燃料电池动力系统及汽车的制作方法

1.本技术属于新能源汽车领域，具体涉及一种燃料电池动力系统及汽车。


背景技术：

2.燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置，其工作过程不受卡诺循环限制，转换效率高，几乎没有污染物排放。
3.现有的燃料电池动力系统中，燃料电池配置有专用dc/dc转换器，可将燃料电池电压升压或降压至与动力电池、驱动电机匹配，从而直接为驱动电机供电，或为动力电池充电，再通过动力电池为驱动电机供电。驱动电机的工作电压通常在300v以上，动力电池提供这样的高电压，导致动力电池重量和体积大增大，生产成本高。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种燃料电池动力系统及汽车，以减低对动力电池的电压需求，减小动力电池重量和体积。
5.为了达到上述目的，本技术提供了一种燃料电池动力系统，包括：
6.燃料电池组件；
7.动力电池，与所述燃料电池组件连接；
8.驱动组件，至少包括前驱动力总成和后驱动力总成之一，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成均包括驱动电机和电机控制器，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成至少其中一者还包括升变压器，所述电机控制器连接所述驱动电机和所述升变压器，所述燃料电池组件与所述电机控制器连接，所述动力电池与所述升变压器连接；
9.其中，所述升变压器能够将所述动力电池的输出电压升高至与所述驱动电机的工作电压匹配。
10.可选的，所述驱动组件包括前驱动力总成和后驱动力总成，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成至少其中一者包括升变压器。
11.可选的，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成均包括升变压器，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成的升变压器分别与所述动力电池连接。
12.可选的，所述升变压器能够将所述驱动电机制动回收电能降压至与所述动力电池的充电电压匹配。
13.可选的，所述燃料电池组件包括燃料电池堆、dc/dc转换器和燃料电池控制器，所述燃料电池堆、所述dc/dc转换器以及所述电机控制器依次连接，所述燃料电池控制器与所述燃料电池堆连接，所述dc/dc转换器用于所述燃料电池堆的输出电压升压或降压；
14.其中，所述动力电池具有充电端，所述dc/dc转换器与所述充电端连接。
15.可选的，所述燃料电池组件还包括配电箱，所述dc/dc转换器与所述电机控制器通过所述配电箱连接，所述配电箱的输出电压大于或等于所述dc/dc转换器的输出电压；
16.其中，所述dc/dc转换器与所述充电端直接连接或所述dc/dc转换器与所述充电端通过所述配电箱间接连接。
17.可选的，所述燃料电池组件还包括燃料瓶、瓶阀、阀门控制器、空压机、空压机控制器、燃料泵和水泵，所述瓶阀设置在所述燃料瓶的瓶口处，所述瓶阀和所述燃料电池堆连接，所述阀门控制器与所述瓶阀连接；
18.所述空压机和所述空压机控制器连接，所述空压机控制器、所述燃料泵以及所述水泵均与所述dc/dc转换器连接，所述空压机用于为所述燃料电池堆供气，所述燃料泵用于将所述燃料电池堆的出口的燃料循环到所述燃料电池堆的入口，所述水泵用于循环所述燃料电池堆的冷却水。
19.可选的，所述燃料电池动力系统还包括冷却液加热器、空调加热器和空调压缩机，所述冷却液加热器、所述空调加热器以及所述空调压缩机均与所述配电箱连接，所述冷却液加热器用于为所述动力电池的冷却液加热，所述空调加热器用于参与空调制热过程，所述空调压缩机用于参与空调制冷过程。
20.可选的，所述燃料电池动力系统还包括中央控制器，所述电机控制器、所述阀门控制器、所述燃料电池控制器、所述动力电池以及所述空压机控制器均与所述中央控制器连接，所述中央控制器控制所述燃料电池堆为所述动力电池和所述驱动电机供电、控制所述动力电池为所述驱动电机供电以及控制所述驱动电机为所述动力电池充电。
21.本技术还提供一种汽车，包括：
22.燃料电池动力系统；
23.驱动轴，所述驱动轴与所述驱动电机连接。
24.本技术公开的燃料电池动力系统及汽车具有以下有益效果：
25.本技术中，前驱动力总成和后驱动力总成其中一者包括升变压器，动力电池通过该升变压器与电机控制器连接，燃料电池组件与电机控制器直接连接，燃料电池组件的输出电压与驱动电机的工作电压匹配，动力电池的输出电压则小于驱动电机的工作电压，由升变压器将动力电池的输出电压升压至与驱动电机的工作电压匹配，增加升变压器可降低对动力电池的电压需求，从而可减小动力电池的重量和体积，减低动力电池的制造成本。
26.本技术的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本技术的实践而习得。
27.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
28.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本技术实施例一中燃料电池动力系统的结构示意图。
30.图2是本技术实施例中汽车的结构示意图。
31.附图标记说明：
32.100、燃料电池组件；110、燃料电池堆；120、dc/dc转换器；130、燃料电池控制器；140、配电箱；151、燃料瓶；152、瓶阀；153、阀门控制器；161、空压机；162、空压机控制器；170、燃料泵；180、水泵；
33.200、动力电池；210、电池包；220、电池管理系统；
34.300、驱动组件；310、前驱动力总成；320、后驱动力总成；301、驱动电机；302、电机控制器；303、升变压器；
35.400、冷却液加热器；500、空调加热器；600、空调压缩机；700、中央控制器；810、前驱动轴；820、后驱动轴。
具体实施方式
36.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本技术将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
37.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本技术的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本技术的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本技术的各方面。
38.下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详述。在此需要说明的是，下面所描述的本技术各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
39.参见图1所示，本技术中燃料电池动力系统包括燃料电池组件100、动力电池200和驱动组件300，驱动组件300至少包括前驱动力总成310和后驱动力总成320之一，也就是说，燃料电池动力系统可为前驱动力系统或后驱动力系统。
40.前驱动力总成310和后驱动力总成320均包括驱动电机301和电机控制器302，驱动电机301用于与汽车的驱动轴连接。前驱动力总成310和后驱动力总成320其中一者还包括升变压器303，电机控制器302连接驱动电机301和升变压器303，燃料电池组件100与电机控制器302连接，动力电池200与升变压器303连接，升变压器303能够将动力电池200的输出电压升高至与驱动电机301的工作电压匹配。
41.也就是说，驱动电机301可由燃料电池组件100、动力电池200或燃料电池组件100和动力电池200的组合供电。燃料电池组件100的输出电压与驱动电机301的工作电压匹配，动力电池200的输出电压则小于驱动电机301的工作电压，由升变压器303将动力电池200的输出电压升压至与驱动电机301的工作电压匹配。
42.本技术中，前驱动力总成310和后驱动力总成320其中一者包括升变压器303，动力电池200通过该升变压器303与电机控制器302连接，燃料电池组件100与电机控制器302直接连接，燃料电池组件100的输出电压与驱动电机301的工作电压匹配，动力电池200的输出电压则小于驱动电机301的工作电压，由升变压器303将动力电池200的输出电压升压至与驱动电机301的工作电压匹配，增加升变压器303可降低对动力电池200的电压需求，从而可
减小动力电池200的重量和体积，减低动力电池200的制造成本。此外，通过升变压器303对动力电池200的电压升压，驱动电机301的工作电压可设计得更高，方便对驱动电机301进行小型化设计，同时也有利于提高驱动电机301的工作效率，降低整车的能耗。
43.参见图1所示，驱动组件300包括前驱动力总成310和后驱动力总成320，前驱动力总成310和后驱动力总成320至少其中一者包括升变压器303。也就是说，本技术中燃料电池动力系统为四驱动力系统，其前驱动力总成310或后驱动力总成320包括升变压器303。
44.燃料电池动力系统包括前驱动力总成310和后驱动力总成320，即燃料电池动力系统为四驱动力系统，燃料电池动力系统用于汽车，汽车的动力更好。
45.参见图1所示，前驱动力总成310和后驱动力总成320均包括升变压器303，前驱动力总成310和后驱动力总成320的升变压器303分别与动力电池200连接，即动力电池200通过升变压器303连接电机控制器302。
46.燃料电池动力系统包括前驱动力总成310和后驱动力总成320，即燃料电池动力系统为四驱动力系统，燃料电池动力系统用于汽车，汽车的动力更好，同时动力电池200通过升变压器303连接电机控制器302，方便将动力电池200的电源分配到前驱动力总成310和后驱动力总成320。
47.参见图1所示，升变压器303能够将驱动电机301制动回收电能降压至与动力电池200的充电电压匹配。
48.燃料电池动力系统用于汽车，汽车减速或制动时，可通过驱动电机301将汽车的动能转化成电能进行回收，升变压器303能够将驱动电机301制动回收电能降压至与动力电池200的充电电压匹配，为动力电池200充电，以存储回收的能量。
49.参见图1所示，燃料电池组件100包括燃料电池堆110、dc/dc转换器120和燃料电池控制器130，燃料电池堆110、dc/dc转换器120以及电机控制器302依次连接，燃料电池控制器130与燃料电池堆110连接。燃料电池控制器130用于控制燃料电池堆110中燃料反应发电，dc/dc转换器120用于燃料电池堆110的输出电压升压或降压。其中，动力电池200具有充电端，dc/dc转换器120与充电端连接。
50.燃料电池堆110中燃料反应发电可能不稳定，从而导致其输出电压不稳定，dc/dc转换器120能够将燃料电池堆110的输出电压升压或降压，从而为驱动电机301等用电设备提供稳定的电源。
51.动力电池200具有充电端，dc/dc转换器120与充电端连接，燃料电池堆110可通过充电端为动力电池200充电。此外，由于动力电池200通过升变压器303与电机控制器302连接，增加升变压器303可降低对动力电池200的电压需求，使dc/dc转换器120的输出电压远大于动力电池200工作电压，即dc/dc转换器120为动力电池200充电为高压充电，采用高压充电可缩短动力电池200的充电时间，从而减小或消除续航焦虑。
52.需要说明的是，dc/dc转换器120的输出电压可远大于动力电池200工作电压，但不限于此，dc/dc转换器120的输出电压也可略大于动力电池200的工作电压，即dc/dc转换器120为动力电池200充电为低压充电，具体可视情况而定。采用低压充电可降低对动力电池200热管理要求，提高充电安全性。
53.动力电池200除包括充电端以外，还可包括额外的充电接口，充电接口用于连接外部充电设备，为动力电池200充电。动力电池200具体可包括电池包210和电池管理系统220
(bms)，充电接口、充电端、dc/dc转换器120、升变压器303等均通过电池管理系统220与电池包210连接。
54.参见图1所示，燃料电池组件100还可包括配电箱140，dc/dc转换器120与电机控制器302通过配电箱140连接，配电箱140的输出电压大于或等于dc/dc转换器120的输出电压。
55.配电箱140的输出电压大于dc/dc转换器120的输出电压，即燃料电池堆110的输出电压通过dc/dc转换器120升压，再通过配电箱140升压至与驱动电机301的工作电压匹配，这样设计，dc/dc转换器120和配电箱140可提供不同的输出电压，可使燃料电池动力系统的其它用的设备选用及布局更灵活。
56.dc/dc转换器120与充电端直接连接或dc/dc转换器120与充电端通过配电箱140间接连接。
57.在燃料电池堆110的输出电压通过dc/dc转换器120、配电箱140二次升压时，将dc/dc转换器120与充电端通过配电箱140间接连接，可进一步提高动力电池200的充电电压，以缩短动力电池200的充电时间，从而减小或消除续航焦虑。
58.参见图1所示，燃料电池组件100还包括燃料瓶151、瓶阀152、阀门控制器153、空压机161、空压机控制器162、燃料泵170和水泵180。瓶阀152设置在燃料瓶151的瓶口处，瓶阀152和燃料电池堆110连接，阀门控制器153与瓶阀152连接。
59.空压机161和空压机控制器162连接，空压机控制器162、燃料泵170以及水泵180均与dc/dc转换器120连接。空压机161用于为燃料电池堆110供气，燃料泵170用于将燃料电池堆110的出口的燃料循环到燃料电池堆110的入口，即将未反应的燃料再循环，水泵180用于循环燃料电池堆110的冷却水。燃料瓶151用于存储燃料，燃料包括氢气、天然气及乙醇等燃料。
60.燃料电池控制器130、阀门控制器153和空压机控制器162配合控制燃料在燃料电池堆110反应发电，空压机控制器162、燃料泵170以及水泵180均与dc/dc转换器120连接，由燃料电池堆110供电，减少燃料电池组件100外接供电，燃料电池组件100集成度更高。
61.参见图1所示，燃料电池动力系统还包括冷却液加热器400(hvh)、空调加热器500(ptc)和空调压缩机600(ecp)，冷却液加热器400、空调加热器500以及空调压缩机600均与配电箱140连接，冷却液加热器400用于为动力电池200的冷却液加热，空调加热器500用于参与空调制热过程，空调压缩机600用于参与空调制冷过程。
62.空调压缩机600参与空调制冷过程，可调节乘员仓环境温度，同时对空调的冷却回路中的冷却液进行制冷。由于空调冷却回路中的冷却液可与动力电池200的冷却回路中的冷却液交换，使得空调压缩机600可调节动力电池200的冷却液温度，进而调节动力电池200的温度，使动力电池200保持合适温度，尤其是在动力电池200过热需要进行快速制冷时，空调压缩机600可起到重要作用；冷却液加热器400可调节动力电池200的冷却液温度，进而调节动力电池200的温度，使动力电池200保持合适温度，在动力电池200环境温度低影响动力电池200放电时，冷却液加热器400可使动力电池200迅速升温。
63.参见图1所示，燃料电池动力系统还包括中央控制器700，电机控制器302、阀门控制器153、燃料电池控制器130、动力电池200的电池管理系统220以及空压机控制器162均与中央控制器700连接。电机控制器302、阀门控制器153、燃料电池控制器130、电池管理系统220和空压机控制器162是整车控制器局域网络can的节点。
64.中央控制器700控制燃料电池堆110为动力电池200和驱动电机301供电、控制动力电池200为驱动电机301供电以及控制驱动电机301为动力电池200充电。
65.具体的，中央控制器700可控制燃料电池动力系统在多种工作模式下切换。工作模式包括：
66.行车模式：燃料电池动力系统常温启动时，由动力电池200向驱动电机301供电，燃料电池动力系统低温启动时，燃料电池组件100先启动为冷却液加热器400供电，从而为动力电池200预热，预热后由动力电池200向驱动电机301供电。低速行驶时，由动力电池200向驱动电机301供电，中速行驶时，由燃料电池组件100和动力电池200的组合向驱动电机301供电，正常高速匀速行驶时，除急加速、急减速等剧烈变速情况下，由燃料电池组件100向驱动电机301供电。
67.行车充电模式：由燃料电池组件100向驱动电机301供电，同时为动力电池200充电。
68.制动充电模式：在减速或制动时，由驱动电机301回收能量为动力电池200充电。
69.驻车充电模式：驻车怠速，动力电池200电量下降到一定阈值时，由燃料电池组件100向动力电池200充电。
70.参见图2所示，汽车包括燃料电池动力系统和驱动轴。前驱动力总成310和后驱动力总成320，驱动轴包括前驱动轴810和后驱动轴820，前驱动力总成310与前驱动轴810连接，后驱动力总成320与后驱动轴820。前驱动力总成310和后驱动力总成320均包括驱动电机301，前驱动轴810和后驱动轴820上均设置有差速器，驱动电机301和差速器连接。
71.本技术中汽车包括燃料电池动力系统，燃料电池动力系统包括前驱动力总成310和后驱动力总成320，前驱动力总成310和后驱动力总成320至少其中一者包括升变压器303，动力电池200通过该升变压器303与电机控制器302连接，燃料电池组件100与电机控制器302直接连接，燃料电池组件100的输出电压与驱动电机301的工作电压匹配，动力电池200的输出电压则小于驱动电机301的工作电压，由升变压器303将动力电池200的输出电压升压至与驱动电机301的工作电压匹配，增加升变压器303可降低对动力电池200的电压需求，从而可减小动力电池200的重量和体积，减低动力电池200的制造成本。
72.术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
73.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
74.在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”、“示例地”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式
结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
75.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，故但凡依本技术的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本技术专利涵盖的范围之内。

技术特征：
1.一种燃料电池动力系统，其特征在于，包括：燃料电池组件；动力电池，与所述燃料电池组件连接；驱动组件，至少包括前驱动力总成和后驱动力总成之一，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成均包括驱动电机和电机控制器，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成至少其中一者还包括升变压器，所述电机控制器连接所述驱动电机和所述升变压器，所述燃料电池组件与所述电机控制器连接，所述动力电池与所述升变压器连接；其中，所述升变压器能够将所述动力电池的输出电压升高至与所述驱动电机的工作电压匹配。2.根据权利要求1所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述驱动组件包括前驱动力总成和后驱动力总成，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成至少其中一者包括升变压器。3.根据权利要求2所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成均包括升变压器，所述前驱动力总成和所述后驱动力总成的升变压器分别与所述动力电池连接。4.根据权利要求1所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述升变压器能够将所述驱动电机制动回收电能降压至与所述动力电池的充电电压匹配。5.根据权利要求1所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述燃料电池组件包括燃料电池堆、dc/dc转换器和燃料电池控制器，所述燃料电池堆、所述dc/dc转换器以及所述电机控制器依次连接，所述燃料电池控制器与所述燃料电池堆连接，所述dc/dc转换器用于所述燃料电池堆的输出电压升压或降压；其中，所述动力电池具有充电端，所述dc/dc转换器与所述充电端连接。6.根据权利要求5所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述燃料电池组件还包括配电箱，所述dc/dc转换器与所述电机控制器通过所述配电箱连接，所述配电箱的输出电压大于或等于所述dc/dc转换器的输出电压；其中，所述dc/dc转换器与所述充电端直接连接或所述dc/dc转换器与所述充电端通过所述配电箱间接连接。7.根据权利要求6所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述燃料电池组件还包括燃料瓶、瓶阀、阀门控制器、空压机、空压机控制器、燃料泵和水泵，所述瓶阀设置在所述燃料瓶的瓶口处，所述瓶阀和所述燃料电池堆连接，所述阀门控制器与所述瓶阀连接；所述空压机和所述空压机控制器连接，所述空压机控制器、所述燃料泵以及所述水泵均与所述dc/dc转换器连接，所述空压机用于为所述燃料电池堆供气，所述燃料泵用于将所述燃料电池堆的出口的燃料循环到所述燃料电池堆的入口，所述水泵用于循环所述燃料电池堆的冷却水。8.根据权利要求7所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述燃料电池动力系统还包括冷却液加热器、空调加热器和空调压缩机，所述冷却液加热器、所述空调加热器以及所述空调压缩机均与所述配电箱连接，所述冷却液加热器用于为所述动力电池的冷却液加热，所述空调加热器用于参与空调制热过程，所述空调压缩机用于参与空调制冷过程。9.根据权利要求7所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述燃料电池动力系统还包
括中央控制器，所述电机控制器、所述阀门控制器、所述燃料电池控制器、所述动力电池以及所述空压机控制器均与所述中央控制器连接，所述中央控制器控制所述燃料电池堆为所述动力电池和所述驱动电机供电、控制所述动力电池为所述驱动电机供电以及控制所述驱动电机为所述动力电池充电。10.一种汽车，其特征在于，包括：如权利要求1～9任意一项所述的燃料电池动力系统；驱动轴，所述驱动轴与所述驱动电机连接。

技术总结
本申请属于新能源汽车领域，具体涉及一种燃料电池动力系统及汽车，燃料电池动力系统包括燃料电池组件、动力电池及驱动组件，动力电池与燃料电池组件连接，驱动组件至少包括前驱动力总成和后驱动力总成之一，前驱动力总成和后驱动力总成均包括驱动电机和电机控制器，前驱动力总成和后驱动力总成至少其中一者还包括升变压器，电机控制器连接驱动电机和升变压器，燃料电池组件与电机控制器连接，动力电池与升变压器连接，升变压器能够将动力电池的输出电压升高至与驱动电机的工作电压匹配。增加升变压器可降低对动力电池的电压需求，从而可减小动力电池的重量和体积，减低动力电池的制造成本。造成本。造成本。


技术研发人员：刘亮亮 郑智伟 周文太
受保护的技术使用者：广州汽车集团股份有限公司
技术研发日：2023.01.03
技术公布日：2023/7/6