本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種電動(dòng)自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)，包括一用于管理所述燃料電池系統(tǒng)單元向鋰離子電池單元充電及混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)外供電，并分別與所述燃料電池系統(tǒng)單元、鋰離子電池單元進(jìn)行電連接的能量管理單元。本發(fā)明專利技術(shù)根據(jù)實(shí)時(shí)可靠地鉗位燃料電池單元的輸出功率，優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)單元的輸出性能；結(jié)合鋰離子電池工作溫度實(shí)時(shí)估算所述鋰離子電池單元的欠壓浮充充電電壓，在確保降低鋰離子電池容量損失的基礎(chǔ)上避免鋰離子電池單元的過充，能夠提高所述鋰離子電池單元的浮充安全性，進(jìn)一步提高燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力電動(dòng)自行車系統(tǒng)的整車安全性和經(jīng)濟(jì)性。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種電動(dòng)自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
隨著人們對(duì)綠色出行需求的不斷增加和環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，以輕便靈活、節(jié)能環(huán)保為特征的燃料電池/鋰離子電池電動(dòng)自行車逐漸進(jìn)入人們的視野。目前電動(dòng)自行車配置直流電機(jī)的額定電壓通常為36V和48V，因而在這種低壓直流應(yīng)用中，燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要制式為在燃料電池級(jí)聯(lián)直流變換器的輸出直流總線上掛接鋰離子電池組，該直流總線的電壓變化范圍，即鋰離子電池組充放電電壓范圍與電動(dòng)自行車電機(jī)及其控制器的工作電壓范圍相匹配。這種混合動(dòng)力配置形式降低了對(duì)燃料電池功率和動(dòng)態(tài)性能的要求，提高了系統(tǒng)效率，同時(shí)也降低了燃料電池系統(tǒng)的成本和鋰離子電池組充放電管理的成本，改善了供電的靈活性和系統(tǒng)的運(yùn)行性能。為了在既有混合動(dòng)力配置形式基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行性能，延長(zhǎng)燃料電池和鋰離子電池組的使用壽命，在燃料電池混合動(dòng)力電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)中已提出基于最優(yōu)功率分配和直接功率跟隨的燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略，通過實(shí)時(shí)采集燃料電池和鋰離子電池的運(yùn)行參數(shù)以及自行車的行駛參數(shù)等，以最優(yōu)功率分配或功率實(shí)時(shí)跟隨調(diào)整為不同目標(biāo)，通過對(duì)燃料電池級(jí)聯(lián)直流變換器的調(diào)整實(shí)現(xiàn)燃料電池與鋰離子電池組輸出功率的動(dòng)態(tài)分配和調(diào)整。上述能量管理策略由燃料電池汽車(FCV)能量管理策 略轉(zhuǎn)化而來，需要采集大量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算和參量預(yù)測(cè)估計(jì)，并且需要燃料電池及其級(jí)聯(lián)直流變換器進(jìn)行耦合控制，因而需要采用額外的高性能的微處理器或微控制器作為系統(tǒng)的控制核心，以提高運(yùn)算和控制精度，最大限度地優(yōu)化系統(tǒng)輸出，以提高整個(gè)電源系統(tǒng)的運(yùn)行性能。但上述計(jì)及燃料電池系統(tǒng)控制器及其輔助外設(shè)成本后的能量管理系統(tǒng)控制器復(fù)雜度較高，控制器所占空間較大、靈活性較差，并會(huì)大幅增加系統(tǒng)的寄生功耗，而且系統(tǒng)控制器集成成本在系統(tǒng)構(gòu)建成本中所占比例較大，可達(dá)20%以上，這都嚴(yán)重制約了燃料電池/鋰電池混合動(dòng)力電動(dòng)自行車的商業(yè)化推廣，因而需要在實(shí)際的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有效的平衡系統(tǒng)控制性能、功耗和整車成本。考慮到燃料電池系統(tǒng)和鋰離子電池本身的相對(duì)獨(dú)立性和燃料電池系統(tǒng)獨(dú)特的輸出特性，并且根據(jù)電動(dòng)自行車的工況特性確定的能量管理策略可以進(jìn)一步精簡(jiǎn)，因而燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)可以進(jìn)行有效的解耦控制，在計(jì)及燃料電池輸出特性和鋰離子電池組充放電特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的能量分配，實(shí)現(xiàn)整車系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本專利技術(shù)的目的是為燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力電動(dòng)自行車提供一種滿足實(shí)際運(yùn)行需求的能量管理系統(tǒng)。該混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)不僅需要對(duì)燃料電池和動(dòng)力鋰離子電池組進(jìn)行必要的保護(hù)，以延長(zhǎng)系統(tǒng)的循環(huán)使用壽命，并且以集成成本較高的燃料電池系統(tǒng)為核心提高燃料電池的能效；能夠根據(jù)電動(dòng)自行車的負(fù)載需求和鋰離子電池組的充放電狀態(tài)及其環(huán)境特性，以電壓前饋鉗位技術(shù)和鋰離子電池欠壓浮充技術(shù)為基礎(chǔ)，動(dòng)態(tài)分配燃料電池和鋰離子電池組的功率輸出，以滿足電動(dòng)自行車對(duì)快速啟動(dòng)和變速性能的要求，確保系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。本專利技術(shù)的目的是通過以下的手段實(shí)現(xiàn)的。—種電動(dòng)自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)，包括:一燃料電池系統(tǒng)單元接口，該燃料電池系統(tǒng)單元接口用于連接至少包括一燃料電池模塊的燃料電池系統(tǒng)單元；一鋰離子電池單元接口，該鋰離子電池單元接口用于連接包括一鋰離子電池或相互串并聯(lián)的多個(gè)鋰離子電池的鋰離子電池單元；其特征在于，所述電動(dòng)自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)包括一能量管理單元16，該能量管理單元通過前饋燃料電池系統(tǒng)單元輸出電壓，實(shí)時(shí)鉗位燃料電池單元輸出功率，并對(duì)鋰離子電池單元進(jìn)行浮充充電及放電管理；所述能量管理單元16包括:一用于用 于檢測(cè)并調(diào)理所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓的燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路172、一用于檢測(cè)并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電流的鋰離子電池單元工作電流檢測(cè)電路174、一用于檢測(cè)并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電壓的鋰離子電池單元工作電壓檢測(cè)電路176 ；一用于加權(quán)并前饋所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路172的檢測(cè)信號(hào)和加權(quán)并反饋鋰離子電池單元工作電流檢測(cè)電路174及鋰離子電池單元工作電壓檢測(cè)電路176的檢測(cè)信號(hào)于功率控制電路170及信號(hào)處理與邏輯控制電路190的信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路178 ；一受所述信號(hào)處理與邏輯控制電路使能并用于管理所述燃料電池系統(tǒng)單元對(duì)所述鋰離子電池單元充電并向負(fù)載供電的功率控制電路170，所述功率控制電路根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路172所得電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路178實(shí)施前饋，并鉗位所述燃料電池系統(tǒng)單元的輸出功率；一用于控制所述燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)開始或停止對(duì)外供電的過放保護(hù)電路194 ；一用于控制所述燃料電池系統(tǒng)單元開始或停止對(duì)所述鋰離子電池充電并對(duì)負(fù)載供電的輸入檢測(cè)保護(hù)與反饋電路192 ；一用于使所述能量管理單元向外放電的第一輸出端160和一第二輸出端161 ；一用于檢測(cè)并調(diào)理鋰離子電池單元工作溫度的鋰離子電池單元工作溫度檢測(cè)電路 196。一用于根據(jù)所述信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路178的反饋信號(hào)及所述鋰離子電池單元工作溫度檢測(cè)電路196的反饋信號(hào)估計(jì)所需荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的工作電壓并控制所述功率控制電路170、輸入檢測(cè)保護(hù)與反饋電路192及過放保護(hù)電路194的工作狀態(tài)的信號(hào)處理與邏輯控制電路190。在實(shí)際實(shí)施時(shí)，所述功率控制電路170根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路所得電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路作用于功率控制電路實(shí)施前饋，并鉗位所述燃料電池系統(tǒng)單元的輸出功率。所述信號(hào)處理與邏輯控制電路190通過溫度檢測(cè)電路檢測(cè)鋰離子電池單元的工作溫度，設(shè)置其放電截止電壓并實(shí)施實(shí)施溫度校正；當(dāng)所述鋰離子電池單元的工作電壓低于或等于該放電截止電壓時(shí)，過放保護(hù)電路194斷開功率控制電路170與第二輸出端的電連接，避免鋰離子電池過放電；信號(hào)處理與邏輯控制電路190實(shí)施欠壓浮充充電電壓校正，當(dāng)鋰離子電池單元的工作電壓等于該欠壓浮充電壓時(shí)，所述鋰離子電池單元的工作電壓被鉗位于該欠壓浮充電壓，由功率控制電路170對(duì)鋰離子電池單元進(jìn)行浮充管理，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)單元與鋰離子電池單元同時(shí)對(duì)外部負(fù)載供電，所述欠壓浮充電壓低于所述鋰離子電池單元的浮充電壓。所述鋰離子電池單元工作電流檢測(cè)電路174檢測(cè)鋰離子電池單元的充電電流，當(dāng)鋰離子電池單元的充電電流等于其預(yù)設(shè)定的最大充電電流時(shí)，通過信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路178控制功率控制電路170使鋰離子電池單元的充電電流被鉗位于該最大充電電流，保證鋰離子電池安全充電。所述能量管理單元16包括一用于使所述能量管理單元向外放電的第一輸出端和一第二輸出端，當(dāng)所述鋰離子電池單元的工作電壓高于放電截止電壓時(shí)，與所述功率控制電路有電連接的鋰離子電池單元和燃料電池系統(tǒng)單元通過所述過放保護(hù)電路連接至第一輸出端，以使所述鋰離子電池單元和所述燃料電池系統(tǒng)單元同時(shí)向外輸電；當(dāng)所述鋰離子電池單元的工作電壓低于其放電截止電壓時(shí)，所述過放保護(hù)電路使第一輸出端斷開能量管理單元與外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的電連接，從而使所述能量管理單元停止向外輸電。所述鋰離子電池單元接口所電連接的鋰本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種電動(dòng)自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)，其包括：一燃料電池系統(tǒng)單元接口，該燃料電池系統(tǒng)單元接口用于連接至少包括一燃料電池模塊的燃料電池系統(tǒng)單元；一鋰離子電池單元接口，該鋰離子電池單元接口用于連接包括一鋰離子電池或相互串并聯(lián)的多個(gè)鋰離子電池的鋰離子電池單元；其特征在于，所述電動(dòng)自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)包括一能量管理單元（16），該能量管理單元通過前饋燃料電池系統(tǒng)單元輸出電壓，實(shí)時(shí)鉗位燃料電池單元輸出功率，對(duì)鋰離子電池單元進(jìn)行浮充充電及放電管理;所述能量管理單元（16）包括：一用于用于檢測(cè)并調(diào)理所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓的燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路（172）、一用于檢測(cè)并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電流的鋰離子電池單元工作電流檢測(cè)電路（174）、一用于檢測(cè)并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電壓的鋰離子電池單元工作電壓檢測(cè)電路（176）；一用于加權(quán)并前饋所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路（172）的檢測(cè)信號(hào)和加權(quán)并反饋鋰離子電池單元工作電流檢測(cè)電路（174）及鋰離子電池單元工作電壓檢測(cè)電路（176）的檢測(cè)信號(hào)于功率控制電路（170）及信號(hào)處理與邏輯控制電路(190)的信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路（178）；一受所述信號(hào)處理與邏輯控制電路使能并用于管理所述燃料電池系統(tǒng)單元對(duì)所述鋰離子電池單元充電并向負(fù)載供電的功率控制電路（170），所述功率控制電路根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路（172）所得電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路（178）實(shí)施前饋，并鉗位所述燃料電池系統(tǒng)單元的輸出功率；一用于控制所述燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)開始或停止對(duì)外供電的過放保護(hù)電路（194）；一用于控制所述燃料電池系統(tǒng)單元開始或停止對(duì)所述鋰離子電池充電并對(duì)負(fù)載供電的輸入檢測(cè)保護(hù)與反饋電路（192）；一用于使所述能量管理單元向外放電的第一輸出端(160)和一第二輸出端(161)；一用于檢測(cè)并調(diào)理鋰離子電池單元工作溫度的鋰離子電池單元工作溫度檢測(cè)電路（196）；一用于根據(jù)所述信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路（192）的反饋信號(hào)及所述鋰離子電池單元工作溫度檢測(cè)電路（196）的反饋信號(hào)估計(jì)所需荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的工作電壓并控制所述功率控制電路、輸入檢測(cè)保護(hù)與反饋電路192及過放保護(hù)電路194的工作狀態(tài)的信號(hào)處理與邏輯控 制電路（190）。...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種電動(dòng)自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)，其包括:一燃料電池系統(tǒng)單元接口，該燃料電池系統(tǒng)單元接口用于連接至少包括一燃料電池模塊的燃料電池系統(tǒng)單元；一鋰離子電池單元接口，該鋰離子電池單元接口用于連接包括一鋰離子電池或相互串并聯(lián)的多個(gè)鋰離子電池的鋰離子電池單元；其特征在于，所述電動(dòng)自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)包括一能量管理單元(16)，該能量管理單元通過前饋燃料電池系統(tǒng)單元輸出電壓，實(shí)時(shí)鉗位燃料電池單元輸出功率，對(duì)鋰離子電池單元進(jìn)行浮充充電及放電管理； 所述能量管理單元(16)包括: 一用于用于檢測(cè)并調(diào)理所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓的燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路(172)、一用于檢測(cè)并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電流的鋰離子電池單元工作電流檢測(cè)電路(174)、一用于檢測(cè)并調(diào)理所述鋰離子電池單元工作電壓的鋰離子電池單元工作電壓檢測(cè)電路(I76)； 一用于加權(quán)并前饋所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路(172)的檢測(cè)信號(hào)和加權(quán)并反饋鋰離子電池單元工作電流檢測(cè)電路(174)及鋰離子電池單元工作電壓檢測(cè)電路(176)的檢測(cè)信號(hào)于功率控制電路(170)及信號(hào)處理與邏輯控制電路(190)的信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路(178); 一受所述信號(hào)處理與邏輯控制電路使能并 用于管理所述燃料電池系統(tǒng)單元對(duì)所述鋰離子電池單元充電并向負(fù)載供電的功率控制電路(170)，所述功率控制電路根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)單元工作電壓檢測(cè)電路(172)所得電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路(178)實(shí)施前饋，并鉗位所述燃料電池系統(tǒng)單元的輸出功率； 一用于控制所述燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)開始或停止對(duì)外供電的過放保護(hù)電路(194)； 一用于控制所述燃料電池系統(tǒng)單元開始或停止對(duì)所述鋰離子電池充電并對(duì)負(fù)載供電的輸入檢測(cè)保護(hù)與反饋電路(192)； 一用于使所述能量管理單元向外放電的第一輸出端(160)和一第二輸出端(161)； 一用于檢測(cè)并調(diào)理鋰離子電池單元工作溫度的鋰離子電池單元工作溫度檢測(cè)電路(196)； 一用于根據(jù)所述信號(hào)加權(quán)前饋與反饋電路(192)的反饋信號(hào)及所述鋰離子電池單元工作溫度檢測(cè)電路(196)的反饋信號(hào)估計(jì)所需荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的工作電壓并控制所述功率控制電路、輸入檢測(cè)保護(hù)與反饋電路192及過放保護(hù)電路194的工作狀態(tài)的信號(hào)處理與邏輯控制電路(190)。2.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)自行車用燃料電池/鋰離子電池混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)，其...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：田維民，彭飛，陳維榮，李奇，劉志祥，戴朝華，張雪霞，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西南交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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