[發明專利]基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統及控制方法

有效

• 申請號: 201110225515.8
• 申請日: 2011-08-08
• 公開（公告）號: CN102358201A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: 謝長君;全書海;沈迪;石英;黃亮;陳啟宏;孫曉明;張立炎;鄧堅
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B60L11/18
• 分類號: B60L11/18
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 潘杰

技術領域

本發明屬于新能源電動汽車領域，是一種增程式電動汽車動力系統，進一步說是基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統及控制方法。

背景技術

新能源電動汽車有著節能、環保等優點，正成為新一代汽車研發的熱點。近年來，電動汽車技術已取得了重大進展，然而在研發及產業化推進過程中仍然存在著技術性挑戰，如動力電池壽命短，充電時間長，能量密度不高導致一次充電后整車續駛里程短等問題。

由于純電動汽車一次充電后的續駛里程短，故作為提高整車續駛里程的增程式電動汽車應運而生。增程式電動汽車是在純電動汽車的基礎上配備車載充電器的新能源電動汽車，從而大大提高了電動汽車的續航能力。增程式電動汽車主要采用動力蓄電池作為驅動能源，如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等，而車載充電器一般采用小型汽油或柴油內燃發動機，當動力蓄電池電量充足時該內燃機無需啟動，當動力蓄電池電量不足時該內燃機將啟動，且可連續工作在最佳轉速下，輸出的功率和扭矩也基本恒定，因而其效率、排放、可靠性等均處在較佳狀態。內燃機可持續給動力蓄電池進行在線充電，這將大大增加整車續駛里程。此外，增程式電動汽車的動力蓄電池容量只需相同級別純電動車的40％至50％，綜合成本基本相當。

但是內燃機工作燃料仍然采用汽油或柴油等不可再生能源，能量轉換效率不足30％，且排放出CO、CO2、硫化物、氮氧化合物等污染物，這與純電動汽車實現零排放的清潔能源目標不符合，因此續駛里程更高的燃料電池電動汽車誕生。但燃料電池電動汽車動力系統一般采用質子交換膜燃料電池作為車載主能源，而動力蓄電池則為輔助能源，只是在車輛啟動及加速爬坡狀態下提供輔助功率用，這樣燃料電池系統輸出功率隨著車載工況動態變化，而燃料電池系統在這種動態工況下壽命及耐久性欠佳，而且大功率的燃料電池系統成本遠高于動力電池，這兩點導致燃料電池電動汽車難以進行有效推廣。

因此提出采用質子交換膜燃料電池系統增程式電動汽車動力系統方案，即整車采用動力蓄電池作為車載主能源，而小功率燃料電池系統為動力蓄電池的車載充電器。一方面質子交換膜燃料電池系統以高壓氫氣及壓縮空氣為反應劑，生產電和水，轉換效率超過50％，且完全零污染零排放，優于采用汽油或柴油的內燃機做增程器方案；另一方面由于燃料電池系統功率配置低于傳統燃料電池電動汽車從而成本更低，且此動力系統結構下燃料電池系統工作在穩定輸出狀態，車載使用壽命更高。

發明內容

本發明提供了一種以磷酸鐵鋰動力電池為車載主能源，以質子交換膜燃料電池系統為其車載充電器，通過可控DC/DC變換器對磷酸鐵鋰電池包進行在線充電，從而提高電動汽車的續航里程的基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統及控制方法，以克服現有技術的不足。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種基于燃料電池的增程式電動汽車動力系統，包括配備氫氣罐的燃料電池系統、DC/DC變換器、動力蓄電池系統、電機控制器及驅動電機、整車控制器VMS，所述燃料電池系統包括氫氣供給裝置、燃料電池發電裝置及燃料電池控制器，其特征在于：所述氫氣罐通過減壓閥以及可控電磁閥為燃料電池系統提供反應所需氫氣；燃料電池系統輸出端通過繼電器S1與DC/DC變換器輸入相連；DC/DC變換器輸出與動力蓄電池系統相連；動力蓄電池系統與電機控制器的高壓輸入相連，電機控制器三相輸出連接驅動電機；整車控制器VMS通過I/O口直接控制氫氣輸出的電磁閥和繼電器S1，整車控制器VMS通過CAN總線與燃料電池控制器、DC/DC控制器、動力蓄電池系統、電機控制器進行通訊，從而控制電機驅動整車行駛并管理整個動力系統。

在本發明的一個實施例中，所述燃料電池系統為質子交換膜燃料電池系統所述減壓閥分為兩級，所述氫氣罐儲存的氫氣通過一級減壓閥、二級減壓閥以及可控電磁閥為質子交換膜燃料電池系統提供反應用氫氣。

所述質子交換膜燃料電池系統包括燃料電池發電裝置及燃料電池控制器。燃料電池控制器獲得發電裝置的電壓、電流、壓力、溫度等信息，并控制進入發電裝置的氫氣及空氣，從而產生電能。

所述DC/DC變換器包括DC/DC拓撲變換及DC/DC控制器。燃料電池系統傳輸過來的電能通過DC/DC變換器的變換，給磷酸鐵鋰動力電池包進行可控充電。而可控充電功率則由整車控制器通過CAN總線發給DC/DC控制器。