CN107887624A - 基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压平衡装置及其控制方法 - Google Patents

基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压平衡装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池控制技术领域，尤其涉及一种基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压平衡装置，包括由n个膜电极单体E1～En串联构成的质子交换膜燃料电池堆以及燃料电池管理控制系统，在每个膜电极单体中都对应加入独立的主动补偿控制电路和独立的超级电容器单体C1～Cn；所述燃料电池管理控制系统由通讯总线给每个主动补偿控制电路发出控制命令数据，每个主动补偿控制电路实时平衡每个膜电极单体工作电压，并将每个膜电极单体实时工作电压上报给管理系统。本装置使燃料电池堆单体电压平衡在最佳工作点附近，从而缓解燃料电池堆膜电极性能衰减，提升燃料电池堆工作寿命。

Description

基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压平衡装置及其 控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池控制技术领域，尤其涉及一种基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压平衡装置及其控制方法。
背景技术
氢燃料电池发动机以其特有的燃料效率高、环境适用好、可靠性高、噪声低、零排放等优点而备受关注。与内燃机汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少99％，二氧化碳的生成量减少75％，电池能量转换效率约为内燃机效率的2.5倍。通过氢燃料电池汽车的示范运行，发现车用氢燃料电池堆的关键材料和部件的劣化模式主要有以下四种:
(1)频繁的启动停止引起的质子交换膜电极高电位造成催化剂碳载体的腐蚀
(2)反复加减速引起的质子交换膜电极电位循环造成催化剂铂颗粒粗大化
(3)低负荷运行导致质子交换膜分解
(4)低温循环所伴随的胀缩造成质子交换膜电极机械损伤
从氢燃料电池管理系统的观点看，上述劣化模式(1)和(2)中质子交换膜电极高电位和电位循环造成的催化剂碳载体腐蚀和铂颗粒粗大化可以通过燃料电池堆与超级电容器集成使用来减小，在这种集成使用配置下，氢燃料电池堆能够在比较稳定的工作电位下运行，从而缓解车辆频繁启停和反复加减速所引起的膜电极性能衰减的问题。
目前,燃料电池堆与超级电容器集成使用的技术方案普遍采用在燃料电池堆输出端并联超级电容器的方法，现有技术专利公开情况主要如下：
(1)“一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统”(CN1988319A)
(2)“燃料电池-超级电容器混合动力车的启动次序控制方法”(CN101420137A)
(3)“燃料电池混合超级电容的电动车辆动力源”(CN201058578Y)
(4)“燃料电池混合电源系统”(CN101841182A)
(5)“带超级电容的车载燃料电池与蓄电池直接并联动力系统”(CN102700427A)
(6)“一种基于超级电容启动的燃料电池备用电源系统”(CN104092280A)
(7)“一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置”(CN105730256A)
(8)“一种燃料电池混合动力机车能量管理系统”(CN105904976A)
(9)“一种带超级电容以及锂电池的燃料电池系统”(CN105811050A)
(10)“一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置”(CN205632147U)
上述采用在燃料电池堆输出端并联超级电容器的技术方案存在的主要缺陷为：只能对燃料电池堆整体的输出电压进行平衡补偿，而不能做到对每个膜电极单体工作电位的实时检测与补偿，从而也就无法实现对每个膜电极单体工作电位的实时精确控制。因为质子交换膜燃料电池堆是由几十个至几百个膜电极单体串联构成的，每个膜电极单体工作电位会受到其本体的材料、燃料、温度、压力、湿度等多方面的因素影响，所以每个膜电极的单体工作电位都不相同，尤其在车辆频繁启停和反复加减速工况下，这种膜电极单体工作电位的实时不平衡性会更加突出，会直接影响燃料电池堆的整体工作寿命。
其中专利(9)采用了由多个锂电池串联形成的锂电池模块和超级电容模块与燃料电池模块配合使用的技术方案，所述燃料电池模块包括多个能够产生直流电且电压为0.6V的碳板，所述锂电池模块包括由多个锂电池串联形成的电池组，所述多个电池组并联形成锂电池模块，所述每一个锂电池与一个碳板连接，所述燃料电池模块中的每个碳板为对应的锂电池供电，所述燃料电池模块与锂电池模块与超级电容模块并联连接，该专利提供的每一个锂电池与一个碳板连接的方案只是为了使该燃料电池系统具有自供电的特性，无法实现对每个碳板单体电位的实时精确控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压平衡装置及其控制方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压平衡装置，其特征在于，包括由n个膜电极单体E1～En串联构成的质子交换膜燃料电池堆以及燃料电池管理控制系统，在每个膜电极单体中都对应加入独立的主动补偿控制电路和独立的超级电容器单体C1～Cn，每个独立的主动补偿控制电路实时检测所对应的每个膜电极单体工作电压，并根据膜电极单体实时电压和最佳单体电压之间的差值计算对应的超级电容器单体实时的充电/放电电流数值，使燃料电池堆单体电压平衡在最佳工作点附近；
所述燃料电池管理控制系统由通讯总线给每个主动补偿控制电路发出控制命令数据，管理系统会根据膜电极单体的材料、燃料、温度、压力、湿度实际运行工况数据，实时计算出燃料电池堆单体电压最佳工作点数据，通过下发通讯总线给每个主动补偿控制电路，每个主动补偿控制电路再根据管理系统的最佳工作点数据去实时平衡每个膜电极单体工作电压，并将每个膜电极单体实时工作电压上报给管理系统。
一种基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、燃料电池管理控制系统读取膜电极单体的材料、燃料、温度、压力、流量、湿度等实际运行工况数据；步骤二、燃料电池管理控制系统计算膜电极最佳单体电压工作点并下发控制命令和最佳单体电压工作点数据；步骤三、每个独立的主动补偿控制电路实时检测所对应的每个膜电极单体工作电压并接收燃料电池管理控制系统发出的最佳单体电压工作点数据；步骤四、主动补偿控制电路技术膜电极单体电压差，计算超级电容充放电补偿电流，生成电流环补偿，控制PWM脉冲，PWM驱动主动补偿控制电路充电/放电电子开关工作，使燃料电池堆单体电压平衡在最佳工作点附近。
本发明的有益效果是:采用基于超级电容主动补偿的方法，克服了现有的采用在燃料电池堆输出端并联超级电容器方法中无法精确控制每个膜电极单体实时工作电位的技术缺陷，新方法根据膜电极单体的材料、燃料、温度、压力、湿度等实际运行工况数据，实时计算出燃料电池堆单体电压最佳工作点数据，可以实现对燃料电池堆每个膜电极单体实际工作电位实时精确控制管理的目标，从而使燃料电池堆每个膜电极单体电位平衡在最佳工作点附近，能够有效缓解实际车用条件下因频繁启停工况和反复加减速工况所引起的质子交换膜电极高电位和膜电极电位循环造成的氢燃料电池堆寿命衰减的问题，提升燃料电池堆工作寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中燃料电池管理系统控制方法步骤流程图；
图3为本发明中主动补偿电路控制方法步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。下面结合附图详细说明本发明的具体工作原理。
如图1-3所示，一种基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压平衡装置，包括由n个膜电极单体E1～En串联构成的质子交换膜燃料电池堆以及燃料电池管理控制系统，在每个膜电极单体中都对应加入独立的主动补偿控制电路和独立的超级电容器单体C1～Cn，每个独立的主动补偿控制电路实时检测所对应的每个膜电极单体工作电压，并根据该膜电极实时单体工作电压计算对应的超级电容器单体实时的充电/放电电流数值，使燃料电池堆单体电压平衡在最佳工作点附近；所述燃料电池管理控制系统由通讯总线给每个主动补偿控制电路发出控制命令数据，管理系统会根据膜电极单体的材料、燃料、温度、压力、湿度实际运行工况数据，实时计算出燃料电池堆单体电压最佳工作点数据，通过下发通讯总线给每个主动补偿控制电路，每个主动补偿控制电路再根据管理系统的最佳工作点数据去实时平衡每个膜电极单体工作电压，并将每个膜电极单体实时工作电压上报给管理系统。通过在燃料电池堆中每个膜电极单体中都加入独立的主动补偿控制电路和独立的超级电容器单体，实现对每个膜电极单体工作电位的实时精确控制，使燃料电池堆单体电压平衡在最佳工作点附近，从而缓解燃料电池堆膜电极性能衰减，提升燃料电池堆工作寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压平衡装置，其特征在于，包括由n个膜电极单体E1～En串联构成的质子交换膜燃料电池堆以及燃料电池管理控制系统，在每个膜电极单体中都对应加入独立的主动补偿控制电路和独立的超级电容器单体C1～Cn，每个独立的主动补偿控制电路实时检测所对应的每个膜电极单体工作电压，并根据该膜电极实时单体工作电压计算对应的超级电容器单体实时的充电/放电电流数值，使燃料电池堆单体电压平衡在最佳工作点附近；
所述燃料电池管理控制系统由通讯总线给每个主动补偿控制电路发出控制命令数据，管理系统会根据膜电极单体的材料、燃料、温度、压力、湿度实际运行工况数据，实时计算出燃料电池堆单体电压最佳工作点数据，通过下发通讯总线命令和数据给每个主动补偿控制电路，每个主动补偿控制电路再根据管理系统的最佳工作点数据去实时平衡每个膜电极单体工作电压，并将每个膜电极单体实时工作电压上报给管理系统。
2.一种基于超级电容主动补偿的燃料电池堆单体电压控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、燃料电池管理控制系统读取膜电极单体的材料、燃料、温度、压力、流量、湿度等实际运行工况数据；步骤二、燃料电池管理控制系统计算膜电极最佳单体电压工作点并下发控制命令和最佳单体电压工作点数据；步骤三、每个独立的主动补偿控制电路实时检测所对应的每个膜电极单体工作电压并接收燃料电池管理控制系统发出的最佳单体电压工作点数据；步骤四、主动补偿控制电路根据膜电极单体实时电压和最佳单体电压之间的差值，计算超级电容充放电补偿电流，生成电流环补偿，控制PWM脉冲，PWM驱动主动补偿控制电路充电/放电电子开关工作，使燃料电池堆单体电压平衡在最佳工作点附近。
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