专利名称：燃料电池汽车混合动力装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种燃料电池汽车混合动力装置，属于燃料电池汽车动力装置开发领域。
背景技术：
燃料电池汽车是一种新能源汽车，由于它与传统的内燃机车辆相比较，具有节能、环保、和运行安静等优良工作性能，因而成为当前新一代汽车研发技术中的热点。国家“十五”863电动汽车的重大专项中专门成立了燃料电池轿车和燃料电池城市客车的子项目，燃料电池汽车的研发已经成为推动我国汽车工业实现跨越式发展的重大举措。燃料电池混合动力装置的集成技术是燃料电池汽车研发技术领域内的关键技术之一。
燃料电池汽车的动力装置是燃料电池汽车区别于其它类型车辆(内燃机汽车、蓄电池电动汽车以及油-电混合动力汽车)的最主要标志。一般来说，燃料电池汽车的动力装置主要由燃料电池装置(包括燃料电池电堆、燃料电池辅助设备以及燃料电池控制器等)、蓄电池(或超级电容)、电机和电机控制器以及电力电子装置(如DC/DC变换器、DC/AC变换器等)组成。它使用高效(工作效率可达40％以上)、清洁(排放物为洁净的水)的燃料电池发动机替代了效率较低且工作时会产生污染物排放的内燃发动机，并辅助以可以充放电的辅助储能装置—蓄电池(或超级电容，等)，弥补了燃料电池发动机峰值功率输出能力差、动态响应慢以及不能回收制动能量等缺陷。因此，这样的燃料电池混合动力装置被广泛认为是未来汽车的理想的动力装置型式之一。
当前，在燃料电池汽车研发中，较为常用的燃料电池混合动力装置结构如图1所示燃料电池之后连接单向升压型的DC/DC变换器，而后与电机控制器相连接，通过电机控制器驱动电机工作；燃料电池辅助设备以及动力装置的24V用电电源的供电从单向DC/DC变换器的出口提供；在升压型DC/DC变换器与电机控制器相连接的直流母线上，并接蓄电池组(或超级电容)，可以直接并接，也可以通过一个双向DC/DC变换器与直流母线并接。对于这种常用的混合动力装置，在装置起动之前，由于燃料电池装置没有开始工作，所以，由蓄电池组来直接为燃料电池辅助装置和24V电源供电，当燃料电池装置被起动以后，整个动力装置开始正常工作。这是现在最常用的一种燃料电池混合动力装置集成的结构方式，在这样的动力装置结构中，为了能够在装置启动时起动燃料电池装置，就必须从燃料电池装置后的单向升压型DC/DC变换器出口的直流母线上向燃料电池辅助设备引取电力，为燃料电池辅助设备提供电源，这样就可以使得在动力装置起动的时候，由蓄电池组(或超级电容)为燃料电池辅助装置供电来启动燃料电池装置。
在燃料电池开始工作之后，看起来，燃料电池辅助装置的电力供应似乎仍然可以是由蓄电池组来提供的，但实际上，燃料电池辅助装置的电力供应实际上是由燃料电池装置自己承担的，因为在燃料电池汽车运行的整个过程中，正常情况下，蓄电池组是不额外进行充电的，蓄电池组的能量补充同它的能量释放一样，都是在车辆动力装置的工作过程中完成的，蓄电池的电能储存都是来源于燃料电池的。这就是说，从长期运行过程来看，燃料电池汽车的混合动力装置的所有动力归根究底都是由燃料电池装置提供的，而蓄电池组(或超级电容)则可视为一个能量“缓存”。这样一来，上述的动力装置结构方式就存在下面的问题燃料电池辅助设备所需的电力实际上是从燃料电池装置(燃料电池电堆)流出，经过了单向升压型DC/DC变换器之后，再流回到了燃料电池装置(燃料电池辅助设备)。一方面，这一能量流在经过DC/DC变换器会损失掉一部分能量(例如一台100kW的燃料电池，其辅助设备所需功率通常10～20kW之间，DC/DC变换器的效率一般在96％左右，那么这样的装置中，仅在燃料电池辅助设备的供电方面就会损失掉800W的功率)；另一方面由于单向升压型DC/DC变换器多承载了燃料电池辅助设备的功率容量，因此，与燃料电池辅助设备的供电不经过它而直接由燃料电池装置提供的情况相比，DC/DC变换器的功率容量就必须做的要大的多，导致它的体积、重量以及造价也会大的多。
为避免如图1所示现有常用燃料电池汽车混合动力装置中能量传递过程中的功率损失，我们就要考虑削减为燃料电池辅助设备和24V电源装置供电的功率传输环节。因此，很希望将燃料电池辅助设备和24V电源装置的供电点直接设在燃料电池装置的出口，这样就可以避免这一部分功率传输过程因“兜圈子”而造成的功率消耗了。但是，这样改变装置连接方式又会造成装置的起动困难的问题，因为，装置起动之初，辅助设备没有途径得到必须的电力供应，燃料电池装置也就没有办法启动了。
也即是如果燃料电池辅助设备的供电不经过它而直接由燃料电池装置提供，将能构解决上述的两个问题，但需要解决动力装置起动时燃料电池的启动问题。本实用新型给出了一种新的燃料电池汽车混合动力装置，很好地解决了这三个问题。
发明内容
本实用新型的目的是为了提供一种燃料电池汽车的混合动力装置，使它一方面能够减少燃料电池混合动力装置之后的单向升压型DC/DC变换器的功率容量，以及燃料电池装置的功率损失；另一方面可以很好地解决燃料电池的启动问题。
为了实现上述目的，本实用新型提出一种新的混合动力装置，该装置包括燃料电池电堆、燃料电池辅助设备和燃料电池控制器、功率二极管、双向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器、动力蓄电池组和电池管理器以及电机和电机控制器；
燃料电池之后连接一双向DC/DC变换器，同时二者之间使用一功率二极管作为隔离，以防止反向电流进入燃料电池电堆；在功率二极管之后双向DC/DC变换器之前的电力接线上，引出分支接线通往燃料电池辅助设备，为燃料电池辅助设备供电；双向DC/DC变换器的输出端与电机控制器的输入端相连接，电机控制器的输出端接交流驱动电机；在双向DC/DC变换器之后电机控制器之前的动力装置直流母线上，并接蓄电池组。同时还在双向DC/DC变换器的输入端口并接输出电压为24V的小功率DC/DC变换器，为动力装置中各个控制部件供电。另外，混合动力装置还需要一个整车控制器协调和控制混合动力装置中每个关键的动力部的运行工作。
在这一混合动力装置中，燃料电池辅助设备的供电没有通过DC/DC变换器，而是直接从燃料电池电堆的输出端口的功率二极管之后接出电力接线为燃料电池辅助设备供电。这样就不会由于燃料电池辅助设备的需求功率要经过DC/DC变换器而产生功率损失，并且DC/DC变换器也不会由于要承载从燃料电池电堆到燃料电池辅助设备的功率而增加DC/DC变换器的功率容量。
在整个动力装置起动之初，燃料电池装置不会立即启动，它需要辅助设备先开始工作后才能启动。此时蓄电池为装置提供动力，双向DC/DC变换器工作在反向状态，通过DC/DC变换器，由蓄电池组为24VDC/DC变换器以及燃料电池辅助设备供电。这样24VDC/DC变换器为各个控制部件供电，使这些控制器开始工作；燃料电池辅助设备开始工作后，燃料电池装置被启动并开始正常工作。
燃料电池装置以及整个动力装置完成启动过程之后，将由燃料电池装置来为整个动力装置提供动力，此时双向DC/DC变换器工作在正向状态。
另外，在燃料电池装置发生故障时，双向DC/DC变换器工作又会在反向状态，蓄电池组为整个动力装置提供动力，一方面通过电机控制器直接驱动电机，另一方面通过反向工作的DC/DC变换器为为24VDC/DC变换器供电，进而为所需的所有控制电源供电。这样就使得在燃料电池发生故障时，整个动力装置仍然可以正常运行。
在本实用新型提出的燃料电池汽车的混合动力装置中，燃料电池装置的出口使用了双向DC/DC变换器。在装置起动之初，双向DC/DC变换器处于反向工作状态，电流从蓄电池组流出，一部分流向电机控制器，驱动电机运转；一部分流向双向DC/DC变换器，通过DC/DC变换器为燃料电池辅助设备提供电源以及24V的DC/DC变换器供电。这样一来，就可以顺利地解决燃料电池装置的起动困难问题了。同时，由于这种混合装置结构型式下，燃料电池辅助设备和24V电源的供电不再绕经DC/DC变换器，大大减少了燃料电池辅助设备和24V电源这部分的功率消耗，同时也有效地减小了燃料电池装置出口处的DC/DC变换器功率容量和设计尺寸。
图1是现有较为常用的燃料电池汽车混合动力装置结构图。
图2是本实用新型提出的燃料电池汽车混合动力装置的装置结构图。
图3是该燃料电池汽车混合动力装置起动前、起动时或燃料电池装置故障时的动力装置功率流向图。
图4是该燃料电池汽车混合动力装置工作过程中，蓄电池处于充电状态时的动力装置功率流向图。
图5是该燃料电池汽车混合动力装置工作过程中，蓄电池处于放电状态时的动力装置功率流向图。
图6是该燃料电池汽车混合动力装置处于制动能量回馈状态时的动力装置功率流向图。
具体实施方式
图1是现有的燃料电池汽车混合动力装置总体结构图。燃料电池辅助设备所需的电力实际上是从燃料电池装置(燃料电池电堆)流出，经过了单向升压型DC/DC变换器之后，再流回到了燃料电池装置(燃料电池辅助设备)。一方面，这一能量流在经过DC/DC变换器会损失掉一部分能量，另一方面由于单向升压型DC/DC变换器多承载了燃料电池辅助设备的功率容量，因此，与燃料电池辅助设备的供电不经过它而直接由燃料电池装置提供的情况相比，DC/DC变换器的功率容量就必须做的要大的多，导致它的体积、重量以及造价也会大的多。
如图2所示，给出了本实用新型提出的燃料电池汽车混合动力装置的总体结构图，包括装置的动力部分的结构和装置的控制部分的结构。该装置的动力部分主要由燃料电池装置、双向DC/DC变换器、蓄电池装置、电机驱动装置(电机和电机控制器)以及24VDC/DC变换器等动力部件组成。其中，作为动力装置组成部分的燃料电池装置，主要包括由燃料电池电堆、燃料电池辅助设备和燃料电池控制器这三个部分；而蓄电池装置则包括动力蓄电池组和电池管理器。装置的控制部分主要包括整车控制器和CAN通讯网络，整车控制器接收来自于驾驶员操作装置的钥匙信号、加速踏板信号以及制动踏板信号等驾驶员操纵信号；整车控制器还与动力装置各个动力部件的控制单元进行通讯，向每个部件的控制器下达控制指令，同时还从这些控制单元采集每个动力部件运行状态的相关信息，以便结合驾驶员的操纵信号，按照整车控制器自身的控制算法，来决定下一步的控制指令。以下，将分别参照图3、图4、图5和图6对该装置的运行原理进行解释。
如图3所示，给出了在整个动力装置起动前、起动时，或者在燃料电池装置出现故障而无法工作时，动力装置中的功率流向情况。在这几种情况下，燃料电池装置均无法正常工作，因此，动力蓄电池组成为装置中唯一可用的动力源部件。电流从蓄电池组流出，一部分流向电机控制器，驱动电机运转；一部分流向双向DC/DC变换器。此时双向DC/DC变换器处于反向工作状态，蓄电池组通过DC/DC变换器为24V的DC/DC变换器以及燃料电池辅助设备提供电源。这样一来，虽然这些情况下，燃料电池装置不能工作，但是，整个动力装置仍然可以依靠动力蓄电池组来维持运行。
如图4所示，给出了整个动力装置在正常运行的过程中，当蓄电池处于被充电状态时装置中的功率流向情况。在这种情况下，燃料电池装置正常工作。从图中可以看到，燃料电池电堆直接为燃料电池辅助设备和24V的DC/DC变换器提供所需的电功率，同时还通过双向DC/DC变换器，一方面为电机控制器提供电功率驱动电机运转，一方面还为动力蓄电池组充电。在这种情况下双向DC/DC变换器工作在正向状态。
如图5所示，给出了整个动力装置在正常运行的过程中，当蓄电池处于放电状态时装置中的功率流向情况。与图4所示的情况相似，在这种情况下，燃料电池装置也正常工作；不同的是蓄电池组处于放电状态。从图中可以看到，燃料电池辅助设备和24V的DC/DC变换器所需的电功率仍由燃料电池电堆直接提供；通过双向DC/DC变换器，燃料电池装置还为电机控制器提供所需的部分电功率，而电机控制器所需电功率的剩余部分则有动力蓄电池组直接提供。即由燃料电池装置和动力蓄电池组共同提供电力驱动电机运转。在这种情况下，双向DC/DC变换器工作在正向状态。
如图6所示，给出了整个动力装置处在制动能量回馈状态时装置中的功率流向情况。制动能量回馈是多数电动汽车性能上的一个明显优势。在制动能量回馈时，电机工作在反馈制动的工作区域里，即处于发电机的工作状态。电机装置将用于回馈的机械形式的制动能量用于发电，产生的电流从电机控制器的直流端流出，流入动蓄电池组为其充电，将回馈的制动能量储存于动力蓄电池组中。此时燃料电池装置的工作情况与图4中所示的蓄电池组处于充电状态时的情况相同。此时，双向DC/DC变换器工作在正向状态。
然而，图6所示的功率流向图示，只对应于动力蓄电池组的SOC值较低需要较大功率充电的情形。而在蓄电池组SOC值较高，制动能量回馈的电流超出蓄电池组所需的充电电流时，制动能量回馈的电流还要流入双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作于反向状态，通过双向DC/DC变换器的功率变换，制动回馈的电流为燃料电池辅助设备和24V的DC/DC变换器提供全部或者部分所需电功率。
权利要求1.燃料电池汽车混合动力装置，其特征在于，该装置包括燃料电池电堆、燃料电池辅助设备和燃料电池控制器、功率二极管、双向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器、动力蓄电池组和电池管理器以及电机和电机控制器；燃料电池电堆通过电力主接线连接一双向DC/DC变换器，该DC/DC变换器的输出端通过电力主接线与电机控制器的输入端相连接，电机控制器的输出端接交流驱动电机；在DC/DC变换器之后电机控制器之前的电力主接线上，并接蓄电池组；在DC/DC变换器的输入端口通过电力主接线分别并接燃料电池辅助设备和另一24V的DC/DC变换器；燃料电池控制器，电池管理器，DC/DC变换器，电机控制器电气接线两两相连。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车混合动力装置，其特征在于，在燃料电池电堆之后，与DC/DC变换器连接方向，即正向连接一功率二极管。
专利摘要一种燃料电池汽车混合动力装置，主要包括燃料电池电堆、燃料电池辅助设备和燃料电池控制器、功率二极管、双向DC/DC变换器、24VDC/DC变换器、动力蓄电池组和电池管理器以及电机和电机控制器。燃料电池电堆通过功率二极管连接一双向DC/DC变换器连接到电机控制器上，电机控制器之前并接蓄电池组，双向DC/DC变换器的输入端口分别并接燃料电池辅助设备和24V DC/DC变换器。装置启动后燃料电池辅助设备不经过DC/DC变换器而直接由燃料电池装置供电，同时也解决了动力装置起动时燃料电池的启动问题；缩减了动力装置中DC/DC变换器功率容量和设计尺寸，增加了混合动力装置工作可靠性，提高了装置运行效率。
文档编号B60L11/18GK2756489SQ20042000995
公开日2006年2月8日 申请日期2004年12月17日 优先权日2004年12月17日
发明者高大威, 卢青春, 金振华, 欧阳明高, 阎东林, 秦孔建 申请人:清华大学