CN109677300A - 氢燃料电池管理系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢燃料电池管理系统，其要点是：包括电源管理系统和控制系统。电源管理系统包括动力电池，动力电池用于对控制系统提供启动电压。控制系统的电堆气压传感器、温度传感器、进气电磁阀和出气电磁阀均设置在氢燃料电池的电堆上。电堆气压传感器用于检测氢燃料电池的电堆的气体流量，由主控模块对电堆气压传感器的数据进行实时采集，并根据采集的电堆气体流量数据，实时控制进气电磁阀和出气电磁阀做出相应动作，实现对气路的自动控制。温度传感器用于检测氢燃料电池的电堆的温度，由主控模块根据实时采集的温度传感器的数据，通过冷却装置控制电堆内部处于最佳反应环境温度。
Description
技术领域
本发明涉及交通工具技术领域，具体是一种用于氢能源助力车中的氢燃料电池管理系统及其控制方法。
背景技术
随着人口的日益增长和越来越大的能源消耗，能源短缺问题逐渐加重，发展和使用绿色能源成为全球关注的热点。氢燃料电池是一种使用氢气作为燃料，通过与氧气的化学反应而产生电能的装置，其副产物只有水，因此氢燃料电池助力自行车成为了一种理想的绿色出行交通工具。氢燃料电池的电堆反应是一个具有大滞后、不确定性和非线性等特性的化学过程，其中温度、压力等因素对电堆工作产生重要影响。此外，系统设备需要动力电池提供启动电压，待氢燃料电池工作稳定后，再切换氢燃料电池对整个系统供电。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，能够对氢燃料电池进行管理控制，使氢燃料电池安全、稳定的应用于供电系统的用于氢能源助力车中的氢燃料电池管理系统及控制方法。
实现本发明目的的基本技术方案是：一种氢燃料电池管理系统，其结构特点是：包括电源管理系统和控制系统。电源管理系统包括动力电池，动力电池用于对控制系统提供启动电压。
控制系统包括主控模块、电堆气压传感器、温度传感器、进气电磁阀、出气电磁阀和冷却装置。电堆气压传感器、温度传感器、进气电磁阀和出气电磁阀均设置在氢燃料电池的电堆上。电堆气压传感器用于检测氢燃料电池的电堆的气体流量，由主控模块对电堆气压传感器的数据进行实时采集，并根据采集的电堆气体流量数据，实时控制进气电磁阀和出气电磁阀做出相应动作，实现对气路的自动控制。温度传感器用于检测氢燃料电池的电堆的温度，由主控模块根据实时采集的温度传感器的数据，通过冷却装置控制电堆内部处于最佳反应环境温度。
以上述基本技术方案为基础的技术方案是：控制系统还包括显示模块。显示模块与主控模块电连接，当电堆温度高于设定值时，由主控模块通过显示模块显示超温报警信息。
以上述各相应技术方案为基础的技术方案是：控制系统还包括储氢罐气压传感器，储氢罐气压传感器用于检测储氢罐的氢气量。
以上述各相应技术方案为基础的技术方案是：控制系统还包括显示模块。显示模块与主控模块电连接，主控模块实时采集储氢罐气压传感器的数据，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过显示模块显示欠压报警信息。
以上述各相应技术方案为基础的技术方案是：控制系统还包括GPRS模块。GPRS模块与主控模块电连接，主控模块实时采集储氢罐气压传感器的数据，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过GPRS模块将欠压报警信息发送至系统后台，提醒运维人员更换储氢罐。
以上述各相应技术方案为基础的技术方案是：电源管理系统还包括充电模块。动力电池采用锂电池。由氢燃料电池通过充电模块对动力电池进行充电。
以上述各相应技术方案为基础的技术方案是：电源管理系统还包括电源稳压模块。电源稳压模块与充电模块电连接，充电模块与动力电池电连接，电源稳压模块用于对充电模块提供充电电压对动力电池充电。
以上述各相应技术方案为基础的技术方案是：电源管理系统还包括电源切换模块。氢燃料电池与电源稳压模块电连接，电源稳压模块与电源切换模块电连接。动力电池与电源切换模块电连接。电源切换模块用于控制系统供电电源的切换。当控制系统由停止状态进入运行状态时，电源切换模块切换至动力电池对控制系统供电。当氢燃料电池工作稳定时，电源切换模块切换至氢燃料电池对控制系统供电。
以上述各相应技术方案为基础的技术方案是：电源管理系统还包括电源稳压模块。氢燃料电池与电源稳压模块电连接，电源稳压模块与电源切换模块电连接。当氢燃料电池工作稳定时，通过电源稳压模块和电源切换模块对控制系统提供工作电压。
上述氢燃料电池管理系统的控制方法，具有如下步骤：
1.当氢燃料电池管理系统启动时，由动力电池通过电源切换模块对控制系统进行供电，控制系统开始工作。
2.控制系统的主控模块启动并执行初始化操作。初始化完成后，执行开机操作，此时氢燃料电池运行在启动阶段。开机操作完成后，氢燃料电池运行在发电阶段。
3.主控模块通过储氢罐气压传感器，每间隔一定时间采集一次氢燃料电池的储氢罐的气压，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过显示模块显示欠压报警信息，提醒使用者储氢罐欠压，不能使用。
4.主控模块通过电堆气压传感器，每间隔一定时间采集一次氢燃料电池的电堆气压，并根据采集的电堆气体流量数据，实时控制进气电磁阀和出气电磁阀做出相应动作，实现对气路的自动控制。当电堆气压高于上限值时，氢燃料电池的供电系统停止工作，同时进气电磁阀关闭，排气电磁阀打开，对供电系统进行保护。
5.主控模块通过温度传感器，每间隔一定时间采集一次氢燃料电池的温度，由主控模块根据电堆温度，实时控制冷却装置使电堆内部处于最佳反应环境温度，提高电堆的转换效率，同时延长电堆的使用寿命。当电堆温度高于设定值时，通过显示模块显示超温报警信息，提醒使用者氢燃料电池的供电系统因超温停止工作，当电堆温度低于设定值时，供电系统重新启动。
6.通过上述3至5步使氢燃料电池的电堆进入并维持在稳定状态，氢燃料电池进入发电阶段，由氢燃料电池通过电源切换模块对控制系统进行供电，并通过充电模块对动力电池进行充电。
7.当氢燃料电池管理系统停止工作时，由动力电池通过电源切换模块对控制系统进行供电，等待关机操作完成后，整个氢燃料电池管理系统关闭。
本发明具有以下的有益效果：
(1)本发明的氢燃料电池管理系统结构简单，由主控模块对电堆气压传感器的数据进行实时采集，并根据采集的电堆气体流量数据，实时控制进气电磁阀和出气电磁阀做出相应动作，实现对气路的自动控制，使氢燃料电池安全、稳定的应用于供电系统中。
(2)本发明的氢燃料电池管理系统的电源管理系统设有充电模块，且动力电池采用锂电池，可以通过氢燃料电池对动力电池充电，使用方便。
(3)本发明的氢燃料电池管理系统的电源管理系统设有电源切换模块，当氢燃料电池工作稳定时，通过电源切换模块实现氢燃料电池对控制系统供电，大大提高了动力电池的使用次数，保证开机的可靠性。
(4)本发明的氢燃料电池管理系统的电源管理系统设有电源稳压模块，确保输出电压的稳定，有利于延长设备的使用寿命和供电系统的工作稳定性。
(5)本发明的氢燃料电池管理系统的控制系统设有储氢罐气压传感器，用于检测储氢罐的氢气量。由主控模块实时采集储氢罐气压传感器的数据，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过显示模块显示欠压报警信息，提醒使用者储氢罐欠压，不能使用。通过GPRS模块将欠压报警信息发送至系统后台，提醒运维人员更换储氢罐。
(6)本发明的氢燃料电池管理系统的控制系统设有电堆气压传感器、进气电磁阀和出气电磁阀。由主控模块对电堆气压传感器的数据进行实时采集，并根据采集的电堆气体流量数据，实时控制进气电磁阀和出气电磁阀做出相应动作，实现对气路的自动控制。当电堆气压高于上限值时，氢燃料电池的供电系统停止工作，同时进气电磁阀关闭，排气电磁阀打开，对供电系统进行保护。
(7)本发明的氢燃料电池管理系统的控制系统设有温度传感器，由主控模块根据电堆温度，实时调节风扇转速，控制电堆内部处于最佳反应环境温度，提高电堆的转换效率，同时延长电堆的使用寿命。当电堆温度高于设定值时，通过显示模块显示超温报警信息，提醒使用者氢燃料电池的供电系统因超温停止工作，当电堆温度低于设定值时，供电系统重新启动。
附图说明
图1为本发明的氢燃料电池管理系统的结构框图。
附图中的标号为：
电源管理系统1，动力电池1-1，电源稳压模块1-2，电源切换模块1-3，充电模块1-4，
控制系统2，主控模块2-1，储氢罐气压传感器2-2，电堆气压传感器2-3，温度传感器2-4，进气电磁阀2-5，出气电磁阀2-6，冷却装置2-7，显示模块2-8，GPRS模块2-9，
氢燃料电池100。
具体实施方式
(实施例1)
见图1，本发明的氢燃料电池管理系统包括电源管理系统1和控制系统2。
电源管理系统1包括动力电池1-1、电源稳压模块1-2、电源切换模块1-3和充电模块1-4。
动力电池1-1通过电源切换模块1-3与控制系统2电连接，动力电池1-1用于对控制系统2提供启动电压。动力电池1-1采用锂电池。当控制系统2由停止状态进入运行状态时，氢燃料电池100的电堆没有发电，由动力电池1-1通过电源切换模块1-3对控制系统2进行供电。
氢燃料电池100与电源稳压模块1-2电连接，电源稳压模块1-2与电源切换模块1-3电连接。当氢燃料电池100工作稳定时，通过电源稳压模块1-2和电源切换模块1-3对控制系统2提供工作电压。
电源稳压模块1-2与充电模块1-4电连接，充电模块1-4与动力电池1-1电连接，电源稳压模块1-2用于对充电模块1-4提供充电电压，并通过充电模块1-4对动力电池1-1进行充电。当氢燃料电池100工作稳定时，通过电源稳压模块1-2和充电模块1-4对动力电池1-1进行充电。
电源切换模块1-2主要用于控制系统2供电电源的切换。当控制系统2由停止状态进入运行状态时，电源切换模块1-2切换至动力电池1-1对控制系统2供电；当氢燃料电池100工作稳定时，电源切换模块1-2切换至氢燃料电池100对控制系统2供电。
控制系统2包括主控模块2-1、储氢罐气压传感器2-2、电堆气压传感器2-3、温度传感器2-4、进气电磁阀2-5、出气电磁阀2-6、冷却装置2-7、显示模块2-8和GPRS模块2-9。冷却装置2-7为风扇。
主控模块2-1采用微控制器，微控制器可以选择但不限于市面上常用的stm32系列单片机。
储氢罐气压传感器2-2用于检测储氢罐的氢气量。显示模块2-8与主控模块2-1电连接，主控模块2-1实时采集储氢罐气压传感器2-2的数据，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过显示模块2-8显示欠压报警信息，提醒使用者储氢罐欠压，不能使用。GPRS模块2-9与主控模块2-1电连接，主控模块2-1实时采集储氢罐气压传感器2-2的数据，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过GPRS模块2-9将欠压报警信息发送至系统后台，提醒运维人员更换储氢罐。
电堆气压传感器2-3、温度传感器2-4、进气电磁阀2-5和出气电磁阀2-6均设置在氢燃料电池100的电堆上，且均与主控模块2-1电连接。电堆气压传感器2-3用于检测氢燃料电池100的电堆的气体流量，由主控模块2-1对电堆气压传感器2-3的数据进行实时采集，并根据采集的电堆气体流量数据，实时控制进气电磁阀2-5和出气电磁阀2-6做出相应动作，实现对气路的自动控制。当电堆气压高于上限值时，氢燃料电池100的供电系统停止工作，同时进气电磁阀关闭，排气电磁阀打开，对供电系统进行保护。
温度传感器2-4用于检测氢燃料电池100的电堆的温度，由主控模块2-1根据电堆温度，实时调节风扇转速，控制电堆内部处于最佳反应环境温度，提高电堆的转换效率，同时延长电堆的使用寿命。当电堆温度高于设定值时，通过显示模块2-8显示超温报警信息，提醒使用者氢燃料电池100的供电系统因超温停止工作，当电堆温度低于设定值时，供电系统重新启动。
本发明的氢燃料电池管理系统的控制方法具有以下步骤：
1、当氢燃料电池管理系统启动时，由动力电池1-1通过电源切换模块1-3对控制系统2进行供电。控制系统2开始工作。
2、控制系统2的主控模块2-1启动并执行初始化操作。初始化完成后，执行开机操作，此时氢燃料电池100运行在启动阶段。开机操作完成后，氢燃料电池100运行在发电阶段。
3、主控模块2-1通过储氢罐气压传感器2-2，每300ms采集一次氢燃料电池100的储氢罐的气压，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过显示模块2-8显示欠压报警信息，提醒使用者储氢罐欠压，不能使用。同时，通过GPRS模块2-9将欠压报警信息发送至系统后台，提醒运维人员更换储氢罐。
4、主控模块2-1通过电堆气压传感器2-3，每300ms采集一次氢燃料电池100的电堆气压，并根据采集的电堆气体流量数据，实时控制进气电磁阀2-5和出气电磁阀2-6做出相应动作，实现对气路的自动控制。当电堆气压高于上限值时，氢燃料电池100的供电系统停止工作，同时进气电磁阀关闭，排气电磁阀打开，对供电系统进行保护。
5、主控模块2-1通过温度传感器2-4，每300ms采集一次氢燃料电池100的温度，由主控模块2-1根据电堆温度，实时调节风扇转速，控制电堆内部处于最佳反应环境温度，提高电堆的转换效率，同时延长电堆的使用寿命。当电堆温度高于设定值时，通过显示模块2-8显示超温报警信息，提醒使用者氢燃料电池100的供电系统因超温停止工作，当电堆温度低于设定值时，供电系统重新启动。
6、通过上述3至5步使氢燃料电池100的电堆进入并维持在稳定状态，氢燃料电池100进入发电阶段，由氢燃料电池100通过电源切换模块1-3对控制系统2进行供电，并通过充电模块1-4对动力电池1-1进行充电。
7、当氢燃料电池管理系统停止工作时，由动力电池1-1通过电源切换模块1-3对控制系统2进行供电，等待关机操作完成后，整个氢燃料电池管理系统关闭。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氢燃料电池管理系统，其特征在于：包括电源管理系统和控制系统；电源管理系统包括动力电池，动力电池用于对控制系统提供启动电压；控制系统包括主控模块、电堆气压传感器、温度传感器、进气电磁阀、出气电磁阀和冷却装置；电堆气压传感器、温度传感器、进气电磁阀和出气电磁阀均设置在氢燃料电池的电堆上；电堆气压传感器用于检测氢燃料电池的电堆的气体流量，由主控模块对电堆气压传感器的数据进行实时采集，并根据采集的电堆气体流量数据，实时控制进气电磁阀和出气电磁阀做出相应动作，实现对气路的自动控制；温度传感器用于检测氢燃料电池的电堆的温度，由主控模块根据实时采集的温度传感器的数据，通过冷却装置控制电堆内部处于最佳反应环境温度。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池管理系统，其特征在于：控制系统还包括显示模块；显示模块与主控模块电连接，当电堆温度高于设定值时，由主控模块通过显示模块显示超温报警信息。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池管理系统，其特征在于：控制系统还包括储氢罐气压传感器；储氢罐气压传感器用于检测储氢罐的氢气量。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池管理系统，其特征在于：控制系统还包括显示模块；显示模块与主控模块电连接，主控模块实时采集储氢罐气压传感器的数据，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过显示模块显示欠压报警信息。
5.根据权利要求3所述的氢燃料电池管理系统，其特征在于：控制系统还包括GPRS模块；GPRS模块与主控模块电连接，主控模块实时采集储氢罐气压传感器的数据，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过GPRS模块将欠压报警信息发送至系统后台。
6.根据权利要求1至5之一所述的氢燃料电池管理系统，其特征在于：电源管理系统还包括充电模块；动力电池采用锂电池；由氢燃料电池通过充电模块对动力电池进行充电。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池管理系统，其特征在于：电源管理系统还包括电源稳压模块；电源稳压模块与充电模块电连接，充电模块与动力电池电连接，电源稳压模块用于对充电模块提供充电电压对动力电池充电。
8.根据权利要求1至5之一所述的氢燃料电池管理系统，其特征在于：电源管理系统还包括电源切换模块；氢燃料电池与电源稳压模块电连接，电源稳压模块与电源切换模块电连接；动力电池与电源切换模块电连接；电源切换模块用于控制系统供电电源的切换；当控制系统由停止状态进入运行状态时，电源切换模块切换至动力电池对控制系统供电；当氢燃料电池工作稳定时，电源切换模块切换至氢燃料电池对控制系统供电。
9.根据权利要求7所述的氢燃料电池管理系统，其特征在于：电源管理系统还包括电源稳压模块；氢燃料电池与电源稳压模块电连接，电源稳压模块与电源切换模块电连接；当氢燃料电池工作稳定时，通过电源稳压模块和电源切换模块对控制系统提供工作电压。
10.一种氢燃料电池管理系统的控制方法，其特征在于：氢燃料电池管理系统包括电源管理系统、控制系统和氢燃料电池；
电源管理系统包括动力电池、电源稳压模块、电源切换模块和充电模块；动力电池用于对控制系统提供启动电压；动力电池采用锂电池；电源稳压模块与充电模块电连接，充电模块与动力电池电连接，电源稳压模块用于对充电模块提供充电电压对动力电池充电；氢燃料电池与电源稳压模块电连接，电源稳压模块与电源切换模块电连接；动力电池与电源切换模块电连接；
控制系统包括主控模块、储氢罐气压传感器、电堆气压传感器、温度传感器、进气电磁阀、出气电磁阀、冷却装置、显示模块和GPRS模块；电堆气压传感器、温度传感器、进气电磁阀和出气电磁阀均设置在氢燃料电池的电堆上；储氢罐气压传感器设置在氢燃料电池的储氢罐上，用于检测储氢罐的氢气量；主控模块实时采集储氢罐气压传感器的数据；电堆气压传感器用于检测氢燃料电池的电堆的气体流量；温度传感器用于检测氢燃料电池的电堆的温度；
所述氢燃料电池管理系统的控制方法具有如下步骤：
1.当氢燃料电池管理系统启动时，由动力电池通过电源切换模块对控制系统进行供电，控制系统开始工作；
2.控制系统的主控模块启动并执行初始化操作；初始化完成后，执行开机操作，此时氢燃料电池运行在启动阶段；开机操作完成后，氢燃料电池运行在发电阶段；
3.主控模块通过储氢罐气压传感器，每间隔一定时间采集一次氢燃料电池的储氢罐的气压，当储氢罐的氢气量的气压低于下限值时，通过显示模块显示欠压报警信息，提醒使用者储氢罐欠压，不能使用；同时，通过GPRS模块将欠压报警信息发送至系统后台；
4.主控模块通过电堆气压传感器，每间隔一定时间采集一次氢燃料电池的电堆气压，并根据采集的电堆气体流量数据，实时控制进气电磁阀和出气电磁阀做出相应动作，实现对气路的自动控制；当电堆气压高于上限值时，氢燃料电池的供电系统停止工作，同时进气电磁阀关闭，排气电磁阀打开，对供电系统进行保护。
5.主控模块通过温度传感器，每间隔一定时间采集一次氢燃料电池的温度，由主控模块根据电堆温度，实时控制冷却装置使电堆内部处于最佳反应环境温度，提高电堆的转换效率，同时延长电堆的使用寿命；当电堆温度高于设定值时，通过显示模块显示超温报警信息，提醒使用者氢燃料电池的供电系统因超温停止工作，当电堆温度低于设定值时，供电系统重新启动；
6.通过上述3至5步使氢燃料电池的电堆进入并维持在稳定状态，氢燃料电池进入发电阶段，由氢燃料电池通过电源切换模块对控制系统进行供电，并通过充电模块对动力电池进行充电。
7.当氢燃料电池管理系统停止工作时，由动力电池通过电源切换模块对控制系统进行供电，等待关机操作完成后，整个氢燃料电池管理系统关闭。
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