CN109792064B - 燃料电池系统和其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统和其控制方法，其中，燃料电池系统包含燃料电池(11)、开关控制模块(121)和至少2个开关模块(122)；开关模块(122)均与燃料电池(11)的正极和负极连接，均包含开关单元(123,124)，开关单元(123,124)包含开关，开关包含控制端、电流输入端、电流输出端；至少2个开关模块(122)中，至少一个开关模块(122)中，开关单元还包含分压结构，分压结构串联于电流输入端与燃料电池的正极之间，或，分压结构串联于电流输出端与燃料电池的负极之间；开关控制模块(121)分别与至少2个开关模块(122)中的开关的控制端连接，用于分别控制开关的导通或断开。该燃料电池系统和其控制方法能够利用较低的成本，使得燃料电池的开关元件在脉冲短路的过程中得到保护、避免损坏、延长寿命。

Description

燃料电池系统和其控制方法
技术领域
本发明属于电子电路领域，尤其涉及一种燃料电池系统和其控制方法。
背景技术
燃料电池能以较高的效率将氢气与氧气(通常是空气中的氧气)直接转化为电能，反应副产品是纯水。因此具有节能、环保等优点。
为了提高燃料电池的输出性能，有一种办法是脉冲短路，使得燃料电池的电压在短路脉冲期间，跌到尽量接近0V(伏特)。图1示出了在脉冲短路过程中，燃料电池的正极与负极间电压变化情况，其中脉冲宽度D通常小于200ms(毫秒)甚至更短，脉冲短路周期P通常大于5s(秒)甚至更长。由于脉冲短路的占空比很小，因此对功率输出的影响甚微。
实现脉冲短路，需要相应的电路器件。机械的接触器/继电器，由于反应速度、机械寿命、触点打火寿命等问题，不是很适合担当此功能。所以，通常采用功率电子元件，例如MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等。在进行脉冲短路时，将MOSFET、IGBT导通，利用MOSFET、IGBT导通时的低电阻值将燃料电池的正极与负极短接；在达到脉冲宽度时，将MOSFET、IGBT恢复截止状态(或称“断开”)。如图1所示，按照脉冲宽度需求和脉冲短路周期重复前述动作，从而实现对燃料电池的脉冲短路操作。
当燃料电池的功率、尺寸较小时，功率电子元件通常比较容易满足要求。但当燃料电池的功率、尺寸较大时，脉冲短路时释放的尖峰电流及单脉冲能量将会超过功率电子元件的承受能力，甚至超过功率电子元件并接组件的承受能力，造成迅速损坏或显著缩短寿命；即使成比例地选用较大规格的功率电子元件，仍然较易出现功率电子元件损坏的问题。而且，当燃料电池的功率、尺寸再进一步放大时，甚至是成比例地放大规格的功率电子元件也很难找到。例如当IGBT的额定电流达到800A(安培)以上时，市场价格非线性地严重上升，成本巨大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的脉冲短路控制电路中，对燃料电池的脉冲短路的过程中，易发生开关元件损坏的缺陷，提供一种燃料电池系统和其控制方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包含燃料电池、开关控制模块和至少2个开关模块；
所述至少2个开关模块均包含开关单元，所述开关单元包含开关，所述开关包含控制端、电流输入端、电流输出端；
所述至少2个开关模块中，至少一个开关模块中，所述开关单元还包含分压结构，所述分压结构串联于所述电流输入端与所述燃料电池的正极之间，或，所述分压结构串联于所述电流输出端与所述燃料电池的负极之间；所述分压结构可以为电阻、细长导线、电感等多种能够起到分压作用的结构；
所述至少2个开关模块中，其余的开关模块中，所述电流输入端与所述燃料电池的正极连接，所述电流输出端与所述燃料电池的负极连接；
所述开关控制模块分别与所述至少2个开关模块中的开关的控制端连接，用于分别控制所述开关的导通或断开。
较佳地，所述开关包含MOSFET，所述控制端为所述MOSFET的栅极，所述电流输入端为所述MOSFET的漏极，所述电流输出端为所述MOSFET的源极；
或，
所述开关包含IGBT，所述控制端为所述IGBT的栅极，所述电流输入端为所述IGBT的集电极，所述电流输出端为所述IGBT的发射极。
较佳地，所述分压结构包含电阻。
较佳地，所述至少2个开关模块中，不同的开关模块中的开关单元包含的所述电阻的电阻值不同。
较佳地，所述燃料电池系统包含3个所述开关模块；所述3个所述开关模块中，2个所述开关模块的开关单元包含所述电阻。
较佳地，所述至少2个开关模块中，至少一个开关模块包含至少2个开关单元，所述至少2个开关单元并联。
较佳地，所述至少2个开关单元均包含磁环、二极管，所述磁环套于所述开关单元中一导线的外部，所述导线为所述电流输入端与所述燃料电池的正极之间的导线，或，所述导线为所述电流输出端与所述燃料电池的负极之间的导线；所述二极管与所述磁环并联。
较佳地，所述燃料电池系统还包含与所述开关模块的数量相同的射极跟随器，所述开关控制模块分别通过一个所述射极跟随器与对应的一个开关模块中的开关的控制端连接；
或，所述燃料电池系统还包含与所述开关模块的数量相同的隔离放大器，所述开关控制模块分别通过一个所述隔离放大器与对应的一个开关模块中的开关的控制端连接；
或，所述燃料电池系统还包含与所述开关模块的数量相同的隔离放大器、与所述开关模块的数量相同的射极跟随器，所述开关控制模块分别通过一个所述隔离放大器和一个所述射极跟随器与对应的一个开关模块中的开关的控制端连接。
本发明还提供一种燃料电池系统控制方法，所述燃料电池系统控制方法采用本发明的燃料电池系统实现，包含以下步骤：
S1、所述开关控制模块依次将所述至少2个开关模块的开关导通；
S2、等待第一预设时间，所述开关控制模块将所述至少2个开关模块的开关断开。
较佳地，S1中，所述开关控制模块按照预设时间间隔依次将所述至少2个开关模块的开关导通。
较佳地，在所述燃料电池系统控制方法中，用步骤S3替换步骤S2：
S3、等待第二预设时间，所述开关控制模块依次将所述至少2个开关模块的开关断开。
较佳地，所述分压结构包含电阻，不同的所述开关模块中开关单元包含的所述电阻的电阻值不同；
S1包含：所述开关控制模块按照所述电阻的电阻值由大到小的顺序依次将与所述电阻串联的开关导通。
较佳地，所述分压结构包含电阻，不同的所述开关模块中开关单元包含的所述电阻的电阻值不同；
S3包含：等待第二预设时间，所述开关控制模块按照所述电阻的电阻值由大到小的顺序依次将与所述电阻串联的开关断开。
本发明的积极进步效果在于：本发明的燃料电池系统和其控制方法利用较低的成本，使得燃料电池的脉冲短路的过程中开关元件得到保护、避免损坏、延长寿命。
附图说明
图1为燃料电池脉冲短路的波形图。
图2为本发明实施例1的燃料电池系统的电路示意图。
图3为本发明实施例1的燃料电池系统控制方法的流程图。
图4为本发明实施例2的燃料电池系统的电路示意图。
图5为本发明实施例3的燃料电池系统的电路示意图。
图6为本发明实施例4的燃料电池系统的电路示意图。
图7为本发明实施例5的燃料电池系统的电路示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例的燃料电池系统，如图2所示，包含燃料电池11、开关控制模块121和至少2个开关模块122。所述至少2个开关模块122均包含开关单元(如图2所示开关单元123、开关单元124)，所述开关单元包含开关，所述开关包含控制端、电流输入端、电流输出端。所述至少2个开关模块122中，至少一个开关模块中，所述开关单元(如图2中开关单元124)还包含分压结构，所述分压结构串联于所述电流输入端与所述燃料电池11的正极之间，或，所述分压结构串联于所述电流输出端与所述燃料电池11的负极之间。所述分压结构可以为电阻、细长导线、电感等多种能够实现分压功能的结构。所述至少2个开关模块中，其余的开关模块中(如图2中包含开关单元123的开关模块)，所述电流输入端与所述燃料电池的正极连接，所述电流输出端与所述燃料电池的负极连接。开关控制模块121分别与所述至少2个开关模块中的开关的控制端连接，用于分别控制所述开关的导通或断开。
作为一种较佳的实施例，如图2所示，本实施例的燃料电池系统包含燃料电池11、开关控制模块121和2个开关模块122。其中一个开关模块122包含开关单元123，该开关单元123包含开关，具体地，该开关为IGBT元件T2，T2的集电极作为电流输入端与燃料电池11的正极连接，T2的发射极作为电流输出端与燃料电池11的负极连接。另一个开关模块122包含开关单元124，该开关单元124包含开关，还包含分压结构，具体地，该分压结构为电阻R1，该开关为IGBT元件T1，T1的集电极作为电流输入端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与燃料电池11的正极连接，T1的发射极作为电流输出端与燃料电池11的负极连接。
开关控制模块121分别与T1的栅极(控制端)和T2的栅极(控制端)连接，分别为T1和T2提供偏置电压，用于控制T1和T2的导通或关闭。
图2所示为一较佳实施例，本发明的燃料电池系统并不限于该电路结构。例如，R1串联于T1的发射极与燃料电池11的负极之间，也可以达到相似的技术效果(但此时，开关控制模块必须包含隔离驱动功能，以防地电平跳变导致的干扰和损坏)。
在本实施例中，分压结构并不限于电阻，细长的导线具有一定的电阻值，也可以构成本发明中的分压结构。另外，电感等能够起到分压作用的元器件均可以作为本发明中的分压结构。电阻R1可以采用多种形式实现，包括由MOS元件构成的电阻元件。
本发明中的开关不仅可以采用IBGT元件，也可以采用MOSFET元件，以及其他用于导通和断开电路的元件、电路。
本实施例的燃料电池系统，可以存在包含超过1个开关单元123(只包含开关，不包含分压结构)的方案。
本实施例还提供一种燃料电池系统控制方法，所述燃料电池系统控制方法采用本实施例的燃料电池系统实现，如图3所示，包含以下步骤：
S101、开关控制模块121依次将所述至少2个开关模块导通；
S102、等待第一预设时间，开关控制模块121将所述至少2个开关模块断开。
作为一种较佳的实施例，在S101中，开关控制模块121在T1的栅极上提供高电平的偏置电压(初始状态下，开关控制模块121在T1的栅极上提供的偏置电压为低电平，T1处于截止状态)，控制T1导通。此时，燃料电池11的正极与负极被短路。在短路开始的短暂时间内，释放的尖峰电流及单脉冲能量较大(甚至超过2000A)，但由于T1与电阻R1(例如：100mOHM的线绕水泥电阻)串联，而T1的导通内阻(通常为5mOHM)远小于电阻R1的电阻值，因此T1所承受的单脉冲能量远远小于未串联电阻时的情形(即现有技术中的方案)，也小于T1能够承受的安全单脉冲能量范围，因此，T1得到有效保护，不会在脉冲短路中受损坏，也不会影响使用寿命。
因为串联了电阻R1，在S101的脉冲短路中，燃料电池11的正极与负极之间的电压不够低。而在脉冲短路过程中，燃料电池11两极间的电压越接近0V，脉冲短路的效果越好，即对燃料电池11的性能的提升的效果越好。因此，在T1导通5ms后，开关控制模块121在T2的栅极上提供高电平的偏置电压(初始状态下，开关控制模块121在T2的栅极上提供的偏置电压为低电平，T2处于截止状态)，控制T2导通。因为脉冲短路已进行了一段时间(5ms)，短路电流有所下降，对功率电子元件(即T1、T2)的危险明显减小。并且，由于T2、T1均导通，起到了分流作用，使得T2、T1承受的电流和单脉冲能量都处于安全范围内，起到了对T2、T1的有效保护。同时，因为开关单元123中仅包含T2，而没有串联分压结构(如电阻)，T2的导通内阻很小，因此，可以将燃料电池11的两极间的短路电压拉得很低，接近0V，从而起到良好的脉冲短路的效果。
接下来，在S102中，等待第一预设时间，开关控制模块121将T2和T1断开。也即，在脉冲短路的脉冲宽度(例如：50ms)到达时，开关控制模块121控制T2和T1的栅极电压，将T2和T1同时断开。
当然，也可以使用下述步骤S103替代S102：
S103、等待第二预设时间，所述开关控制模块依次将所述至少2个开关模块断开。
具体地，等待第二预设时间，开关控制模块121将T1断开，等待第三预设时间，开关控制模块121将T2断开。例如，在45ms结束时，开关控制模块121将T1断开；在50ms结束时，开关控制模块121将T2断开。即，并不一定要求T2和T1严格同时断开。但开关单元123的作用还在于进一步拉低燃料电池11的两极的短路电压，因此T1断开不晚于T2断开，可以得到良好的脉冲短路的效果。
对于本实施例的燃料电池系统中包含超过1个开关单元123的方案，在本实施例的燃料电池系统控制方法中，将所述超过1个开关单元123的中的开关同时导通/断开，或者，将所述超过1个开关单元123的中的开关先后导通/断开，可以取得相似的技术效果，应视为等同的技术特征，均属于本发明的保护范围。
因为脉冲短路的脉冲宽度可以在合理范围内调整，因此，上述5ms、45ms、50ms均为示例，本发明的燃料电池系统控制方法中，所述第一预设时间、第二预设时间、第三预设时间并不限于上述数值范围，可以根据需要调整。并且，每次脉冲短路的脉冲宽度，也不要求严格相同。
实施例2
本实施例的燃料电池系统与实施例1的燃料电池系统基本相同，区别在于，如图4所示，本实施例的燃料电池系统中，开关单元123中还包含电阻R2，R2串联于T2的集电极与燃料电池11的正极之间，R2的电阻值(例如：50mOHM)小于R1(例如：100mOHM)。
本实施例还提供一种燃料电池系统控制方法，所述燃料电池系统控制方法采用本实施例的燃料电池系统实现。燃料电池系统控制方法的步骤与实施例1的燃料电池系统控制方法基本相同，区别在于，在S101中，所述开关控制模块按照所述电阻的电阻值由大到小的顺序依次将与所述电阻串联的开关导通。具体不再赘述。因为R2的电阻值小于R1，所以，开关单元123在后导通，其作用在于进一步拉低燃料电池11的两极的短路电压，从而取得良好的脉冲短路的效果。
另外，在将T2、T1断开的过程中，可以将T2、T1同时断开；也可以先将T1断开，再将T2断开，即，按照所述电阻的电阻值由大到小的顺序依次将与所述电阻串联的开关断开。此2种断开开关的步骤具有相似的技术效果，应视为等同，均属于本发明的保护范围。
实施例3
本实施例的燃料电池系统与实施例2的燃料电池系统基本相同，区别在于，如图5所示，本实施例的燃料电池系统还包含第3个开关模块，所述第3个开关模块包含开关单元125，开关单元125包含开关T3，T3的栅极与开关控制模块121连接，T3的集电极与燃料电池11的正极连接，T3的发射极与燃料电池11的负极连接。
本实施例的燃料电池系统还可以包含更多的开关模块，所述更多的开关模块中的开关单元包含的电阻的电阻值与R2、R1的电阻值不同。
本实施例还提供一种燃料电池系统控制方法，所述燃料电池系统控制方法采用本实施例的燃料电池系统实现。燃料电池系统控制方法的步骤与实施例1的燃料电池系统控制方法基本相同。
具体地，如图5所示，在S101中，开关控制模块121控制T1导通，经过预设时间间隔(例如：5ms)后，将T2导通，再经过预设时间间隔(例如：10ms)后，将T3导通(即，开关控制模块按照预设时间间隔依次将所述至少2个开关模块导通)。因为R1的电阻值最大，因此，其对脉冲短路中的功率元件(此处为T1)的保护效果最好，所以，在本实施例的燃料电池系统控制方法中，最先导通T1。接下来，导通与R2串联的T2，一方面，利用后导通的开关单元123提供的电流支路进行分流，同时利用R2保护T2；另一方面，因为R2的电阻值小于R1，因此，在T2导通后，可以进一步拉低燃料电池11的两极之间的短路电压。最后，将T3导通，其作用和效果不再赘述。
本实施例的燃料电池系统控制方法在实现对功率元件(T1、T2、T3)的完善保护的同时，使燃料电池11的两极之间呈现逐渐趋近于0V的短路电压，起到了良好的脉冲短路的效果。
在本实施例的燃料电池系统控制方法中，对于本实施例的燃料电池系统还可以包含更多的开关模块，所述更多的开关模块中包含的电阻的电阻值与R2、R1的电阻值不同，对于该种燃料电池系统控制方法不再赘述。
实施例4
本实施例的燃料电池系统与实施例1的燃料电池系统的区别在于，在本实施例的燃料电池系统中，所述至少2个开关模块中，至少一个开关模块包含至少2个开关单元，所述至少2个开关单元并联。
具体地，如图6所示，本实施例的燃料电池系统包含2个开关模块122，其中一个开关模块122中包含由P个开关单元123组成的并联结构。P个开关单元123中，每个开关单元123均包含MOSFET元件M2作为开关，M2的漏极均与燃料电池11的正极连接，M2的源极均与燃料电池11的负极连接，开关控制模块121与M2的栅极(控制端)连接，为M2提供偏置电压，用以控制M2的导通或断开。
另一个开关模块122中包含由Q个开关单元124组成的并联结构。Q个开关单元124中，每个开关单元124均包含MOSFET元件M1和电阻R1的串联单元，M1的漏极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与燃料电池11的正极连接，M1的源极与燃料电池11的负极连接，开关控制模块121与M1的栅极(控制端)连接，为M1提供偏置电压，用以控制M1的导通或断开。
在本实施例中，P和Q均为正整数，且P和Q不同时为1(P和Q同时为1时，则成为实施例1的燃料电池系统)。本领域技术人员能够理解，P与Q相等，或者不相等，可以取得相似的技术效果，属于等同的技术特征，均属于本发明的保护范围。
开关模块中包含大于1个开关单元，在该开关模块导通后，可以形成多个电流支路，用于分流，从而进一步减轻开关的负担，起到对开关的良好的保护作用。
图6所示仅为一较佳示例，本实施例中，开关不限于图示的MOSFET元件。如前所述，IBGT元件，以及其他用于导通和断开电路的元件、电路，均可作为开关适用于本实施例中。
作为一种较佳的实施例，本实施例的燃料电池系统中，开关单元均包含磁环、二极管，所述磁环套于所述开关单元中一导线的外部，所述导线为所述电流输入端与所述燃料电池的正极之间的导线，或，所述导线为所述电流输出端与所述燃料电池的负极之间的导线；所述二极管与所述磁环并联。
具体地，如图6所示，开关单元124中还包含第一磁环MR1，第一磁环MR1套于连接R1与燃料电池11的正极的导线的外部(显然，该第一磁环MR1也可以套于连接R1与M1的漏极的导线的外部。另外，当R1串联于M1的源极与燃料电池11的负极之间时，该第一磁环MR1则套于连接M1的源极与燃料电池11的负极之间的导线的外部)。开关单元123中还包含第二磁环MR2，第二磁环MR2套于连接M1的漏极与燃料电池11的正极的导线的外部。
进一步地，本实施例的燃料电池系统中，开关单元124还包含第一二极管D1，第一二极管D1与第一磁环MR1并联。本领域技术人员能够理解，本发明中所述的“第一二极管D1与第一磁环MR1并联”并不限于第一二极管D1与第一磁环MR1直接并联，而是指第一二极管D1所在的支路与第一磁环MR1所在的支路并联。如图6所示，第一二极管D1的正极与M1的漏极相连，第一二极管D1的负极与燃料电池11的正极相连。第一二极管D1也可以通过电阻等元器件与M1的漏极或燃料电池11的正极相连，即第一二极管D1与该电阻串联形成的支路与第一磁环MR1与电阻R1串联形成的支路并联。
开关单元123还包含第二二极管D2，第二二极管D2与第二磁环MR2并联。具体地，如图6所示，第二二极管D2的正极与M2的漏极连接，第二二极管D2的负极与燃料电池11的正极连接。
本实施例的燃料电池系统为较佳实施例，虽然在本实施例的燃料电池系统中，如图6所示，只展示了包含2个开关模块122的情形，但结合实施例3，本领域技术人员能够理解，本实施例的燃料电池系统可以包含更多个开关模块122。
本实施例还提供一种燃料电池系统控制方法，本实施例的燃料电池系统控制方法采用本实施例的燃料电池系统实现，本实施例的燃料电池系统控制方法与前述实施例中的燃料电池系统控制方法步骤相似。
具体地，在S101中，开关控制模块121将Q个M1同时导通。Q个通路形成分流效果，使得每个通路上的M1承受的电流减小，同时配合R1的分压保护作用，可使得对M1的保护更加完善可靠。然后，开关控制模块121将P个M2同时导通，其作用和效果不再赘述。
本领域技术人员能够理解，在S101中，开关控制模块121将Q个M1分先后顺序导通，其效果会弱于开关控制模块121将Q个M1同时导通的方案，但仍可以取得近似的效果。因此，开关控制模块121将Q个M1分先后顺序导通与开关控制模块121将Q个M1同时导通，应视为等同的技术特征，均属于本发明的保护范围。
虽然开关控制模块121将Q个M1同时导通，即，开关控制模块121在Q个M1的栅极上同时提供合适的偏置电压，用以控制Q个M1同时导通，但在现实中，Q个M1并不能达到理想的“同时”导通，而是有微小的时间差。但因为电荷运动的特性，电流会集中于先导通的支路，从而使该支路承受很大的电流，于是Q个开关单元124并联用以分流的效果会减弱。因此，在本实施例的燃料电池系统中还包含磁环(第一磁环MR1、第二磁环MR2)。磁环的作用在于动态均流。例如，开关控制模块121将Q个M1同时导通时，由于第一磁环MR1的动态均流作用，可以使Q个支路上电流均匀分布，而不会集中于较早导通的支路，从而有助于保护M1。
较佳地，本实施例的燃料电池系统还包含二极管(第一二极管D1、第二二极管D2)，该二极管通常称为“续流二极管”。续流二极管经常和储能元件(如本实施例中的磁环)一起使用，防止电压电流突变，提供通路。电感(如本实施例中的磁环)可以经过续流二极管给负载提供持续的电流，以免负载电流突变，起到平滑电流的作用。在开关电源中，就能见到一个由二极管和第一电阻串连起来构成的续流电路。这个电路与变压器的原边并联(在本实施例中，续流二极管所在的支路与磁环所在的支路并联)。当开关断开时，续流电路可以释放掉变压器线圈中储存的能量，防止感应电压过高，击穿开关管。一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管就可以了，用来把线圈产生的反向电势通过电流的形式消耗掉，该二极管在电路中起到的作用称为“续流”。具体地，在本实施例中，当M1断开时，第一二极管D1与电阻R1形成续流电路，用于释放第一磁环MR1中存储的能量，防止M1被击穿。
本实施例的燃料电池系统控制方法中，在S102中，开关控制模块121将Q个M1同时断开，或者，开关控制模块121将Q个M1分先后顺序断开，能够取得近似的效果(前者较佳)。
关于包含P个开关单元123的开关模块的操作，此处不再赘述。
实施例5
本实施例的燃料电池系统与实施例4的燃料电池系统基本相同，区别在于，本实施例的燃料电池系统还包含与所述开关模块的数量相同的射极跟随器，所述开关控制模块分别通过一个射极跟随器与对应的一个开关模块中的开关的控制端连接。具体地，如图7所示，开关控制模块121通过射极跟随器126与M1的栅极连接，开关控制模块121通过射极跟随器与M2的栅极连接。由于多个MOSFET并联结构的门极(栅极)电容较大，采用射极跟随器126，可以有效保证M1、M2导通和断开的速度，减小M1、M2导通和断开造成的损耗。图7所示仅为一较佳示例，除了图7所示的NPN/PNP对管组成的射极跟随器126，射极跟随器还有其他多种结构。
多个IGBT并联结构也存在门极(栅极)电容较大的问题，因此，本实施例中的射极跟随器同样适用于实施例1、实施例2和实施例3的燃料电池系统。
实施例6
本实施例的燃料电池系统与实施例4的燃料电池系统的区别在于，本实施例的燃料电池系统还包含与开关模块的数量相同的隔离放大器，所述开关控制模块分别通过一个隔离放大器与对应的一个开关模块中的开关的控制端连接。具体地，如图7所示，开关控制模块121通过隔离放大器127与M1的栅极连接；开关控制模块121通过隔离放大器与M2的栅极连接。
同样地，本实施例中的隔离放大器也适用于实施例1、实施例2和实施例3的燃料电池系统。具体不再赘述。
实施例7
本实施例的燃料电池系统与实施例4的燃料电池系统的区别在于，本实施例的燃料电池系统同时包含与开关模块的数量相同的隔离放大器、与所述开关模块的数量相同的射极跟随器，开关控制模块分别依次通过一个隔离放大器、一个射极跟随器与对应的一个开关模块中的开关的控制端连接。具体地，如图7所示，开关控制模块121依次通过隔离放大器127、射极跟随器126与M1的栅极连接；开关控制模块121依次通过隔离放大器、射极跟随器与M2的栅极连接。
同样地，本实施例中的隔离放大器、射极跟随器也适用于实施例1、实施例2和实施例3的燃料电池系统。具体不再赘述。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包含燃料电池、开关控制模块和至少2个开关模块；
所述至少2个开关模块均包含开关单元，所述开关单元包含开关，所述开关包含控制端、电流输入端、电流输出端；
所述至少2个开关模块中，至少一个开关模块中，所述开关单元还包含分压结构，所述分压结构串联于所述电流输入端与所述燃料电池的正极之间，或，所述分压结构串联于所述电流输出端与所述燃料电池的负极之间；
所述至少2个开关模块中，其余的开关模块中，所述电流输入端与所述燃料电池的正极连接，所述电流输出端与所述燃料电池的负极连接；
所述开关控制模块分别与所述至少2个开关模块中的开关的控制端连接，用于分别控制所述开关的导通或断开；
所述分压结构包含电阻；
所述至少2个开关模块中，不同的开关模块中的开关单元包含的所述电阻的电阻值不同。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述开关包含MOSFET，所述控制端为所述MOSFET的栅极，所述电流输入端为所述MOSFET的漏极，所述电流输出端为所述MOSFET的源极；
或，
所述开关包含IGBT，所述控制端为所述IGBT的栅极，所述电流输入端为所述IGBT的集电极，所述电流输出端为所述IGBT的发射极。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包含3个所述开关模块；所述3个所述开关模块中，2个所述开关模块的开关单元包含所述电阻。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述至少2个开关模块中，至少一个开关模块包含至少2个开关单元，所述至少2个开关单元并联。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述至少2个开关单元均包含磁环、二极管，所述磁环套于所述开关单元中一导线的外部，所述导线为所述电流输入端与所述燃料电池的正极之间的导线，或，所述导线为所述电流输出端与所述燃料电池的负极之间的导线；所述二极管与所述磁环并联。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包含与所述开关模块的数量相同的射极跟随器，所述开关控制模块分别通过一个所述射极跟随器与对应的一个开关模块中的开关的控制端连接；
或，所述燃料电池系统还包含与所述开关模块的数量相同的隔离放大器，所述开关控制模块分别通过一个所述隔离放大器与对应的一个开关模块中的开关的控制端连接；
或，所述燃料电池系统还包含与所述开关模块的数量相同的隔离放大器、与所述开关模块的数量相同的射极跟随器，所述开关控制模块分别通过一个所述隔离放大器和一个所述射极跟随器与对应的一个开关模块中的开关的控制端连接。
7.一种燃料电池系统控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统控制方法采用如权利要求1-6中任意一项所述的燃料电池系统实现，包含以下步骤：
S1、所述开关控制模块依次将所述至少2个开关模块的开关导通；
S2、等待第一预设时间，所述开关控制模块将所述至少2个开关模块的开关断开；
所述分压结构包含电阻，不同的所述开关模块中开关单元包含的所述电阻的电阻值不同；
S1包含：所述开关控制模块按照所述电阻的电阻值由大到小的顺序依次将与所述电阻串联的开关导通。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统控制方法，其特征在于，S1中，所述开关控制模块按照预设时间间隔依次将所述至少2个开关模块的开关导通。
9.如权利要求7所述的燃料电池系统控制方法，其特征在于，在所述燃料电池系统控制方法中，用步骤S3替换步骤S2：
S3、等待第二预设时间，所述开关控制模块依次将所述至少2个开关模块的开关断开。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统控制方法，其特征在于，所述分压结构包含电阻，不同的所述开关模块中开关单元包含的所述电阻的电阻值不同；
S3包含：等待第二预设时间，所述开关控制模块按照所述电阻的电阻值由大到小的顺序依次将与所述电阻串联的开关断开。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1809942A (zh) * 2003-05-06 2006-07-26 百拉得动力系统公司 提高燃料电池电力系统性能的方法和装置
CN107004875A (zh) * 2014-12-08 2017-08-01 智能能源有限公司 燃料电池组件和相关操作方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100361340C (zh) * 2003-07-18 2008-01-09 上海神力科技有限公司 一种集成式燃料电池堆的控制连接方法
CN101651214A (zh) * 2008-08-15 2010-02-17 上海清能燃料电池技术有限公司 燃料电池系统与操作方法
CN101958422A (zh) * 2009-07-21 2011-01-26 上海攀业氢能源科技有限公司 一种提高燃料电池运行耐久性的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1809942A (zh) * 2003-05-06 2006-07-26 百拉得动力系统公司 提高燃料电池电力系统性能的方法和装置
CN107004875A (zh) * 2014-12-08 2017-08-01 智能能源有限公司 燃料电池组件和相关操作方法

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