CN115257411A - 一种氢燃料电池混联式混合动力系统及卡车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢燃料电池混联式混合动力系统，氢燃料电池通过DC/DC转换器与电机控制器进行电气连接；电机控制器与驱动电机采用电气连接。本发明还公开了采用该动力系统的卡车。采用上述技术方案，提高电力系统总能量，增大续航里程，提高能量利用的利用效果；大大降低整车成本，燃料电池工作效率较高，性能要求较低，冷启动性能较好；动力电池不仅回收制动能量，还利用发电机发电，储存电量较快较多；发电机峰值功率持续时间长，实现长距离的纯电行驶，回收更多能量；短动力性和经济性较高。
Description
技术领域
本发明属于采用氢燃料电池的混合动力的技术领域。更具体地说，本发明涉及一种氢燃料电池混联式混合动力系统，以及采用该系统的卡车。
背景技术
2020年我国提出将提高国家自主创新贡献力度，采取更加有力的政策和措施。氢能是零排放、可再生能源，推广氢能应用成为解决能源危机和环境污染危机的良好路径。在全球氢能源加速发展的背景下，燃料电池汽车成为各国机构和企业研发的重点内容之一。
截至2019年，我国民用车保有量为2亿6千万辆，其中商用车为4500万辆，占比为15.5％。商用车从传统燃油车向新能源车方向转型，是实施节能减排行动的主要方向之一。相比电动汽车、混合动力汽车，燃料电池汽车在补加燃料时间和续航里程方面具有优势。燃料电池因其能量密度大，比能量高，效率高的特点，对于续驶里程较长、动力性能要求较高、汽车体积较大的商用车十分适用，在燃料电池汽车推广的初期，鉴于运营车辆较少，市场化的公共加氢站难以通过规模经济效应实现收支平衡，因营利困难致使相关设施建设的积极性不高，与乘用车相比，商用车的运营路线比较固定，在商用车的典型运营路线上建设加氢站，可大幅降低对基础设施的依赖程度，进而在加氢站密度偏低的情况支持燃料电池车辆的常态化运营。
2016年-2019年，国内燃料电池汽车销量大幅增加。根据中国汽车工业协会《2019年汽车工业经济运行情况》数据统计，2019年我国燃料电池汽车产销量分别为2833辆、2737辆，同比增长85.5％、79.2％。截至2020年6月，我国燃料电池汽车累计销售超过6000辆。从汽车销量数据来看，我国燃料电池汽车产业发展方向与国外存在明显不同：美国、日本、韩国和欧盟的燃料电池汽车推广以乘用车为主，而我国以商用车为主，已实现量产并投入规模化运营。
按照“节能与新能源汽车技术路线图”预测：2025年，随着燃料电池关键技术成熟度的提高，燃料电池汽车推广量可达到10万辆；2030年，随着燃料电池核心组件技术持续突破，燃料电池汽车规模化应用达到100万辆。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预测：在商用车应用方面，2030年燃料电池商用车推广应用量将为36万辆，占商用车总销量的7％；2050 年将为160万辆，市场占比达到37％；2050年交通领域的氢能消费量将为2.458×107t/a，占交通领域整体用能的19％，其中货运领域的商用车氢能消费占交通领域氢能消费的比重达到 70％，成为交通领域氢能消费增长的主要驱动力。
在现有技术中，燃料电池汽车与采用锂电池的汽车没有很好的匹配，其综合的性能受到限制，工作效率和能量利用率较低，总体的动力性和经济性难以提高。
发明内容
本发明提供一种氢燃料电池混联式混合动力系统，其目的是提高能量的利用效果。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的氢燃料电池混联式混合动力系统，包括驱动电机、动力电池、氢燃料电池，所述的驱动电机与动力耦合器采用机械连接；所述的动力电池通过配电柜与电机控制器进行电气连接；所述的氢燃料电池通过DC/DC转换器与电机控制器进行电气连接；所述的电机控制器与驱动电机采用电气连接。
所述的氢燃料电池与氢燃料电池控制器采用电气连接；所述的氢燃料电池控制器与整车控制器采用通信连接。
所述的电机控制器与整车控制器采用通信连接。
所述的动力耦合器与发电机采用机械连接；所述的发电机与配电柜采用电气连接。
所述的DC/DC转换器与DC/DC控制器采用电气连接；所述的DC/DC控制器与整车控制器通信连接。
所述的配电柜与车载充电机采用电气连接；所述的车载充电机与动力电池管理系统采用电气连接；所述的动力电池管理系统与整车控制器通信连接。
所述的配电柜与外接充电口采用电气连接；所述的外接充电口与动力电池管理系统采用电气连接。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了采用以上所述的氢燃料电池混联式混合动力系统的卡车，包括车体，所述的车体的后部设有后桥差速器，所述的动力耦合器与后桥差速器采用机械连接；所述的后桥差速器与两侧的驱动车轮采用机械连接；
氢燃料电池控制器和整车控制器设置在车体上的控制盒内；在所述的车体底架的中部设有储氢装置；
所述的配电柜、DC/DC转换器、DC/DC控制器和动力电池管理系统设置在车体的支撑梁上；
所述的氢燃料电池设置在车体的支撑梁下方；
所述的发电机安装在车体支撑梁的右侧；所述的车载充电机设置在车体的右边；
所述的电机控制器设置在车体上万用仓的支撑梁上；
所述的外接充电口设置在车体的后部；上面安装动力电池以及动力电池管理系统。
所述的储氢装置与加氢口之间通过连通管连接；所述的储氢装置设有氢燃料电池温度控制装置。
所述的储氢装置包括储气瓶固定架，所述的储气瓶固定架设有四个储气瓶；四个储气瓶的下管道与外通管相连接；所述的储气瓶上设有三通气阀管，所述的外通管通过三通气阀管分别与进气管和出气管相连通，在出气管上设有泄压阀，并与储氢装置的泄压口通过气管相连通，同时所述的储氢装置还设有气压传感器、氢浓度传感器和气阀总成。
所述的氢燃料电池通过进气管与空气压缩机的出气管相连通；所述的空气压缩机的进气管与空气滤清器的出气管相连通；所述的空气滤清器的进气管与顶进气管相连通。
所述的车体上设置氢燃料冷却装置，所述的氢燃料冷却装置包括冷却固定支架；所述的固定支架上设有四个冷却风扇；所述的冷却固定支架与车体的底架采用机械焊接连接；在所述的冷却固定支架的一侧还设有风扇控制器和温度控制器。
所述的车体顶部的上方设有车辆散热风扇和灭火器。
本发明采用上述技术方案，旨在节约电量，提高电力系统总能量，增大续航里程，提高能量利用的利用效果；对单一燃料电池的大功率结构形式进行改进，大大降低整车成本，燃料电池工作效率较高，性能要求较低，冷启动性能较好；动力电池不仅回收制动能量，还利用发电机发电，储存电量较快较多；发电机峰值功率持续时间长，实现长距离的纯电行驶，回收更多能量；根据用户充电习惯的不同，短途或城市用电、长途用混合动力等动力性和经济性较高。
附图说明
附图所示内容及图中的标记简要说明如下：
图1为本发明的氢燃料电池混联式混合动力系统结构示意图；
图2为本发明采用图1所示系统的卡车结构示意图；
图3为本发明的卡车结构侧面示意图；
图4是车体内部的氢燃料电池总成结构示意图；
图5是车体内部储氢装置结构示意图；
图6是车体内部氢燃料冷却装置结构示意图。
图中标记为：
1、氢燃料电池控制器，2、氢燃料电池，3、DC/DC转换器，4、DC/DC控制器，5、电机控制器，6、动力耦合器，7、驱动电机，8、配电柜，9、外接充电口，10、动力电池，11、车载充电机，12、发电机，13、后桥差速器(减速机构)，14、驱动车轮，15、动力电池管理系统，16、整车控制器。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
为了充分发挥氢燃料电池混合动力系统的优点，保证辅助设备供电充足、电量消耗小，同时提高电力系统总能量，增大续航里程；设计燃料电池混合动力卡车，提高能量利用率，大大降低整车成本，同时可以储存电量较快较多，实现长距离的纯电行驶，回收更多能量；可以根据用户充电习惯的不同，使用短途或城市用电，长途用混合动力等动力性和经济性较高的能力分配策略，因此，对氢燃料电池混联式混合动力系统的深入研究是极其必要的。
如图1所示的本发明的结构，为一种氢燃料电池混联式混合动力系统，包括驱动电机7、动力电池10、氢燃料电池2，所述的驱动电机7与动力耦合器6采用机械连接。
为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现提高能量的利用效果的发明目的，本发明采取的技术方案为：
如图1所示，本发明的氢燃料电池混联式混合动力系统，所述的动力电池10通过配电柜 8与电机控制器5进行电气连接；所述的氢燃料电池2通过DC/DC转换器3与电机控制器5 进行电气连接；所述的电机控制器5与驱动电机7采用电气连接。
该混合动力系统包括依次通过电连接的氢燃料电池控制器1、氢燃料电池2、DC/DC转换器3、DC/DC控制器4、电机控制器5和与动力耦合器6相连的驱动电机7。
电机控制器5依次通过电连接有配电柜8、外接充电口9、动力电池10。
氢燃料电池控制器1将氢燃料电池2产生的多余电能，通过DC/DC转换器3转换电压输送至配电柜8，再传送到动力电池10而为其充电。
所述的氢燃料电池2与氢燃料电池控制器1采用电气连接；所述的氢燃料电池控制器1 与整车控制器16采用通信连接。
所述的DC/DC转换器3与DC/DC控制器4采用电气连接；所述的DC/DC控制器4与整车控制器16通信连接。
所述的电机控制器5与整车控制器16采用通信连接。
该混合动力系统还包括车载充电机11、发电机12、与发电机12机械连接的驱动电机7，驱动电机7与后桥差速器13(减速机构)机械相连，后桥差速器13的两侧机械连接有驱动车轮14。
动力电池10将电能通过配电柜8输送到电机控制器5，电机控制器5控制驱动电机7，驱动电机7通过动力耦合器6与后桥差速器13机械相连而使驱动车轮14行驶。
所述的动力耦合器6与发电机12采用机械连接；所述的发电机12与配电柜8采用电气连接。
所述的配电柜8与车载充电机11采用电气连接；所述的车载充电机11与动力电池管理系统15采用电气连接；所述的动力电池管理系统15与整车控制器16通信连接。
驱动电机7制动回收能量后通过电机控制器5将能量输送到配电柜8而为动力电池10充电。
所述电机控制器5依次通过配电柜8电连接有外接充电口9、动力电池10、车载充电机11和发电机12。
所述的配电柜8与外接充电口9采用电气连接；所述的外接充电口9与动力电池管理系统15采用电气连接。
所述外接充电口9与动力电池管理系统15通信连接。外接充电口9通过配电柜8为动力电池10充电。
氢燃料电池控制器1将氢燃料电池2产生的电能通过DC/DC转换器3与动力电池10通过配电柜8共同将电量输送给电机控制器5，控制驱动电机7通过动力耦合器6与后桥差速器13机械相连，驱动车轮14行驶。
以上的氢燃料电池混联式混合动力系统工作方式是：
氢燃料电池2驱动模式：
所述的氢燃料电池控制器1将氢燃料电池2产生的电能，通过DC/DC转换器3转换电压后输送至电机控制器5；电机控制器5控制驱动电机7，驱动电机7与动力耦合器6连接，动力耦合器6与后桥差速器13连接，使后桥的两个驱动车轮14行驶。
氢燃料电池2的电能储存模式：
所述氢燃料电池控制器1将氢燃料电池2产生的多余电能，通过DC/DC转换器3转换电压，输送到动力电池10为其充电。
动力电池10的驱动模式：
所述动力电池10将电能通过配电柜8输送到电机控制器5；电机控制器5控制驱动电机 7，驱动电机7通过动力耦合器6与后桥差速器13机械相连，进而使驱动车轮14行驶。
外接充电模式：
所述外接充电口9通过配电柜8为动力电池10充电。
制动能量回收(车载充电)模式：
所述驱动电机7制动回收电能后，通过电机控制器5将电能输送到配电柜8而为动力电池10充电。
氢燃料电池与动力电池共同驱动模式：
所述氢燃料电池控制器1将氢燃料电池2产生的电能通过DC/DC转换器3、与动力电池10共同将电能输送给电机控制器5，电机控制器5控制驱动电机7，驱动电机7通过动力耦合器6与后桥差速器13机械相连接，进而使驱动车轮14行驶。
本发明采取上述技术方案取得的技术效果是：
1、本发明的燃料电池混合动力系统，通过多种运行模式，提升能量利用率，降低经济成本；
2、氢燃料电池、动力电池结合，解决了诸如辅助设备供电不足的缺陷；
3、氢燃料电池和动力电池可根据不同的工况采取不同的组合或者单一动力输出，可提高电力系统总能量，增大续航里程，能量利用率高；
4、对单一燃料电池的大功率结构形式大大降低整车成本，燃料电池工作效率较高，性能要求较低，冷启动性能较好；
5、动力电池不仅能回收制动能量，还利用发电机发电，储存电量较快较多，控制动力电池工作在特定SOC范围内，减小深度充放电，安全性高，使用寿命长；
6、在氢燃料电池工作的情况下，其最大效率功率点工作持续时间长，工作效率高，可实现长距离的纯电行驶，回收和发电更多能量；根据用户充电习惯的不同，具有短途或城市用电，长途用混合动力等动力性和经济性较高等优点。
如图2和图3所示：
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了采用以上所述的氢燃料电池混联式混合动力系统的卡车，所述的卡车包括车体；
其具体结构是：
所述的车体的后部设有后桥差速器13，所述的动力耦合器6通过机械连接方式与后桥差速器13连接；所述的后桥差速器13与两侧的驱动车轮14采用机械连接；
本发明的氢燃料电池混联式混合动力系统，包括依次通过电连接的氢燃料电池控制器1、氢燃料电池2、DC/DC转换器3、DC/DC控制器4、电机控制器5，以及驱动电机7，所述的驱动电机7通过动力耦合器6向后桥差速器13传递扭矩；所述的后桥差速器13向将动力分配给两个驱动车轮14。
如图2、图3所示，车体设有控制盒，控制盒内设有氢燃料电池控制器1和整车控制器16。
在所述的车体底架的中部设有储氢装置；
所述的配电柜8、DC/DC转换器3、DC/DC控制器4和动力电池管理系统15设置在车体的支撑梁上；
所述的氢燃料电池2设置在车体的支撑梁下方；
所述的发电机12安装在车体支撑梁的右侧；所述的车载充电机11设置在车体的右边；
所述的电机控制器5设置在车体上万用仓的支撑梁上；
所述的外接充电口9设置在车体的后部；上面安装动力电池10以及动力电池管理系统 15。
所述的储氢装置与加氢口之间设有连通管，所述的储氢装置与加氢口之间通过连通管连接；所述的储氢装置是所述的车体上设有氢燃料冷却装置，即电池温度控制装置。
如图4所示：
所述的储氢装置包括储气瓶固定架，所述的储气瓶固定架设有四个储气瓶；四个储气瓶的下管道与外通管相连接；所述的储气瓶上设有三通气阀管，所述的外通管通过三通气阀管分别与进气管和出气管相连通，在出气管上设有泄压阀，并与储氢装置的泄压口通过气管相连通，同时所述的储氢装置还设有气压传感器、氢浓度传感器和气阀总成。
如图5所示：
所述车体后尾设有氢燃料电池总成，氢燃料电池总成包括氢燃料电池2；所述的氢燃料电池2通过进气管与空气压缩机的出气管相连通；所述的空气压缩机的进气管与空气滤清器的出气管相连通；所述的空气滤清器的进气管与顶进气管相连通。
如图6所示：
所述的氢燃料冷却装置包括冷却固定支架；所述的固定支架上设有四个冷却风扇；所述的冷却固定支架与车体的底架采用机械焊接连接；在所述的冷却固定支架的一侧还设有风扇控制器和温度控制器。
所述的车体顶部的上方设有车辆散热风扇和灭火器。为整个车辆内部进行散热，以及做好消防应急准备。
该氢燃料电池混合动力卡车的工作原理：
1、高压储氢系统中的氢气和空气中的氧气在卡车搭载的氢燃料电池2中发生氧化还原反应，产生电能；当动力不足时，动力电池10可以单独输出能量；当氢燃料用完时，动力电池 10馈电则由外接充电口9直接给予充电；最后各种动力能量使得驱动电机7工作，驱动电机 7产生的机械能经后桥减速机构传给驱动车轮14，驱动卡车行驶；
2、该系统的控制策略随着动力系统的组合结构形式不同而相应变化，其行驶模式也不相同。车辆在运行过程中，遵循卡车动力性、经济性和续驶里程三大基本控制目标最优能量分配；如，在恶劣工况下，如果用纯电模式或者氢燃料系统输出功率，会造成动力电池10电量和氢气使用过快，工作效率和预期里程数都较低；因此，在车辆起步时，使用纯电模式动力电池10输出功率，根据动力电池10的SOC电荷状态来判断是否关闭纯电模式；若SOC电荷状态处于最大值，则优先使用纯电模式；反之切换成氢燃料电池输出功率模式驱动车辆行驶，既可以通过发电机发电将电能储存在动力电池10中，又可以能量利用和分配效率的最大化。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氢燃料电池混联式混合动力系统，包括驱动电机(7)、动力电池(10)、氢燃料电池(2)，所述的驱动电机(7)与动力耦合器(6)采用机械连接；其特征在于：所述的动力电池(10)通过配电柜(8)与电机控制器(5)进行电气连接；所述的氢燃料电池(2)通过DC/DC转换器(3)与电机控制器(5)进行电气连接；所述的电机控制器(5)与驱动电机(7)采用电气连接。
2.按照权利要求1所述的氢燃料电池混联式混合动力系统，其特征在于：所述的氢燃料电池(2)与氢燃料电池控制器(1)采用电气连接；所述的氢燃料电池控制器(1)与整车控制器(16)采用通信连接。
3.按照权利要求1所述的氢燃料电池混联式混合动力系统，其特征在于：所述的电机控制器(5)与整车控制器(16)采用通信连接。
4.按照权利要求1所述的氢燃料电池混联式混合动力系统，其特征在于：所述的动力耦合器(6)与发电机(12)采用机械连接；所述的发电机(12)与配电柜(8)采用电气连接。
5.按照权利要求1所述的氢燃料电池混联式混合动力系统，其特征在于：所述的DC/DC转换器(3)与DC/DC控制器(4)采用电气连接；所述的DC/DC控制器(4)与整车控制器(16)通信连接。
6.按照权利要求1所述的氢燃料电池混联式混合动力系统，其特征在于：所述的配电柜(8)与车载充电机(11)采用电气连接；所述的车载充电机(11)与动力电池管理系统(15)采用电气连接；所述的动力电池管理系统(15)与整车控制器(16)通信连接。
7.按照权利要求6所述的氢燃料电池混联式混合动力系统，其特征在于：所述的配电柜(8)与外接充电口(9)采用电气连接；所述的外接充电口(9)与动力电池管理系统(15)采用电气连接。
8.一种采用权利要求1至7中任意一项所述的氢燃料电池混联式混合动力系统的卡车，所述的卡车包括车体，所述的车体的后部设有后桥差速器(13)，所述的动力耦合器(6)与后桥差速器(13)采用机械连接；所述的后桥差速器(13)与两侧的驱动车轮(14)采用机械连接；
其特征在于：
氢燃料电池控制器(1)和整车控制器(16)设置在车体上的控制盒内；在所述的车体底架的中部设有储氢装置；
所述的配电柜(8)、DC/DC转换器(3)、DC/DC控制器(4)和动力电池管理系统(15)设置在车体的支撑梁上；
所述的氢燃料电池(2)设置在车体的支撑梁下方；
所述的发电机(12)安装在车体支撑梁的右侧；所述的车载充电机(11)设置在车体的右边；
所述的电机控制器(5)设置在车体上万用仓的支撑梁上；
所述的外接充电口(9)设置在车体的后部；上面安装动力电池(10)以及动力电池管理系统(15)。
9.按照权利要求8所述的卡车，其特征在于：所述的储氢装置与加氢口之间通过连通管连接；所述的储氢装置设有氢燃料电池温度控制装置。
10.按照权利要求8所述的卡车，其特征在于：所述的储氢装置包括储气瓶固定架，所述的储气瓶固定架设有四个储气瓶；四个储气瓶的下管道与外通管相连接；所述的储气瓶上设有三通气阀管，所述的外通管通过三通气阀管分别与进气管和出气管相连通，在出气管上设有泄压阀，并与储氢装置的泄压口通过气管相连通，同时所述的储氢装置还设有气压传感器、氢浓度传感器和气阀总成。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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