[发明专利]一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统及控制方法

说明书

本发明公开一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统及控制方法，包括燃料电池电堆及控制单元、氢气储存及管路单元、锂电池组及电池管理单元、后备锂电池组单元、车辆控制器和操作及显示单元。本发明针对燃料电池的启动特点及运行中可能出现的状况，设计了具有后备储能的能量管理系统，在运行过程中，车辆控制器会监测动力锂电池组及后备锂电池组的荷电状态信息，并针对不同的状态执行相应的能量管理策略，同时可在动力锂电池组故障时通过后备锂电池组维持燃料电池的运行，使系统继续工作在纯燃料电池供电模式，避免停机，提高了系统可靠性及安全性。

技术领域

本发明属于燃料电池混合动力技术领域，特别是涉及一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统及控制方法。

背景技术

近年来燃料电池技术得到了广泛的关注与发展，然而燃料电池自身高成本，易衰退，需额外设备等问题成为制约燃料电池技术商用化的阻碍。如何提高燃料电池运行可靠性，减少因使用不当或意外故障引起的燃料电池性能衰减甚至损坏是燃料电池动力系统在设计及使用中必须关注的问题。

目前世界各国已经对燃油车引起的环境污染问题产生高度重视，并相继推出淘汰燃油车的规划及行动。燃料电池动力系统作为可能替代燃油动力系统成为新一代主流车用动力系统的重要能源领域技术，以日本丰田，本田等著名车企为代表，已经对燃料电池车用化做了许多探索并取得了丰硕的成果，发布了Mirai等燃料电池概念车型，并引起世界范围内对于燃料电池车的关注与研发。

在燃料电池动力车中，燃料电池电堆的成本占据了主要因素，在目前技术环境下，电堆实际寿命通常在2000-5000小时之间，并与工况中的启停及剧烈变载有关，为燃料电池提供一个平稳的工作状态，能极大地延长燃料电池工作寿命及供电系统的可靠稳定程度。为使燃料电池在复杂工况下能维持平稳的工作环境，通常使用锂电池与燃料电池组合成混合动力系统，由锂电池提供剧烈变化的功率需求分量，燃料电池提供稳定的功率需求分量，同时多个供电源也提高了供电系统整体的可靠性。

不同于锂电池等传统储能系统，燃料电池发电系统在工作中往往需要向辅助燃料电池电堆工作的燃料电池控制器等辅机设备供电来维持系统运行。由于燃料电池发电系统存在一定不稳定性，需要提供后备储能提高系统稳定性，目前车用燃料电池混合动力系统中，一般使用锂电池作为为燃料电池辅机系统供电的动力源。但在实际使用中往往会出现锂电池电量不足或锂电池出现故障而导致燃料电池无法正常启动的现象；并且在车辆运行过程中，经常出现上下车等系统短暂停止的状态，也大大影响了燃料电池的自身寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统及控制方法，有效维持燃料电池的全时段正常运行，避免停机，提高了系统可靠性及安全性；保障燃料电池正常启动及根据各系统工作状态判断混合动力功率分配方式，提高系统能量利用效率，避免燃料电池停机引起频繁启停减少燃料电池寿命。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种后备储能式车用燃料电池混合动力系统，包括燃料电池电堆及控制单元、氢气储存及管路单元、锂电池组及电池管理单元、后备锂电池组单元、车辆控制器和操作及显示单元；

所述燃料电池电堆及控制单元包括燃料电池、燃料电池控制器和燃料电池管理器，所述氢气储存及管路单元连接至燃料电池的氢气入口，所述燃料电池的供电端通过燃料电池管理器连接至车辆动力装置，所述后备锂电池组单元的供电端通过燃料电池控制器连接至燃料电池，所述燃料电池控制器与车辆控制器信号连接；

所述氢气储存及管路单元将高压氢气调节为燃料电池所需压力供给燃料电池；

所述锂电池组及电池管理单元包括动力锂电池组及其配套的动力锂电池管理器，动力锂电池组通过动力锂电池管理器连接至车辆动力装置，动力锂电池组用于提供在车辆运行中燃料电池响应不及的突变功率；动力锂电池管理器检测动力锂电池状态信息并将检测的信息传达给车辆控制器；