CN102035000B - 一种燃料电池堆输出状态估计系统及估计方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆的输出状态估计系统及估计方法，包括燃料电池堆、燃料电池负载、燃料电池管理单元和燃料电池输出控制单元，燃料电池管理单元还包括燃料电池堆参数记录单元和燃料电池堆状态估计单元，燃料电池输出状态估计单元依据燃料电池理论最大输出功率Pmax1和燃料电池当前输出功率P，估计当前燃料电池的输出状态S(实际输出占理想输出的百分比S，即S＝P/Pmax1×100)和最大输出能力Pmax3。本发明的有益效果是可以实时近似估计燃料电池堆的运行状态和当前的最大输出能力，可以作为燃料电池输出状态估计和系统控制的依据。

Description

一种燃料电池堆输出状态估计系统及估计方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及燃料电池的输出状态估计技术。
背景技术：
燃料电池在实际使用过程中，其输出能力通常受到多方面因素影响，现有技术中，缺乏输出状态合理有效的估计方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种燃料电池堆输出状态的估计方法，以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是：一种燃料电池输出状态估计系统，包括燃料电池堆、燃料电池堆负载、燃料电池堆管理单元和燃料电池堆输出控制单元，燃料电池堆通过线路向负载供电，燃料电池堆输出控制单元通过控制线控制燃料电池堆的输出，燃料电池堆管理单元包括燃料电池堆单电池电压检测单元、燃料电池堆输出电流检测单元、燃料电池堆输出电压检测单元和燃料电池堆通讯单元，燃料电池堆管理单元通过燃料电池堆单电池电压检测单元、燃料电池堆输出电流检测单元和燃料电池堆输出电压检测单元获取数据，并通过燃料电池通讯单元与燃料电池堆输出控制单元进行数据交换，其特征在于所述燃料电池堆管理单元还包括燃料电池堆参数记录单元和燃料电池堆输出状态估计单元，所述燃料电池堆参数记录单元存储燃料电池堆出厂极化曲线和燃料电池堆运行数据，所述燃料电池堆输出状态估计单元接受燃料电池堆单电池电压检测单元、燃料电池堆输出电流检测单元和燃料电池堆输出电压检测单元传输来的信号，燃料电池堆输出状态估计单元与燃料电池堆参数记录单元和燃料电池堆通讯单元进行数据交换，依据据估计方法作出估计。
本发明所述一种燃料电池堆输出状态估计系统的估计方法，其特征在于所述估计方法包括以下步骤：
a、测试并记录燃料电池堆出厂的极化曲线及燃料电池堆出厂时的最大输出功率Pmax，将数据存储在燃料电池堆管理单元的燃料电池堆参数记录单元；
b、标定燃料电池堆在实际使用工况下的电压平均衰减速率Vt，并存储在燃料电池堆管理单元的燃料电池堆参数记录单元；
c、实时监测并在燃料电池堆管理单元的燃料电池堆参数记录单元存储燃料电池堆的累计运行时间Ttotal，
d、实时监测并存储燃料电池堆的输出电流I、总电压V和每节燃料电池的电压；
e、燃料电池堆估计单元根据预置估计方法和燃料电池堆单电池电压检测单元、燃料电池堆输出电流检测单元、燃料电池堆输出电压检测单元和燃料电池堆参数记录单元传输来的数据，估计燃料电池堆输出状态；
f、燃料电池堆输出状态估计方法为：根据燃料电池堆参数记录单元存储的燃料电池堆出厂的极化曲线和燃料电池堆输出电流检测单元传输来的当前燃料电池堆输出电流I，计算出当前燃料电池堆按出厂的极化曲线应有的输出电压值V0，然后测算当前燃料电池输出电流I下，燃料电池理论最大输出功率Pmax1，即Pmax1＝(V0-Vt×Ttotal)×I，再根据燃料电池输出电流检测单元和燃料电池输出电压检测单元传输来的当前燃料电池输出电流I和燃料电池输出电压V计算燃料电池当前输出功率P，即P＝V×I，最后依据燃料电池理论最大输出功率Pmax1和燃料电池当前输出功率P，估计当前燃料电池的输出状态S，即实际输出占理想输出的百分比S，即S＝P/Pmax1×100；根据燃料电池堆出厂时最大功率下的输出电流Imax计算当前燃料电池堆理论最大输出功率Pmax2，即Pmax2＝(Vmax-Vt×Ttotal)×Imax，则近似估计当前燃料电池堆的最大输出能力Pmax3，即Pmax3＝Pmax2×S。
本发明的有益效果是可以实时近似估计燃料电池堆的运行状态，可以作为燃料电池堆输出状态估计和系统控制的依据。
附图说明
本发明共有附图二幅，其中
图1是本发明燃料电池堆输出状态的估计系统的原理框图，
图2是燃料电池堆出厂的极化曲线的示意图。
附图中，100、燃料电池堆，200、燃料电池堆电流传感器，300、燃料电池堆负载继电器，400、燃料电池堆负载，500、燃料电池堆管理单元，501、燃料电池堆单电池电压检测单元，502、燃料电池堆输出电流检测单元，503、燃料电池堆输出电压检测单元，504、燃料电池堆参数记录单元，505、燃料电池堆输出状态估计单元，506、燃料电池堆通讯单元，600、燃料电池堆输出控制单元。
具体实施方式
以40kw燃料电池堆的状态估计为例对本发明作进一步说明。
燃料电池堆输出状态的估计系统包括燃料电池堆100、燃料电池堆负载400、燃料电池堆管理单元500和燃料电池堆输出控制单元600，燃料电池堆100通过线路向燃料电池堆负载400供电，燃料电池堆输出控制单元600通过控制线控制燃料电池堆100的输出，燃料电池堆管理单元500包括燃料电池堆单电池电压检测单元501、燃料电池堆输出电流检测单元502、燃料电池堆输出电压检测单元503和燃料电池堆通讯单元506，燃料电池堆管理单元500从燃料电池堆100获取管理单元需要的数据，并通过燃料电池堆通讯单元506与燃料电池堆输出控制单元600进行数据交换，燃料电池堆管理单元500还包括燃料电池堆参数记录单元504和燃料电池堆输出状态估计单元505，燃料电池堆参数记录单元504存储燃料电池堆出厂极化曲线和燃料电池堆运行数据，燃料电池堆输出状态估计单元505接收燃料电池单电池电压检测单元501、燃料电池堆输出电流检测单元502和燃料电池输出电压检测单元503传输来的信号，燃料电池堆输出状态估计单元505与燃料电池堆参数记录单元504和燃料电池堆通讯单元506进行数据交换，依据据估计方法作出估计。
具体估计如下：
a、测试并记录燃料电池堆100出厂的极化曲线及燃料电池堆100出厂时的最大输出功率Pmax，极化曲线如图2所示，最大输出功率Pmax为40kw，根据极化曲线测算的理想最大输出功率Pmax如下表：
  电流(A)   电压(V)   功率(W)
  0   502   0
  10   479   4790
  20   365   7300
  30   352   10560
  40   344   13760
  50   332   16600
  60   323   19380
  70   314   21980
  80   305   24400
  90   296   26640
  100   288   28800
  110   279   30690
  120   271   32520
  130   262   34060
  140   254   35560
  150   245   36750
  160   239   38240
  170   230   39100
  180   221   39780
  190   211   40090
  200   200   40000
将所得数据存储在燃料电池堆管理单元500的燃料电池堆参数记录单元504；
b、标定燃料电池堆100在实际使用工况下的电压平均衰减速率Vt，衰减速率Vt为10mV/h，存储在燃料电池堆管理单元500的燃料电池堆参数记录单元504；
c、实时监测、燃料电池堆的输出电流I、总电压V和每节燃料电池的电压，并在燃料电池堆管理单元500的燃料电池堆参数记录单元504存储燃料电池堆的累计运行时间Ttotal；
d、计算并估计燃料电池堆100的输出状态S和当前燃料电池堆100的最大输出能力。根据燃料电池堆参数记录单元504存储的燃料电池堆出厂的极化曲线和燃料电池堆输出电流检测单元502传输来的当前燃料电池堆输出电流I，计算出当前燃料电池堆100按出厂的极化曲线应有的输出电压值V0，然后测算当前燃料电池堆100输出电流I下，燃料电池堆100理论最大输出功率Pmax1，即Pmax1＝(V0-Vt×Ttotal)×I，再根据燃料电池输出电流检测单元502和燃料电池输出电压检测单元503传输来的当前燃料电池堆100输出电流I和输出电压V计算燃料电池堆100当前输出功率P，即P＝V×I，最后依据燃料电池堆100理论最大输出功率Pmax1和当前输出功率P，估计当前燃料电池堆100的输出状态S，即实际输出占理想输出的百分比S，即S＝P/Pmax1×100。根据燃料电池堆100在出厂时最大功率下的输出电流Imax计算当前燃料电池堆100理论的最大输出功率Pmax2，即Pmax2＝(Vmax-Vt×Ttotal)×Imax，则近似估计当前燃料电池堆100的最大输出能力Pmax3，即Pmax3＝Pmax2×S。燃料电池堆100的状态估计计算结果如下表；
Figure BDA0000034892320000061

Claims (1)

1.一种燃料电池堆输出状态估计系统的估计方法，系统包括燃料电池堆(100)、燃料电池负载(400)、燃料电池堆管理单元(500)和燃料电池堆输出控制单元(600)，燃料电池堆(100)通过线路向负载(400)供电，燃料电池堆输出控制单元(600)通过控制线控制燃料电池堆(100)的输出，燃料电池堆管理单元(500)包括燃料电池堆单电池电压检测单元(501)、燃料电池堆输出电流检测单元(502)、燃料电池堆输出电压检测单元(503)、燃料电池堆通讯单元(506)、燃料电池堆参数记录单元(504)和燃料电池堆输出状态估计单元(505)，燃料电池堆管理单元(500)通过燃料电池堆单电池电压检测单元(501)、燃料电池堆输出电流检测单元(502)和燃料电池堆输出电压检测单元(503)获取数据，通过燃料电池堆通讯单元(506)与燃料电池堆输出控制单元(600)进行数据交换，燃料电池堆参数记录单元(504)存储燃料电池堆出厂极化曲线和燃料电池堆运行数据，燃料电池堆输出状态估计单元(505)接受燃料电池堆单电池电压检测单元(501)、燃料电池堆输出电流检测单元(502)和燃料电池堆输出电压检测单元(503)传输来的信号，燃料电池堆输出状态估计单元(505)与燃料电池堆参数记录单元(504)和燃料电池堆通讯单元(506)进行数据交换，其特征在于所述估计方法包括以下步骤：
a、测试并记录燃料电池堆出厂的极化曲线及燃料电池堆出厂时的最大输出功率Pmax，将数据存储在燃料电池堆管理单元(500)的燃料电池堆参数记录单元(504)；
b、标定燃料电池堆在实际使用工况下的电压平均衰减速率Vt，存储在燃料电池堆管理单元(500)的燃料电池堆参数记录单元(504)；
c、实时监测并在燃料电池堆管理单元(500)的燃料电池堆参数记录单元(504)存储燃料电池堆的累计运行时间Ttotal；
d、实时监测并存储燃料电池堆的输出电流I、总电压V和每节燃料电池的电压；
e、燃料电池堆输出状态估计单元(505)根据预置估计方法和燃料电池堆单电池电压检测单元(501)、燃料电池堆输出电流检测单元(502)、燃料电池堆输出电压检测单元(503)和燃料电池堆参数记录单元(504)传输来的数据，估计燃料电池堆的输出状态；
f、燃料电池堆输出状态估计方法为：根据燃料电池堆参数记录单元(504)存储的燃料电池堆出厂的极化曲线和燃料电池堆输出电流检测单元(502)传输来的当前燃料电池堆输出电流I，计算出当前燃料电池堆按出厂的极化曲线应有的输出电压值V0，然后测算当前燃料电池输出电流I下，燃料电池理论最大输出功率Pmax1，即Pmax1＝(V0-Vt×Ttotal)×I，再根据燃料电池输出电流检测单元(502)和燃料电池输出电压检测单元(503)传输来的当前燃料电池输出电流I和燃料电池输出电压V计算燃料电池当前输出功率P，即P＝V×I，最后依据燃料电池理论最大输出功率Pmax1和燃料电池当前输出功率P，判断当前燃料电池的输出状态S，即实际输出占理论输出的百分比，即S＝P/Pmax1×100，根据燃料电池堆出厂时最大功率下的输出电流Imax计算当前燃料电池堆理论最大输出功率Pmax2，即Pmax2＝(Vmax-Vt×Ttotal)×Imax，则近似估计当前燃料电池堆的最大输出能力Pmax3，即Pmax3＝Pmax2×S。
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