CN109873464A - 一种燃料电池电源管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池电源管理系统及方法，包括MCU连接若干组电源管理模块，每组电源管理模块包括DC‑DC、通道选择器，DC‑DC通过通道选择器连接燃料电池，补偿燃料电池的电流，MCU通过电压测量模块采集燃料电池单电池的电压值，并与预设阈值电压比较，如果存在燃料电池单电池的电压值低于预设阈值电压且存在未使用的DC‑DC，则控制该DC‑DC对应的通道选择器，将该DC‑DC连接在该单电池两端，为其补充电流，如果存在单电池电压值低于预设阈值电压且没有未使用的DC‑DC或其中任意DC‑DC超过其自身额定电流则报警。通过对性能较差的燃料电池单电池进行电流补偿，使其工作电压与其他串联的燃料电池保持一致，达到延长燃料电池寿命、减缓输出功率下降、能源利用率下降的目的。

Description

一种燃料电池电源管理系统及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地说是一种燃料电池电源管理系统及方法。

背景技术

燃料电池电堆由多个单电池串联和/或并联连接组成，以往的燃料电池管理方式较为简单，多采用电压测量模块、二极管、MOS管对燃料电池电压进行监控，对性能差出现反向电压的燃料电池进行抑制，或者通过控制芯片控制MOS管导通将燃料电池短路。

以上的电池管理方式对燃料电池的管理能力十分有限，随着燃料电池性能衰减此类燃料电池电源管理模块会导致燃料电池性能加速衰减，输出功率、能源利用率迅速下降。

以往通过关闭性能较弱的燃料电池管理方案，不仅燃料电池没法起到发电的功能，因为控制器件本身存在的内阻导致损失大量能量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种燃料电池电源管理系统及方法，通过对相对较弱的燃料电池单电池进行电流补偿，使其工作电压与其他串联的燃料电池保持一致，达到延长燃料电池寿命、维持燃料电池组一致性，进而达到减缓输出功率、能源利用率下降的目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种燃料电池电源管理系统，包括一MCU和N组电源管理模块，N为≥1的正整数；所述MCU连接N组电源管理模块；每组电源管理模块包括DC-DC、通道选择器，其中每组电源管理模块的DC-DC的输入端与3个以上串联连接的单电池同时并联连接，DC-DC的输出端通过通道选择器给所述3个以上单电池中电压最低的单电池进行电流补偿。

每个燃料电池单电池两端连接电压测量模块，用于测量单电池的电压。

在每个燃料电池单电池两端设置短路开关，用于通过闭合短路开关对失效的单电池进行短路。

所述通道选择器用于在MCU的控制下将需要补偿的燃料电池单电池对应的DC-DC输出端的正负极分别接在该燃料电池单电池两端。

所述MCU通过通讯模块连接控制芯片，将燃料电池单电池电压、DC-DC分配信息和电流信息发送到控制芯片。

一种燃料电池电源管理方法，包括以下步骤：

步骤1：采集燃料电池单电池的电压值，并与预设阈值电压比较，如果存在燃料电池单电池的电压值低于预设阈值电压，则继续判断是否存在未使用的DC-DC，并执行步骤2；否则，循环该步骤；

步骤2：如果存在未使用的DC-DC，则控制该DC-DC对应的通道选择器，将该DC-DC连接在该燃料电池单电池两端，为其补充电流；否则报警。

如果任一DC-DC存在输出电流大于预设电流值，则MCU的计时函数记录该DC-DC超出预设电流值的时间，并发出告警，否则不动作。

如果该燃料电池单电池对应的DC-DC存在输出电流大于额定电流，则关闭该DC-DC，并通过该燃料电池单电池对应的短路器短接该单电池，否则不动作。

如果该燃料电池单电池对应的DC-DC存在DC-DC计时函数记录的DC-DC超出预设电流值的时间大于设定时间，则关闭该DC-DC，并通过该燃料电池单电池对应的短路器短接该单电池。

通过电压检测模块检测已经被短路器短路的燃料电池单电池的电压是否为0，如果为0，则该短路器工作正常，否则该短路器失效。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过MCU对DC-DC输出的控制，实现对性能较差的燃料电池单电池进行电流补偿，提高其工作电压，进而使燃料电池组中的各个燃料电池单电池的电压基本保持一致，使燃料电池可以稳定运行；

2.本发明通过对性能较差的燃料电池的电流补偿，延长了燃料电池的寿命，防止燃料电池因为性能衰竭对整个燃料电池组造成负面影响，包括输出功率以及能源利用率的下降；

3.本发明使性能较差的燃料电池单电池能够继续以一定水平发电，同时仅需要损耗极少的能量就可以对性能较差的燃料电池单电池进行补偿；

4.本发明通过通讯模块可以实时了解燃料电池运行情况，可以对燃料电池管理策略进行动态调整；

5.本发明对于出现故障的燃料电池单电池可以永久将其关闭，且损失的能量极少。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的燃料电池管理模块结构图；

图3是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的系统结构图。

燃料电池管理模块的MCU(STM32F103ZET6)为主控芯片，控制模块内部的各个电子元件运行，其通过通讯模块(TTL转232)与燃料电池控制芯片进行通讯，发送模块内各个燃料电池的电压、DC-DC输出电流、DC-DC分配给哪个燃料电池等信息，接收燃料电池控制芯片发来的控制指令；MCU通过各个多通道电压测量模块检测各个燃料电池电压；MCU通过控制短路器的通断来关闭性能衰减很严重的燃料电池；MCU通过控制通道选择器来决定将DC-DC分配给哪一个燃料电池单电池；MCU通过控制DC-DC调节DC-DC为燃料电池单电池补偿电流的大小，并收集DC-DC输出电流大小信息以调节控制策略。

燃料电池组包括n节燃料电池单电池，所述电压管理模块包括控制核心MCU；通讯模块使MCU可以与外部负责控制整个燃料电池组运行的控制芯片进行通讯；与燃料电池单电池一一对应的n个电压测量模块及n个短路器；m个DC-DC及与DC-DC对应的m个通道选择器；n为大于等于3的自然数，m为大于等于1的自然数，且m≤n。

所述n个电压测量模块分别用于监测与其对应的n节燃料电池单电池的电压；n个短路器分别通过控制各自的通断达到隔离相对应的失效燃料电池单电池的目的；m个DC-DC用于补偿较差的燃料电池单电池的电流；m个通道选择器用于将DC-DC输出电流分配给需要补偿的燃料电池单电池。

如图2所示为本发明电源管理模块结构图。

燃料电池管理模块包括DC-DC，通道选择器。用于管理与之对应的n节燃料电池单电池(n≥3)，与燃料电池单电池对应的短路器、电压测量模块。其中电压测量模块为所述MCU提供燃料电池单电池电压信息，短路器受控于所述MCU用于将燃料电池单电池短路，DC-DC受控于MCU用于调节DC-DC输出电流，通道选择器一端与DC-DC输出端的正负极分别相连，另一端分别与n节燃料电池单电池相连，通道选择器受控于MCU用于分配DC-DC输出的电流至需要补偿的燃料电池单电池。

如图3所示是本发明的方法流程图。

包括以下步骤，

步骤1：通过n个电压检测模块检测燃料电池单电池电压，首先检查已经被短路的q节单电池电压是否为0，不为0则表示该单电池对应的短路器失效，记录并发出告警信息。

步骤2：MCU将采集的(n-q)节燃料电池单电池电压与预设阈值电压V₀比较，若k节燃料电池单电池的电压低于预设电压V₀，则将k个DC-DC通过k个通道选择器与此k节燃料电池单电池并联连接，k≤m且k≤n-q，为此k节燃料电池单电池补充电流；若燃料电池组中的(n-q)节燃料电池单电池电压均高于预设电压则k＝0且跳过此步骤；

步骤3：检测k个DC-DC输出电流的大小，若其中的p个DC-DC输出电流大于预设电流值I₀，p≤k，则通过所述MCU发送告警信息并使用MCU内部计时函数记录p个DC-DC超出预设电流I₀的时间；若k个DC-DC均工作在正常电流范围内则跳过此步骤；

步骤4：当p个DC-DC输出电流中的一个或多个大于DC-DC额定电流值Ir时，或一个或多个DC-DC计时函数的计数值大于设定值t₀时，则通过MCU关闭与该计时器对应的DC-DC并通过与该DC-DC并联的燃料电池单电池所对应的短路器短路该节燃料电池单电池；若p个DC-DC输出电流均小于DC-DC额定电流值I_r且各个计时器的值均小于设定值t₀，则跳过此步骤；

所述MCU通过通讯模块发送燃料电池单电池电压、DC-DC分配信息及电流信息至控制整个燃料电池组运行的控制芯片，并通过该控制芯片获取控制信息；若MCU通过通讯模块收到燃料电池停止工作指令则退出程序，否则循环重复上述步骤(1)-(4)。

例如燃料电池管理模块需要管理一个由24节单电池串联组成的电堆，首先燃料电池管理系统启动后先检查已经短路的第3号和第5号燃料电池单电池电压是否为零，为零表示短路器工作良好，不为零则表示该短路器失效，MCU记录失效信息并通过通讯模块发送错误信息，；然后MCU通过电压检测模块检测除3号和5号单电池的其他燃料电池单电池电压，逐个比较燃料电池单电池电压是否低于预设的阈值电压，发现第9号和第10号燃料电池单电池电压低于阈值电压，将未分配的第2号和第3号DC-DC分给电压低于预设电压的第9号和第10号燃料电池单电池，若燃料电池单电池电压均高于预设电压则跳过此步骤；检测已经开启的第1、2、3号DC-DC输出电流的大小，发现第1、2号DC-DC输出电流大于预设电流，发送告警信息并启动第1、2号DC-DC计时器，如果各个DC-DC均工作在正常电流范围内则跳过此步骤；第1号DC-DC输出电流大于DC-DC额定值，第2号DC-DC计时器计数值大于设定值，则关闭第1、2号DC-DC并短路第1、2号DC-DC对应的燃料电池单电池，若未大于DC-DC额定值且各个计时器的值均小于设定值则跳过此步骤；MCU通过通讯模块发送燃料电池单电池电压、DC-DC分配信息及电流等信息，获取控制信息；若收到燃料电池停止工作指令则退出程序，否则循环至检查已短路燃料电池短路是否良好环节。

Claims (10)

1.一种燃料电池电源管理系统，其特征在于：包括一MCU和N组电源管理模块，N为≥1的正整数；所述MCU连接N组电源管理模块；每组电源管理模块包括DC-DC、通道选择器，其中每组电源管理模块的DC-DC的输入端与3个以上串联连接的单电池同时并联连接，DC-DC的输出端通过通道选择器给所述3个以上单电池中电压最低的单电池进行电流补偿。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电源管理系统，其特征在于：所述单电池两端连接电压测量模块，用于测量单电池的电压。

3.根据权利要求2所述的燃料电池电源管理系统，其特征在于：在每个所述单电池两端设置短路开关，用于通过闭合短路开关对失效的单电池进行短路。

4.根据权利要求1所述的燃料电池电源管理系统，其特征在于：所述通道选择器用于在MCU的控制下将需要补偿的所述单电池对应的DC-DC输出端的正负极分别接在所述单电池两端。

5.根据权利要求1所述的燃料电池电源管理系统，其特征在于：所述MCU通过通讯模块连接控制芯片，将燃料电池单电池电压、DC-DC分配信息和电流信息发送到控制芯片。

6.根据权利要求1～5所述系统的燃料电池电源管理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采集燃料电池电堆中燃料电池单电池的电压值，并与预设阈值电压比较，如果存在燃料电池单电池的电压值低于预设阈值电压，则继续判断是否存在未使用的DC-DC，并执行步骤2；否则，循环该步骤；

步骤2：如果存在未使用的DC-DC，则控制该DC-DC对应的通道选择器，将该DC-DC连接在该燃料电池单电池两端，为其补充电流；否则报警。

7.根据权利要求6所述的燃料电池电源管理方法，其特征在于：如果任一DC-DC存在输出电流大于预设电流值，则MCU的计时函数记录该DC-DC超出预设电流值的时间，并发出告警，否则不动作。

8.根据权利要求6所述的燃料电池电源管理方法，其特征在于：如果该燃料电池单电池对应的DC-DC存在输出电流大于额定电流，则关闭该DC-DC，并通过该燃料电池单电池对应的短路器短接该单电池，否则不动作。

9.根据权利要求6所述的燃料电池电源管理方法，其特征在于：如果该燃料电池单电池对应的DC-DC存在DC-DC计时函数记录的DC-DC超出预设电流值的时间大于设定时间，则关闭该DC-DC，并通过该燃料电池单电池对应的短路器短接该单电池。

10.根据权利要求6所述的燃料电池电源管理方法，其特征在于：通过电压检测模块检测已经被短路器短路的燃料电池单电池的电压是否为0，如果为0，则该短路器工作正常，否则该短路器失效。