小型内河艇用燃料电池混合动力系统技术方案

本发明专利技术公开了一种小型内河艇用燃料电池混合动力系统，将燃料电池与超级电容并联输出，当其中一组电源性能下降时，另一组可以提供小型内河艇所需能量。燃料电池堆经过单向DC/DC变换器的输出电压要高于超级电容的满电电压；当小型内河艇所需输出功率较低时，由燃料电池提供能量，同时给超级电容充电，直至超级电容的电量达到满电，超级电容达到满电后停止充电；当小型内河艇所需输出功率超出燃料电池的能力时，燃料电池与超级电容同时工作，为小型内河艇提供动力。一旦在小型内河艇航行过程中出现燃料电池故障或燃料耗尽时，柴油发电机组启动，为小型内河艇提供返航电能。本发明专利技术能够最大程度延长小型内河艇航行时间，简化的空气动力系统，减小了电源系统占用比重，降低了系统的能耗。

Fuel Cell Hybrid Power System for Small Inland Watercraft

The invention discloses a fuel cell hybrid power system for small inland watercraft, which outputs fuel cells and supercapacitors in parallel. When the performance of one group of power supplies decreases, the other group can provide the energy needed by small inland watercraft. The output voltage of fuel cell stack through one-way DC/DC converter is higher than the full voltage of supercapacitor; when the output power of small inland river boat is low, the fuel cell provides energy and charges the supercapacitor until the supercapacitor reaches full power, and the supercapacitor stops charging when the supercapacitor reaches full power; when the output power of small inland river boat exceeds the energy of fuel cell Fuel cells and supercapacitors work simultaneously to provide power for small inland boats. Once fuel cell failures or fuel depletion occur during the navigation of small inland watercraft, diesel generator sets are started to provide return power for small inland watercraft. The invention can maximize the navigation time of a small inland river boat, simplify the aerodynamic system, reduce the occupancy proportion of the power supply system and reduce the energy consumption of the system.

【技术实现步骤摘要】
小型内河艇用燃料电池混合动力系统
本专利技术涉及混合动力电源领域，更具体地说，涉及一种小型内河艇用燃料电池混合动力系统。
技术介绍
近年来，随着环保要求的不断提高，传统以燃油机为能源的小型内河艇不能满足环境要求，很多景区已严禁仅采用柴油机驱动的游览船运行，采用太阳能和蓄电池的纯太阳能小型内河艇越来越受到重视。但是现阶段，由于太阳能能量密度低、不稳定性以及游览船空间有限，纯太阳能游览船的电力系统容量有限，续航能力不足，使得小型内河艇应用受到限制，严重影响旅游景区经济发展。燃料电池具有排放低、噪声小、低震动并且能量效率高等优点，在小型内河艇领域的研究快速展开。由于燃料电池动态特性差，功率的快速波动会严重影响其自身的寿命，并造成母线电压波动从而降低电能质量，所以燃料电池需要与储能装置相配合。目前大部分混合动力系统辅助能源采用单一蓄电池供电，蓄电池的特点是技术相对比较完善，结构简单成本较低，但其占用空间较大、电池的一致性连同精确性很难解决，运行过程中常出现功率大幅波动的情况，此时蓄电池难以满足性能要求并存在寿命缩短问题。另外，燃料电池动力系统需要根据功率大小匹配电动空气压缩机，目前燃料电池动力系统的空气供应系统的电动空气压缩机部件数量较多，在小型内河艇上应用时，存在结构复杂及启动等待时间过长的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提出一种小型内河艇用燃料电池混合动力系统。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种小型内河艇用燃料电池混合动力系统，包括燃料电池模块、辅助电源模块、应急电源模块、充电装置模块和空气供应模块，所述空气供应模块为燃料电池模块提供空气，所述燃料电池模块、应急电源模块的输出端连接单向DC/DC变换器的输入端，所述单向DC/DC变换器的输出端与开关K1、二极管D1和熔断器F1依次连接后分为两个支路，第一支路连接小型内河艇的电机控制器的输入端，第二支路依次连接开关K2、二极管D2和熔断器F2后接入所述充电装置模块的输入端，所述充电装置模块的输出端连接辅助电源模块的输入端，所述辅助电源模块的输出端连接电机控制器的输入端，所述电机控制器的输出端连接小型内河艇的驱动电机M，所述驱动电机M与空气供应模块之间通过离合器连接。在上述方案中，所述燃料电池模块包括燃料电池控制器、燃料电池电堆和氢气供应系统，所述氢气供应系统为燃料电池堆提供氢气，所述燃料电池控制器的输出端连接燃料电池电堆；所述燃料电池堆的输出端连接单向DC/DC变换器的输入端。在上述方案中，所述应急电源模块包括柴油发电机组和整流器，所述柴油发电机组的输出端依次连接整流器、二极管D5、熔断器F4、开关K4后接入单向DC/DC变换器的输入端。在上述方案中，所述充电装置模块由继电器和可控硅串联构成。在上述方案中，所述所述充电装置模块的输入端还与单向DC/DC变换器的输出端连接，对所述单向DC/DC变换器的输出电压V2进行监测；所述充电装置的输出端还通过二极管D4与超级电容的输出端连接，对所述超级电容的端电压V1进行监测。在上述方案中，所述辅助电源模块包括超级电容器和双向DC/DC变换器，所述超级电容的输入端与充电装置模块的输出端，所述超级电容的输出端依次连接双向DC/DC变换器、开关K3、二极管D3和熔断器F3后接入电机控制器的输入端。在上述方案中，所述空气供应模块包括空压机组件、加湿器和空气过滤消音器，所述空压机组件与驱动电机M之间通过离合器连接，所述加湿器设置在空压机组件的空气输出端，所述空气过滤消音器设置在空压机组件内部。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术将燃料电池和超级电容并联，在小型内河艇处于加速阶段同时工作；小型内河艇巡航和下降过程只是用燃料电池，超级电容不工作，能够最大程度的延长小型内河艇航行时间；本专利技术还加入柴油发电机组提供应急输出，最大程度保证小艇航行的可靠性与安全性；引入充电装置，在整个过程中对单向DC/DC变换器的输出电压和超级电容的端电压保持监测，确保超级电容充放电过程能够正常进行；提供符合工况需求、简化的空气动力系统，减小了电源系统占用比重，使小艇启动时无需等待，从而降低了系统的能耗。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例小型内河艇用燃料电池混合动力系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例小型内河艇用燃料电池混合动力系统的控制原理示意图；图3是本专利技术实施例小型内河艇用燃料电池混合动力系统的工作模式时序控制图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。如图1所示，本专利技术提供一种小型内河艇用燃料电池混合动力系统，包括燃料电池模块、辅助电源模块、应急电源模块、充电装置模块和空气供应模块。燃料电池模块包括燃料电池控制器、燃料电池电堆和氢气供应系统，氢气供应系统为燃料电池堆提供氢气，燃料电池控制器的输出端连接燃料电池电堆，燃料电池堆的输出端连接单向DC/DC变换器的输入端。应急电源模块包括柴油发电机组和整流器，柴油发电机组的输出端依次连接整流器、二极管D5、熔断器F4、开关K4后接入单向DC/DC变换器的输入端。单向DC/DC变换器的输出端与开关K1、二极管D1和熔断器F1依次连接后分为两个支路，第一支路连接小型内河艇的电机控制器的输入端，第二支路依次连接开关K2、二极管D2和熔断器F2后接入充电装置模块的输入端。充电装置模块由继电器和可控硅串联构成，充电装置模块的输入端还与单向DC/DC变换器的输出端连接，对单向DC/DC变换器的输出电压V2进行监测。辅助电源模块包括超级电容器和双向DC/DC变换器，充电装置模块的输出端与超级电容的输入端连接，超级电容的输出端依次连接双向DC/DC变换器、开关K3、二极管D3和熔断器F3后接入电机控制器的输入端。充电装置的输出端还通过二极管D4与超级电容的输出端连接，对超级电容的端电压V1进行监测。空气供应模块为燃料电池模块提供空气，空气供应模块包括空压机组件、加湿器和空气过滤消音器，空压机组件与驱动电机M之间通过离合器连接，加湿器设置在空压机组件的空气输出端，空气过滤消音器设置在空压机组件内部。本专利技术与现有技术的最大区别是，将燃料电池与超级电容并联输出，当其中一组电源性能下降时，另一组可以提供小型内河艇所需能量。燃料电池堆经过单向DC/DC变换器的输出电压要高于超级电容的满电电压。当小型内河艇所需输出功率较低时，由燃料电池提供能量，同时给超级电容充电，直至超级电容的电量达到满电，超级电容达到满电后停止充电，这能够延长航时。当小型内河艇所需输出功率超出燃料电池的能力时，燃料电池与超级电容同时工作，为小型内河艇提供动力。一旦在小型内河艇航行过程中出现燃料电池故障或燃料耗尽时，柴油发电机组启动，为小型内河艇提供返航电能。该燃料电池混合动力系统在工作时，充电系统时刻检测单向DC/DC变换器的输出端电压与超级电容的输出电压，当超级电容的输出电压低于单向DC/DC变换器的输出端电压时，充电装置会给超级电容进行充电，当超级电容达到满电时，停止充电。单向DC/DC变换器的输出端电压要高于超级电容的满电电压，这样保证了系统工作过程中，当超级电容消耗过大后，燃料电池经过单向DC/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.小型内河艇用燃料电池混合动力系统，其特征在于，包括燃料电池模块、辅助电源模块、应急电源模块、充电装置模块和空气供应模块，所述空气供应模块为燃料电池模块提供空气，所述燃料电池模块、应急电源模块的输出端连接单向DC/DC变换器的输入端，所述单向DC/DC变换器的输出端与开关K1、二极管D1和熔断器F1依次连接后分为两个支路，第一支路连接小型内河艇的电机控制器的输入端，第二支路依次连接开关K2、二极管D2和熔断器F2后接入所述充电装置模块的输入端，所述充电装置模块的输出端连接辅助电源模块的输入端，所述辅助电源模块的输出端连接电机控制器的输入端，所述电机控制器的输出端连接小型内河艇的驱动电机M，所述驱动电机M与空气供应模块之间通过离合器连接。

【技术特征摘要】
1.小型内河艇用燃料电池混合动力系统，其特征在于，包括燃料电池模块、辅助电源模块、应急电源模块、充电装置模块和空气供应模块，所述空气供应模块为燃料电池模块提供空气，所述燃料电池模块、应急电源模块的输出端连接单向DC/DC变换器的输入端，所述单向DC/DC变换器的输出端与开关K1、二极管D1和熔断器F1依次连接后分为两个支路，第一支路连接小型内河艇的电机控制器的输入端，第二支路依次连接开关K2、二极管D2和熔断器F2后接入所述充电装置模块的输入端，所述充电装置模块的输出端连接辅助电源模块的输入端，所述辅助电源模块的输出端连接电机控制器的输入端，所述电机控制器的输出端连接小型内河艇的驱动电机M，所述驱动电机M与空气供应模块之间通过离合器连接。2.根据权利要求1所述的小型内河艇用燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述燃料电池模块包括燃料电池控制器、燃料电池电堆和氢气供应系统，所述氢气供应系统为燃料电池堆提供氢气，所述燃料电池控制器的输出端连接燃料电池电堆；所述燃料电池堆的输出端连接单向DC/DC变换器的输入端。3.根据权利要求1所述的小型内河艇用燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述应急电源模块包括柴油发电机组和整流器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高国章，王子剑，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42