一种有源燃料电池系统及其控制方法与流程

1.本发明属于燃料电池领域，特别是一种有源燃料电池系统及其控制方法。


背景技术：

2.燃料电池汽车是具有广阔发展前景的新能源汽车，其具有加氢时间短、续驶里程长的诸多优点。现有的燃料电池系统通常包含燃料电池电堆和外围氢气、空气、冷却等零部件系统，电堆中单片电池单元的理论电压为1.23v，其通常通过几百片并联实现大功率输出。燃料电池系统在启动时，需要外部提供能量驱动空压机、水泵、氢气喷射阀实现氢气、氧气的供给后才能实现氢氧反应发电输出，而现有的燃料电池系统在设计时没有考虑到上述功能需求，导致在测试、生产、整车集成、各种应用场景中无法独立工作，依赖于外部配套，同时也不利于实现燃料电池能源装置的集成化、一体化设计。因此，本发明提出了有源燃料电池系统及其功率控制单元的概念(afpcu，active fuel cell power control unit)，从能源装置的角度实现系统集成、控制及应用。


技术实现要素：

3.本发明实现燃料电池系统从依赖配套设备的非独立发电装置向有源燃料电池系统、独立能源装置的转变。本发明提供了一种有源燃料电池系统及其控制方法，其通过在燃料电池系统中集成储能装置，实现了燃料电池系统从需要外部配套的发电装置转变为独立的能源装置，有利于能源装置一体化的架构集成、控制集成与一体化设计。
4.本发明提供一种有源燃料电池系统，包括一个控制装置5和四个分部件：储能部件1、耗能部件2、发电部件3、电力转换部件4，所述储能部件1被配置为用于能量存储；具体的，例如可以是锂电池、超级电容等储能部件；所述耗能部件2被配置为消耗储能部件1中存储的能量并向发电部件3提供所需的反应物，如空压机消耗电能提供空气、水泵消耗电能驱动冷却液/水循环、氢气喷射阀消耗电能提供高压氢气等；所述发电部件3被配置为利用空气和燃料发生电化学反应并生成电能，如氢气燃料电池电堆，提供空气、氢气电化学反应的场所并生成电能；所述电力转换部件4被配置为将所述发电部件3生成的直流电转换成装置、部件所需的直流电或交流电各种电力形式；所述控制装置5被配置为分别与四个分部件连接，实现对四个分部件的控制。
5.具体的，所述储能部件1包括电池或电容储能部件。例如可以是锂电池、超级电容等储能部件。
6.具体的，所述耗能部件2包括空压机、水泵、燃料气喷射阀中的一种或多种。比如氢气喷射阀。
7.具体的，所述发电部件3包括固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、氢气燃料电池。
8.具体的，所述控制装置5包括控制器或plc，分别和所述四个分部件连接。
9.具体的，所述储能部件1包括薄片锂电池中空箱体；所述耗能部件2包括空压机、水
泵、氢气喷射阀；所述发电部件3包括燃料电池电堆，优选地氢气燃料电池；所述电力转换部件4包括dc/dc转换器；所述控制装置5包括控制器或plc；所述控制装置5分别和四个分部件连接，控制四个分部件；四个分部件相互连接。
10.具体的，所述储能部件1、耗能部件2、发电部件3、电力转换部件4单独设置或结合设置。例如，作为储能部件1的超级电容与作为耗能部件2的空压机可以结合成自带超级电容的空压机，作为储能部件1的薄片锂电池中空箱体可以作为燃料电池电堆的结构支撑。
11.在本发明的另一个方面，本发明提供了一种基于所述有源燃料电池系统的控制方法，所述控制装置5在接到储能指令时，控制所述储能部件1储存能量，控制储能部件1向耗能部件2提供电能，驱动电力转换部件4转换电力输出。
12.具体的包含如下步骤：s01：开始；s02：接收外部需求指令；s03：控制储能部件1向耗能部件2输出电力；s04：驱动耗能部件2开始工作；s05：驱动电力转换部件4转换电力输出；s06：判断是否关机；若是，则转入结束，若否则转入步骤s02。
13.具体的，所述步骤s04驱动耗能部件3开始工作，是指控制阀21向电堆24提供高压氢气、向空压机26提供空气。
14.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
15.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
16.图1示出了有源燃料电池系统的架构图；图2示出了有源燃料电池系统的示意图；图3示出了有源燃料电池系统控制方法。
17.附图标记：1-储能部件、2-耗能部件、3-发电部件、4-电力转换部件、5-控制装置、20-薄片锂电池中空箱体、21-控制阀、22-dc/dc转换器、23-吹扫电磁阀、24-电堆、25-调压阀、26
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空压机。
具体实施方式
18.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
19.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非
特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
20.图1示出了本发明的有源燃料电池系统的架构图，包括储能部件1、耗能部件2、发电部件3、电力转换部件4，以及控制装置5。所述储能部件1被配置为用于能量存储；所述耗能部件2被配置为消耗储能部件1储存的能量并向发电部件3提供所需的反应物；所述发电部件3被配置为燃料电池电堆，用于提供空气和燃料发生电化学反应并生成电能的场所；所述电力转换部件4被配置为将所述发电部件3生成的直流电转换成装置、部件所需的直流电或交流电；所述控制装置5用于与前述四个分部件连接，实现对四个分部件的控制。
21.应当理解，上述储能部件1、耗能部件2、发电部件3、电力转换部件4只是一种概括性的表达，可以表示燃料电池系统中的一个或多个具体零部件。例如，储能部件1可以采用锂电池或超级电容储能单元的方式设置；耗能部件2具体可以指控制阀、空压机等；发电部件3则主要是指燃料电池电堆；电力转换部件4则可以例如是dc/dc转换器。本发明中的储能部件1主要用于储存发电部件3的电能，并在需要时将其用于耗能部件2。各个部件和控制装置5可以按照本领域一般的方式进行电连接，本发明不作特殊的限制。
22.作为一个具体的实施方式，图2给出了本发明有源燃料电池系统的示意图。
23.如图2所示，该具体实施方式中储能部件1具体是薄片锂电池中空箱体20；耗能部件则包括控制阀21、空压机26；发电装置具体是燃料电池电堆24；电力转换装置是dc/dc转换器22；控制装置5分别与各个分部件连接。
24.具体的，薄片锂电池中空箱体20作为燃料电池电堆24的结构支撑，二者一体设置。燃料电池电堆24具体是一种氢燃料电池电堆，在燃料电池电堆24的氢气进气管路上设置有控制阀21，在排气管路上设置有吹扫电磁阀23；在燃料电池电堆24的空气进气管路上设置有空压机26，在排气管路上设置有调压阀25。dc/dc转换器22则与燃料电池电堆24的电力输出端连接，根据控制装置24的指令将电力转换后存储至薄片锂电池中空箱体20中，由薄片锂电池中空箱体20向控制阀21、空压机26等耗能部件提供电力供应。控制装置24则与各个零部件进行控制连接。
25.图3示出了本发明的有源燃料电池系统控制方法，所述控制装置5在接到储能指令时，控制所述储能部件1储存能量，控制储能部件1向耗能部件2提供电能，驱动电力转换部件4转换电力输出。
26.其工作方式如下：s01：开始；s02：控制装置5接收外部需求指令；s03：控制装置5控制储能部件输出电力，具体的，是闭合输出电力正极和负极接触器；s04：控制装置5驱动耗能部件开始工作，具体的，是控制阀21向燃料电池电堆24提供高压氢气，空压机26提供高压空气；s05：控制装置5驱动dc/dc转换器22转换电力输出；s06：判断是否关机；若是，则转入s07，若否，则转入s02；
s07：结束。
27.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。