CN110884367A - 一种车用变结构燃料电池电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车用变结构燃料电池电源系统。包括若干燃料电池模组，分为最小可操纵单元模组和内部可再操纵燃料电池模组两类；其中，最小可操作单元模组由若干内部串并联结构固定的燃料电池单体组成，实现大梯度功率调节；内部可再操纵燃料电池模组由若干燃料电池单体经开关连接而成，实现小梯度功率调节。燃料电池电源经直流/交流逆变器向车用交流负载独立供电，以满足汽车的行驶需求。本发明燃料电池系统结合燃料电池模组的最佳效率点，通过功率匹配计算，切换燃料电池模组连接结构，实现燃料电池电源最小可操纵单元模组和内部可再操纵燃料电池模组均在最佳效率点附近进行供电，有效减少系统的复杂程度，并满足汽车行驶的功率需求。

Description

一种车用变结构燃料电池电源系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池电源系统，具体为一种车用变结构燃料电池电源系统。
背景技术
与传统的能源(如：汽油、柴油等)相比，氢能具有大量的优越性能：首先，氢能的利用一般通过化学反应使氢气与氧气反应生成水释放能量，该过程能够实现零排放，且发电过程中没有含碳化合物的产生，可实现良性循环；其次，氢燃料具有较高的热值，每1kg氢可释放能量达142600kJ的热量，远高于汽油的热值42500kJ/kg和柴油的热值43000kJ/kg；同时，氢燃料在能量转化过程中可直接通过燃料电池将化学能转化为电能，理论转化效率可达83％，能量转化利用率高。
得益于氢燃料的优势，燃料电池汽车的研发也获得了越来越多的关注。燃料电池汽车与蓄电池汽车相比，燃料电池汽车具有续驶里程长，燃料添加迅速、比功率大、启动温度低等优点可以有效回避蓄电池汽车的续驶里程短、充电慢等问题。并且燃料电池汽车与内燃机汽车相比具有清洁无污染等优势，因此燃料电池汽车在近些年得到越来越多的政府、企业、投资者和科研人员的青睐。
燃料电池在发电的过程中，转化效率与输出功率之间存在一定函数曲线对应关系，为提高燃料电池的效率，有相关科研人员和企业已经开始研究基于算法优化的燃料电池+辅助电源的混合动力系统，例如，借助动态规划、等效氢气消耗最少等算法，使燃料电池在高效区间运行。
然而，在借助辅助电源对燃料电池进行合理优化设计的过程中，辅助电源的存在无疑增加了发电系统的体积和质量，且在协调燃料电池与辅助电源联合供电的过程中，增加了辅助功率变换器及其他控制算法，直接增加了系统的负荷。如果能够提供一种无需辅助电源就能实现燃料在最大功率点工作，那么无疑会增加燃料电池的能量转换效率和整车的空间利用效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车用变结构燃料电池电源系统，该变结构燃料电池电源系统由若干燃料电池模组组成；所设计燃料电池模组包括最小可操纵单元模组和内部可再操作燃料电池模组两类；其中，最小可操作单元模组由若干内部串并联结构固定的燃料电池单体组成，可通过开关的通断控制最小可操作单元的并联数量，实现大梯度功率调节；内部可再操作燃料电池模组由若干燃料电池单体经开关连接而成的可实现小梯度功率调节的模组；本发明燃料电池系统根据混合动力汽车的行驶工况，改变燃料电池模组的连接方式，合理匹配燃料电池最小可操纵单元模组与内部可再操作燃料电池模组数量，实现燃料电池的独立高效供电。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种车用变结构燃料电池电源系统，包括若干燃料电池模组，该若干燃料电池模组分为最小可操纵单元模组和内部可再操纵燃料电池模组两类；其中，最小可操作单元模组由若干内部串并联结构固定的燃料电池单体组成，可实现大梯度功率调节；内部可再操纵燃料电池模组由若干燃料电池单体经可控开关连接而成，实现小梯度功率调节。
在本发明一实施例中，燃料电池模组经直流/交流逆变器向车用交流负载独立供电，以满足汽车的行驶需求。
在本发明一实施例中，所述燃料电池电源系统结合燃料电池模组及燃料电池单体的最佳效率点，通过功率匹配计算，设计最小可操纵单元模组及内部可再操纵燃料电池模组分别所需数量，并切换燃料电池模组间开关，改变燃料电池模组连接结构，实现燃料电池电源最小可操纵单元模组和内部可再操纵燃料电池模组均在最佳效率点附近进行供电。
在本发明一实施例中，所述通过功率匹配计算，改变燃料电池模组的连接结构是指通过实验和计算获取燃料电池的功率-效率曲线，通过功率-效率曲线，确定最小可操纵单元模组和燃料电池单体的最大效率功率点，并以此最大效率功率点确定汽车运行时所需要匹配的最小可操纵单元模组数。
在本发明一实施例中，若确定汽车运行时所需要匹配的最小可操纵单元模组数为正整数，则无需启用内部可再操纵燃料电池模组，仅需要改变最小可操纵单元模组的并联数；若确定汽车运行时所需要匹配的最小可操纵单元模组数为小数，此时，需要通过取整函数确定最小可操纵单元模组的并联数，同时切换内部可再操纵燃料电池模组的开关状态，使其功率能够弥补处于最高效率时的最小可操纵单元模组无法满足的部分功率需求的情况，且使内部可再操纵燃料电池模组的端电压与最小可操纵单元模组处于最高效率时的电压趋于一致。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、摒弃传统通过经直流/直流变换器将燃料电池与母线相连，简化了电源结构，减少了直流/直流变换器的功率损失，避免了辅助电源的空间占用率，提高了利用效率；
2、完全采取燃料电池模组结构可变的新型结构，结合燃料电池的放电效率曲线，通过改变燃料电池电源自身的结构，达到最佳效率工作点，实现整体功率最小化，有利于提高能源效率的利用率，提升供能电源的经济性。
附图说明
图1为本发明一种变结构燃料电池电源系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种车用变结构燃料电池电源系统，包括若干燃料电池模组，该若干燃料电池模组分为最小可操纵单元模组和内部可再操纵燃料电池模组两类；其中，最小可操作单元模组由若干内部串并联结构固定的燃料电池单体组成，实现大梯度功率调节；内部可再操纵燃料电池模组由若干燃料电池单体经开关连接而成，实现小梯度功率调节。燃料电池模组经直流/交流逆变器向车用交流负载独立供电，以满足汽车的行驶需求。
以下为本发明一具体实例。
本发明一种车用变结构燃料电池电源系统结构如图1所示，其中，燃料电池模组1为内部可再操纵模组，内部具有串并联状态可操作的燃料电池单体；燃料电池模组2、3、4、5……n等其他燃料电池模组均为内部连接结构固定的最小可操纵单元模组。变结构燃料电池电源系统具体设计流程如下：
(a)通过实验测量燃料电池单体与最小可操纵单元模组分别在各个特定工作点的电流、电压和氢气消耗流量，根据公式(1)计算燃料电池单体与最小可操纵单元模组的功率，再根据公式(2)计算氢气转化效率η。
Figure BDA0002292509170000031
Figure BDA0002292509170000032
其中：P1，P2分别为燃料电池单体与最小可操纵单元模组的功率；U1，U2分别为燃料电池单体与最小可操纵单元模组的电压；I1，I2分别为流过燃料电池单体与最小可操纵单元模组的电流；MH2为氢气的摩尔质量(g/mol)；Q1(H2)，Q2(H2)分别为燃料电池单体与最小可操纵单元模组的实际氢气消耗流量(g/s)；ΔH为燃料电池中氢气反应的焓变(kJ/mol)；η1，η2分别为燃料电池单体与最小可操纵单元模组的氢气转化效率。
(b)通过(1)中计算的最小可操纵单元模组与燃料电池单体的效率和对应的电流值，获取最小可操纵单元模组的电流-效率多项式拟合函数与燃料电池单体的电流-效率多项式拟合函数：
Figure BDA0002292509170000033
其中：a1，b1，c1，d1…为最小可操纵单元模组电流--效率多项式的拟合系数；a2，b2，c2，d2…为燃料电池单体电流--效率多项式的拟合系数；
(c)根据公式(1)(3)获取燃料电池最小可操纵单元模组的效率与功率之间的拟合函数关系F，如等式(4)，最高效率工作点Pm的计算如等式(5)所示。
Figure BDA0002292509170000041
Figure BDA0002292509170000042
其中：max(η)为取η2的最大值函数，Pm为最高效率点最小可操纵单元模组功率。PS,optimal为最高效率点燃料电池单体功率燃料电池单体。
(d)根据(c)中最佳功率点计算出在该需求功率工况下，所需燃料电池最小可操纵单元模组的个数nm，如式(6)所示，根据附图1，闭合开关W2、W3、…W(k)，(k＝nm+1)，并保证每个工作的最小可操纵单元模组都在高效效率功率点Pm处运行。
Figure BDA0002292509170000043
其中：prequire为汽车行驶的需求功率。
(e)当式(6)中的nm为小数时，利用取整函数如式(7)计算所需燃料电池模组数n,根据附图1,此时打开控制开关W1,W2,W3…，W(k)(k＝nm+1)，同时切换燃料电池内部可再操纵模组1内部燃料电池模组单体的开关，根据公式(9)(10)(11)计算燃料电池内部可再操纵模组1内的燃料电池单体串联个数Ls与并联个数LP，闭合L1,L2,L3,L4……L(LP)，使燃料电池内部可再操纵模组1的功率为P1，燃料电池内部可再操纵模组1的端电压与其他燃料电池模组处于最高效率点的电压Um趋于一致，从而实现燃料电池模组的个数为nm的每个子系统的功率为Pm,，此时燃料电池内部可再操纵模组1的输出功率P1的作用为补偿不足功率。
Figure BDA0002292509170000044
p1＝prequire-nm·pm (8)
Figure BDA0002292509170000045
Figure BDA0002292509170000051
Figure BDA0002292509170000052
其中：[]为取整函数，nm为燃料电池最小可操作单元个数，L为燃料电池模组1内的所需启用的燃料电池单体个数，PS,optimal为燃料电池模组1内的Ls个燃料电池单体的最大效率点功率，US,optimal为燃料电池模组1内的燃料电池单体的最大效率点电压，Ls为支路串联的燃料电池单体数，LP为并联的燃料电池支路数。
因为同一燃料电池最小可操作单元的最大效率点电压Um和燃料电池单体最大效率点电压US,optimal为定值，故燃料电池单体的串联数Ls为定值，当需要切换内部可再操纵单元的连接结构时，只需确定开关L1,L2,L3,……L(n)中闭合个数。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种车用变结构燃料电池电源系统，其特征在于，所述电源系统包括若干燃料电池模组，该若干燃料电池模组分为最小可操纵单元模组和内部可再操纵燃料电池模组两类；其中，最小可操作单元模组由若干内部串并联结构固定的燃料电池单体组成，可实现大梯度功率调节；内部可再操纵燃料电池模组由若干燃料电池单体经可控开关连接而成，实现小梯度功率调节。
2.根据权利要求1所述一种车用变结构燃料电池电源系统，其特征在于，燃料电池模组经直流/交流逆变器向车用交流负载独立供电，以满足汽车的行驶需求。
3.根据权利要求1所述一种车用变结构燃料电池电源系统，其特征在于，所述变结构燃料电池电源系统结合燃料电池模组的最佳效率点，通过功率匹配计算，设计最小可操纵单元模组及内部可再操纵燃料电池模组分别所需数量，并切换燃料电池模组间开关，改变燃料电池模组连接结构，实现燃料电池电源最小可操纵单元模组和内部可再操纵燃料电池模组均在最佳效率点附近进行供电。
4.根据权利要求3所述一种车用变结构燃料电池电源系统，其特征在于，所述通过功率匹配计算，改变燃料电池模组的连接结构是指通过实验和计算获取燃料电池的功率-效率曲线，通过功率-效率曲线，确定最小可操纵单元模组和燃料电池单体的最大效率功率点，并据此确定汽车运行时所需要匹配的最小可操纵单元模组并联数及内部可再操作燃料电池模组的串并联数。
5.根据权利要求4所述一种车用变结构燃料电池电源系统，其特征在于，若确定汽车运行时所需要匹配的最小可操纵单元模组数为正整数，则无需启用内部可再操纵燃料电池模组，仅需要改变最小可操纵单元模组的并联数量；若确定汽车运行时所需要匹配的最小可操纵单元模组数为小数，此时，需要通过取整函数确定最小可操纵单元模组数，同时切换内部可再操纵燃料电池模组的开关状态，使其功率能够弥补处于最高效率时的最小可操纵单元模组无法满足的部分功率需求的情况，且使内部可再操纵燃料电池模组的端电压与最小可操纵单元模组处于最高效率时的电压趋于一致。
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