CN103165927A - Bop供电的控制方法、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BOP供电的控制方法、装置及设备，其中，该方法包括：检测为BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，其中，输出状态值至少包括以下之一：输出电压值，输出电流值，输出功率值；如果否，则将系统电池切换为BOP的供电电源。通过运用本发明，可以精确的判断何时需要切换到系统电池，解决了无法准确的判别燃料电池与系统电池的切换时间，进而会造成大幅度的电压跌落，不利于BOP稳定工作的问题，精确的切换提高了BOP工作的稳定性。

Description

BOP供电的控制方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及燃料电池应用及电气控制领域，更具体地，涉及一种系统平衡设备（Balanceof Plants，简称为BOP）供电的控制方法、装置及设备。

背景技术

燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，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、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用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其直接发电效率可高达45%。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，到民用产品有着广泛的应用空间。

BOP是燃料电池发电系统中的重要部件，BOP维持燃料电池稳定安全运行，要求具有高效、低噪声、高紧凑度、高可靠性、高耐用性、鲁棒性和低成本等特性。BOP自身的功率损耗直接关系到燃料电池的最终发电效率、能源利用率，BOP供电电源为系统电源（储能启动电池、网侧电压等）或燃料电池堆之一。本发明通过监测系统电源电压和燃料电池堆电压，由逻辑控制器在燃料电池工作正常的情况下，优选燃料电池作为BOP系统供电变换器的输入电源，实现了两个供电电源之间的无缝切换，提高了燃料电池系统的综合发电效率，同时减小了BOP供电功率变换单元的体积。

相关技术通常采用以下方式对BOP进行供电：（1）BOP始终采用系统电源进行供能。（2）使用可靠电力分配器的燃料电池系统，例如，使用氢和氧之间的电化学反应产生电力的燃料电池系统。（3）根据系统工作条件，通过继电器选择系统电源或燃料电池堆作为为BOP供电的功率变换器的输入电源。

针对上述方案，其都存在不同的问题：（1）方案1始终采用系统电源功能，BOP工作稳定，系统电源的能量由燃料电池发电系统经过适当的功率变换（直流到直流变换、直流到交流变换）而获得，再经过功率变换后为BOP供电，等效于燃料电池的电能经过多级功率变换，综合效率低下。（2）方案2需要通过两个独立供电模块，设定输出电压的偏差，同时供电，然后通过继电器的方式进行功率切换，双供电模块体积大，成本高，同时继电器工作频率低、存在线圈损等固有缺点，不利于燃料电池供电系统的高效运行。（3）方案3是通过继电器选择系统电源（电池）或燃料电池堆作为BOP的供电输入电源，继电器切换时间通常是毫秒级别，需要大的储能电容在切换时间维持能量供应，大幅度的电压跌落不利于BOP系统的稳定工作，严重时甚至危及燃料电池系统的完全工作。

因此，相关技术中无法准确的判别燃料电池与系统电池的切换时间，进而会造成大幅度的电压跌落，不利于BOP稳定工作。

发明内容

本发明旨在提供一种BOP供电的控制方法、装置及设备，以解决相关技术中，无法准确的判别燃料电池与系统电池的切换时间，进而会造成大幅度的电压跌落，不利于BOP稳定工作的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种BOP供电的控制方法，包括：检测为所述BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，其中，所述输出状态值至少包括以下之一：输出电压值，输出电流值，输出功率值；如果否，则将系统电池切换为所述BOP的供电电源。

优选地，将所述系统电池切换为所述BOP的供电电源包括：断开所述燃料电池与所述BOP的连接；将所述系统电池与所述BOP连接。

优选地，将所述系统电池切换为所述BOP的供电电源包括：将所述系统电池与所述BOP连接；断开所述燃料电池与所述BOP的连接。

优选地，将系统电池切换为所述BOP的供电电源之后，还包括：继续检测所述燃料电池的输出状态值是否符合所述预设条件值；如果是，则将所述燃料电池切换为所述BOP的供电电源。

根据本发明的另一个方面，提供了一种BOP供电的控制装置，包括：检测模块，用于检测为所述BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，其中，所述输出状态值至少包括以下之一：输出电压值，输出电流值，输出功率值；切换模块，用于在所述燃料电池的输出状态值不符合所述预设条件值的情况下，将系统电池切换为所述BOP的供电电源。

优选地，所述切换模块包括：断开单元，用于断开所述燃料电池与所述BOP的连接；连接单元，用于将所述系统电池与所述BOP连接。

优选地，所述检测模块，还用于继续检测所述燃料电池的输出状态值是否符合所述预设条件值；所述切换模块，还用于在所述燃料电池的输出状态值符合所述预设条件值的情况下，将所述燃料电池切换为所述BOP的供电电源。

根据本发明的又一个方面，提供了一种BOP供电的控制设备，包括：第一功率控制器，与切换控制器连接，用于根据所述切换控制器发出的切换命令将系统电池对应的功率开关断开和闭合；第二功率控制器，与所述切换控制器连接，用于根据所述切换控制器发出的切换命令将燃料电池对应的功率开关断开和闭合；所述切换控制器，与所述燃料电池和所述系统电池连接，用于在检测到为所述BOP供电的所述燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，并根据监测结果向所述第一功率控制器和所述第二功率控制器发送切换命令，其中，在所述输出状态值不符合所述预设条件值的情况下，所述切换命令用于指示所述第二功率控制器断开，并指示所述第一功率控制器闭合。

优选地，所述装置还包括：所述燃料电池，用于为所述BOP供电；所述系统电池，用于在所述燃料电池的输出状态值不符合预设条件值的情况下，为所述BOP供电。

优选地，所述第一功率控制器和所述第二功率控制器，还用于将所述系统电池和所述燃料电池的输出电能变换为所述BOP适用的直流电能，其中，所述第一功率控制器和所述第二功率控制器共用副边滤波环节。

优选地，所述切换指令为所述第一功率控制器和所述第二功率控制器的使能信号，其中，所述使能信号用于选择所述第一功率控制器或所述第二功率控制器之一进行功率变换以为所述BOP供电。

优选地，所述功率开关包括以下之一：三极管，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate BipolarTransistor，简称为IGBT），金属-氧化层-半导体-场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，简称为MOSFET，或MOS管）。

本发明采用了如下方法：检测为BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，如果不满足，则将系统电池切换为所述BOP的供电电源。通过使用本发明的上述方法，检测燃料电池当前的状态，就可以精确的判断何时需要切换到系统电池，解决了无法准确的判别燃料电池与系统电池的切换时间，进而会造成大幅度的电压跌落，不利于BOP稳定工作的问题，精确的切换提高了BOP工作的稳定性。

附图说明

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示出了本发明实施例的BOP供电的控制方法的流程图；

图2示出了本发明实施例的BOP供电的控制装置的结构示意图；

图3示出了本发明实施例的BOP供电的控制装置切换模块的结构示意图；

图4示出了本发明实施例的BOP供电的控制设备的结构示意图；

图5示出了本发明优选实施例一的BOP供电的控制设备的结构图；

图6示出了本发明优选实施例二的切换控制的方法的流程图；

图7示出了本发明优选实施例三的切换控制的方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

基于相关技术中，无法准确的判别燃料电池与系统电池的切换时间，进而会造成大幅度的电压跌落，不利于BOP稳定工作的问题，本发明实施例提供了一种BOP供电的控制方法，该方法的流程如图1所示，包括步骤S102至步骤S104：

步骤S102，检测为BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，其中，输出状态值至少包括以下之一：输出电压值，输出电流值，输出功率值；

步骤S104，如果否，则将系统电池切换为BOP的供电电源。

本实施例采用了如下方法：检测为BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，如果不满足，则将系统电池切换为BOP的供电电源。通过使用本实施例的上述方法，检测燃料电池当前的状态，就可以精确的判断何时需要切换到系统电池，解决了无法准确的判别燃料电池与系统电池的切换时间，进而会造成大幅度的电压跌落，不利于BOP稳定工作的问题，精确的切换提高了BOP工作的稳定性。

在将系统电池切换为BOP的供电电源的过程中，可以包括两种方式，一种是先断开燃料电池与BOP的连接，再将系统电池与BOP连接；另一种是先将系统电池与BOP连接，然后再断开燃料电池与BOP的连接。此两种方式可以任选其一，在实现的过程中，由于本实施例采用的是信号切换方式，不存在继电器等大电流切换方式，切换时间是微秒级的，因而没有切换时间的延迟，能够实现无缝切换。

在将系统电池切换为BOP的供电电源之后，还可以继续检测燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值；如果此时还是不符合，则继续选择系统电池进行供电，如果此时燃料电池已经符合了预设条件值，则可以将燃料电池切换为BOP的供电电源。

本发明实施例还提供了一种BOP供电的控制装置，该装置的结构示意如图2所示，包括：检测模块10，用于检测为BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，其中，输出状态值至少包括以下之一：输出电压值，输出电流值，输出功率值；切换模块20，与检测模块10耦合，用于在燃料电池的输出状态值不符合预设条件值的情况下，将系统电池切换为BOP的供电电源。

在一个优选实施例中，检测模块10，还可以用于继续检测燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值；切换模块20，还可以用于在燃料电池的输出状态值符合预设条件值的情况下，将燃料电池切换为BOP的供电电源。

在实现过程中，上述切换模块20还可以如图3所示，包括断开单元202和连接单元204，其中，断开单元202，用于断开燃料电池与BOP的连接；连接单元204，用于将系统电池与BOP连接。

本发明实施例还提供了一种BOP供电的控制设备，该设备的结构示意可以如图4所示，图4中的第一功率控制器1，与切换控制器2连接，用于根据切换控制器2发出的切换命令将系统电池3对应的功率开关4断开和闭合；第二功率控制器5，与切换控制器2连接，用于根据切换控制器2发出的切换命令将燃料电池6对应的功率开关7断开和闭合；切换控制器2，与燃料电池6和系统电池3连接，用于在检测为BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，并根据检测结果向第一功率控制器1和第二功率控制器5发送切换命令，其中，在输出状态值不符合预设条件值的情况下，切换命令用于指示第二功率控制器5断开，并指示第一功率控制器1闭合。第一功率控制器和第二功率控制器，还用于将系统电池和燃料电池的输出电能变换为BOP适用的直流电能，其中，第一功率控制器和第二功率控制器共用副边滤波环节。实施时，切换指令为第一功率控制器和第二功率控制器的使能信号，其中，使能信号用于选择第一功率控制器或第二功率控制器之一进行功率变换以为BOP供电。

其中，燃料电池6，用于为BOP供电；系统电池3，用于在燃料电池6的输出状态值不符合预设条件值的情况下，为BOP供电。功率开关可以是电控开关，例如，三极管、IGBT或MOSFET等。

下面结合优选实施例对上述实施方式进行说明。

优选实施例一

由于现有的BOP综合效率低下，不利于燃料电池供电系统的高效运行，且系统电池与燃料电池切换速度较慢，造成大幅度的电压跌落，不利于BOP系统的稳定工作，本优选实施例提供了一种BOP供电输入电源的切换方法及其装置，以提高燃料电池系统综合发电效率。通过运用本实施例，提高了燃料电池电能的利用率，优化燃料电池发电系统的综合效率，同时实现了BOP供电电源的无缝切换，保证了BOP系统的稳定性可靠性。

本优选实施例的燃料电池BOP供电设备如图5所示，包括切换控制器、系统电源、燃料电池、功率变换单元4、功率变换单元5、滤波环节以及BOP系统；切换控制单元包括系统电源（电池）输出状态监测、燃料电池输出状态监测、以及切换控制指令的产生；功率变换单元4包括与变压器43初级相连的功率开关单元42、与变压器43次级相连的整流环节44、与切换控制器相连的功率控制器41，功率控制器41接收BOP供电系统的输出电压反馈信号；功率变换单元5包括与变压器53初级相连的功率开关单元52、与变压器53次级相连的整流环节54、与切换控制器相连的功率控制器51，功率控制器51接收BOP供电系统的输出电压反馈信号。功率控制器41、功率控制器51的包括输出电压反馈控制，包含且不限于采用独立的输出电压反馈控制电路、共用输出电压反馈电路的控制方式。

本实施例的切换控制器，用来监测系统电源和燃料电池的输出状态，给出切换控制指令。其中，对系统电源和燃料电池输出状态进行的检测包含且不限于：系统电源和燃料电池输出电压、系统电源和燃料电池输出电流、系统电源和燃料电池输出功率等。当然，也可以通过仅检测燃料电池的输出状态是否符合预设条件的方式来进行切换条件的监控。

系统电源作为BOP供电电源之一，其可以是燃料电池系统中的交流市电，也可以是燃料电池系统中的储能电池提供的直流电，储能电池可以是超级电容、铅酸电池、锂离子电池等。

功率变换单元4，可以将系统电源提供的电能转换成BOP系统适用的直流电能。本单元包含使能信号接收单元，用于接收切换控制器所发出的切换指令。其中，功率变换单元4的功率开关单元42包含且不限于：AC-DC变换、DC-DC变换，及其采用半桥、全桥等功率拓扑结构等。功率变换单元5，可以将燃料电池提供的电能转换成BOP系统适用的直流电能。本单元包含使能信号接收单元，用于接收切换控制器所发出的切换指令，其中，功率开关单元52包括但不限于正激、半桥、推挽等功率拓扑结构。

本优选实施例运用使能信号切换方式，由于不存在继电器等大电流切换方式，是通过发出使能信号后，由高频开关电源的开关切换来完成，切换时间与开关电源的频率相关，属于微秒级，没有切换时间的延迟，因此实现了BOP系统供电电源之间的无缝切换。

本实施例的功率变换单元采用输入取电方式，功率变换单元4可以直接从交流市电取电，功率变换单元5直接从燃料电池取电，减少了中间多余的变换环节，能够提高燃料电池的电能利用率，提高系统效率。

在图5中示出的整流环节44和54，都是对变压器的高频开关功率能量整流输出，配合功率开关单元42和52进行功率变换。滤波环节6，可以过滤高频整流环节之后电能中不利于BOP稳定工作的纹波成分。变压器及其整流电路，包括功率变换单元4、功率变换单元5各自变压器独立，整流环节独立；或者采用多输入绕组变压器共用同一磁芯，共用输出整流环节。

优选实施例二

本实施例提供一种切换控制的方法，该方法应用在图5提供的设备，其控制策略和控制流程如图6所示，包括步骤S602至步骤S620。

步骤S602，监测系统电源输出状态。

步骤S604，判断系统电源的输出状态是否正常。其中，正常的判断可以为多种，例如，其每节电池输出的电压是否都符合预设的电压范围值。如果是，则执行步骤S606，否则执行步骤S620。

步骤S606，向功率变换单元4发送使能信号，功率变换单元4开始进行功率变换。

步骤S608，系统电源为BOP供电。

步骤S610，监测燃料电池的输出状态。

步骤S612，判断燃料电池的输出状态是否正常。如果是，则执行步骤S614，否则返回步骤S602。

步骤S614，功率变换单元4停止工作，系统电源不再为BOP供电。

步骤S616，向功率变换单元5发送使能信号，功率变换单元5开始进行功率变换。

步骤S618，燃料电池为BOP供电。

步骤S620，结束上述检测流程。系统电源也出现了异常，此时的系统可能出现故障。

在上述步骤实施的过程中，其中，S614也可以调整到S618之后执行，即先将燃料电池作为BOP的电源，在切断系统电源的供电。

优选实施例三

本实施例提供一种切换控制的方法，该方法应用在图5提供的设备，其控制策略和控制流程如图7所示，包括步骤S702至步骤S718。

步骤S702，燃料电池为BOP系统供电。

步骤S704，监测燃料电池输出状态。

步骤S706，判断燃料电池输出状态是否正常。该过程可以是判断燃料电池的输出电流是否在预设的电流范围内，或者，判断输出电压是否在预设的电压范围内等。如果是，则返回步骤S702，继续进行监测，否则执行步骤S708。

步骤S708，监测系统电源的输出状态。

步骤S710，判断系统电源输出状态是否正常。如果是，则执行步骤S712，否则执行步骤S714。

步骤S712，功率变换单元5停止工作，燃料电池不再为BOP供电。

步骤S714，转为异常处理。此时的系统电源或设备可能出现损坏。

步骤S716，功率变换单元4开始进行功率变换。

步骤S718，系统电源为BOP供电。

在上述步骤实施的过程中，S712也可以调整到S718之后执行。

上述实施例提供的方法和设备可以在燃料电池开关机或异常情况下由系统电源为BOP供能，在燃料电池正常的情况下优选燃料电池为BOP供能，提高燃料电池发电系统的综合效率；同时实现无缝切换，保证BOP系统用电的稳定性可靠性。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过运用本发明实施例，提高了燃料电池燃料的综合利用率，按照BOP功率损耗占燃料电池发电系统中功率的10%计算，使用该发明可提高1个百分点以上的燃料利用率；实现了供电电源的无缝切换，提高了燃料电池BOP系统供电的稳定性和可靠性；燃料电池BOP供电功率变换器可共用变压器、整流环节、滤波环节、反馈控制电路，大幅度的减小了燃料电池BOP供电系统的体积，提高了其的性价比。

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，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 (12)

1.一种系统平衡设备BOP供电的控制方法，其特征在于，包括：

检测为所述BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，其中，所述输出状态值至少包括以下之一：输出电压值，输出电流值，输出功率值；

如果否，则将系统电池切换为所述BOP的供电电源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述系统电池切换为所述BOP的供电电源包括：

断开所述燃料电池与所述BOP的连接；

将所述系统电池与所述BOP连接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述系统电池切换为所述BOP的供电电源包括：

将所述系统电池与所述BOP连接；

断开所述燃料电池与所述BOP的连接。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将系统电池切换为所述BOP的供电电源之后，还包括：

继续检测所述燃料电池的输出状态值是否符合所述预设条件值；

如果是，则将所述燃料电池切换为所述BOP的供电电源。

5.一种系统平衡设备BOP供电的控制装置，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测为所述BOP供电的燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，其中，所述输出状态值至少包括以下之一：输出电压值，输出电流值，输出功率值；

切换模块，用于在所述燃料电池的输出状态值不符合所述预设条件值的情况下，将系统电池切换为所述BOP的供电电源。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述切换模块包括：

断开单元，用于断开所述燃料电池与所述BOP的连接；

连接单元，用于将所述系统电池与所述BOP连接。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，

所述检测模块，还用于继续检测所述燃料电池的输出状态值是否符合所述预设条件值；

所述切换模块，还用于在所述燃料电池的输出状态值符合所述预设条件值的情况下，将所述燃料电池切换为所述BOP的供电电源。

8.一种系统平衡设备BOP供电的控制设备，其特征在于，包括：

第一功率控制器，与切换控制器连接，用于根据所述切换控制器发出的切换命令将系统电池对应的功率开关断开和闭合；

第二功率控制器，与所述切换控制器连接，用于根据所述切换控制器发出的切换命令将燃料电池对应的功率开关断开和闭合；

所述切换控制器，与所述燃料电池和所述系统电池连接，用于在检测到为所述BOP供电的所述燃料电池的输出状态值是否符合预设条件值，并根据监测结果向所述第一功率控制器和所述第二功率控制器发送切换命令，其中，在所述输出状态值不符合所述预设条件值的情况下，所述切换命令用于指示所述第二功率控制器断开，并指示所述第一功率控制器闭合。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括：

所述燃料电池，用于为所述BOP供电；

所述系统电池，用于在所述燃料电池的输出状态值不符合预设条件值的情况下，为所述BOP供电。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，

所述第一功率控制器和所述第二功率控制器，还用于将所述系统电池和所述燃料电池的输出电能变换为所述BOP适用的直流电能，其中，所述第一功率控制器和所述第二功率控制器共用副边滤波环节。

11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，

所述切换指令为所述第一功率控制器和所述第二功率控制器的使能信号，其中，使能信号用于选择所述第一功率控制器或所述第二功率控制器之一进行功率变换以为所述BOP供电。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的设备，其特征在于，所述功率开关包括以下之一：三极管，绝缘栅双极型晶体管IGBT，金属-氧化层-半导体-场效应晶体管MOSFET。

Images