一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统

摘要

本发明涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统。该系统包括壳体、控制板、功率板、超级电容模块、双向DC模块和动力电池模块；所述控制板、所述功率板、所述超级电容模块、所述双向DC模块和动力电池模块均集成设置在所述壳体内，所述控制板和所述功率板电连接，所述超级电容模块、所述双向DC模块和动力电池模块均集成设置在所述功率板上。本发明所述辅助能源系统，将原有超级电容系统、双向DC和动力电池集合成一个混合辅助能源系统，较三个分离式系统，该辅助能源系统的体积和重量均显著减小，为氢能汽车节省了大量的布置空间，还显著降低了氢能汽车的生产成本，提高了经济性能，还具有高压安全性能强和实用性强等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统。

背景技术

随着氢燃料新能源汽车的普及和推广，氢燃料汽车得到世界范围内广泛的关注。由于氢能汽车属于新兴的技术产品，导致有许多特有的相关产品诞生，其中混合辅助能源方案作为氢能汽车提高动力性与续驶里程的方案。而现有的分离式的混合辅助能源系统具有体积大，成本高，结构设计复杂等诸多问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统。

本发明提供一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统，控制板、功率板、超级电容模块、双向DC模块、动力电池模块、所述第一铜排和所述第二铜排；

所述控制板和所述功率板电连接，所述超级电容模块、所述双向DC模块和动力电池模块均集成设置在所述功率板上；

所述超级电容模块包括第一电容单体、第二电容单体、预充回路保险、超级电容负极接触器、超级电容正极接触器、预充接触器和预充电阻；

所述双向DC模块包括升降压模块、输入侧预充电容和输出侧预充电容；

所述动力电池模块包括第一动力电池、第二动力电池、第二MBD开关、动力电池主负接触器、动力电池回路保险、动力电池主正接触器、动力电池预充接触器、动力电池预充电阻和第三铜排；

所述第一电容单体与所述第二电容单体串联，第二电容单体的正极与所述预充回路保险的正极电连接，所述预充回路保险的负极与所述预充接触器的一端电连接，所述预充接触器的另一端与所述预充电阻的正极电连接，所述超级电容正极接触器的一端与所述预充接触器的一端电连接，其另一端与所述预充电阻的负极电连接，所述超级电容负极接触器的一端与所述第一电容单体的负极电连接，所述第一铜排的负极分别与所述超级电容负极接触器的另一端、所述输入侧预充电容的负极和所述升降压模块的第二高压输入端电连接，其正极分别与所述预充电阻的负极、所述升降压模块的第一高压输入端，所述输出侧预充电容的正极和负极分别与所述升降压模块的第一高压输出端和第二高压输出端电连接；

所述第一动力电池、所述第二MBD开关、所述第三铜排和所述第二动力电池依次串联，所述动力电池预充接触器的一端与所述第一动力电池的正极电连接，其另一端与所述动力电池预充电阻的正极电连接，所述动力电池主正接触器的一端与所述第一动力电池的正极电连接，其另一端与所述动力电池预充电阻的负极电连接，所述动力电池主负接触器的一端与所述第二动力电池的负极电连接，其另一端与所述动力电池回路保险的负极电连接，所述第二铜排的负极分别与所述动力电池回路保险的正极和所述输出侧预充电容的负极电连接，其正极分别与所述动力电池预充电阻的负极和所述输出侧预充电容的正极电连接。

进一步地，还包括壳体，所述控制板、所述功率板、所述超级电容模块和所述双向DC模块均集成设置在所述壳体内，所述控制板具有低压输入端，所述壳体上设有低压电源插口、所述第一MBD开关、所述第二MBD开关和高压输出接口，所述第一低压电源插口与所述低压输入端电连接，所述高压输出接口分别与所述升降压模块的第一高压输出端和所述第二高压输出端电连接。

进一步地，所述壳体的相对两侧均设有防爆呼吸阀。

进一步地，所述壳体内部设有冷却液水管，所述冷却液水管铺设在所述功率板的下方，所述壳体上设有冷却液入口和冷却液出口，其中，所述冷却液入口与所述冷却液水管的一端连通，所述冷却液出口与所述冷却液水管的另一端连通。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所述辅助能源系统，将原有超级电容系统和双向DC各自的功率板和控制板进行相应的集成和优化，最后集成一个功率板和一个控制板，有效的实现系统功能的集成和优化，还使得辅助能源的整体体积显著减小，并显著提高了辅助能源安装的便利性，适用于氢能汽车的紧凑的安装。此外，本发明辅助能源系统原有超级电容系统和双向DC进行集成设置后，显著减少了高压线束的使用数量以及其他硬件材料，显著降低了生产成本和安装成本。

附图说明

图1是本发明所述一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统的电路图；

图2是本发明所述一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统的结构示意图；

图3是本发明所述一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统的结构示意图；

图4是本发明所述一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统的结构示意图。

图中：10-壳体，11-低压电源插口，13-第一MBD开关，14-高压输出接口，20-控制板，21-第一低压输入端，22-第二低压输入端，23-CAN通讯接口，30-功率板，40-超级电容模块，41-第一电容单体，42-第二电容单体，43-预充回路保险，44-超级电容负极接触器，45-超级电容正极接触器，46-预充接触器，47-预充电阻，50-双向DC模块，51-升降压模块，52-输入侧预充电容，53-输出侧预充电容，60-第一铜排，70-动力电池模块，71-第一动力电池，72-第二动力电池，73-第二MBD开关，74-动力电池主负接触器，75-动力电池回路保险，76-动力电池主正接触器，77-动力电池预充接触器，78-动力电池预充电阻，79-第三铜排，80-排针，90-泄压阀，100-冷却液水管，101-冷却液入口，102-冷却液出口，110-第二铜排，120-防爆呼吸阀，130-搭铁线束。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1-4，本发明的实施例提供了一种燃料电池氢能汽车辅助能源系统，包括壳体10、控制板20、功率板30、超级电容模块40、双向DC模块50和动力电池模块70；

所述控制板20、所述功率板30、所述超级电容模块40和所述双向DC模块50均集成设置在所述壳体10内，所述控制板20和所述功率板30电连接，所述超级电容模块40和所述双向DC模块50和动力电池模块70均集成设置在所述功率板30上，且所述超级电容模块40和所述双向DC模块50通过第一铜排60电连接，所述双向DC模块50通过第二铜排110与所述动力电池模块70电连接，所述控制板20具有低压输入端21；

所述超级电容模块40包括第一电容单体41、第二电容单体42、预充回路保险43、超级电容负极接触器44、超级电容正极接触器45、预充接触器46和预充电阻47；

所述双向DC模块50包括升降压模块51、输入侧预充电容52和输出侧预充电容53；

所述动力电池模块70包括第一动力电池71、第二动力电池72、第二MBD开关73、动力电池主负接触器74、动力电池回路保险75、动力电池主正接触器76、动力电池预充接触器77、动力电池预充电阻78和第三铜排79；

所述第一电容单体41与所述第二电容单体42串联，第二电容单体42的正极与所述预充回路保险43的正极电连接，所述预充回路保险43的负极与所述预充接触器46的一端电连接，所述预充接触器46的另一端与所述预充电阻47的正极电连接，所述超级电容正极接触器45的一端与所述预充接触器46的一端电连接，其另一端与所述预充电阻47的负极电连接，所述超级电容负极接触器44的一端与所述第一电容单体41的负极电连接，所述第一铜排60的负极分别与所述超级电容负极接触器44的另一端、所述输入侧预充电容52的负极和所述升降压模块51的第二高压输入端电连接，其正极分别与所述预充电阻47的负极、所述升降压模块51的第一高压输入端电连接，所述输出侧预充电容53的正极和负极分别与所述升降压模块51的第一高压输出端和第二高压输出端电连接；

所述第一动力电池71、所述第二MBD开关73、所述第三铜排79和所述第二动力电池72依次串联，所述动力电池预充接触器77的一端与所述第一动力电池71的正极电连接，其另一端与所述动力电池预充电阻78的正极电连接，所述动力电池主正接触器76的一端与所述第一动力电池71的正极电连接，其另一端与所述动力电池预充电阻78的负极电连接，所述动力电池主负接触器74的一端与所述第二动力电池72的负极电连接，其另一端与所述动力电池回路保险75的负极电连接，所述第二铜排110的负极分别与所述动力电池回路保险75的正极和所述输出侧预充电容53的负极电连接，其正极分别与所述动力电池预充电阻78的负极和所述输出侧预充电容53的正极电连接；

所述壳体10上设有低压电源插口11、所述第一MBD开关13、所述第二MBD开关73和高压输出接口14，所述低压电源插口11与所述低压输入端21电连接，所述高压输出接口14分别与所述升降压模块51的第一高压输出端和第二高压输出端电连接。

在本发明中，控制板20和功率板30通过排针80进行电性连接，且控制板20上设计有低压输入端21，可有效减少因为接插件松动导致控制电源信号异常和控制失效的情况发生。控制板20用于控制和采集功率板30的温度、电压、电流以及硬件状态信息。第一铜排60、第二铜排110和第三铜排79均为柔性铜排，其中第一铜排60和第二铜排110设置在功率板30上，柔性铜排能有效抗击外界的压力，具有一定的减震效果和保护高压回路安全。第一MBD开关13用于主动切断辅助能源系统内部的高压回路，以确保辅助能源系统精修维护时的高压安全。预充电阻47用于限制预充电流的大小，以达到保护预充回路保险43的目的。预充回路保险43，在预充电流过大或者负载电流过大时，能主动断开供电回路，从而保护电路回路。超级电容负极接触器44在预充和供能时会主动闭合。待系统预充完成后，升降压模块51将超级电容模块40的电压升到一定的值后给外部供电；或者降压回路会将外部的电压降到一定的值给超级电容模块40补充电量，以实现辅助能源系统的充放电功能。输入侧预充电容52的主要作用是稳定输入侧电压，输出侧预充电容53的主要作用是稳定输出侧电压；第二MBD开关73可确保动力电池模块70的高压安全，在需要对该系统维护或者检修时，通过拔掉第二MBD开关73，能主动切断动力电池模块70的高压回路，确保维修安全；而第三铜排则能有效地吸收第一动力电池71和第二动力电池72高压连接之间的拉力和压力，防止高压连接因为高压连接之间的拉力和压力而出现毁坏。同理，第二铜排110能有效地吸收动力电池模块70与双向DC模块高压连接之间的拉力和压力，防止高压连接因为高压连接之间的拉力和压力而出现毁坏其中。动力电池回路保险75为动力电池模块70的保险，保证回路电流不会过大。第一MBD开关13和第二MBD开关73设置在壳体10的相对两侧，低压电源插口11和高压输出接口14设置在壳体10的同一侧，其中，低压电源插口11也为通讯接口，控制板20上设有CAN通讯接口23，其通过低压电源插口11与CAN总线通讯连接。此外，壳体10的相对两侧均设有防爆呼吸阀120，防爆呼吸阀120一方面能够在壳体10内部气压达到一定值时及时导通，将内部气压释放出去，防止气压聚集而产生进一步破坏，保证辅助能源集成系统的安全性；同时当壳体10内部气压较低时，能及时导通，保证壳体10内部气压不会过低而出现壳体瘪包现象，从而引起安全隐患。壳体10上设有搭铁线束130，搭铁线束130能确保EMC性能和辅助能源集成系统的接地性能。

具体的，本发明所述辅助能源系统的工作原理为：低压输入端21通过第一低压电源插口11给控制板20提供低压电源，控制板20得到低压电源后开始工作，并采集和控制功率板30状态，当控制板20接收到整车控制器VCU发送的上高压指令时，控制板20开始执行辅助能源系统上高压流程，即控制板20并行控制流程如下，

动力电池预充：控制板20控制动力电池主负接触器74吸合，50ms后控制动力电池预充接触器77吸合，3S内监测输出侧预充电容53两端电压与动力电池总电压之差的绝对值少于10V，若否，判定预充失败，控制板20控制动力电池主负接触器74和动力电池预充接触器77断开；若是，则判定预充成功，控制板20控制动力电池主正接触器76吸合，100ms后断开预充动力电池预充接触器77，动力电池预充完成；

超级电容预充：

控制板20控制超级电容负极接触器44吸合，50ms后控制预充接触器46吸合，3S内监测输入侧预充电容52两端电压与超级电容总电压之差的绝对值少于10V，若否，判定预充失败，控制板20控制超级电容负极接触器44和预充接触器46断开；若是，则判定预充成功，控制板20控制超级电容正极接触器45吸合，100ms后断开预充接触器46，超级电容预充完成；

这样就完成了辅助能源集成系统上高压功能。

在上高压完成后，当控制板20接收到整车控制器VCU发送放电指令时，控制板20会根据放电功率的大小，主动调节升降压模块51中升压回路的输出电压大小，从而实现辅助能源系统中超级电容对外放电功能。

在上高压完成后，当控制板20接收到整车控制器VCU发送充电指令时，控制板20会根据充电功率的大小，主动调节升降压模块51中降压回路的输出电压大小，从而实现对辅助能源系统中超级电容充电功能。

升降压模块51进行升压还是降压由充放电状态和升降压模块51的高压输入端和高压输出端的电压决定；充电时，升降压模块51的高压输入端输入电压高于高压输出端，此时采用升降压模块51进行升压，升降压模块51的高压输入端输入电压低于高压输出端，此时采用升降压模块51进行降压；放电时，升降压模块51的高压输入端输入电压高于高压输出端，此时采用升降压模块51进行降压，升降压模块51的高压输入端输入电压低于高压输出端，此时采用升降压模块51进行升压。其中，升降压模块51的第一高压输出端和所述第二高压输出端共同构成升降压模块51高压输出端，升降压模块51的第一高压输入端和所述第二高压输入端共同构成升降压模块51高压输入端。

本发明所述辅助能源系统，将原有超级电容系统、双向DC和动力电池集合成一个混合辅助能源系统，较三个分离式系统，该辅助能源系统的体积和重量均显著减小，为氢能汽车节省了大量的布置空间，还显著降低了氢能汽车的生产成本，提高了经济性能，还具有高压安全性能强和实用性强等优点。

在上述实施例中，所述壳体10内部设有冷却液水管100，所述冷却液水管100铺设在所述功率板30的下方，所述壳体10上设有冷却液入口101和冷却液出口102，其中，所述冷却液入口101与所述冷却液水管100的一端连通，所述冷却液出口102与所述冷却液水管100的另一端连通。

在本发明中，冷却液通过冷却液入口101进入壳体10内，在壳体10内部进行充分的热交换后，以对功率板30上的IGBT、第一电容单体41、第二电容单体42、第一动力电池71和第二动力电池72等高压器件散热后，冷却液再通过冷却液出口102输出，以达到对辅助能源集成二合一系统冷却功能冷却的目的。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。