CN103137992B - 燃料电池系统的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的控制方法和装置，其中，该方法包括：对燃料电池系统的电池堆的输出功率进行检测；通过电池堆输出功率的下降和节电池电压的骤降判断电池堆的局部水淹状态；在确定出现水淹的情况下通过燃料电池系统的储能单元提供部分外界需求功率以降低电池堆的功率输出，从而消除水淹现象，使得电池堆的性能可以快速恢复。本发明在不影响系统整体输出功率的情况下，解决了电池堆由于局部水淹造成的输出性能暂时性下降的技术问题，达到了保持系统稳定的功率输出并及时恢复电池堆性能，提高燃料电池堆的性能与耐久性的技术效果。

Description

燃料电池系统的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统的控制方法和装置。

背景技术

燃料电池是一种使用环境友好、高效、长寿命的发电装置。下面以质子交换膜燃料电池（简称为PEMFC）为例来说明书燃料电池的工作原理：燃料气体从阳极侧进入，燃料气体中的氢原子在阳极侧失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极。在阴极质子和电子与氧气结合生成水，从而产生电能。由上述分析可知，燃料电池采用的是非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制采用燃料电池直接发电，发电效率可高达45%。以电池堆为核心的发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站到移动式电源，从电动汽车到航天飞船，从军用装备到民用产品都有着广泛的应用。

然而，燃料电池在运行过程中，由于环境温度、湿度的变化或外部反应气输入条件的波动，造成了电池堆内部暂时性的局部水淹，从而导致电池堆或某节或某几节电池性能下降。如果不采取补救措施，由于外界索取功率不变，电池堆输出电流将被迫提高，增加了反应气的消耗，从而加剧了电池堆内部水淹及燃料枯竭的问题，最终导致系统整体输出不足以维持外界功率需求，降低电池堆性能和寿命。如图1所示，虚线为外界需求功率保持为P0不变，实线为电池堆输出功率。电池堆内部的暂时性水淹造成了性能的下降，如果不采取补救措施，则会加剧性能的衰减。

此时，现有技术中一般采取的方案是：通过燃料电池系统的附属部件（Balance of Plant，简称为BOP，包括反应气体输送所需要的泵等动力部件）调节，加大反应气的输入流量，从而排出多余的液态水，以消除电池堆内部的水淹现象，使电池堆恢复正常工作状态。如图2所示，虚线为外界需求功率保持为P0不变，实线为电池堆输出功率。电池堆内部暂时性水淹造成的性能下降，如果通过上述BOP增加反应气的供给速率，则会造成电池堆调节的延时，需要较长的时间，电池堆才能恢复正常工作；另外，由于增加了燃料气体的输入，当电池堆性能恢复时，电池堆功率输出会溢出。因此，通过上述BOP方式进行调节主要存在以下两个问题：

1）BOP的调节速度（泵速调节）比较慢，对于电池堆输出性能的调节有很大的延时；

2）通过BOP调节反应气流量来解决水淹，增加了燃料气体用量以及泵耗，降低了系统效率。

同时，燃料电池如果应用在大功率运行过程，节电池电压较低，若此时出现电池堆内部暂时性的局部水淹，将导致节电池电压过低，从而引发不必要的自动关机（为保证系统安全，一般在电压过低时，会实行系统的自动关机）。在这种情况下，BOP的响应速度，不足以避免系统不必要的自动关机。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种燃料电池系统的控制方法和装置，以至少解决现有技术中恢复电池堆性能的效率低下的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括：对燃料电池系统的电池堆是否处于水淹状态进行检测；在检测到上述电池堆处于水淹状态的情况下，通过上述燃料电池系统的储能单元提供部分上述燃料电池系统的外界需求功率。

优选地，对燃料电池系统的电池堆是否处于水淹状态进行检测包括：通过上述电池堆的输出功率的下降情况和上述电池堆的节电池电压的在短时间内的下降情况来判断上述电池堆是否处于水淹状态。

优选地，在通过上述储能单元提供部分上述外界需求功率的过程中，上述方法还包括：上述燃料电池系统中的燃料电池系统的附属部件BOP的反应气的供应量大于当前上述电池堆所需的反应气流量。

优选地，在通过上述燃料电池系统的储能单元提供部分上述燃料电池系统的外界需求功率之后，上述方法还包括：根据上述电池堆实时的输出功率调整上述储能单元提供的功率，直至上述电池堆的水淹状态消除且上述电池堆输出功率保持在预定的稳定输出，上述储能单元停止提供功率。

优选地，在检测到上述电池堆处于水淹状态的情况下之后，上述方法还包括：降低上述电池堆的输出功率。

优选地，上述降低上述电池堆的输出功率包括：上述电池堆停止为BOP提供上述BOP所需的功率；上述储能单元为上述BOP提供上述BOP所需的功率。

优选地，在检测到上述输出功率低于外界需求功率的情况下之后，上述方法还包括：检测在预定时间内上述电池堆的输出功率是否能满足上述燃料电池系统的外界需求功率；如果不能，则引发自动关机程序。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种燃料电池系统的控制装置，包括：第一检测单元，用于对燃料电池系统的电池堆是否处于水淹状态进行检测；控制单元，用于在上述第一检测单元检测到上述电池堆处于水淹状态的情况下，通过上述燃料电池系统的储能单元提供部分上述燃料电池系统的外界需求功率。

优选地，上述装置还包括：调整单元，用于在通过上述燃料电池系统的储能单元提供部分上述燃料电池系统的外界需求功率之后，根据上述电池堆实时的输出功率调整上述储能单元提供的功率，直至上述电池堆的水淹状态消除且上述电池对输出功率保持在预定的稳定输出，上述储能单元停止提供功。

优选地，上述装置还包括：第二检测单元，用于在上述第一检测单元检测到上述输出功率低于外界需求功率的情况下之后，检测在预定时间内上述电池堆的输出功率是否能满足上述燃料电池系统的外界需求功率；关机单元，用于在确定不能满足上述外界需求功率的情况下，引发自动关机程序。

在本发明实施例中，通过电池堆输出功率的下降和节电池电压的骤降来判断电池堆的局部水淹状态，在确定出现水淹的情况下通过燃料电池系统的储能单元提供部分外界需求功率以降低电池堆的功率输出，从而消除水淹现象，使得电池堆的性能可以快速恢复。本发明在不影响系统整体输出功率的情况下，解决了电池堆由于局部水淹造成的输出性能暂时性下降的技术问题，达到了保持系统稳定的功率输出并及时恢复电池堆性能，提高燃料电池堆的性能与耐久性的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的电池堆内部暂时性水淹导致的电池堆内部电池性能下降的示意图；

图2是根据相关技术的电池堆内部暂时性水淹导致的电池堆内部电池性能下降的情况下，通过BOP恢复电池堆性能的示意图；

图3是根据本发明实施例的燃料电池系统的控制方法的一种优选流程图；

图4是根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置的一种优选结构框图；

图5是根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置的另一种优选结构框图；

图6是根据本发明实施例的优选实施方式1中的电池堆性能恢复示意图；

图7是根据本发明实施例的优选实施方式2中的电池堆性能恢复示意图；

图8是根据本发明实施例的燃料电池与储能单元联合工作的系统示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明实施例提供了一种优选的燃料电池系统的控制方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤S302：对燃料电池系统的电池堆是否处于水淹状态进行检测；

步骤S304：在检测到所述电池堆处于水淹状态的情况下，通过所述燃料电池系统的储能单元提供部分所述燃料电池系统的外界需求功率。

在上述优选实施方式中，通过电池堆输出功率的下降和节电池电压的骤降来判断电池堆的局部水淹状态，在确定出现水淹的情况下通过燃料电池系统的储能单元提供部分外界需求功率以降低电池堆的功率输出，从而消除水淹现象，使得电池堆的性能可以快速恢复。本发明在不影响系统整体输出功率的情况下，解决了电池堆由于局部水淹造成的输出性能暂时性下降的技术问题，达到了保持系统稳定的功率输出并及时恢复电池堆性能，提高燃料电池堆的性能与耐久性的技术效果。

优选地，在上述步骤S302中，可以通过所述电池堆的输出功率的下降情况和所述电池堆的节电池电压的在短时间内的下降情况来判断所述电池堆是否处于水淹状态

为了便于电池堆内部液态水的排出，以使得电池堆可以恢复到正常的状态。在通过储能单元提供部分外界需求功率的过程中，可以保持燃料电池系统中的BOP的反应气的供应量大于电池堆所需的反应气流量，这样电池堆内的水可以正常排出。

在电池堆性能恢复的过程中，可以池堆实时的输出功率调整储能单元提供的功率，直至电池堆的水淹状态消除且所述电池堆输出功率保持在预定的稳定输出，储能单元停止提供功率。即，在性能恢复的过程中，逐渐减少储能单元输出的功率，直至电池堆正常工作刚好满足外界需求功率。

优选地，为了进一步降低电池堆输出功率以减少电池堆的输出负担，BOP模块所需的功率部分可以由储能单元提供。在一个优选实施方式中，降低所述电池堆的输出功率包括：电池堆停止为BOP提供BOP所需的功率；储能单元为BOP提供BOP所需的功率。

在一个优选实施方式中，在检测到所述输出功率低于外界需求功率的情况下之后，上述方法还包括：检测在预定时间内电池堆的输出功率是否能满足外界需求功率；如果不能，则引发自动关机程序。例如：如果在t时间段内，电池堆能够恢复至正常功率输出状态，则不引发自动关机程序；如果在t时间段内，电池堆仍然不能恢复至正常功率输出状态，持续过低的节电池电压，则触发自动关机程序，从而达到了保护系统的作用。

在本实施例中还提供了一种燃料电池系统的控制装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图4是根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置的一种优选结构框图，如图4所示，包括：第一检测单元402和控制单元404，下面对该结构进行说明。

第一检测单元402，用于对燃料电池系统的电池堆是否处于水淹状态进行检测；

控制单元404，与第一检测单元402耦合，用于在所述第一检测单元检测到所述电池堆处于水淹状态的情况下，通过所述燃料电池系统的储能单元提供部分所述燃料电池系统的外界需求功率。

在一个优选实施方式中，上述装置还包括：调整单元，用于在通过所述燃料电池系统的储能单元提供部分所述燃料电池系统的外界需求功率之后，根据所述电池堆实时的输出功率调整所述储能单元提供的功率，直至所述电池堆的水淹状态消除且所述电池对输出功率保持在预定的稳定输出，所述储能单元停止提供功率。

在一个优选实施方式中，如图5所示，上述装置还包括：第二检测单元502，用于在所述第一检测单元检测到所述输出功率低于外界需求功率的情况下之后，检测在预定时间内所述电池堆的输出功率是否能满足所述外界需求功率；关机单元504，与第二检测单元502耦合，用于在确定不能满足燃料电池系统的外界需求功率的情况下，引发自动关机程序。

本发明实施例还提供了几个优选的实施方式对本发明进行进一步解释，但是值得注意的是，该优选实施例只是为了更好的描述本发明，并不构成对本发明不当的限定。

在上述各个优选实施方式中，提供了一种燃料电池的智能控制方法，通过燃料电池系统的控制逻辑设计以及与储能单元的耦合操作，解决了电池堆暂时性输出功率下降时出现的问题，即解决了燃料电池性能的暂时性下降造成的功率输出不足，降低响应延迟并完成电池堆输出性能的自恢复，从而达到了提高燃料电池堆的性能与耐久性的效果，同时保证了燃料系统输出功率恒定。

结合上述各个优选实施方式，本发明实施例还给出了几个具体的实施方式以便对本发明进行进一步解释说明：

优选实施方式1

如图6所示，当电池堆输出功率暂时性下降时，燃料电池系统不增加反应的气流量，保持BOP的运行状态，而外界功率需求比电池堆输出功率多出的部分由储能单元提供。此时，电池堆反应气的供应量大于正常所需的反应气流量，便于电池堆内部液态水的排出，使得电池堆可以恢复至正常功率输出状态。然而，在电池堆性能恢复的同时，储能单元提供的功率也逐渐减小，直至电池堆正常工作时的输出功率可以刚好满足外部功率需求。

优选实施方式2

如图7所示，当电池堆输出功率暂时性下降时，燃料电池系统不增加反应的气流量，保持BOP的运行状态。优选地，进一步降低电池堆输出功率以减少电池堆的输出负担，此时外界功率需求比电池堆输出功率多出的部分由储能单元提供。此时，电池堆反应气的供应量远大于正常所需的反应气流量，便于快速排出电池堆内部的液态水，使得电池堆可以恢复至正常功率输出状态。然而，在电池堆性能恢复的同时，储能单元提供的功率也逐渐减小，直至电池堆正常工作时输出的功率可以刚好满足外部功率需求。

如图8所示，是燃料电池与储能单元联合工作的系统示意图。其中，（a）表示燃料电池对负载供电，（b）表示储能单元对负载供电，（c）表示燃料电池堆对储能单元充电，（d）表示储能单元对BOP供电，（e）表示燃料电池堆对BOP供电，（f）表示BOP对燃料电池的反应气供给。

在上述优选实施方式1和2中，为了保证系统外部功率输出恒定，燃料电池堆功率输出下降的部分由储能单元填补。通过储能单元补偿功率大小的控制，调节电池堆恢复至正常状态所需的时间。

优选实施方式3

当电池堆输出功率暂时性下降时，燃料电池系统不增加反应气流量，保持BOP运行状态，而BOP模块所需的功率部分由储能单元提供（即，如图8中的d所示），从而降低电池堆所需的功率输出。此时，电池堆反应气供应量大于正常所需的反应气流量，便于电池堆内部液态水的排出，使电池堆恢复到正常状态。而在电池堆性能恢复的同时，BOP模块的功率需求再重新由电池堆提供（即，如图8中的e所示），直至电池堆正常工作刚好满足系统内部与外部功率需求。

优选实施方式4

当燃料电池大功率运行时，节电池电压较低，若此时出现电池堆内部暂时性的局部水淹，将导致节电池电压过低，从而引发不必要的自动关机。此时，针对电池堆输出功率下降的问题，燃料电池系统不增加反应气流量，保持BOP运行状态，同时进一步降低电池堆输出功率以减少电池堆输出负担，而外界功率需求比电池堆输出功率多出的部分由储能单元提供，以帮助电池堆的性能恢复。

如果在t时间段内，电池堆能够恢复至正常功率输出状态，则不引发自动关机程序；如果在t时间段内，电池堆仍然不能恢复至正常功率输出状态，持续过低的节电池电压，则触发自动关机程序，以实现对系统的保护。

在另外一个实施例中，还提供了一种软件，该软件用于执行上述实施例及优选实施方式中描述的技术方案。

在另外一个实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：通过电池堆输出功率的下降和节电池电压的骤降来判断电池堆的局部水淹状态，在确定出现水淹的情况下通过燃料电池系统的储能单元提供部分外界需求功率以降低电池堆的功率输出，从而消除水淹现象，使得电池堆的性能可以快速恢复。本发明在不影响系统整体输出功率的情况下，解决了电池堆由于局部水淹造成的输出性能暂时性下降的技术问题，达到了保持系统稳定的功率输出并及时恢复电池堆性能，提高燃料电池堆的性能与耐久性的技术效果。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括：

对燃料电池系统的电池堆是否处于水淹状态进行检测；

在检测到所述电池堆处于水淹状态的情况下，通过所述燃料电池系统的储能单元提供部分所述燃料电池系统的外界需求功率，

其中，对燃料电池系统的电池堆是否处于水淹状态进行检测包括：

通过所述电池堆的输出功率的下降情况和所述电池堆的节电池电压的在短时间内的下降情况来判断所述电池堆是否处于水淹状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在通过所述储能单元提供部分所述外界需求功率的过程中，所述方法还包括：

所述燃料电池系统中的燃料电池系统的附属部件BOP的反应气的供应量大于当前所述电池堆所需的反应气流量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在通过所述燃料电池系统的储能单元提供部分所述燃料电池系统的外界需求功率之后，所述方法还包括：

根据所述电池堆实时的输出功率调整所述储能单元提供的功率，直至所述电池堆的水淹状态消除且所述电池堆输出功率保持在预定的稳定输出，所述储能单元停止提供功率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在检测到所述电池堆处于水淹状态的情况下之后，所述方法还包括：

降低所述电池堆的输出功率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述降低所述电池堆的输出功率包括：

所述电池堆停止为BOP提供所述BOP所需的功率；

所述储能单元为所述BOP提供所述BOP所需的功率。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在检测到所述输出功率低于外界需求功率的情况下之后，所述方法还包括：

检测在预定时间内所述电池堆的输出功率是否能满足所述燃料电池系统的外界需求功率；

如果不能，则引发自动关机程序。

7.一种燃料电池系统的控制装置，其特征在于，包括：

第一检测单元，用于对燃料电池系统的电池堆是否处于水淹状态进行检测；

控制单元，用于在所述第一检测单元检测到所述电池堆处于水淹状态的情况下，通过所述燃料电池系统的储能单元提供部分所述燃料电池系统的外界需求功率，

其中，所述第一检测单元用于通过所述电池堆的输出功率的下降情况和所述电池堆的节电池电压的在短时间内的下降情况来判断所述电池堆是否处于水淹状态。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

调整单元，用于在通过所述燃料电池系统的储能单元提供部分所述燃料电池系统的外界需求功率之后，根据所述电池堆实时的输出功率调整所述储能单元提供的功率，直至所述电池堆的水淹状态消除且所述电池对输出功率保持在预定的稳定输出，所述储能单元停止提供功率。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，还包括：

第二检测单元，用于在所述第一检测单元检测到所述输出功率低于外界需求功率的情况下之后，检测在预定时间内所述电池堆的输出功率是否能满足所述燃料电池系统的外界需求功率；

关机单元，用于在确定不能满足所述外界需求功率的情况下，引发自动关机程序。