器控制第一储能电池组和第二储能电池组能量储存的转换过程,当动力***中央控制器接收到第一电池组管理***发出的第一储能电池组需要储能指令时,动力***中央控制器关闭第一调整开关,对第一储能电池组进行储能;当动力***中央控制器接收到第二电池组管理***发出的第二储能电池组需要储能指令时,动力***中央控制器关闭第三调整开关,对第二储能电池组进行储能;动力***中央控制器同时接收到第一电池组管理***和第二电池组管理***分别发出的第一储能电池组和第二储能电池组储能指令时,动力***中央控制器同时关闭第一调整开关和第三调整开关,对第一储能电池组和第二储能电池组同时进行储能;动力***中央控制器没有接收到第一电池组管理***和发出第二电池组管理***的第一储能电池组和第二储能电池组需要储能指令,动力***中央控制器发出指令,燃料电池停止工作。
本发明所述动力***中央控制器与电能输出控制装置控制第一储能电池组和第二储能电池组能量的输出过程,动力***中央控制器与电能输出控制装置根据负载需求情况,根据第一储能电池组和第二储能电池组电量储存情况进行电量的输出,具体实现情况如下所述:当第一电池组管理***接到电能输出信号时,指示动力***中央控制器发出指令,关闭第二调整开关实现第一储能电池组输出电能;当第二电池组管理***接到电能输出信号时,指示动力***中央控制器发出指令,关闭第四调整开关实现第二储能电池组输出电能;第一电池组管理***和第二电池组管理***同时接到电能输出信号,指示动力***中央控制器发出指令,同时关闭第二调整开关和第四调整开关实现第一储能电池组和第二储能电池组并联输出电能。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:一是将能量与动力概念区别开来,以负载需要的总能量而不以最大的动力需求匹配确定燃料电池容量及其最佳经济工作点;二是燃料发动机与负载***工作隔离,燃料电池工作不受负载影响,解决了燃料电池动力***的反应性与稳定性不可兼得的矛盾;三是由动力输出模块匹配适应负载动力需求,并有效回收再生制动能量,大幅度减小匹配的燃料电池的容量需求;四是动力电池容量以负载最大的动力需求匹配确定,兼顾一个电池组充电时间及行驶里程需要,大幅度减小动力电池容量需求;五是车载动力源可以实现浅充浅放,大幅度提高电池寿命;六是通过两组或多组储能电池组的合理切换,实现电池组电能输出不中断条件下的过充保护、过放保护和温度保护等功能,有效解决单一储能电池组由于过充、过放、温度等保护功能而必须切断电能输出,严重影响行车安全的问题;七是通过对两组或多组电池组进行隔离切换控制,可以有效提高电池组状态参数的估算精度,具体讲,通过两组或多组电池的合理切换,在不影响动力输出的条件下,通过单独或同时隔离电能的输入、输出,减少或消除外部因素对电池的影响,提高相关变量的测量精度,从而明显提高电池组状态参数的估算精度,使得电池组BMS***的管理和控制策略更为合理、高效;其结构简单,操作方便,使用安全,能量回收利用效率高,反应性和稳定性好,环境友好。
附图说明:
图1为本发明的主体结构原理示意图。
具体实施方式:
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例:
本实施例的主体结构包括动力***中央控制器1、燃料电池控制器2、燃料电池3、主DC/DC4、第一电池组管理***51、第二电池组管理***52、第一储能电池组61、第二储能电池组62、第一调整开关71、第二调整开关72、第三调整开关73、第四调整开关74、电能输出控制装置8和主DC/DC控制器9;燃料电池控制器2的一端与动力***中央控制器1电连接,另一端与燃料电池3电连接;第一调整开关71和第二调整开关72串联后与串联的第三调整开关73和第四调整开关74并联构成调整开关组;主DC/DC4分别与燃料电池3、主DC/DC控制器9和调整开关组电连接;调整开关组分别与第一储能电池组61、第二储能电池组62和电能输出控制装置8电连接,第一电池组61与第一电池组管理***51连接,第二电池组62与第二电池组管理***52连接,第一储能电池组61和第二储能电池组62分别与动力***中央控制器1电连接;燃料电池控制器2具有保护反应堆和蓄电池功能,在多变的环境下保持燃料电池3的高度可靠性和稳定性,燃料电池3输出的电能通过燃料电池控制器2接收第一电池组管理***51和第二电池组管理***52输出的指令指示动力***中央控制器1,动力***中央控制器1通过调节调整开关组根据实际情况完成第一储能电池组61和第二储能电池组62的电能储存,第一储能电池组61和第二储能电池组62中的电能经动力***中央控制器1输出的指令指示,通过调整开关组7根据实际情况由电能输出控制装置8输出,接负载满足相应工作需求;主DC/DC4通过主DC/DC控制器9和动力***中央控制器1实现对燃料电池控制器2输出电压的调整。
本实施例所述燃料电池3仅有两种状态,即于最佳经济工作点工作状态和停止状态,由动力***中央控制器1根据负载隔离式电电集成动力***中负载情况及第一电池组管理***51、第二电池组管理***52和电能输出控制装置8进行控制,实现***中动力输出与负载***工作隔离,燃料电池工作不受负载影响,解决燃料电池动力***的反应性与稳定性不可兼得的矛盾。
本实施例所述动力***中央控制器1控制第一储能电池组61和第二储能电池组62能量储存的转换过程,当动力***中央控制器1接收到第一电池组管理***51发出的第一储能电池组61需要储能指令时,动力***中央控制器1关闭第一调整开关71,对第一储能电池组61进行储能;当动力***中央控制器1接收到第二电池组管理***52发出的第二储能电池组62需要储能指令时,动力***中央控制器1关闭第三调整开关73,对第二储能电池组62进行储能;动力***中央控制器1同时接收到第一电池组管理***51和第二电池组管理***52分别发出的第一储能电池组61和第二储能电池组62储能指令时,动力***中央控制器1同时关闭第一调整开关71和第三调整开关73,对第一储能电池组61和第二储能电池组62同时进行储能;动力***中央控制器1没有接收到第一电池组管理***51和发出第二电池组管理***52的第一储能电池组61和第二储能电池组62需要储能指令,动力***中央控制器1发出指令,燃料电池3停止工作。
本实施例所述动力***中央控制器1与电能输出控制装置8控制第一储能电池组61和第二储能电池组62能量的输出过程,动力***中央控制器1与电能输出控制装置8根据负载需求情况,根据第一储能电池组61和第二储能电池组62电量储存情况进行电量的输出,具体实现情况如下所述:当第一电池组管理***51接到电能输出信号时,指示动力***中央控制器1发出指令,关闭第二调整开关72实现第一储能电池组61输出电能;当第二电池组管理***52接到电能输出信号时,指示动力***中央控制器1发出指令,关闭第四调整开关74实现第二储能电池组62输出电能;第一电池组管理***51和第二电池组管理***52同时接到电能输出信号,指示动力***中央控制器1发出指令,同时关闭第二调整开关72和第四调整开关74实现第一储能电池组61和第二储能电池组62并联输出电能。
Claims (3)
1.一种负载隔离式电电集成动力***,其特征在于主体结构包括动力***中央控制器、燃料电池控制器、燃料电池、主DC/DC、第一电池组管理***、第二电池组管理***、第一储能电池组、第二储能电池组、第一调整开关、第二调整开关、第三调整开关、第四调整开关、电能输出控制装置和主DC/DC控制器;燃料电池控制器的一端与动力***中央控制器电连接,另一端与燃料电池电连接;第一调整开关和第二调整开关串联后与串联的第三调整开关和第四调整开关并联构成调整开关组;主DC/DC分别与燃料电池、主DC/DC控制器和调整开关组电连接;调整开关组分别与第一储能电池组、第二储能电池组和电能输出控制装置电连接,第一电池组与第一电池组管理***连接,第二电池组与第二电池组管理***连接,第一储能电池组和第二储能电池组分别与动力***中央控制器电连接;燃料电池控制器具有保护反应堆和蓄电池功能,保持燃料电池的可靠性和稳定性,燃料电池输出的电能通过燃料电池控制器接收第一电池组管理***和第二电池组管理***输出的指令指示动力***中央控制器,动力***中央控制器通过调节调整开关组根据实际情况完成第一储能电池组和第二储能电池组的电能储存,第一储能电池组和第二储能电池组中的电能经动力***中央控制器输出的指令指示,通过调整开关组根据实际情况由电能输出控制装置输出,接负载满足相应工作需求;主DC/DC通过主DC/DC控制器和动力***中央控制器1实现对燃料电池控制器输出电压的调整。
2.根据权利要求1所述负载隔离式电电集成动力***,其特征在于所述动力***中央控制器控制第一储能电池组和第二储能电池组能量储存的转换过程,当动力***中央控制器接收到第一电池组管理***发出的第一储能电池组需要储能指令时,动力***中央控制器关闭第一调整开关,对第一储能电池组进行储能;当动力***中央控制器接收到第二电池组管理***发出的第二储能电池组需要储能指令时,动力***中央控制器关闭第三调整开关,对第二储能电池组进行储能;动力***中央控制器同时接收到第一电池组管理***和第二电池组管理***分别发出的第一储能电池组和第二储能电池组储能指令时,动力***中央控制器同时关闭第一调整开关和第三调整开关,对第一储能电池组和第二储能电池组同时进行储能;动力***中央控制器没有接收到第一电池组管理***和发出第二电池组管理***的第一储能电池组和第二储能电池组需要储能指令,动力***中央控制器发出指令,燃料电池停止工作。
3.根据权利要求1所述负载隔离式电电集成动力***,其特征在于所述动力***中央控制器与电能输出控制装置控制第一储能电池组和第二储能电池组能量的输出过程,动力***中央控制器与电能输出控制装置根据负载需求情况,根据第一储能电池组和第二储能电池组电量储存情况进行电量的输出,具体实现情况如下所述:当第一电池组管理***接到电能输出信号时,指示动力***中央控制器发出指令,关闭第二调整开关实现第一储能电池组输出电能;当第二电池组管理***接到电能输出信号时,指示动力***中央控制器发出指令,关闭第四调整开关实现第二储能电池组输出电能;第一电池组管理***和第二电池组管理***同时接到电能输出信号,指示动力***中央控制器发出指令,同时关闭第二调整开关和第四调整开关实现第一储能电池组和第二储能电池组并联输出电能。
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