CN111261902A - 一种便携式燃料电池系统其控制方法 - Google Patents

一种便携式燃料电池系统其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种便携式燃料电池系统，包括燃料电池电堆、辅助部件和系统控制单元和一储能部件；本发明通过储能部件启动系统，燃料电池电堆产生的电能通过充电电路储存到储能部件中。系统具有充电模式，供电模式两种工作模式。由充电电路限制电堆的最大输出功率，由储能部件快速响应负载的功率变化。储能部件通过连接器与其他部件连接，可以与其他部件集成在一起，也可以单独放置。本发明系统结构简单，电堆寿命长，非常适用于由电池供电的便携式负载。

Description

一种便携式燃料电池系统其控制方法
技术领域
本发明涉及一种便携式燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的一种电化学装置。它具有高效、环境友好、安静以及可靠性高等优点。但是，与其他种类的电池相比，燃料电池存在一个无法克服的缺点，即燃料电池的输出电压随输出电流的增大迅速降低。燃料电池在实际应用过程中通常与锂电池、铅酸电池等二次电池组成复合电源系统。复合电源系统可以发挥燃料电池、二次电池各自的优点，弥补自身的不足，可以更好地为负载提供电能。对于一些不连续工作的负载，或者是额定工作状态与待机状态功率相差较大的负载，在负载功率为0或者很小时，如果由燃料电池持续为负载提供电能，由于燃料电池的辅助部件也消耗电能，那么燃料能量利用效率就会比较低。在野外环境中，燃料十分有限的情况下，高效率地使用燃料则显得尤为重要。
[中国专利201410784296.0]介绍了一种燃料电池组合电源系统及其控制方法，系统内有第一、第二两个储能部件，第一储能部件用于启动燃料电池系统，第二储能部件用于为负载供电或者用于存储燃料电池的电能。条件满足时，燃料电池通过一个充电电路为第一储能部件充电，通过另一个恒功率充电电路为第二储能部件充电。两个储能部件，两个独立的充电电路，结构上相对复杂一些。第二储能部件与恒功率充电电路直接连接，日常维护不是很方便。
本发明涉及一种便携式燃料电池系统及其控制方法，通过储能部件启动系统，燃料电池电堆产生的电能通过充电电路储存到储能部件中。系统具有充电模式，供电模式两种工作模式。由充电电路限制电堆的最大输出功率，由储能部件快速响应负载的功率变化。储能部件通过连接器与其他部件连接，可以与其他部件集成在一起，也可以单独放置。本发明系统结构简单，电堆寿命长，非常适用于由电池供电的便携式负载。
发明内容
针对高效率使用燃料，提高燃料电池系统供电品质的问题，以及现有技术的不足，本发明采用以下技术方案来实现。
一种便携式燃料电池系统，包括燃料电池电堆、辅助部件和系统控制单元；
所述系统控制单元，包括控制器、第一电压传感器、第一电流传感器、充电电路、电压变换电路、第二电压传感器以及电连接器；
燃料电池电堆的正极经过第一电压传感器和第一电流传感器后和可控开关的一端连接，可控开关的另一端和充电电路的输入端正极连接；充电电路的输出端正极与电压变换电路的输入端正极连接；电压变换电路的输入端正极经过第二电压传感器、第二电流传感器、电连接器后与一储能部件的正极连接；电压变换电路的输出端正极与控制器的输入端正极以及辅助部件的正极连接；燃料电池电堆的负极、充电电路的负极、电压变换电路的负极、控制器的负极、辅助部件205的负极、以及所述储能部件203的负极一并电连接；所述第一电压传感器、第一电流传感器、可控开关、第二电压传感器、第二电流传感器、充电电路、辅助部件都与控制器信号连接；
所述储能部件或集成于燃料电池系统内，或作为独立部件设置于燃料电池系统外部。
所述储能部件独立设置于燃料电池系统外部时，燃料电池系统具有与储能部件连接的端口。
所述储能部件为锂电池或者铅酸电池。
充电电路的输出端正极经过一二极管或者一理想二极管后与电压变换电路的输入端正极连接。
所述储能部件用于启动燃料电池系统或存储燃料电池电堆所发出的电能；所述辅助部件包括燃料电池系统启动所需的控制燃料和氧化剂进料的泵、阀，循环燃料所需的循环泵，以及调节燃料电池系统冷凝器效率的风扇。
所述储能部件可以为负载提供电能。
于燃料电池电堆上设置有温度传感器，用于检测电堆的温度。
所述便携式燃料电池系统的控制方法，所述充电电路限制电堆的最大输出功率，由储能部件快速响应负载的功率变化。
所述控制方法，包括一充电模式控制方法和一供电模式控制方法；
所述充电模式控制方法：
(1)启动空气泵、燃料循环泵；
(2)控制器检测电堆的温度信号Tstack，当Tstack＜Ts时，控制器持续进行电堆温度信号的检测；当Tstack≥Ts时，充电电路开始工作，电堆通过充电电路为储能部件充电或者为负载供电；
(3)控制器检测储能部件的电压信号Vb，当Vb≥VS1时，再检测充电电流信号Ich；当Vb＜VS1时，控制器持续进行储能部件电压信号的检测；
(4)当Ich≤IS1时，充电电路停止工作；当Ich＞IS1时，控制器持续进行充电电流信号的检测；
(5)关闭空气泵、燃料循环泵，电堆进入休眠状态；
(6)控制器检测储能部件的电压信号Vb，当Vb≤VS2时，开始一个新的循环；当Vb＞VS2时，控制器持续进行储能部件电压信号的检测，充电电路持续为储能部件充电；
所述供电模式控制方法：
(1)启动空气泵、燃料循环泵等辅助部件；
(2)控制器检测电堆的温度信号Tstack，当Tstack＜Ts时，控制器持续进行电堆温度信号的检测；当Tstack≥Ts时，充电电路开始工作，电堆通过充电电路为储能部件充电或者为负载供电；
(3)控制器检测停机指令是否有效，如果停机指令有效则进入停机状态；如果没有停机指令则持续进行停机指令的检测；
(4)系统停机；
其中TS为电堆温度的设定值，VS1、VS2为储能部件电压的设定值，IS1为储能部件电流的设定值。
10℃≤TS≤60℃；4V≤VS1≤29V；3.6V≤VS2≤24V；0.1A≤IS1≤2A。
本发明的一种便携式燃料电池系统，通过储能部件启动系统，燃料电池电堆产生的电能通过充电电路储存到储能部件中。与现有技术相比，避免了现有技术中系统供电模式单一、电堆放电性能容易衰减的缺陷，解决了为不连续工作的负载供电，或者为额定功率与待机功率差别很大且具有较长待机时间的负载供电时燃料利用效率不高的问题，具备了既能高效利用燃料又能减缓电堆放电性能衰减的优势。系统具有充电模式、供电模式两种工作模式。由充电电路限制电堆的最大输出功率，由储能部件快速响应负载的功率变化。储能部件通过连接器与其他部件连接，可以与其他部件集成在一起，也可以单独放置。本发明系统结构简单，电堆寿命长，可以根据负载的功率特性选择充电模式或是供电模式，燃料利用效率高，非常适用于由电池供电的便携式负载。
附图说明
图1为本发明提供的一种便携式燃料电池复合电源系统的流程示意图。
图2为本发明提供的一种便携式燃料电池复合电源系统的电连接示意图。
图3为本发明提供的一种便携式燃料电池复合电源系统的程序流程图。
图4为本发明提供的一种便携式燃料电池复合电源系统驱动笔记本电脑时电堆电压Vs和锂电池Vb电压随时间变化曲线。
具体实施方式
本发明提出了一种用于以液体燃料进料的燃料电池系统的燃料进料浓度控制方法，以下结合附图和实施例对本发明作详细描述，但是本发明不仅限于以下实施例。
图1为本发明提供的一种便携式燃料电池复合电源系统的流程示意图。
其中，101是燃料电池电堆，燃料从电堆阳极进入，发生电化学氧化反应生成二氧化碳、质子和电子，质子透过质子交换膜传递到阴极，在阴极反应区与氧气发生电化学还原反应生成水。102是温度传感器，实时检测电堆的温度。103是风扇，它的启动和停止可以用来调节冷凝器的冷凝效率。104是冷凝器，用来冷凝阴极出口的水蒸气。105是水分离器，用来将冷凝下来的水从阴极出口尾气中的分离出来。106是燃料循环泵，用来供给电堆燃料。107是控制器，采集各传感器的信号，控制各部件的工作状态。108是燃料混合器，用来收集阴极返回的水同时稀释添加进来的高浓度燃料或者纯燃料。109是燃料补充机构(可为燃料泵或电磁阀。)，根据控制器输出的燃料补充信号向燃料混合器补充高浓度燃料或者纯燃料。110是二氧化碳分离器，用来分离阳极出口的二氧化碳气体。111是空气泵，给电堆阴极输送空气。112是空气过滤器，对进入空气泵的气体进行过滤。113是第一电压传感器，实时检测电堆的电压。114是第一电流传感器，实时检测电堆的电流。115是燃料罐，存储高浓度燃料或纯燃料。116是燃料过滤器，里面装有阳离子交换树脂，吸附燃料中的金属离子。
图2为本发明提供的一种便携式燃料电池复合电源系统的电连接示意图。
101是燃料电池电堆，产生电能。113是第一电压传感器，实时检测电堆的电压。114是第一电流传感器，实时检测电堆的电流。201是充电电路，受控制器控制，为储能部件补充电能。202是可控开关(继电器、MOSFET)，受控制器控制，接通时电堆放电，断开时电堆不放电。203是储能部件(锂电池、铅酸电池或超级电容器)，用来为负载供电或者存储电堆的电能，系统启动时为辅助部件提供电能。204是电压变换电路(DC/DC模块)，将电堆和储能部件的电压转换成燃料循环泵、空气泵等辅助部件的额定工作电压，同时为控制器提供额定工作电压。205是辅助部件，包括燃料循环泵、空气泵、燃料补充机构等部件。206是第二电压传感器，实时检测储能部件的电压。207是第二电流传感器，实时检测储能部件的充电电流以及由储能部件供给辅助部件的电流。208是电连接器，用来连接充电电路与储能部件。
电堆101的正极经过第一电压传感器113和第一电流传感器114后和可控开关202的一端连接，可控开关的另一端和充电电路201的输入端正极连接。充电电路201的输出端正极经过二极管或者理想二极管后与电压变换电路204的输入端正极连接。电压变换电路204的输入端正极经过第二电压传感器206、第二电流传感器207、电连接器208后与储存部件203的正极连接。电压变换电路204的输出端正极与控制器107的输入端正极以及辅助部件205的正极连接。电堆101的负极、充电电路201的负极、电压变换电路204的负极、控制器107的负极、辅助部件205的负极、储能部件203的负极都连接在一起。第一电压传感器113、第一电流传感器114、可控开关202、第二电压传感器206、第二电流传感器207、充电电路201、辅助部件205都与控制器107信号连接。
图3为本发明提供的一种便携式燃料电池复合电源系统的程序流程图。控制器上电后有充电模式、供电模式供用户选择。充电模式在充电完成后燃料电池电堆进入休眠状态，不对外放电；储能部件需要充电时自动启动辅助部件，燃料电池电堆再次为储能部件充电，如此循环。供电模式则燃料电池电堆不会进入休眠状态。
充电模式启动后：
1.启动空气泵、燃料循环泵等辅助部件；
2.控制器检测电堆的温度信号Tstack，当Tstack＜TS时，控制器持续进行电堆温度信号的检测；当Tstack≥TS时，充电电路开始工作，电堆通过充电电路为储能部件充电或者为负载供电；
3.控制器检测储能部件的电压信号Vb，当Vb≥VS1时，再检测充电电流信号Ich；当Vb＜VS1时，控制器持续进行储能部件电压信号的检测；
4.当Ich≤IS1时，充电电路停止工作；当Ich＞VS1时，控制器持续进行充电电流信号的检测；
5.关闭空气泵、燃料循环泵等辅助部件，电堆进入休眠状态；
6.控制器检测储能部件的电压信号Vb，当Vb≤VS2时，开始一个新的循环；当Vb＞VS2时，控制器持续进行储能部件电压信号的检测，充电电路持续为储能部件充电。
供电模式启动后：
1.启动空气泵、燃料循环泵等辅助部件；
2.控制器检测电堆的温度信号Tstack，当Tstack＜TS时，控制器持续进行电堆温度信号的检测；当Tstack≥TS时，充电电路开始工作，电堆通过充电电路为储能部件充电或者为负载供电；
3.控制器检测停机指令是否有效，如果停机指令有效则进入停机状态；如果没有停机指令则持续进行停机指令的检测；
4.系统停机。
图4为本发明提供的一种便携式燃料电池复合电源系统驱动笔记本电脑时电堆电压Vs和锂电池Vb电压随时间变化曲线。
系统的额定输出功率为35W，启动后选择供电模式。电堆由30片单池组成，典型工况下的电压约为15V。储能部件是3S3P结构的锂电池组。TS设为40℃，VS1设为12V，IS1设为0.1A，VS1设为9V。从曲线中可以看出，锂电池组的电压始终保持在11.6V左右。

Claims (10)

1.一种便携式燃料电池系统，包括燃料电池电堆、辅助部件和系统控制单元；其特征在于：
所述系统控制单元，包括控制器、第一电压传感器、第一电流传感器、充电电路、电压变换电路、第二电压传感器以及电连接器；
燃料电池电堆(101)的正极经过第一电压传感器(113)和第一电流传感器(114)后和可控开关(202)的一端连接，可控开关的另一端和充电电路(201)的输入端正极连接；充电电路(201)的输出端正极与电压变换电路(204)的输入端正极连接；电压变换电路(204)的输入端正极经过第二电压传感器(206)、第二电流传感器(207)、电连接器(208)后与一储能部件(203)的正极连接；电压变换电路(204)的输出端正极与控制器(107)的输入端正极以及辅助部件(205)的正极连接；燃料电池电堆(101)的负极、充电电路(201)的负极、电压变换电路(204)的负极、控制器(107)的负极、辅助部件(205)的负极、以及所述储能部件(203)的负极一并电连接；所述第一电压传感器(113)、第一电流传感器(114)、可控开关(202)、第二电压传感器(206)、第二电流传感器(207)、充电电路(201)、辅助部件(205)都与控制器(107)信号连接；
所述储能部件或集成于燃料电池系统内，或作为独立部件设置于燃料电池系统外部。
2.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于：所述储能部件独立设置于燃料电池系统外部时，燃料电池系统具有与储能部件连接的端口。
3.如权利要求1或2所述燃料电池系统，其特征在于：所述储能部件为可充电锂电池和/或者铅酸电池。
4.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于：充电电路(201)的输出端正极经过一二极管或者一理想二极管后与电压变换电路(204)的输入端正极连接。
5.如权利要求1或3所述燃料电池系统，其特征在于：所述储能部件用于启动燃料电池系统或存储燃料电池电堆所发出的电能；所述辅助部件包括燃料电池系统运行所需的控制燃料和氧化剂进料的泵、阀，循环燃料所需的循环泵，以及调节燃料电池系统冷凝器效率的风扇中的一种或二种以上。
6.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于：所述储能部件可以为负载提供电能。
7.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于：于燃料电池电堆上设置有温度传感器(102)，用于检测电堆的温度。
8.一种权利要求1-7任一所述便携式燃料电池系统的控制方法，其特征在于：所述充电电路限制电堆的最大输出功率，由储能部件快速响应负载的功率变化。
9.按照权利要求8所述控制方法，其特征在于：
包括一充电模式控制方法和一供电模式控制方法；
所述充电模式控制方法：
(1)启动空气泵、燃料循环泵；
(2)控制器检测电堆的温度信号Tstack，当Tstack＜TS时，控制器持续进行电堆温度信号的检测；当Tstack≥TS时，充电电路开始工作，电堆通过充电电路为储能部件充电或者为负载供电；
(3)控制器检测储能部件的电压信号Vb，当Vb≥VS1时，再检测充电电流信号Ich；当Vb＜VS1时，控制器持续进行储能部件电压信号的检测；
(4)当Ich≤IS1时，充电电路停止工作；当Ich＞IS1时，控制器持续进行充电电流信号的检测；
(5)关闭空气泵、燃料循环泵，电堆进入休眠状态；
(6)控制器检测储能部件的电压信号Vb，当Vb≤VS2时，开始一个新的循环；当Vb＞VS2时，控制器持续进行储能部件电压信号的检测，充电电路持续为储能部件充电；
所述供电模式控制方法：
(1)启动空气泵、燃料循环泵等辅助部件；
(2)控制器检测电堆的温度信号Tstack，当Tstack＜TS时，控制器持续进行电堆温度信号的检测；当Tstack≥TS时，充电电路开始工作，电堆通过充电电路为储能部件充电或者为负载供电；
(3)控制器检测停机指令是否有效，如果停机指令有效则进入停机状态；如果没有停机指令则持续进行停机指令的检测；
(4)系统停机；
其中TS为电堆温度的设定值，VS1、VS2为储能部件电压的设定值，IS1为储能部件电流的设定值。
10.按照权利要求9所述控制方法，其特征在于：10℃≤TS≤60℃；4V≤VS1≤29V；3.6V≤VS2≤24V；0.1A≤IS1≤2A。
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