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Abstract

一种燃料电池堆停机降压方法和装置，方法是将燃料电池堆的电池分成m个电池组，每个电池组联接一个降压电路，每个电池组的电池节数为n，m和n为2以上的整数，根据每个电池组电池的残留电压分别控制每个电池组的降压电路的通断，进行分别降压放电。装置包括燃料电池堆、燃料电池堆电池电压检测线束、燃料电池堆电池电压检测电路、降压电路和外壳。本发明的特点是，在燃料电池堆停机后，实现燃料电池堆的分组降压，有效解决了燃料电池发电系统在停机使用外部负载降压过程中，由于电池堆与电池堆之间、电池堆内部各单池之间的分配和电性能的差异导致各单池降压不均衡的问题，可以进一步提高燃料电池的耐久性。

Description

一种燃料电池堆停机降压的方法和装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，特别涉及燃料电池发电系统的耐久性。
背景技术：
燃料电池发电系统在停机后，仍在短时间内存留残余电压，该电压一方面存在电安全方面的隐患，另一方面高电位会腐蚀燃料电池内部的催化剂，降低燃料电池堆的性能和寿命。为减少燃料电池堆在停机后残留电压产生的不利影响，目前普遍采用外接负载进行放电的办法，如美国专利US4963443，通过外接放电电阻进行放电，如我国专利CN100587635，通过控制冷却水泵进行放电。上述现有技术的不足是：现有技术的方法要求燃料电池发电系统各燃料电池堆模块间和燃料电池堆内部各单电池间传质分配和电性能要非常均匀，如果不够均匀，会导致在降压过程中出现个别燃料电池模块或个别单电池降压过快的问题，甚至出现反极，对燃料电池堆的性能和寿命产生不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池堆停机降压的方法和装置，解决电池堆与电池堆之间、电池堆内部各单池之间的分配和电性能的差异导致各单池降压不均衡的问题。
本发明的技术方案是：一种燃料电池堆停机降压方法，包括燃料电池堆在停机后用电阻降压放电，其特征在于所述燃料电池堆在停机后用电阻降压放电方法是：将燃料电池堆的电池分成m个电池组，每个电池组联接一个降压电路，每个电池组的电池节数为n，m和n为2以上的整数，根据每个电池组电池的残留电压分别控制每个电池组的降压电路的通断，进行分别降压放电。
本发明所述一种燃料电池堆停机降压方法，其特征在于所述根据每个电池组电池的残留电压分别控制每个电池组的降压电路的通断，进行分别降压放电的方法包括以下步骤：
1)判断燃料电池堆的运行状态，确定电堆是否停止运行并且氢气源已关闭；
2)步骤1)判断为否，则返回再判断，判断为是，则检测燃料电池堆各组单池电压；
3)判断各组电池的最小电压是否大于规定的值，判断为是的那组电池将导通该组的降压电阻，判断为否的那组电池将断开该组的降压电阻；
4)重复上述步骤，直至各组电池的最小电压都小于规定的值。
本发明所述一种燃料电池堆停机降压方法，其特征在于所述燃料电池堆为单堆或若干个单堆组成的复合堆。.
本发明所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，包括燃料电池堆、电池电压检测线束、电池电压检测电路、降压电路和外壳，其特征在于：所述燃料电池堆的电池分成m个电池组，每个电池组的电池节数为n，m和n为2以上的整数；所述电池电压检测线束为m个，m与燃料电池堆分成的电池组数对应，每组电池电压检测线束包含n根连接线，n与每个电池组的电池节数对应，每个电池电压检测线束通过连接线与对应电池组的电池连接，所述电池电压检测电路包括电池通道选择开关、电源变换电路、通讯电路、检测与控制核心电路、电池通道控制开关和电池电压变换电路，电池通道选择开关与电池电压检测线束相联，选择当前状态下需检测电压的电池，电源变换电路将外部电源与检测与控制核心电路相联，为电池电压检测电路供电；检测与控制核心电路通过通讯电路与外部进行数据通讯，检测与控制核心电路与电池通道控制开关相联，通过电池通道控制开关控制电池通道选择开关的通道，电池电压变换电路与检测与控制核心电路相联，将选通的电池电压转换成数字量，检测与控制核心电路分别与各组电池降压电路相联，控制降压电路；所述降压电路为m个，m与燃料电池堆分成的电池组数对应，降压电路包括降压电阻、开关管和控制电阻，每个降压电路分别与对应的电池电压检测线束相联，降压电阻一端分别与连接线正极相联，另一端分别与开关管的集电极相联，开关管的发射极分别与连接线负极相联，开关管的基极分别与控制电阻相联，控制电阻的另一端分别和检测与控制核心电路相联，所述电池电压检测电路和降压电路封装在外壳内。
本发明所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述检测与控制核心电路是单片机和接口电路，单片机内置检测和控制程序。
本发明所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述单片机内置检测和控制程序包括以下步骤：
1)检测与控制核心电路通过通讯电路判断燃料电池堆的运行状态，确定电堆是否停止运行并且氢气源已关闭；
2)步骤1)判断为否，则返回停机降压检测控制核心电路再判断，判断为是，则由燃料电池堆电池检测电路检测燃料电池堆各组单池电压；
3)判断各组电池的最小电压是否大于规定的值，判断为是的那组电池将导通该组的降压电阻，判断为否的那组电池将断开该组的降压电阻；
4)重复上述步骤，直至各组电池的最小电压都小于规定的值。
本发明所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述电池电压检测电路的电池通道选择开关由光耦继电器组成。
本发明所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述燃料电池堆电池通道控制开关由片选芯片组成。
本发明所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述电池电压变换电路是由运算放大器和滤波电容组成的跟随放大和滤波电路。
本发明所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述开关管为三极管。
本发明的有益效果是，在燃料电池堆停机后，实现燃料电池堆的分组降压，有效解决了燃料电池发电系统在停机使用外部负载降压过程中，由于电池堆与电池堆之间、电池堆内部各单池之间的分配和电性能的差异导致各单池降压不均衡的问题，可以进一步提高燃料电池的耐久性。
附图说明
本发明有附图二幅，其中
图1是燃料电池堆停机降压装置系统示意图，
图2是燃料电池堆停机降压方法控制流程图。
附图中，
100：燃料电池堆(可以由若干个单堆组成)
210：第一组电池电压检测线束
211～21n：第一组电池电压检测线束的连接线
2i0：第i组电池电压检测线束
2i1～2in：第i组电池电压检测线束的连接线
2m0：第m组电池电压检测线束
2m1～2mn：第m组电池电压检测线束的连接线
300：电池电压检测电路(可以同时检测燃料电池堆内部的一节或多节电压)
310：电池通道选择开关
320：电源变换电路
330：通讯电路
340：检测与控制核心电路
350：电池通道控制开关
360：电池电压变换电路
410：第一组电池降压电路
411：第一组降压电阻
412：第一组开关管
413：第一组控制电阻
4i0：第i组电池降压电路
4i1：第i组降压电阻
4i2：第i组开关管
4i3：第i组控制电阻
4m0：第m组电池降压电路
4m1：第m组降压电阻
4m2：第m组开关管
4m3：第m组控制电阻
500：外壳
上述附图说明中，i为2～(m-1)间的整数。
具体实施方式
首先将燃料电池堆100(可以由若干个单堆组成)分成m组，每组电池节数为n，燃料电池堆100通过电池电压检测线束210～2m0与燃料电池堆降压装置的电池电压检测电路300相连，每组电池电压检测线束210～2m0包含n根连接线。电池电压检测电路300的电池通道选择开关310选择当前状态下需检测的电池电压，该电压可以是一节或多节电池电压，电源变换电路320负责将外部电源变换成电池电压检测电路300需要的电源，并给检测与控制核心电路340供电。检测与控制核心电路340通过通讯电路330与外部进行数据通讯，检测与控制核心电路340通过电池通道控制开关350控制电池通道选择开关310的通道，并通过电池电压变换电路360将选通的电池电压转换成数字量，根据通讯电路330得到的燃料电池堆运行的状态信息控制降压电路410～4m0。降压电路410～4m0分别与燃料电池堆的电池电压检测线束210～2m0的211～2m1和21n～2mn相连，降压电阻411～4m1一端分别与连接线211～2m1相连，另一端分别与开关管412～4m2的集电极相连，开关管412～4m2的发射极分别与连接线21n～2mn相连，其基极分别与控制电阻413～4m3相连，控制电阻413～4m3的另一端分别和检测与控制核心电路340相连。燃料电池堆停机降压装置外壳500一方面对整个燃料电池堆降压电路进行封装，达到防水防尘的要求，同时实现降压电阻410～4m0的热量及时散出，保证整个燃料电池堆停机降压装置的工作温度在其操作温度范围内。
具体以40节燃料电池堆停机降压装置为例作以说明。
首先将40节燃料电池堆100分成5组，每组电池节数为8，40节燃料电池堆100通过电池电压检测线束210～250与燃料电池堆的电池电压检测电路300相连，每组电池电压检测线束210～250包含9根测量线，测量线允许通过最大2A的电流。电池电压检测电路300的电池通道选择开关310由20个光耦继电器AQW214组成，负责选择当前状态下需检测的单体电池电压，电源变换电路320为XR03/12S05，将外部12V电源变换成5V电源，负责给本装置的内部电路供电。检测与控制核心电路340采用Motorola公司生产的MC9S12DP256单片机，实现电池电压测量和降压控制。电池通道控制开关350由三个片选芯片74LS154组成，实现对电池通道选择开关310的通道选择。电池电压变换电路360由运算放大器AD629和滤波电容1uF/10V组成，实现电池电压的跟随放大和滤波。降压电路410～4m0的降压电阻411～4m1为5欧姆/10W电阻，开关管412～4m2为三极管2702，控制电阻413～4m3为510欧姆/1W电阻。外壳500采用材质为铝合金的金属外壳。
控制流程如附图2所示：
如果系统停机并关闭氢气源，则单片机MC9S12DP256实时检测燃料电池堆100的各节电池电压，并判断每组电池的最低电压，如果某组各节电池的最低电压高于100mV，则控制导通相应降压电阻进行该组燃料电池降压，如果某组各节电池的最低电压小于或等于100mV，则控制断开相应降压电阻停止降压。
测试数据如下表1所示：
Figure BDA0000118825400000061
表中：起始电压和终止电压为40节燃料电池堆的总电压；起始温度和终止温度为降压电阻的温度；降压时间为40节燃料电池堆从起始电压降至终止电压所需的时间。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆停机降压方法，包括燃料电池堆在停机后用电阻降压放电，其特征在于所述燃料电池堆在停机后用电阻降压放电方法是：将燃料电池堆的电池分成m个电池组，每个电池组联接一个降压电路，每个电池组的电池节数为n，m和n为2以上的整数，根据每个电池组电池的残留电压分别控制每个电池组的降压电路的通断，进行分别降压放电。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池堆停机降压方法，其特征在于所述根据每个电池组电池的残留电压分别控制每个电池组的降压电路的通断，进行分别降压放电的方法包括以下步骤：
1)判断燃料电池堆的运行状态，确定电堆是否停止运行并且氢气源已关闭；
2)步骤1)判断为否，则返回再判断，判断为是，则检测燃料电池堆各组单池电压；
3)判断各组电池的最小电压是否大于规定的值，判断为是的那组电池将导通该组的降压电阻，判断为否的那组电池将断开该组的降压电阻；
4)重复上述步骤，直至各组电池的最小电压都小于规定的值。
3.根据权利要求1所述一种燃料电池堆停机降压方法，其特征在于所述燃料电池堆为单堆或若干个单堆组成的复合堆。
4.权利要求1所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，包括燃料电池堆(100)、电池电压检测线束(210～2m0)、电池电压检测电路(300)、降压电路(410～4i0)和外壳(500)，其特征在于：所述燃料电池堆(100)的电池分成m个电池组，每个电池组的电池节数为n，m和n为2以上的整数；所述电池电压检测线束(210～2m0)为m个，m与燃料电池堆分成的电池组数对应，每组电池电压检测线束包含n根连接线，n与每个电池组的电池节数对应，每个电池电压检测线束(210～2m0)通过连接线(211～2mn)与对应电池组的电池连接，所述电池电压检测电路(300)包括电池通道选择开关(310)、电源变换电路(320)、通讯电路(330)、检测与控制核心电路(340)、电池通道控制开关(350)和电池电压变换电路(360)，电池通道选择开关(310)与电池电压检测线束(210～2m0)相联，选择当前状态下需检测电压的电池，电源变换电路(320)将外部电源与检测与控制核心电路(340)相联，为电池电压检测电路(300)供电；检测与控制核心电路(340)通过通讯电路(330)与外部进行数据通讯，检测与控制核心电路(340)与电池通道控制开关(350)相联，通过电池通道控制开关(350)控制电池通道选择开关(310)的通道，电池电压变换电路(360)与检测与控制核心电路(340)相联，将选通的电池电压转换成数字量，检测与控制核心电路(340)分别与各组电池降压电路(410～4m0)相联，控制降压电路(410～4m0)；所述降压电路(410～4m0)为m个，m与燃料电池堆分成的电池组数对应，降压电路(410～4m0)包括降压电阻(411～4m1)、开关管(412～4m2)和控制电阻(413～4m3)，每个降压电路(410～4m0)分别与对应的电池电压检测线束(210～2m0)相联，降压电阻(411～4m1)一端分别与连接线(211～2mn)正极相联，另一端分别与开关管(412～4m2)的集电极相联，开关管(412～4m2)的发射极分别与连接线(211～2mn)负极相联，开关管(412～4m2)的基极分别与控制电阻(413～4m3)相联，控制电阻(413～4m3)的另一端分别和检测与控制核心电路(340)相联，所述电池电压检测电路(300)和降压电路(410～4m0)封装在外壳(500)内。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述检测与控制核心电路(340)是单片机和接口电路，单片机内置检测和控制程序。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述单片机内置检测和控制程序包括以下步骤：
1)检测与控制核心电路通(340)过通讯电路(330)判断燃料电池堆(100)的运行状态，确定电堆是否停止运行并且氢气源已关闭；
2)步骤1)判断为否，则返回停机降压检测控制核心电路(340)再判断，判断为是，则由电池电压检测电路(300)检测燃料电池堆(100)各组电池电压；
3)判断各组电池的最小电压是否大于规定的值，判断为是的那组电池将导通该组的降压电阻(411～4m1)，判断为否的那组电池将断开该组的降压电阻(411～4m1)；
4)重复上述步骤，直至各组电池的最小电压都小于规定的值。
7.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述电池电压检测电路(300)的电池通道选择开关(310)由光耦继电器组成。
8.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述电池通道控制开关(350)由片选芯片组成。
9.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述电池电压变换电路(360)是由运算放大器和滤波电容组成的跟随放大和滤波电路。
10.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆停机降压方法的装置，其特征在于：所述开关管(412～4m2)为三极管。
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