一种双电池混合动力拓扑结构的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种双电池混合动力拓扑结构。


背景技术：

2.燃料电池发动机是电动汽车发动机的一种。燃料电池系统发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电驱动系统供电，从而使得车辆在路上行驶。与传统的内燃机发动机相比，燃料电池发动机系统一般采用“燃料电池 动力电池 电动机”的模式来提供动力输出，其能量来源不仅不受地理环境限制，反应的生成物不存在污染环境的成分，并因其反应不受卡诺循环的影响，其能量转换效率是内燃机的2～3倍。而相比于纯电动车，氢燃料电池车的能量密度高，更适合大负载、远距离行驶的要求。
3.燃料电池汽车的运行不是一个稳态情况，频繁的启动、加速和爬坡会使汽车动态工况变得非常复杂。燃料电池系统的动态响应比较慢，在启动、急加速或者爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行驶要求。在实际燃料电池汽车发动机上，常常需要使用燃料电池混合电动汽车的设计方法，即搭配辅助能源设备(蓄电池、超级电容器等电动设备)，通过电力电子装置与燃料电池串并网，用来提供峰值功率以补充车辆在加速或爬坡时燃料电池输出功率能力的不足。
4.燃料电池系统发动机的动力拓扑结构可分为串联和并联。串联式动力拓扑结构相对简单，即燃料电池系统端通过dc/dc直接给蓄电池供电，然后由蓄电池把额定的电压供给电驱动系统，这种拓扑结构能保证燃料电池系统的稳定功率输出，即燃料电池的运行可不受车辆工况的影响，维持在某一个特定的输出功率即可；但该动力拓扑结构存在一个严重问题，即在车辆运行中，蓄电池一边接受燃料电池的充电，另一边要同时给驱动系统供电，会严重损害蓄电池的使用寿命。
5.现有的并联式拓扑结构中燃料电池系统与动力电池共同给驱动供电，是在燃料电池系统和电驱动系统间安装一个dc/dc变换器，这样燃料电池系统端电压通过dc/dc变换器的升压或者降压来与系统母线的电压等级进行匹配，另匹配一台蓄电池并联在系统母线上；当车平稳运行时，仅燃料电池系统供电就能满足运行要求，而在启动、加速和爬坡等突发高负载运行的工况中，因燃料电池系统的响应速度慢，需要蓄电池辅助供电，来满足车辆的行驶要求，而当车辆低负载运行时(如怠速、减速等工况中)，燃料电池除满足车辆运行外，尚有富裕的能量储存进蓄电池中，以备后续车辆高负载运行时使用，这种方式可以提高整个动力系统的能量效率；但燃料电池系统需要实时调整自己的输出功率来满足车辆的实际运行要求，会严重影响燃料电池的使用寿命。


技术实现要素：

6.基于此，本发明提供一种双电池混合动力拓扑结构，旨在解决现有的串联式动力拓扑结构易严重损害蓄电池的使用寿命、并联式动力拓扑结构容易影响燃料电池的使用寿命的问题。
7.为实现上述目的，本发明实施例提供一种双电池混合动力拓扑结构，应用于燃料电池发动机中，包括燃料电池系统、dc/dc变换器、第一蓄电池、第二蓄电池和电驱动系统；所述燃料电池系统与所述dc/dc变换器连接；所述dc/dc变换器分别与所述第一蓄电池、所述第二蓄电池连接；所述电驱动系统分别与所述第一蓄电池、所述第二蓄电池连接；所述dc/dc变换器与所述第一蓄电池之间设置有第一开关；所述第一蓄电池与所述电驱动系统之间设置有第二开关；所述dc/dc变换器与所述第二蓄电池之间设置有第三开关；所述第二蓄电池与所述电驱动系统之间设置有第四开关。
8.进一步地，所述双电池混合动力拓扑结构还包括中控系统，所述中控系统分别与所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第四开关连接。
9.进一步地，所述第一蓄电池与所述第二蓄电池的功率之和与所述燃料电池系统的功率相适配；且所述第一蓄电池的功率等于所述第二蓄电池的功率。
10.进一步地，所述第一蓄电池与所述第二蓄电池的功率之和等于所述燃料电池系统的功率。
11.进一步地，所述中控系统分别与所述第一蓄电池、所述第二蓄电池连接。
12.进一步地，所述燃料电池系统向所述第一蓄电池充电的速度大于所述第一蓄电池向所述电驱动系统放电的速度。
13.进一步地，所述燃料电池系统向所述第二蓄电池充电的速度大于所述第二蓄电池向所述电驱动系统放电的速度。
14.进一步地，在供电时，所述燃料电池系统的输出功率恒定不变。即在供电过程中，所述燃料电池系统处于某一稳定的功率输出。
15.进一步地，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第四开关均为电磁开关。
16.在本技术中，所述燃料电池系统通过dc/dc变换器分别给第一蓄电池和第二蓄电池供电，然后由第一蓄电池和第二蓄电池直接给电驱动系统供电。通过设置第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，并通过中控系统统一控制上述开关，可以避免出现第一蓄电池(第二蓄电池)同时出现充电和放电反应的情况。
17.当燃料电池系统通过dc/dc变换器给第一蓄电池供电时，第一开关闭合，从而连通dc/dc变换器与第一蓄电池之间的线路，此时，第一蓄电池与电驱动系统间的第二开关打开；相应地，dc/dc变换器与第二蓄电池之间的第三开关打开，第二蓄电池与电驱动系统之间的第四开关闭合，由第二蓄电池给电驱动系统供电。根据蓄电池soc的评判标准，当第一蓄电池的电池容量达到80％时，中控系统发出指令让燃料电池系统停止工作，并切断第一开关和第四开关，中断燃料电池系统向第一蓄电池供电。
18.当第二蓄电池的电池容量低于20％时，中控系统发出指令切断第四开关，同时打开第二开关，由第一蓄电池给电驱动系统继续供电来满足车辆行驶的需要；此时，中控系统同时驱动燃料电池系统运行，并关闭dc/dc变换器与第二蓄电池之间的第三开关，使燃料电池系统给第二蓄电池供电，直至第二蓄电池的电池容量达到80％为止。
19.相对于现有技术，本技术具有如下技术效果：在本技术中，通过将第一蓄电池和第二蓄电池并联设置，并通过中控系统和电磁开关的联控，使得两块蓄电池不同时处于充电和放电的过程，且能保证燃料电池系统在工作时处于某一特定的输出功率，这样在满足车
辆实际运行需要的同时，实现燃料电池系统和蓄电池的使用寿命最大化。并且，根据发动机系统的功率匹配，采用两块蓄电池的方式，不仅没有增加蓄电池的成本，而且还能有效避免运行过程中单一蓄电池出现故障导致整个系统无法运行的风险。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例中双电池混合动力拓扑结构的结构示意图。
22.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
25.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
26.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
27.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
28.目前，燃料电池系统发动机的动力拓扑结构可分为串联和并联。现有的串联式拓扑结构存在一个严重问题，即在车辆运行中，蓄电池一边接受燃料电池的充电，另一边要同时给驱动系统供电，会严重损害蓄电池的使用寿命。虽然现有的并联式拓扑结构可以提高整个动力系统的能量效率；但燃料电池系统需要实时调整自己的输出功率来满足车辆的实际运行要求，会严重影响燃料电池的使用寿命。基于此，本技术提供一种双电池混合动力拓
扑结构以解决上述问题。
29.具体的，如图1所示，本发明实施例提供一种双电池混合动力拓扑结构，应用于燃料电池发动机中，包括燃料电池系统10、dc/dc变换器20、第一蓄电池30、第二蓄电池40和电驱动系统50；所述燃料电池系统10与所述dc/dc变换器20连接；所述dc/dc变换器20分别与所述第一蓄电池30、所述第二蓄电池40连接；所述电驱动系统50分别与所述第一蓄电池30、所述第二蓄电池40连接；所述dc/dc变换器20与所述第一蓄电池30之间设置有第一开关k1；所述第一蓄电池30与所述电驱动系统50之间设置有第二开关k2；所述dc/dc变换器20与所述第二蓄电池40之间设置有第三开关k3；所述第二蓄电池40与所述电驱动系统50之间设置有第四开关k4。
30.进一步地，所述双电池混合动力拓扑结构还包括中控系统60，所述中控系统60分别与所述第一开关k1、所述第二开关k2、所述第三开关k3以及所述第四开关k4连接。
31.进一步地，所述第一蓄电池30与所述第二蓄电池40的功率之和与所述燃料电池系统10的功率相适配；且所述第一蓄电池30的功率等于所述第二蓄电池40的功率。
32.进一步地，所述第一蓄电池30与所述第二蓄电池40的功率之和等于所述燃料电池系统10的功率。
33.进一步地，所述中控系统60分别与所述第一蓄电池30、所述第二蓄电池40连接。
34.进一步地，所述燃料电池系统10向所述第一蓄电池30充电的速度大于所述第一蓄电池30向所述电驱动系统50放电的速度。
35.进一步地，所述燃料电池系统10向所述第二蓄电池40充电的速度大于所述第二蓄电池40向所述电驱动系统50放电的速度。
36.进一步地，在供电时，所述燃料电池系统10的输出功率恒定不变。即在供电过程中，所述燃料电池系统处于某一稳定的功率输出。
37.进一步地，所述第一开关k1、所述第二开关k2、所述第三开关k3以及所述第四开关k4均为电磁开关。
38.在本技术中，所述燃料电池系统通过dc/dc变换器分别给第一蓄电池和第二蓄电池供电，然后由第一蓄电池和第二蓄电池直接给电驱动系统供电。通过设置第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，并通过中控系统统一控制上述开关，可以避免出现第一蓄电池(第二蓄电池)同时出现充电和放电反应的情况。
39.当燃料电池系统通过dc/dc变换器给第一蓄电池供电时，第一开关闭合，从而连通dc/dc变换器与第一蓄电池之间的线路，此时，第一蓄电池与电驱动系统间的第二开关打开；相应地，dc/dc变换器与第二蓄电池之间的第三开关打开，第二蓄电池与电驱动系统之间的第四开关闭合，由第二蓄电池给电驱动系统供电。根据蓄电池soc的评判标准，当第一蓄电池的电池容量达到80％时，中控系统发出指令让燃料电池系统停止工作，并切断第一开关和第四开关，中断燃料电池系统向第一蓄电池供电。
40.当第二蓄电池的电池容量低于20％时，中控系统发出指令切断第四开关，同时打开第二开关，由第一蓄电池给电驱动系统继续供电来满足车辆行驶的需要；此时，中控系统同时驱动燃料电池系统运行，并关闭dc/dc变换器与第二蓄电池之间的第三开关，使燃料电池系统给第二蓄电池供电，直至第二蓄电池的电池容量达到80％为止。当第一蓄电池的电池容量低于20％时，重复上述操作即可。
41.在本技术中，通过将第一蓄电池和第二蓄电池并联设置，并通过中控系统和电磁开关的联控，使得两块蓄电池不同时处于充电和放电的过程，且能保证燃料电池系统在工作时处于某一特定的输出功率，这样在满足车辆实际运行需要的同时，实现燃料电池系统和蓄电池的使用寿命最大化。并且，根据发动机系统的功率匹配，采用两块蓄电池的方式，不仅没有增加蓄电池的成本，而且还能有效避免运行过程中单一蓄电池出现故障导致整个系统无法运行的风险。
42.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。