本发明专利技术公开了一种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统，包括一用于管理所述燃料电池系统单元向锂离子电池单元充电及混合动力系统对外供电，并分别与所述燃料电池系统单元、锂离子电池单元进行电连接的能量管理单元。本发明专利技术根据实时可靠地钳位燃料电池单元的输出功率，优化燃料电池系统单元的输出性能；结合锂离子电池工作温度实时估算所述锂离子电池单元的欠压浮充充电电压，在确保降低锂离子电池容量损失的基础上避免锂离子电池单元的过充，能够提高所述锂离子电池单元的浮充安全性，进一步提高燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车系统的整车安全性和经济性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统。
技术介绍
随着人们对绿色出行需求的不断增加和环保意识的不断增强，以轻便灵活、节能环保为特征的燃料电池/锂离子电池电动自行车逐渐进入人们的视野。目前电动自行车配置直流电机的额定电压通常为36V和48V，因而在这种低压直流应用中，燃料电池/锂离子电池混合动力系统的主要制式为在燃料电池级联直流变换器的输出直流总线上挂接锂离子电池组，该直流总线的电压变化范围，即锂离子电池组充放电电压范围与电动自行车电机及其控制器的工作电压范围相匹配。这种混合动力配置形式降低了对燃料电池功率和动态性能的要求，提高了系统效率，同时也降低了燃料电池系统的成本和锂离子电池组充放电管理的成本，改善了供电的灵活性和系统的运行性能。为了在既有混合动力配置形式基础上进一步提高燃料电池/锂离子电池混合动力系统的运行性能，延长燃料电池和锂离子电池组的使用寿命，在燃料电池混合动力电动自行车设计中已提出基于最优功率分配和直接功率跟随的燃料电池/锂离子电池混合动力系统能量管理策略，通过实时采集燃料电池和锂离子电池的运行参数以及自行车的行驶参数等，以最优功率分配或功率实时跟随调整为不同目标，通过对燃料电池级联直流变换器的调整实现燃料电池与锂离子电池组输出功率的动态分配和调整。上述能量管理策略由燃料电池汽车(FCV)能量管理策 略转化而来，需要采集大量参数进行实时运算和参量预测估计，并且需要燃料电池及其级联直流变换器进行耦合控制，因而需要采用额外的高性能的微处理器或微控制器作为系统的控制核心，以提高运算和控制精度，最大限度地优化系统输出，以提高整个电源系统的运行性能。但上述计及燃料电池系统控制器及其辅助外设成本后的能量管理系统控制器复杂度较高，控制器所占空间较大、灵活性较差，并会大幅增加系统的寄生功耗，而且系统控制器集成成本在系统构建成本中所占比例较大，可达20%以上，这都严重制约了燃料电池/锂电池混合动力电动自行车的商业化推广，因而需要在实际的供电系统设计中有效的平衡系统控制性能、功耗和整车成本。考虑到燃料电池系统和锂离子电池本身的相对独立性和燃料电池系统独特的输出特性，并且根据电动自行车的工况特性确定的能量管理策略可以进一步精简，因而燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统可以进行有效的解耦控制，在计及燃料电池输出特性和锂离子电池组充放电特性的基础上，进行合理的能量分配，实现整车系统稳定可靠的运行。
技术实现思路
有鉴于现有技术的以上不足，本专利技术的目的是为燃料电池/锂离子电池混合动力电动自行车提供一种满足实际运行需求的能量管理系统。该混合动力能量管理系统不仅需要对燃料电池和动力锂离子电池组进行必要的保护，以延长系统的循环使用寿命，并且以集成成本较高的燃料电池系统为核心提高燃料电池的能效；能够根据电动自行车的负载需求和锂离子电池组的充放电状态及其环境特性，以电压前馈钳位技术和锂离子电池欠压浮充技术为基础，动态分配燃料电池和锂离子电池组的功率输出，以满足电动自行车对快速启动和变速性能的要求，确保系统正常、稳定、高效地运行。本专利技术的目的是通过以下的手段实现的。—种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统，包括:一燃料电池系统单元接口，该燃料电池系统单元接口用于连接至少包括一燃料电池模块的燃料电池系统单元；一锂离子电池单元接口，该锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互串并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元；其特征在于，所述电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统包括一能量管理单元16，该能量管理单元通过前馈燃料电池系统单元输出电压，实时钳位燃料电池单元输出功率，并对锂离子电池单元进行浮充充电及放电管理；所述能量管理单元16包括:一用于用 于检测并调理所述燃料电池系统单元工作电压的燃料电池系统单元工作电压检测电路172、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电流的锂离子电池单元工作电流检测电路174、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电压的锂离子电池单元工作电压检测电路176 ；一用于加权并前馈所述燃料电池系统单元工作电压检测电路172的检测信号和加权并反馈锂离子电池单元工作电流检测电路174及锂离子电池单元工作电压检测电路176的检测信号于功率控制电路170及信号处理与逻辑控制电路190的信号加权前馈与反馈电路178 ；一受所述信号处理与逻辑控制电路使能并用于管理所述燃料电池系统单元对所述锂离子电池单元充电并向负载供电的功率控制电路170，所述功率控制电路根据所述燃料电池系统单元工作电压检测电路172所得电压信号，经信号加权前馈与反馈电路178实施前馈，并钳位所述燃料电池系统单元的输出功率；一用于控制所述燃料电池/锂离子电池混合动力系统开始或停止对外供电的过放保护电路194 ；一用于控制所述燃料电池系统单元开始或停止对所述锂离子电池充电并对负载供电的输入检测保护与反馈电路192 ；一用于使所述能量管理单元向外放电的第一输出端160和一第二输出端161 ；一用于检测并调理锂离子电池单元工作温度的锂离子电池单元工作温度检测电路 196。一用于根据所述信号加权前馈与反馈电路178的反馈信号及所述锂离子电池单元工作温度检测电路196的反馈信号估计所需荷电状态对应的工作电压并控制所述功率控制电路170、输入检测保护与反馈电路192及过放保护电路194的工作状态的信号处理与逻辑控制电路190。在实际实施时，所述功率控制电路170根据所述燃料电池系统单元工作电压检测电路所得电压信号，经信号加权前馈与反馈电路作用于功率控制电路实施前馈，并钳位所述燃料电池系统单元的输出功率。所述信号处理与逻辑控制电路190通过温度检测电路检测锂离子电池单元的工作温度，设置其放电截止电压并实施实施温度校正；当所述锂离子电池单元的工作电压低于或等于该放电截止电压时，过放保护电路194断开功率控制电路170与第二输出端的电连接，避免锂离子电池过放电；信号处理与逻辑控制电路190实施欠压浮充充电电压校正，当锂离子电池单元的工作电压等于该欠压浮充电压时，所述锂离子电池单元的工作电压被钳位于该欠压浮充电压，由功率控制电路170对锂离子电池单元进行浮充管理，实现燃料电池系统单元与锂离子电池单元同时对外部负载供电，所述欠压浮充电压低于所述锂离子电池单元的浮充电压。所述锂离子电池单元工作电流检测电路174检测锂离子电池单元的充电电流，当锂离子电池单元的充电电流等于其预设定的最大充电电流时，通过信号加权前馈与反馈电路178控制功率控制电路170使锂离子电池单元的充电电流被钳位于该最大充电电流，保证锂离子电池安全充电。所述能量管理单元16包括一用于使所述能量管理单元向外放电的第一输出端和一第二输出端，当所述锂离子电池单元的工作电压高于放电截止电压时，与所述功率控制电路有电连接的锂离子电池单元和燃料电池系统单元通过所述过放保护电路连接至第一输出端，以使所述锂离子电池单元和所述燃料电池系统单元同时向外输电；当所述锂离子电池单元的工作电压低于其放电截止电压时，所述过放保护电路使第一输出端断开能量管理单元与外部电机驱动控制器的电连接，从而使所述能量管理单元停止向外输电。所述锂离子电池单元接口所电连接的锂本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统，其包括：一燃料电池系统单元接口，该燃料电池系统单元接口用于连接至少包括一燃料电池模块的燃料电池系统单元；一锂离子电池单元接口，该锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互串并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元；其特征在于，所述电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统包括一能量管理单元（16），该能量管理单元通过前馈燃料电池系统单元输出电压，实时钳位燃料电池单元输出功率，对锂离子电池单元进行浮充充电及放电管理;所述能量管理单元（16）包括：一用于用于检测并调理所述燃料电池系统单元工作电压的燃料电池系统单元工作电压检测电路（172）、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电流的锂离子电池单元工作电流检测电路（174）、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电压的锂离子电池单元工作电压检测电路（176）；一用于加权并前馈所述燃料电池系统单元工作电压检测电路（172）的检测信号和加权并反馈锂离子电池单元工作电流检测电路（174）及锂离子电池单元工作电压检测电路（176）的检测信号于功率控制电路（170）及信号处理与逻辑控制电路(190)的信号加权前馈与反馈电路（178）；一受所述信号处理与逻辑控制电路使能并用于管理所述燃料电池系统单元对所述锂离子电池单元充电并向负载供电的功率控制电路（170），所述功率控制电路根据所述燃料电池系统单元工作电压检测电路（172）所得电压信号，经信号加权前馈与反馈电路（178）实施前馈，并钳位所述燃料电池系统单元的输出功率；一用于控制所述燃料电池/锂离子电池混合动力系统开始或停止对外供电的过放保护电路（194）；一用于控制所述燃料电池系统单元开始或停止对所述锂离子电池充电并对负载供电的输入检测保护与反馈电路（192）；一用于使所述能量管理单元向外放电的第一输出端(160)和一第二输出端(161)；一用于检测并调理锂离子电池单元工作温度的锂离子电池单元工作温度检测电路（196）；一用于根据所述信号加权前馈与反馈电路（192）的反馈信号及所述锂离子电池单元工作温度检测电路（196）的反馈信号估计所需荷电状态对应的工作电压并控制所述功率控制电路、输入检测保护与反馈电路192及过放保护电路194的工作状态的信号处理与逻辑控 制电路（190）。...
【技术特征摘要】
1.一种电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统，其包括:一燃料电池系统单元接口，该燃料电池系统单元接口用于连接至少包括一燃料电池模块的燃料电池系统单元；一锂离子电池单元接口，该锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互串并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元；其特征在于，所述电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统包括一能量管理单元(16)，该能量管理单元通过前馈燃料电池系统单元输出电压，实时钳位燃料电池单元输出功率，对锂离子电池单元进行浮充充电及放电管理； 所述能量管理单元(16)包括: 一用于用于检测并调理所述燃料电池系统单元工作电压的燃料电池系统单元工作电压检测电路(172)、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电流的锂离子电池单元工作电流检测电路(174)、一用于检测并调理所述锂离子电池单元工作电压的锂离子电池单元工作电压检测电路(I76)； 一用于加权并前馈所述燃料电池系统单元工作电压检测电路(172)的检测信号和加权并反馈锂离子电池单元工作电流检测电路(174)及锂离子电池单元工作电压检测电路(176)的检测信号于功率控制电路(170)及信号处理与逻辑控制电路(190)的信号加权前馈与反馈电路(178); 一受所述信号处理与逻辑控制电路使能并 用于管理所述燃料电池系统单元对所述锂离子电池单元充电并向负载供电的功率控制电路(170)，所述功率控制电路根据所述燃料电池系统单元工作电压检测电路(172)所得电压信号，经信号加权前馈与反馈电路(178)实施前馈，并钳位所述燃料电池系统单元的输出功率； 一用于控制所述燃料电池/锂离子电池混合动力系统开始或停止对外供电的过放保护电路(194)； 一用于控制所述燃料电池系统单元开始或停止对所述锂离子电池充电并对负载供电的输入检测保护与反馈电路(192)； 一用于使所述能量管理单元向外放电的第一输出端(160)和一第二输出端(161)； 一用于检测并调理锂离子电池单元工作温度的锂离子电池单元工作温度检测电路(196)； 一用于根据所述信号加权前馈与反馈电路(192)的反馈信号及所述锂离子电池单元工作温度检测电路(196)的反馈信号估计所需荷电状态对应的工作电压并控制所述功率控制电路、输入检测保护与反馈电路192及过放保护电路194的工作状态的信号处理与逻辑控制电路(190)。2.如权利要求1所述的电动自行车用燃料电池/锂离子电池混合动力能量管理系统，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：田维民，彭飞，陈维荣，李奇，刘志祥，戴朝华，张雪霞，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
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