一种燃料电池动力系统的状态管理控制方法及其应用与流程

本发明属于燃料电池系统控制领域，具体涉及了一种燃料电池动力系统的状态管理控制方法及其应用。

背景技术：

1、当前氢能无人机研究领域的创新方向通常把燃料电池动力（通常为氢燃料电池，本技术将其简称为“氢动力”）技术路线和纯锂电技术路线作为对立的两条路线来开展。

2、虽然氢动力无人机在长续航、环保等方面具备纯锂电池型无人机所不具备的巨大优势，然而当前的氢动力无人机领域研究方向多为整机集成及其对应的动力系统布置、功率能量管理与控制等，由于采用一体化集成设计使得无人机机身与氢动力包难以拆解分离，这通常忽略了用户端的实际灵活使用需求，而且当前的氢动力无人机在安全性与智能化方面的研究较少，因而在大部分应用场景中仍然不被大众用户所接受，应用程度比纯锂电池型无人机明显偏低。

3、为此，本技术希望寻求技术方案来解决氢动力系统所存在的以上技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种燃料电池动力系统的状态管理控制方法及其应用，极大程度地提高了氢动力无人机在运行时的安全性与智能化，利于氢动力无人机的广泛推广应用。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种燃料电池动力系统的状态管理控制方法，燃料电池动力系统包括分别连接有还原剂输入管线、氧化剂输入管线以及冷却介质输入管线的电堆、燃料电池系统控制器以及充电电池；其中，

4、所述电堆的电能输出端与dc-dc转化器的输入端连接，dc-dc转化器的输出端与充电电池以及外部负载的供电输入端三者相并联；

5、所述燃料电池系统控制器与外部负载双向通信连接，且根据外部负载的运行工况以及燃料电池动力系统的运行状态，定义多个状态码，并为各状态码匹配其对应的控制指令，通过该控制指令实现对还原剂输入管线、氧化剂输入管线、冷却介质输入管线以及电堆与外部负载之间的电气连接电路的控制运行。

6、优选地，所述外部负载的供电输入端设有与燃料电池动力系统低压控制电输入端以及充电电池母线端连接的上电开关；其中，所述上电开关优选为手动控制型开关，当其断开时，外部负载与燃料电池、充电电池之间未形成电气回路；当其闭合时，外部负载与燃料电池、充电电池之间分别形成电气回路；

7、所述还原剂输入管线设有若干与燃料电池系统控制器控制连接的开关阀，用于对还原剂的输入压力和/或流量，以及对管线内的水分排放进行控制；所述氧化剂输入管线连接有鼓风机，所述鼓风机通过与燃料电池系统控制器控制连接的鼓风机控制器实现驱动运行，用于对氧化剂的输入压力和/或流量进行控制；所述冷却介质输入管线设有与燃料电池系统控制器控制连接的冷却介质循环泵，冷却介质循环泵用于对冷却介质的输入压力和/或流量进行控制；所述冷却介质输入管线与其输出管线之间优选形成循环管线，该循环管线上设有液体冷却装置，且液体冷却装置之上设有与燃料电池系统控制器控制连接的1个或多个散热风扇，用于对冷却介质的温度进行控制。

8、优选地，所述燃料电池系统控制器设有can转脉冲模块，使得由pwm波控制的散热风扇和鼓风机具有can通讯控制效果；其中，燃料电池系统控制器根据燃料电池动力系统的工作状态给出散热风扇和/或鼓风机的需求转速值，然后再根据此需求转速值根据散热风扇或鼓风机的map图换算得出对应所需的pwm占空比，然后由燃料电池系统控制器通过can通讯的方式将该pwm占空比作为设定值发送给所述can转脉冲模块，通过can转脉冲模块根据其得到的pwm占空比设定值输出一个相应的pwm波形并发送至散热风扇或鼓风机，通过所述can转脉冲模块向散热风扇和/或鼓风机提供pwm脉冲驱动信号。

9、优选地，所述燃料电池动力系统还包括dc-ac转化器,所述电堆的电能输出端与dc-ac转化器的输入端连接，dc-ac转化器的输出端用于连接其他外部负载。

10、优选地，至少为以下一项状态类型定义状态码：

11、第一状态类型：外部负载处于上电但未解锁的状态，且燃料电池动力系统的控制电处于已上电状态；

12、第二状态类型：外部负载处于已上电并已解锁的状态，且燃料电池动力系统的储氢余量满足外部负载运行的最低需求量的状态；

13、第三状态类型：外部负载在运行期间，燃料电池动力系统根据外部负载的功率需求进行功率输出调节的状态；

14、第四状态类型：外部负载关机后且充电电池的soc不低于预设阈值，燃料电池动力系统进行关机处理的状态；

15、第五状态类型：当燃料电池动力系统检测到故障发生后进入故障处理的状态。

16、优选地，对所述第一状态类型中的工作过程设置如下不同状态码：

17、由燃料电池动力系统的控制电上电瞬间，设置初始化状态码st=0；

18、燃料电池动力系统执行自检动作指令并根据自检动作的执行结果对自检成功与否进行判断的状态，设置自检状态码st=2;

19、进行燃料电池动力系统bop自检，分别设置自检通过状态码st=3以及自检未通过状态码st=101；

20、自检通过后维持在自检通过状态码st=3等待外部负载上电开机；

21、自检未通过后维持自检不通过状态码st=101等待燃料电池动力系统控制电重启。

22、优选地，对所述第二状态类型中的工作过程设置如下不同状态码：

23、根据电堆的启动操作要求，首先进入电堆吹扫状态，设置吹扫状态码st=11；然后进入到电堆的开路电压状态，设置开路电压状态码为st=12；最后进入电堆最小允许电流拉载状态，设置电流拉载状态码st=13。

24、优选地，对所述第三状态类型中的工作过程设置如下不同状态码：

25、当外部负载的功率需求很小时，燃料电池动力系统的功率输出大部分流向充电电池给充电电池充电，当充电电池的电量充至soc高于预设阈值时，稳定在最小拉载电流状态下运行，设置最小拉载电流状态码st=21；

26、当外部负载的功率需求较高时，燃料电池动力系统的功率输出根据充电电池的soc进行自适应式调节，包括：当soc降低时提升燃料电池动力系统的功率输出，直至达到燃料电池动力系统的额定功率输出状态，设置动态拉载状态码st=22；

27、当soc升高时降低燃料电池动力系统的功率输出，直至达到燃料电池动力系统的最小拉载电流状态，设置怠速状态码st=21。

28、优选地，对所述第四状态类型中的工作过程设置如下不同状态码：

29、在燃料电池动力系统关机过程中，首先降低电堆的拉载电流至最小拉载电流状态，同时维持散热风扇满转状态给电堆进行降温处理，设置对应的状态码st=31；随后检测到电堆的输出功率低于预设值后，电堆进行关机吹扫操作，设置对应的状态码st=32；吹扫一定时长后，向dc-dc转换器发送主动放电指令，消耗电堆内部的残余电压，设置对应的状态码st=33；电堆的残余电压消耗完毕后关闭控制燃料电池动力系统中bop供电的开关，对bop进行下电操作，设置对应的状态码st=34；最后进入关机状态，并向外部负载发送关机完成信号，设置对应的关机状态码st=100。

30、优选地，根据燃料电池动力系统的运行参数监测，至少建立故障等级不同的二级故障和三级故障；其中，当判断发生二级故障时，根据其工作过程设置如下不同状态码：

31、首先固定燃料电池动力系统的各类操作条件，防止燃料电池动力系统的bop在故障状态下运行紊乱导致故障升级，同时将燃料电池动力系统的散热风扇满转运行为电堆降温，设置其对应的状态码st=41；随后为电堆执行关机吹扫操作，同时打开dc-dc转换器的放电模式，消耗电堆内部的残余电压，设置其对应的状态码st=42；电堆的残余电压消耗完毕后，关闭控制燃料电池动力系统中bop供电的开关，对bop进行下电操作，设置其对应的状态码st=43，并在下电操作维持一定时长后进入死状态，设置其对应的状态码st=200，在死状态等待燃料电池动力系统进行控制电重启操作，并向外部负载发送燃料电池动力系统发生二级故障的信号；

32、当判断发生三级故障时，根据其工作过程设置如下不同状态码：

33、首先关闭还原剂输送管线，将还原剂输送管线的还原剂进行排空操作，同时打开dc-dc转换器的放电模式，消耗电堆内部的残余电压，设置其对应的状态码st=51；在该状态维持一定时长后，关闭控制燃料电池动力系统中bop供电的开关，对bop进行下电操作，设置其对应的状态码st=52；在该状态维持一定时长后，进入死状态st=200，在死状态等待燃料电池动力系统进行控制电重启操作，并向外部负载发送燃料电池动力系统发生三级故障的信号；

34、所述燃料电池动力系统的运行参数至少包括电堆单片平均电压和/或电堆单片电压极差和/或还原剂输送压力、温度和/或氧化剂输送压力、温度和/或冷却介质输送压力、温度和/或dc-dc转化器运行状态反馈、通讯状态反馈。

35、优选地，一种根据以上所述燃料电池动力系统的状态管理控制方法的应用，所述外部负载为无人机；优选地，所述还原剂为氢气，所述氧化剂为氧气或空气，所述冷却介质为去离子水或防冻液。

36、本发明的工作原理和优点：本技术提出了一种燃料电池动力系统的状态管理控制方法，提出包括分别连接有还原剂输入管线、氧化剂输入管线以及冷却介质输入管线的电堆、燃料电池系统控制器以及充电电池的燃料电池动力系统，将电堆的电能输出端与dc-dc转化器的输入端连接，dc-dc转化器的输出端与充电电池以及外部负载的供电输入端三者相并联；同时燃料电池系统控制器与外部负载双向通信连接，且根据外部负载的运行工况以及燃料电池动力系统的运行状态，定义多个状态码，并为各状态码匹配其对应的控制指令，通过该控制指令实现对还原剂输入管线、氧化剂输入管线、冷却介质输入管线以及电堆与外部负载之间的电气连接电路的控制运行；本技术提供的方案极大程度地提高了氢动力无人机在运行时的安全性与智能化，利于氢动力无人机的广泛推广应用。