CN108215894A - 一种复合燃料电池电源系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合燃料电池电源系统及控制方法，系统包括：燃料电池模块，包括多个并联的燃料电池堆；功率储能模块；数据采集模块，分别与功率储能模块和汽车内的负载连接；复合电源控制器，分别与燃料电池模块、功率储能模块和数据采集模块连接；方法包括：采集汽车内部的电量数据，根据采集的电量数据判断汽车当前状态，若是驱动状态则确定负载需求功率和功率储能模块的当前储能量后，自适应控制燃料电池模块和功率纯模块的启动；若是制动状态则确定功率储能模块的当前储能量后，自适应控制汽车的制动过程。与现有技术相比，本发明具有一致性好、制造成本低、冷启动迅速、寿命长以及可靠性强等优点。

Description

一种复合燃料电池电源系统及控制方法

技术领域

本发明涉及大功率燃料电池汽车领域，尤其是涉及一种复合燃料电池电源系统及控制方法。

背景技术

近几年随着燃料电池技术的成熟和成本的降低，燃料电池汽车有了迅速的发展。车用燃料电池电源系统是燃料电池汽车发展的关键技术，对于大功率燃料电池汽车的电源系统而言，能够对车辆的需求功率做出迅速反应，实时高效的满足车辆需求功率非常重要。因此设计出一款高效、可靠、寿命长而又经济的车用燃料电池电源系统非常重要。

目前大功率燃料电池汽车电源系统一般采用复合燃料电池电源系统，即采用燃料电池结合蓄电池、超级电容甚至飞轮等储能设备组成混合电源系统。专利CN106564398A和专利CN105966255A虽然给出了车用燃料电池系统的实现方法，但燃料电池电源模块都是多MEA串联构成的单堆结构，车辆大功率需求导致不得不增大双极板和膜电极(MEA)面积，带来以下问题：

1、一致性难以保证。双极板、MEA面积的增大，导致空气分配、热分配、水分配、电流分配不均，降低燃料电池堆的性能。

2、加工制造困难。增加了双极板、MEA制造难度，同时带来电堆难以密封、电堆集成测试困难的问题。

3、冷启动困难。双极板、MEA面积增大，导致热容增大，加热慢。同时冷启动对燃料电池堆的寿命也有很大影响。

4、可靠性差。系统由多片MEA串联而成，燃料电池电堆可靠性是单片MEA可靠性的乘积，系统可靠性低。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种复合燃料电池电源系统及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复合燃料电池电源系统，所述系统包括：

燃料电池模块，包括多个并联的燃料电池堆，用于为汽车提供主要动力源；

功率储能模块，用于为汽车提供顶峰功率；

数据采集模块，分别与功率储能模块和汽车内的负载连接，用于采集汽车内部的相关电量数据；

复合电源控制器，分别与燃料电池模块、功率储能模块和数据采集模块连接，用于根据数据采集模块采集的相关电量数据，控制燃料电池模块和功率储能模块的启动与关闭，控制所述燃料电池模块进行启动时，各个并联的燃料电池堆采用轮流启动的方式启动。

优选地，所述燃料电池模块还包括多个第一DC/DC变换器，每个所述第一DC/DC变换器分别与燃料电池堆、汽车内的负载和复合电源控制器连接，所述第一DC/DC变换器的数量与燃料电池对的数量相匹配。

优选地，所述功率储能模块包括功率储能元件和第二DC/DC变换器，所述第二DC/DC变换器分别与功率储能元件、汽车内的负载和复合电源控制器连接。

优选地，所述功率储能元件包括功率型电池或超级电容。

优选地，所述数据采集模块包括负载电流采集电路、负载电压采集电路和功率储能模块电压采集电路，所述负载电流采集电路与汽车内的负载串联后，与复合电源控制器连接；所述负载电压采集电路与负载并联后，与复合电源控制器连接；所述功率储能模块电压采集电路与功率储能模块并联后，与复合电源控制器连接。

优选地，所述轮流启动的方式具体为：取燃料电池模块的当前启动次数与燃料电池模块内燃料电池堆的数量相除结果的余数，首先启动与所述余数编号相同的燃料电池堆，再根据负载需求功率相应开启后续的燃料电池堆。

一种复合燃料电池电源系统的控制方法，所述方法包括下列步骤：

s1)采集汽车内部的电量数据，根据采集的电量数据判断汽车当前状态，若是驱动状态则进入步骤s2)，若是制动状态则进入步骤s3)；

s2)根据步骤s1)采集的电量数据，确定负载需求功率和功率储能模块的当前储能量，根据确定的结果自适应控制燃料电池模块和功率储能模块的启动，在控制燃料电池模块进行启动时，各个并联的燃料电池堆采用轮流启动的方式启动；

s3)根据步骤s1)采集的电量数据，确定功率储能模块的当前储能量，根据确定的结果自适应控制汽车的制动过程。

优选地，所述步骤s2)包括：

s21)根据步骤s1)采集的电量数据，确定负载需求功率和功率储能模块的当前储能量；

s22)判断负载需求功率是否不小于汽车内部设定的参考功率，若是则进入步骤s23)，若否则进入步骤s24)；

s23)通过轮流启动的方式开启所有的燃料电池堆，并判断功率储能模块的当前储能量是否不小于功率储能模块参考储能量的下限阈值，若是则启动功率储能模块，若否则关闭功率储能模块；

s24)判断功率储能模块的当前储能量是否不小于功率储能模块参考储能量的下限阈值，若是则通过轮流启动的方式开启部分燃料电池堆，使燃料电池模块提供的能量达到负载需求功率，若否则进入步骤s25)；

s25)通过轮流启动的方式开启所有的燃料电池堆，在为负载提供电量的同时为功率储能模块充电至达到功率储能模块参考储能量的上限阈值，并返回步骤s24)。

优选地，所述步骤s3)包括：

s31)根据步骤s1)采集的电量数据，确定功率储能模块的当前储能量；

s32)判断功率储能模块的当前储能量是否不小于功率储能模块参考储能量的下限阈值，若是则控制汽车进行机械制动，若否则进入步骤s33)；

s33)控制汽车内的电动机工作在发电状态，回收制动能量来为功率储能模块充电至达到功率储能模块参考储能量的上限阈值，并返回步骤s32)。

优选地，所述轮流启动的方式具体为：取燃料电池模块的当前启动次数与燃料电池模块内燃料电池堆的数量相除结果的余数，首先启动与所述余数编号相同的燃料电池堆，再根据负载需求功率相应开启后续的燃料电池堆。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的复合燃料电池电源系统，通过将原有的单一电池堆变为多个并联的燃料电池堆，从而使得每个燃料电池堆的反应面积降低，从而使得空气分配、热分配、水分配和电流分配更加均匀，继而使得电源系统的一致性得以提升；同时制造多个小的并联燃料电池堆，与制造单一的大燃料电池堆相比，大大减小了燃料电池堆的电堆反应面积，从而降低了制造的难度与成本，同时也降低了检测的成本；同时由于各个燃料电池堆是相互并联的，因此在各别燃料电池堆出现问题时，只需替换相应的电池堆即可，维修简便且可以大大提高系统的可靠性。

(2)每个燃料电池堆均与一个DC/DC变换器连接，同时功率储能元件也与DC/DC变换器连接，从而可以将燃料电池的电压稳压到负载的工作电压中，实现了供电的稳定性，从而提升了整个系统的稳定性。

(3)功率储能元件可以是功率型电池，也可以是超级电容或其他能进行电量存储的功率型元器件，可以根据实际情况进行灵活选择，因此可以提高整个系统的适用范围。

(4)数据采集模块包括负载电流采集电路、负载电压采集电路和功率储能模块电压采集电路，通过这三者的配合，可以确定负载所需功率的同时确定功率储能模块的内部电量情况，从而可以根据两个情况的结合确定燃料电池模块的工作状态，以及是否需要功率储能模块的配合。

(5)燃料电池模块内的各个燃料电池堆通过轮流启动的方式进行启动，即每次首先启动对应编号下的燃料电池堆，若是供电量不足则再开启后续的燃料电池堆，这样的启动方式可以大大降低一次性启动所有燃料电池堆这种冷启动方式对系统寿命造成的伤害，同时，启动单一电池堆也可以加快启动速度，解决冷启动困难的问题。

(6)本发明提出的控制方法，根据采集到的负载需求功率和功率储能模块的当前储能量，结合汽车当前的状态，选取相应的控制方式来启动相应的燃料电池模块和功率储能模块，一方面可以避免能量的浪费，即负载需要多少功率就提供多少功率，另一方面也可以尽可能的确保功率储能模块的内部电量保持充足，从而使得汽车总有备用能量来避免汽车无法启动的问题。

(7)在汽车处于驱动状态时，若是负载需求功率高则开启所有的燃料电池堆来为负载供电，此时若是功率储能模块的能量充足，则一起为汽车供电使得汽车处于较好的驱动行驶状态，若是功率储能模块的能量不充足，则不开启功率储能模块为其供电，从而确保汽车内会有足够的备用能量以备不时之需，保证汽车行驶的稳定；而如果负载需求功率不高，则通过部分燃料电池堆为其供电即可，避免能量浪费，此时若是功率储能模块的能量不充足，则还可以利用燃料电池堆为功率储能模块充电，实现能量的高效利用。

(8)若是汽车处于制动过程，则在功率储能模块能量充足时则直接采取机械制动避免能量浪费，若是功率储能模块能量不充足，则利用电动机回收的制动能量为功率储能模块充电，实现能量的高效利用，节省成本。

(9)本发明提出的控制方法中，燃料电池模块内的各个燃料电池堆通过轮流启动的方式进行启动，即每次首先启动对应编号下的燃料电池堆，若是供电量不足则再开启后续的燃料电池堆，这样的启动方式可以大大降低一次性启动所有燃料电池堆这种冷启动方式对系统寿命造成的伤害，同时，启动单一电池堆也可以加快启动速度，解决冷启动困难的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中控制方法的流程图；

图3为本实施例中控制方法的具体过程图；

其中，1为复合电源控制器，2为燃料电池堆，3为DC/DC变换器，4为功率储能元件，5为负载电压采集电路，6为负载电流采集电路，7为功率储能模块电压采集电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

为了解决现有燃料电池系统制造困难且冷启动困难的问题，本实施例提供了一种复合燃料电池电源系统，包括：燃料电池模块，包括多个并联的燃料电池堆，用于为汽车提供主要动力源；功率储能模块，用于为汽车提供顶峰功率；数据采集模块，分别与功率储能模块和汽车内的负载连接，用于采集汽车内部的相关电量数据；复合电源控制器，分别与燃料电池模块、功率储能模块和数据采集模块连接，用于根据数据采集模块采集的相关电量数据，控制燃料电池模块和功率储能模块的启动与关闭，控制所述燃料电池模块进行启动时，各个并联的燃料电池堆采用轮流启动的方式启动。

其中，燃料电池模块还包括多个第一DC/DC变换器，每个第一DC/DC变换器分别与燃料电池堆、汽车内的负载和复合电源控制器连接，第一DC/DC变换器的数量与燃料电池对的数量相匹配。功率储能模块包括功率储能元件和第二DC/DC变换器，第二DC/DC变换器分别与功率储能元件、汽车内的负载和复合电源控制器连接。功率储能元件包括功率型电池或超级电容，也可以是其他能进行电量存储的功率型元器件，可以根据实际情况自行选择。数据采集模块包括负载电流采集电路、负载电压采集电路和功率储能模块电压采集电路，负载电流采集电路与汽车内的负载串联后，与复合电源控制器连接；负载电压采集电路与负载并联后，与复合电源控制器连接；功率储能模块电压采集电路与功率储能模块并联后，与复合电源控制器连接。轮流启动的方式具体为：取燃料电池模块的当前启动次数与燃料电池模块内燃料电池堆的数量相除结果的余数，首先启动与所述余数编号相同的燃料电池堆，再根据负载需求功率相应开启后续的燃料电池堆。

基于该复合燃料电池电源系统的结构，该系统的控制方法如图2所示，主要包括下列步骤：

s1)采集汽车内部的电量数据，根据采集的电量数据判断汽车当前状态，若是驱动状态则进入步骤s2)，若是制动状态则进入步骤s3)；

s2)根据步骤s1)采集的电量数据，确定负载需求功率和功率储能模块的当前储能量，根据确定的结果自适应控制燃料电池模块和功率储能模块的启动，在控制燃料电池模块进行启动时，各个并联的燃料电池堆采用轮流启动的方式启动，包括：

s21)根据步骤s1)采集的电量数据，确定负载需求功率和功率储能模块的当前储能量；

s22)判断负载需求功率是否不小于汽车内部设定的参考功率，若是则进入步骤s23)，若否则进入步骤s24)；

s23)通过轮流启动的方式开启所有的燃料电池堆，并判断功率储能模块的当前储能量是否不小于功率储能模块参考储能量的下限阈值，若是则启动功率储能模块，若否则关闭功率储能模块；

s24)判断功率储能模块的当前储能量是否不小于功率储能模块参考储能量的下限阈值，若是则通过轮流启动的方式开启部分燃料电池堆，使燃料电池模块提供的能量达到负载需求功率，若否则进入步骤s25)；

s25)通过轮流启动的方式开启所有的燃料电池堆，在为负载提供电量的同时为功率储能模块充电至达到功率储能模块参考储能量的上限阈值，并返回步骤s24)；

s3)根据步骤s1)采集的电量数据，确定功率储能模块的当前储能量，根据确定的结果自适应控制汽车的制动过程，包括：

s31)根据步骤s1)采集的电量数据，确定功率储能模块的当前储能量；

s32)判断功率储能模块的当前储能量是否不小于功率储能模块参考储能量的下限阈值，若是则控制汽车进行机械制动，若否则进入步骤s33)；

s33)控制汽车内的电动机工作在发电状态，回收制动能量来为功率储能模块充电至达到功率储能模块参考储能量的上限阈值，并返回步骤s32)。

根据上述的系统结构和控制方法，本实施例中实现的具体复合燃料电池电源系统如图1所示，包括：复合电源控制器1：与负载电压采集电路5、负载电流采集电路6和功率储能模块电压采集电路7连接，获得负载电压、电路数据和功率型储能元件电压数据，计算出负载需求功率和功率型储能元件储能量；燃料电池模块：包含多个燃料电池堆2，每个堆分别连接一个DC/DC变换器，为燃料电池汽车提供动力源；功率储能模块：由多个功率储能元件4串并联而成，功率储能元件4的类型包括功率型电池、超级电容等，用以为汽车提供顶峰功率；负载电压采集电路5：与负载并联，采集负载的电压数据；负载电流采集电路6：与负载串联，采集负载电流数据；功率储能模块电压采集电路7：与功率储能模块并联，采集功率储能模块的电压数据。本实施例中最终燃料电池模块由10个额定电压为300V，额定电流为30A的燃料电池堆并联而成，总设计功率为90kW。功率储能元件由三元电池NCM构成，设计功率为30kW。

车辆启动，负载端电压采集电路与电流采集电路开始实时采集燃料电池电动机的开路电压、电流值(根据电流流向确定电流正负取值，车辆处于驱动状态的电流流向为正向，车辆处于制动状态的电流流向为负向)，三元电池两端电压采集电路开始实时采集三元电池模块的开路电压值。复合电源控制器根据负载端采集的电压电流数据，实时计算负载需求功率；根据三元电池模块两端开路电压数据，计算三元电池模块的荷电状态。

当需求功率为正时，判断车辆处于驱动状态，否则为制动状态。

定义：

P：车辆需求功率

E：三元电池当前荷电状态

E1：三元电池荷电状态下限值

E2：三元电池荷电状态上限值

如图3所示，当车辆处于驱动状态时：

当需求功率P＝100kW且E≥E1时，采用轮流启动方式启动10个(所有)燃料电池堆和三元电池模块，燃料电池模块提供功率为＝90kW，三元电池模块提供功率为10kW；

当需求功率P＝100kW且E＜E1时，采用轮流启动方式启动10个(所有)燃料电池堆，车辆功率需求暂时得不到满足；

当需求功率P＝80kW且E≥E1时，采用轮流启动方式启动9个燃料电池堆，满足车辆需求功率；

当需求功率P＝80kW且E＜E1时，采用轮流启动方式启动10个(所有)燃料电池堆，提供功率90kW，其中80kW用于提供需求功率，其余功率余量在三元电池模块额定充电功率内为其充电，直到三元电池模块荷电状态达到上限值E2，转到过程3启动9个燃料电池堆；

当需求功率P＝50kW且E≥E1时，采用轮流启动方式启动6个燃料电池堆，满足车辆需求功率；

当需求功率P＝50kW且E＜E1时，采用轮流启动方式启动10个(所有)燃料电池堆，提供功率90kW，其中50kW用于提供需求功率，其余功率余量在三元电池模块额定充电功率内为其充电，直到三元电池模块荷电状态达到上限值E2，转到过程5启动6个燃料电池模块；

总之，当需求功率P＜90kW且E≥E1时，采用轮流启动方式启动相应数量的燃料电池堆，提供车辆需求功率；当需求功率P＜90kW且E＜E1时，采用轮流启动方式启动所有燃料电池堆，部分功率用于提供车辆需求功率，其余功率余量在三元电池额定充电功率内为三元电池充电，直到三元电池模块荷电状态达到上限值E2。

当车辆处于制动状态时：

当E＜E2时，电动机工作在发电状态，制动能量回收，给功率型储能元件充电，直到功率型储能元件的E≥E2，充电过程结束，转换到机械制动；

当E≥E2时，采用机械制动。

而采用轮流启动方式燃料电池堆的控制逻辑具体为：

汽车第1次启动时，由复合电源控制器控制第一个DC/DC变换器启动，对应第一个燃料电池堆提供启动功率，之后根据负载需求功率，控制第一个燃料电池堆之后的若干燃料电池堆启动，提供负载需求功率；

汽车第2次启动时，由复合电源控制器控制第二个DC/DC变换器启动，对应第二个燃料电池堆提供启动功率，之后根据负载需求功率，控制第二个燃料电池堆之后的若干燃料电池堆启动，提供负载需求功率；

汽车第n次启动时，由复合电源控制器控制第n个DC/DC变换器启动，对应第n个燃料电池堆提供启动功率，之后根据负载需求功率，控制第n个燃料电池堆之后的若干燃料电池堆启动，提供负载需求功率；

当汽车启动次数多于燃料电池堆个数时，取启动次数与燃料电池堆个数相除后的余数，根据余数值确定启动的燃料电池堆编号，之后依次循环。

Claims (10)

1.一种复合燃料电池电源系统，其特征在于，所述系统包括：

燃料电池模块，包括多个并联的燃料电池堆，用于为汽车提供主要动力源；

功率储能模块，用于为汽车提供顶峰功率；

数据采集模块，分别与功率储能模块和汽车内的负载连接，用于采集汽车内部的相关电量数据；

复合电源控制器，分别与燃料电池模块、功率储能模块和数据采集模块连接，用于根据数据采集模块采集的相关电量数据，控制燃料电池模块和功率储能模块的启动与关闭，控制所述燃料电池模块进行启动时，各个并联的燃料电池堆采用轮流启动的方式启动。

2.根据权利要求1所述的复合燃料电池电源系统，其特征在于，所述燃料电池模块还包括多个第一DC/DC变换器，每个所述第一DC/DC变换器分别与燃料电池堆、汽车内的负载和复合电源控制器连接，所述第一DC/DC变换器的数量与燃料电池对的数量相匹配。

3.根据权利要求1所述的复合燃料电池电源系统，其特征在于，所述功率储能模块包括功率储能元件和第二DC/DC变换器，所述第二DC/DC变换器分别与功率储能元件、汽车内的负载和复合电源控制器连接。

4.根据权利要求3所述的复合燃料电池电源系统，其特征在于，所述功率储能元件包括功率型电池或超级电容。

5.根据权利要求1所述的复合燃料电池电源系统，其特征在于，所述数据采集模块包括负载电流采集电路、负载电压采集电路和功率储能模块电压采集电路，所述负载电流采集电路与汽车内的负载串联后，与复合电源控制器连接；所述负载电压采集电路与负载并联后，与复合电源控制器连接；所述功率储能模块电压采集电路与功率储能模块并联后，与复合电源控制器连接。

6.根据权利要求1所述的复合燃料电池电源系统，其特征在于，所述轮流启动的方式具体为：取燃料电池模块的当前启动次数与燃料电池模块内燃料电池堆的数量相除结果的余数，首先启动与所述余数编号相同的燃料电池堆，再根据负载需求功率相应开启后续的燃料电池堆。

7.一种复合燃料电池电源系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

s1)采集汽车内部的电量数据，根据采集的电量数据判断汽车当前状态，若是驱动状态则进入步骤s2)，若是制动状态则进入步骤s3)；

s2)根据步骤s1)采集的电量数据，确定负载需求功率和功率储能模块的当前储能量，根据确定的结果自适应控制燃料电池模块和功率储能模块的启动，在控制燃料电池模块进行启动时，各个并联的燃料电池堆采用轮流启动的方式启动；

s3)根据步骤s1)采集的电量数据，确定功率储能模块的当前储能量，根据确定的结果自适应控制汽车的制动过程。

8.根据权利要求7所述的复合燃料电池电源系统的控制方法，其特征在于，所述步骤s2)包括：

s21)根据步骤s1)采集的电量数据，确定负载需求功率和功率储能模块的当前储能量；

s22)判断负载需求功率是否不小于汽车内部设定的参考功率，若是则进入步骤s23)，若否则进入步骤s24)；

s23)通过轮流启动的方式开启所有的燃料电池堆，并判断功率储能模块的当前储能量是否不小于功率储能模块参考储能量的下限阈值，若是则启动功率储能模块，若否则关闭功率储能模块；

s24)判断功率储能模块的当前储能量是否不小于功率储能模块参考储能量的下限阈值，若是则通过轮流启动的方式开启部分燃料电池堆，使燃料电池模块提供的能量达到负载需求功率，若否则进入步骤s25)；

s25)通过轮流启动的方式开启所有的燃料电池堆，在为负载提供电量的同时为功率储能模块充电至达到功率储能模块参考储能量的上限阈值，并返回步骤s24)。

9.根据权利要求7所述的复合燃料电池电源系统的控制方法，其特征在于，所述步骤s3)包括：

s31)根据步骤s1)采集的电量数据，确定功率储能模块的当前储能量；

s32)判断功率储能模块的当前储能量是否不小于功率储能模块参考储能量的下限阈值，若是则控制汽车进行机械制动，若否则进入步骤s33)；

s33)控制汽车内的电动机工作在发电状态，回收制动能量来为功率储能模块充电至达到功率储能模块参考储能量的上限阈值，并返回步骤s32)。

10.根据权利要求7所述的复合燃料电池电源系统的控制方法，其特征在于，所述轮流启动的方式具体为：取燃料电池模块的当前启动次数与燃料电池模块内燃料电池堆的数量相除结果的余数，首先启动与所述余数编号相同的燃料电池堆，再根据负载需求功率相应开启后续的燃料电池堆。