CN107154657A - 一种最佳工况型燃料电池充电站 - Google Patents

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Abstract

一种最佳工况型燃料电池充电站，通过最佳工况型燃料电池充电站中燃料供给系统以最佳工况条件向燃料电池堆供应燃料，燃料电池堆在最佳工况下将燃料的化学能高效率的转换为电能；燃料电池堆产生的直流电经增压器增压后一方面可存储在蓄电池中用以向直流充电桩提供直流电力，另一方面可经逆变器转换成交流电后供交流充电桩使用，充电空闲时的盈余电力可提供给外部市网中的负载使用，三种电力使用方式由控制器通过输出控制开关按实际情况选用，使得燃料电池堆能够长期稳定的在最佳工况下工作，可有效提高燃料电池堆的能量转换效率，避免因频繁调节电池功率或启停电池而造成燃料电池堆的性能衰减。

Description

一种最佳工况型燃料电池充电站
技术领域
本发明属于燃料电池充电技术领域，特别涉及一种最佳工况型燃料电池充电站。
背景技术
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，汽车已成为人们日常出行的重要交通工具。但传统内燃机汽车在使用过程中产生了大量污染气体，并加剧了对化石资源的依赖。随着环境污染、能源危机等问题的不断加剧，具有环保节能优点的电动汽车已成为未来汽车领域发展的主要方向。为紧跟汽车产业发展的新走向，中国政府在“十三五”规划中提出了2020年全国电动车保有量达500万辆的目标。作为重要的支撑设备，充电站的建设在电动汽车普及中至关重要。
目前的充电站通常采用国家电网作为电力来源。由于电动汽车快速充电时需要瞬时强大的功率电力，随着电动汽车数量的不断增长，大量电动汽车同时快速充电将对电网造成巨大冲击。考虑到配电网改造等问题，到目前为止，充电站的建设仍处于起步阶段。为满足电动汽车的充电需求，开发离网式充电站具有重要意义。
燃料电池是一种能直接将储存在燃料中的化学能转化为电能的发电装置，具有能量转换效率高，环境友好的特点。随着燃料电池产业化技术的逐渐成熟，燃料电池将成为离网式充电站理想的电力来源。目前国内已开发了多种基于燃料电池的离网式充电站，如专利(CN 104022545 A)提供了一种基于甲醇的燃料电池移动充电装置，专利(CN 105553044A)提供了一种基于天然气的一体化充气站与充电站装置，专利(CN 104466208 A)提供了一种柴油型固体氧化物燃料电池充电站，专利(CN 106300454 A)提供了一种功率协调控制型燃料电池充电桩。但这些充电装置在工作过程中由于用电负荷的波动，均可能涉及到较为频繁的燃料电池功率调节或启停过程，燃料电池在偏离最佳工况的条件下工作时能量转换效率较低，而频繁调节电池功率或启停电池还会造成燃料电池堆性能的衰减。
发明内容
为解决现有技术存在的燃料电池充电站因用电负荷波动而需不断调节燃料电池功率或启停燃料电池的问题，本发明提供一种最佳工况型燃料电池充电站。
一种最佳工况型燃料电池充电站，包括燃料供给系统、燃料电池堆、增压器、逆变器、控制器、交流充电桩、外部市网、蓄电池、电池管理系统、直流充电桩、输出控制开关KO1、输出控制开关KO2和输出控制开关KO3；
燃料供给系统的输出与燃料电池堆的输入连接，燃料电池堆的输出通过增压器与逆变器的输入连接，所述增压器同时通过输出控制开关KO3与蓄电池的充电端口连接，蓄电池的输出同时与电池管理系统及直流充电桩的输入连接，逆变器的输出通过输出控制开关KO1与交流充电桩的充电端口连接，并通过输出控制开关KO2与外部市网的输入连接，交流充电桩及电池管理系统均与控制器的输入连接，控制器的输出连接控制开关KO1、控制开关KO2和接控制开关KO3。
进一步的所述控制器(5)根据交流充电桩(6)的充电状态及蓄电池(8)的电量信息选择电力的使用方式，维持充电站用电负荷的稳定：
1)若交流充电桩(6)处于充电状态，闭合控制开关KO1，断开控制开关KO2及控制开关KO3；
2)、若交流充电桩(6)处于非充电状态且蓄电池(8)电量未满，闭合控制开关KO3，断开控制开关KO1及控制开关KO2；
3)、若交流充电桩(6)处于非充电状态且蓄电池(8)电量已满，闭合控制开关KO2，断开控制开关KO1及控制开关KO3。
进一步的，交流充电桩、蓄电池和外部市网的用电负荷均与燃料电池堆在最佳工况下的电力输出功率相当。
进一步的，所述燃料电池堆(2)为固体氧化物燃料电池，其最佳工况条件主要包括工作温度、燃料供给量及工作电压。
进一步的，所述燃料电池堆(2)使用的燃料为氢气、甲醇或天然气。
进一步的，，所述蓄电池(8)为锂电池、铅酸电池或镍锌电池。
进一步的，所述电池管理系统(9)用于采集蓄电池中的电量信息，并将该信息传送至控制器(5)中。
有益效果：本发明的最佳工况型燃料电池充电站中燃料供给系统以最佳工况条件向燃料电池堆供应燃料，燃料电池堆在最佳工况下将燃料的化学能高效率的转换为电能；燃料电池堆产生的直流电经增压器增压后一方面可存储在蓄电池中用以向直流充电桩提供直流电力，另一方面可经逆变器转换成交流电后供交流充电桩使用，充电空闲时的盈余电力可提供给外部市网中的负载使用，三种电力使用方式由控制器通过输出控制开关按实际情况选用。本发明提出的最佳工况型燃料电池充电站，采用多种用电方式组合的方法维持充电站用电负荷的稳定，使得燃料电池堆能够长期稳定的在最佳工况下工作，可有效提高燃料电池堆的能量转换效率，避免因频繁调节电池功率或启停电池而造成燃料电池堆的性能衰减，同时在充电空闲时还能将盈余电力回馈给外部市网，供外部市网中的负载使用。
附图说明
图1为本发明一种最佳工况型燃料电池充电站的结构示意图。
具体实施方式
实施例
一种最佳工况型燃料电池充电站，包括燃料供给系统1、燃料电池堆2、增压器3、逆变器4、控制器5、交流充电桩6、外部市网7、蓄电池8、电池管理系统9、直流充电桩10、输出控制开关KO1、输出控制开关KO2和输出控制开关KO3；
燃料供给系统1的输出与燃料电池堆2的输入连接，燃料电池堆2的输出通过增压器3与逆变器4的输入连接，所述增压器3同时通过输出控制开关KO3与蓄电池8的充电端口连接，蓄电池8的输出同时与电池管理系统9及直流充电桩10的输入连接，逆变器4的输出通过输出控制开关KO1与交流充电桩6的充电端口连接，并通过输出控制开关KO2与外部市网7的输入连接，交流充电桩6及电池管理系统9均与控制器5的输入连接，控制器5的输出连接控制开关KO1、控制开关KO2和接控制开关KO3。
控制器5根据交流充电桩6的充电状态及蓄电池8的电量信息选择电力的使用方式：
1)若交流充电桩6处于充电状态，闭合控制开关KO1，断开控制开关KO2及控制开关KO3；
2)、若交流充电桩6处于非充电状态且蓄电池8电量未满，闭合控制开关KO3，断开控制开关KO1及控制开关KO2；
3)、若交流充电桩6处于非充电状态且蓄电池8电量已满，闭合控制开关KO2，断开控制开关KO1及控制开关KO3。
交流充电桩、蓄电池和外部市网的用电负荷均与燃料电池堆在最佳工况下的电力输出功率相当。燃料电池堆2为固体氧化物燃料电池，其最佳工况条件包括工作温度、燃料供给量及工作电压。电池管理系统9用于采集蓄电池中的电量信息，并将该信息传送至控制器5中。
本发明的工作原理：
充电站工作时，燃料供给系统以最佳工况条件向燃料电池堆供应燃料，燃料电池堆在最佳工况下将燃料的化学能高效率的转换为电能，燃料电池堆产生的直流电经增压器增压后供充电站使用，其使用方式包括：存储在蓄电池中供直流充电桩使用，经逆变器转换成交流电后供交流充电桩使用，及经逆变器转换成交流电后提供给外部市网中的负载使用。控制器根据交流充电桩的充电状态及蓄电池的电量信息，通过输出控制开关来选择电力的具体使用方式，维持充电站用电负荷的稳定。

Claims (7)

1.一种最佳工况型燃料电池充电站，其特征在于，包括燃料供给系统(1)、燃料电池堆(2)、增压器(3)、逆变器(4)、控制器(5)、交流充电桩(6)、外部市网(7)、蓄电池(8)、电池管理系统(9)、直流充电桩(10)、输出控制开关KO1、输出控制开关KO2和输出控制开关KO3；
燃料供给系统(1)的输出与燃料电池堆(2)的输入连接，燃料电池堆(2)的输出通过增压器(3)与逆变器(4)的输入连接，所述增压器(3)同时通过输出控制开关KO3与蓄电池(8)的充电端口连接，蓄电池(8)的输出同时与电池管理系统(9)及直流充电桩(10)的输入连接，逆变器(4)的输出通过输出控制开关KO1与交流充电桩(6)的充电端口连接，并通过输出控制开关KO2与外部市网(7)的输入连接，交流充电桩(6)及电池管理系统(9)均与控制器(5)的输入连接，控制器(5)的输出连接控制开关KO1、控制开关KO2和接控制开关KO3。
2.如权利要求1所述的最佳工况型燃料电池充电站，其特征在于，所述控制器(5)根据交流充电桩(6)的充电状态及蓄电池(8)的电量信息选择电力的使用方式：
1)若交流充电桩(6)处于充电状态，闭合控制开关KO1，断开控制开关KO2及控制开关KO3；
2)、若交流充电桩(6)处于非充电状态且蓄电池(8)电量未满，闭合控制开关KO3，断开控制开关KO1及控制开关KO2；
3)、若交流充电桩(6)处于非充电状态且蓄电池(8)电量已满，闭合控制开关KO2，断开控制开关KO1及控制开关KO3。
3.如权利要求2所述的的最佳工况型燃料电池充电站，其特征在于，交流充电桩、蓄电池和外部市网的用电负荷均与燃料电池堆在最佳工况下的电力输出功率相当。
4.如权利要求1-3任一项所述的最佳工况型燃料电池充电站，其特征在于，所述燃料电池堆(2)为固体氧化物燃料电池，其最佳工况条件包括工作温度、燃料供给量及工作电压。
5.如权利要求4所述的最佳工况型燃料电池充电站，其特征在于，所述燃料电池堆(2)使用的燃料为氢气、甲醇或天然气。
6.如权利要求1或5所述的最佳工况型燃料电池充电站，其特征在于，所述蓄电池(8)为锂电池、铅酸电池或镍锌电池。
7.如权利要求1或6所述的最佳工况型燃料电池充电站，其特征在于，所述电池管理系统(9)用于采集蓄电池中的电量信息，并将该信息传送至控制器(5)中。
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