CN103078124A - 一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统及其控制方法，所述的系统包括备用电源燃料电池堆、备用电源输出DC/DC、备用电源输出负载、备用电源限流电路、备用电源控制器、电流传感器、温度传感器和电压传感器。本发明当燃料电池堆电压低于其设定极限值时，备用电源限流电路将限制负载的增加，实现对燃料电池堆的有效保护，即可以延长燃料电池堆的使用寿命，同时可以根据燃料电池堆的工作温度动态调整备用电源的启动时间，满足不同负载对启动的要求，又不影响燃料电池堆的使用寿命，由于本发明不必使用大容量的蓄电池，所以可以降低材料成本和维护成本。本发明可减小备用电源正常启动时由于加载过快导致缩短燃料电池的使用寿命。

Description

一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池备用电源范畴，特别涉及一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统及控制方法。
背景技术
燃料电池是一种能量转换装置，它按电化学原理等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。质子交换膜燃料电池（proton exchangemembrane fuel cell,PEMFC）以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂，氢或净化重整气为氧化剂，带有流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。其反应原理是阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应，电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极，氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水。一节典型的燃料电池的输出电压约为1伏，为了达到一个较高的电压通常将多节燃料电池集成在一起串联形成燃料电池组。燃料电池组与空气（氧气）供给系统、氢气供给系统和冷却系统组成燃料电池发电系统给负载供电。由于质子交换膜燃料电池除具有燃料电池的一般特点（如能量转化效率高、环境友好等）之外，同时还具有可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点，因此它不仅可以用于建设分散电站，特别适宜用作备用电源，在未来的以氢作为主要能量载体的氢能时代，它也是最佳的家庭备用动力源。目前燃料电池备用电源已处于示范运营阶段，但如果启动控制不当，将严重影响燃料电池的使用寿命。
为解决此问题，通常采用两种方案，一种是基于蓄电池启动备用电源另一种是基于软启动电路启动备用电源。
图1所示是基于蓄电池启动备用电源示意图，备用电源燃料电池堆1通过备用电源输出DC/DC2驱动备用电源输出负载3，备用电源启动电瓶3在备用电源输出负载4启动时输出电流给备用电源输出负载4供电，备用电源燃料电池堆1启动后，通过备用电源输出DC/DC2逐步提高其输出电压，使备用电源燃料电池堆1输出功率满足备用电源输出负载4的需要，并在此过程中给备用电源启动电瓶3充电。该方案优点是可以实现燃料电池堆在启动过程中缓慢加载，但由于增加备用电源启动电瓶3，使得系统重量大大增加，而且材料成本和维护成本较高。
图2所示是基于软启动电路启动备用电源示意图，备用电源燃料电池堆1通过备用电源输出DC/DC2和其备用电源输出DC/DC软启动器5驱动备用电源输出负载4，备用电源输出DC/DC软启动器5的作用是使备用电源输出DC/DC2的输出电压缓慢增加至额定值。该方案的优点是可以实现燃料电池堆在启动过程中缓慢加载，但缺点是不能根据燃料电池堆的实际情况进行加载启动，影响燃料电池堆的使用寿命。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既可降低材料成本和维护成本，又可以延长燃料电池堆使用寿命的燃料电池备用电源启动输出的控制系统及控制方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统，包括备用电源燃料电池堆、备用电源输出DC/DC、备用电源输出负载、备用电源限流电路、备用电源控制器、备用电源燃料电池堆电流传感器、备用电源燃料电池堆温度传感器和备用电源燃料电池堆电压传感器；
所述的备用电源燃料电池堆经备用电源输出DC/DC与备用电源限流电路的输入端连接，所述的备用电源限流电路分别与备用电源燃料电池堆电流传感器和备用电源控制器连接，所述的备用电源燃料电池堆电流传感器还与备用电源输出负载连接，所述的备用电源控制器分别通过备用电源燃料电池堆温度传感器和备用电源燃料电池堆电压传感器连接到备用电源燃料电池堆。
一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统的控制方法，包括以下步骤：
A、燃料电池备用电源启动后，备用电源控制器定时通过备用电源燃料电池堆电压传感器采集备用电源燃料电池堆输出电压Vstack；
B、如果备用电源燃料电池堆输出电压Vstack大于备用电源燃料电池堆输出电压极限值Vlmt，则备用电源控制器定时通过备用电源燃料电池堆电流传感器采集备用电源输出DC/DC的输出电流Ibackup；否则，转向步骤A；
C、如果备用电源输出DC/DC的输出电流Ibackup等于设定备用电源限流电路的最大输出电流值Ilmtset，备用电源控制器通过备用电源燃料电池堆温度传感器采集备用电源燃料电池堆的工作温度Tstack，通过查《燃料电池堆工作温度-限流增加值表》得备用电源输出DC/DC输出限流设定增加值ΔIbackup，并将设定备用电源限流电路的最大输出电流值Ilmtset修改为Ibackup+ΔIbackup；如果设定备用电源限流电路的最大输出电流值Ilmtset大于备用电源限流电路允许的最大输出电流值Ilmt，则将Ilmtset修改为Ilmt，否则，转向步骤A。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中，当燃料电池堆电压低于其设定极限值时，备用电源限流电路将限制负载的增加，实现对燃料电池堆的有效保护，即可以延长燃料电池堆的使用寿命，同时可以根据燃料电池堆的工作温度动态调整备用电源的启动时间，满足不同负载对启动的要求，又不影响燃料电池堆的使用寿命，由于本发明不必使用大容量的蓄电池，所以可以降低材料成本和维护成本。
2、本发明根据燃料电池堆的输出电压、工作温度以及输出电流控制燃料电池备用电源输出DC/DC的最大限流值，实现燃料电池备用电源系统的启动控制，本发明实现燃料电池堆缓慢启动驱动负载，无需大容量的蓄电池，减小燃料电池备用电源正常启动时由于加载过快导致缩短燃料电池的使用寿命。
附图说明
本发明共有附图5张，其中：
图1是基于蓄电池启动备用电源示意图。
图2是基于软启动电路启动备用电源示意图。
图3是本发明的组成示意图。
图4是本发明的流程示意图。
图5是燃料电池备用电源在不同温度下启动时的加载曲线。
图中：1、备用电源燃料电池堆，2、备用电源输出DC/DC，3、备用电源启动电瓶，4、备用电源输出负载，5、备用电源输出DC/DC软启动器，6、备用电源限流电路，7、备用电源控制器，8、备用电源燃料电池堆电流传感器，9、备用电源燃料电池堆温度传感器，10、备用电源燃料电池堆电压传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图3所示，一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统，包括备用电源燃料电池堆1、备用电源输出DC/DC2、备用电源输出负载4、备用电源限流电路6、备用电源控制器7、备用电源燃料电池堆电流传感器8、备用电源燃料电池堆温度传感器9和备用电源燃料电池堆电压传感器10；
所述的备用电源燃料电池堆1经备用电源DC/DC2与备用电源限流电路6的输入端连接，所述的备用电源限流电路6分别与备用电源燃料电池堆电流传感器8和备用电源控制器7连接，所述的备用电源燃料电池堆电流传感器8还与备用电源输出负载4连接，所述的备用电源控制器7分别通过备用电源燃料电池堆温度传感器9和备用电源燃料电池堆电压传感器10连接到备用电源燃料电池堆1。
如图4所示，一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统的控制方法，包括以下步骤：
A、燃料电池备用电源启动后，备用电源控制器7定时通过备用电源燃料电池堆电压传感器10采集备用电源燃料电池堆1输出电压Vstack；
B、如果备用电源燃料电池堆1输出电压Vstack大于备用电源燃料电池堆1输出电压极限值Vlmt，则备用电源控制器7定时通过备用电源燃料电池堆电流传感器8采集备用电源DC/DC2的输出电流Ibackup；否则，转向步骤A；
C、如果备用电源DC/DC2的输出电流Ibackup等于设定备用电源限流电路6的最大输出电流值Ilmtset，备用电源控制器7通过备用电源燃料电池堆温度传感器9采集备用电源燃料电池堆1的工作温度Tstack，通过查《燃料电池堆工作温度-限流增加值表》得备用电源DC/DC2输出限流设定增加值ΔIbackup，并将设定备用电源限流电路6的最大输出电流值Ilmtset修改为Ibackup+ΔIbackup；如果设定备用电源限流电路6的最大输出电流值Ilmtset大于备用电源限流电路6允许的最大输出电流值Ilmt，则将Ilmtset修改为Ilmt，否则，转向步骤A。
下面以5kw燃料电池备用电源启动控制为例对本发明进行进一步的说明：设燃料电池堆输出电压极限值Vstack为40V，5kw备用电源控制器7控制输出限流控制周期为1s，根据表1得5kw燃料电池备用电源在不同温度下启动时的加载过程如图5所示，燃料电池堆在不同工作温度下启动速率不同，工作温度越高，其启动速率越快。
表1：燃料电池堆工作温度-限流增加值表
燃料电池堆工作温度Tstack（℃） 备用电源限流增加值ΔIbackup（A）
0 2
10 4
20 6
30 8
40 10
50 12
60 14
70 16
80 18
90 20

Claims (2)

1.一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统，其特征在于：包括备用电源燃料电池堆（1）、备用电源输出DC/DC（2）、备用电源输出负载（4）、备用电源限流电路（6）、备用电源控制器（7）、备用电源燃料电池堆电流传感器（8）、备用电源燃料电池堆温度传感器（9）和备用电源燃料电池堆电压传感器（10）；
所述的备用电源燃料电池堆（1）经备用电源DC/DC（2）与备用电源限流电路（6）的输入端连接，所述的备用电源限流电路（6）分别与备用电源燃料电池堆电流传感器（8）和备用电源控制器（7）连接，所述的备用电源燃料电池堆电流传感器（8）还与备用电源输出负载（4）连接，所述的备用电源控制器（7）分别通过备用电源燃料电池堆温度传感器（9）和备用电源燃料电池堆电压传感器（10）连接到备用电源燃料电池堆（1）。
2.一种燃料电池备用电源启动输出的控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、燃料电池备用电源启动后，备用电源控制器（7）定时通过备用电源燃料电池堆电压传感器（10）采集备用电源燃料电池堆（1）输出电压Vstack；
B、如果备用电源燃料电池堆（1）输出电压Vstack大于备用电源燃料电池堆（1）输出电压极限值Vlmt，则备用电源控制器（7）定时通过备用电源燃料电池堆电流传感器（8）采集备用电源DC/DC（2）的输出电流Ibackup；否则，转向步骤A；
C、如果备用电源DC/DC（2）的输出电流Ibackup等于设定备用电源限流电路（6）的最大输出电流值Ilmtset，备用电源控制器（7）通过备用电源燃料电池堆温度传感器（9）采集备用电源燃料电池堆（1）的工作温度Tstack，通过查《燃料电池堆工作温度-限流增加值表》得备用电源DC/DC（2）输出限流设定增加值ΔIbackup，并将设定备用电源限流电路（6）的最大输出电流值Ilmtset修改为Ibackup+ΔIbackup；如果设定备用电源限流电路（6）的最大输出电流值Ilmtset大于备用电源限流电路（6）允许的最大输出电流值Ilmt，则将Ilmtset修改为Ilmt，否则，转向步骤A。
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