CN111446769A - 一种燃料电池备用电源控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池备用电源控制系统及方法，包括交流电源、燃料电池备用电源和直流负载，所述交流电源、燃料电池备用电源和直流负载三者间分别单独连接，所述燃料电池备用电源包括启动模块和燃料电池，所述启动模块和所述燃料电池之间设置有断路器，所述交流电源分别与启动模块、燃料电池单独连接。在燃料电池备用电源系统中加入容量启动电池模块，此模块容量小，电流大，成本低，可供短时主控板及负载用电；在启动模块与燃料电池主控板之间添加断路器，可以物理切断燃料电池与启动模块之间的供电关系，控制简单，逻辑简洁。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池备用电源控制系统及方法。
背景技术
通讯基站，铁塔等对电力可靠性要求极高的设备都配有多路电源供给，通常以交流市电供电为主，另需配备柴油机及电池组作为备用电源。当市电断电时，用户侧备用电源将启动向负载供电，以保证负载不停止工作。但是柴油机，锂电池或蓄电池都存在环境污染的问题。尤其是蓄电池，体积大，寿命短，维护费用周期过长，不能作为备用电源的最优选择。锂电池相比与蓄电池，性能上稍有优化，但是化学电池共有的问题还是存在的，虽已使用锂电池替换蓄电池，但是治标不治本。因此使用燃料电池作为备用电源成为新的发展趋势，燃料电池备用电源以其零污染，功率密度高、维护成本低，使用寿命长等优势，更适用作为备用电源。
现有技术中，如申请号为CN201610239231.7的中国专利公开了一种市电补给燃料电池备用电源装置，申请号为CN201010531969.3的中国专利公开了一种燃料电池备用电源控制系统及其控制方法。以上两个专利都针对燃料电池运行系统及控制做了着重分析， 启动需要依赖基站自带锂电池或蓄电池供电，但没有写明市电，锂电池及燃料电池的切换逻辑，也并无提供相应说明当燃料电池启动后锂电池工作状态。这就存在锂电池和燃料电池工作并无优先级，燃料电池非独立运行，完全依赖基站自带电池组，并且会与锂电池同时工作。这种设计会导致资源浪费，并且没有充分使用燃料电池，污染依然存在，工作效率无明显变化，造成资源浪费。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种燃料电池备用电源控制系统，通过加入小容量的启动模块，在启动模块与燃料电池主控板之间添加直流常闭断路器，可以物理切断燃料电池与启动模块之间的供电关系，可以不依赖基站自带的电池组，完全可以适用新建基站，同时燃料电池备用电源自适应性强，启动后实现自给自足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种燃料电池备用电源控制系统，包括交流电源、燃料电池备用电源和直流负载，所述交流电源、燃料电池备用电源和直流负载三者间分别单独连接，所述燃料电池备用电源包括启动模块和燃料电池，所述启动模块和所述燃料电池之间设置有断路器，所述交流电源分别与启动模块、燃料电池单独连接。在燃料电池备用电源系统中加入容量启动电池模块，此模块容量小，电流大，成本低，可供短时主控板及负载用电；在启动模块与燃料电池主控板之间添加断路器，可以物理切断燃料电池与启动模块之间的供电关系，控制简单，逻辑简洁。
进一步的，所述燃料电池包括主控板、燃料电池配件、电堆和功率变换器，所述主控板通过所述断路器与所述启动模块连接，所述主控板、燃料电池配件、电堆及功率变换器依次连接，所述功率变换器连接至直流负载。通过断路器控制主控板和启动模块之间的供电关系，突破了现有技术依赖主控板采集电压来实现电源切换的技术瓶颈，实现了简单有效的切换控制，通过闭合断路器控制启动模块放电启动主控板，进而燃料电池配件启动，电堆放电进而通过功率变换器输出相应的电压值为直流负载供电。
进一步的，所述交流电源和所述主控板之间连接且设置有交流继电器。通过设置交流继电器可以保证主控板和交流电源之间的连接，同时方便主控板采集交流继电器信息量判断交流电源的供电情况。
进一步的，所述启动模块包括电源适配器和锂电池，所述锂电池通过所述电源适配器连接至所述交流电源，所述锂电池通过断路器连接至燃料电池。通过电源适配器可以保证了交流电源给锂电池充电时的安全性，锂电池可以为主控板提供足够的电量使其启动。
进一步的，所述交流电源和所述直流负载之间还设置有AC/DC转换器。通过AC/DC转换器將交流电源的交流电转换成直流负载可以使用的直流电。
进一步的，所述锂电池具体为48V容量为3Ah磷酸铁锂电池。采用48V容量为3Ah磷酸铁锂电池可以有效节约成本，同时可以保证足够供电启动主控板，配合断路器使用为最优的节约成本方案。
一种燃料电池备用电源控制方法，使用如以上任一项所述的燃料电池备用电源控制系统，具体步骤如下：通过检测交流母线的电压判断当前供电情况为有电状态或无电状态,依据供电情况选择不同的供电方式,当系统处于无电状态,进而检测直流母线的电压判断是否存在除燃料电池备用电源以外的备用电源,若判断无其他备用电源,启动模块与燃料电池之间的断路器闭合,燃料电池启动并为直流负载供电。
进一步的，所述依据供电情况选择不同的供电方式具体为：当系统处于有电状态，控制交流电源为直流负载供电，启动模块通过交流电源进行充电。当检测到有电时表明当前系统一切正常，维持正常的交流电源供电即可，同时通过为启动模块充电用于后续备用电源启动供电。
进一步的，所述检测直流母线的电压判断是否存在除燃料电池备用电源以外的备用电源具体为：检测直流母线电压获得电压值，当电压值迅速降为零，则判断无其他备用电源；当电压值大于设定值，则判断存在其他备用电源。
进一步的，所述检测交流母线的电压判断当前供电情况为有电状态或无电状态具体为：通过燃料电池的主控板采集交流继电器信号量，若采集到高电平信号则判断为有电状态；若采集到低电平信号则判断为无电状态。
本发明提供的一种燃料电池备用电源控制系统及方法的有益效果在于：在燃料电池备用电源系统中添加小容量锂电池作为启动模块，燃料电池备用电源可以自己独立运行，不依赖于基站原有备有电源，为两个独立系统；另外，在燃料电池主控板与锂电池启动模块之间添加断路器，可以保证锂电池利用率得到明显降低，维护周期及成本大幅度降低，燃料电池得到充分利用，提高功率密度，降低环境污染。
附图说明
图1为本发明的控制系统示意图；
图2为本发明的控制方法流程示意图。
图中：1、燃料电池；2、启动模块；3、直流常闭断路器；4、交流继电器；5、AC/DC转换器；6、直流负载；7、交流电源；101、主控板；102、燃料电池配件；103、电堆；104、DC/DC功率变换器；201、电源适配器；202、锂电池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
实施例1：一种燃料电池备用电源控制系统。
如图1所示，一种燃料电池备用电源控制系统，包括交流电源7、燃料电池备用电源和直流负载6，所述交流电源7、燃料电池备用电源和直流负载6三者间分别单独连接，所述燃料电池备用电源包括启动模块2和燃料电池1，所述启动模块2和所述燃料电池1之间设置有断路器，所述交流电源7分别与启动模块2、燃料电池1单独连接；
所述燃料电池1包括主控板101、燃料电池配件102、电堆103和DC/DC功率变换器104，所述主控板101通过所述断路器与所述启动模块2连接，所述主控板101、燃料电池配件102、电堆103及DC/DC功率变换器104依次连接，所述DC/DC功率变换器104连接至直流负载6；
所述交流电源7和所述主控板101之间连接且设置有交流继电器4；所述启动模块2包括电源适配器201和锂电池202，所述锂电池202通过所述电源适配器201连接至所述交流电源7，所述锂电池202通过断路器连接至燃料电池1；所述交流电源7和所述直流负载6之间还设置有AC/DC转换器5；所述锂电池202具体为48V容量为3Ah磷酸铁锂电池；所述断路器具体为直流常闭断路器3。
本实施例中，交流继电器4，用于检测交流母线供电状态，由主控板101采集开关信号量，交流有电为高电平信号，无电为低电平信号；
带有电源适配器201的锂电池202，此方案为节约成本，选择48V容量为3Ah磷酸铁锂电池作为燃料电池1的启动模块2。
直流常闭断路器3，此断路器用于感应直流母线是否有电，有电时开关断开，锂电池202处于浮充状态，只充不放。母线电压为0时，直流常闭断路器3闭合，锂电池202给主空板101供电。
主控板101，主控板101为燃料电池附件102提供电源，并将采集的电压，电流，温度，浓度等信号汇总，进行分析处理，发出动作指令。待机状态时主控板101电源来自交流电源7。燃料电池配件102，此部分包含所有燃料电池1除电堆103外一切附件，包含供氢、采集等功能模块。电堆103，燃料电池备用电源核心部分，氢气转为电压的主供电模块。DC/DC功率变换器104，燃料电池1开路电压会远高于额定电压，如遇全开放是电堆结构，电堆103输出电压将无法稳定输出，因此需要在电堆103输出电压侧串联DC/DC功率变换器104，主要功能为，恒压恒流恒功率。
启动：燃料电池备用电源将以直流常闭断路器3闭合开启工作模式，有如下两种信号触发直流常闭断路器3闭合：（1）原基站自备大型蓄电池或锂电池储能设备，此时交流电断电，锂电池将切入直流母线进行供电。直流母线电压将会随放电时间逐渐下降，燃料电池备用电源在此情况下将作为二级备选电源进行供电。此时主控板101将采集锂电池组放电电压，降至45V时，直流常闭断路器3将闭合，燃料电池1启动。
（2）新建基站，并无自备大型蓄电池或锂电池储能设备，交流电断电，48V直流母线将迅速掉电至0,此时直流常闭断路器3闭合，燃料电池1启动。
运行：直流常闭断路器3闭合后，工作流程如下：
燃料电池备用电源中启动模块2锂电池202向主控板101供电，主控板101将从待机状态转为启动状态，开始发出指令给所有燃料电池附件102，使所有附件达到工作状态，氢气氧气将在此过程中向电堆103以一定流量压力输入至电堆103反应。在规定的燃料电池启动时间内（视实际工况及电堆性能而定，启动时间越短越好）电堆103将输出电压，由于电堆103的开路电压高于额定工作电压，所以需添加DC/DC功率变换器104降压稳压。此时DC/DC功率变换器104输出端将输出电压。电压检测装置将反馈信号至主控板101，电压>0V,48V直流母线有电，恢复48V，直流常闭断路器3断开，锂电池202停止对主控板101供电，燃料电池1提供主控板101及负载所需所有电能。当检测到电压=0V时，直流常闭断路器3闭合，主控板101电源持续由锂电池202供电，直至燃料电池1有输出电压。
关闭：当检测到交流电源7供电时，由交流继电器4提供高电平信号给主控板101，此时主控板101停止发出工作指令，恢复待机模式，由交流电源7通过AC/DC转换器5提供直流48V电源供给。
实施例2：一种燃料电池备用电源控制方法。
如图2所示，一种燃料电池备用电源控制方法，使用如实施例1所述的燃料电池备用电源控制系统，具体步骤如下：
通过检测交流母线的电压判断当前供电情况为有电状态或无电状态,依据供电情况选择不同的供电方式, 当系统处于有电状态，控制交流电源7为直流负载6供电，启动模块2通过交流电源7进行充电，交流继电器4闭合，主控板101检测开关信息量。当检测到有电时表明当前系统一切正常，维持正常的交流电源7供电即可，同时通过为启动模块2充电用于后续备用电源启动供电。
当系统处于无电状态，交流继电器4断开,进而检测直流母线的电压判断是否存在除燃料电池备用电源以外的备用电源, 具体为：检测直流母线电压获得电压值，当电压值迅小于45V或等于0，则判断无其他备用电源；直流常闭断路器3闭合，锂电池202放电，主控板101启动，燃料电池配件102启动，燃料电池启动，通过DC/DC功率变换器104输出电压。
当电压值大于设定值，则判断存在其他备用电源，直流常闭断路器3断开，锂电池长期在线浮冲。
同时通过燃料电池1的主控板101采集交流继电器4信号量，若采集到高电平信号则判断为有电状态；若采集到低电平信号则判断为无电状态。采集到高电平信号后闭合交流继电器4，断开直流常闭断路器3，由燃料电池1供电切换至交流电源7供电。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池备用电源控制系统，其特征在于,包括交流电源、燃料电池备用电源和直流负载，所述交流电源、燃料电池备用电源和直流负载三者间分别单独连接，所述燃料电池备用电源包括启动模块和燃料电池，所述启动模块和所述燃料电池之间设置有断路器，所述交流电源分别与启动模块、燃料电池单独连接。
2.如权利要求1所述的燃料电池备用电源控制系统，其特征在于，所述燃料电池包括主控板、燃料电池配件、电堆和功率变换器，所述主控板通过所述断路器与所述启动模块连接，所述主控板、燃料电池配件、电堆及功率变换器依次连接，所述功率变换器连接至直流负载。
3.如权利要求2所述的燃料电池备用电源控制系统，其特征在于，所述交流电源和所述主控板之间连接且设置有交流继电器。
4.如权利要求1所述的燃料电池备用电源控制系统，其特征在于，所述启动模块包括电源适配器和锂电池，所述锂电池通过所述电源适配器连接至所述交流电源，所述锂电池通过断路器连接至燃料电池。
5.如权利要求1所述的燃料电池备用电源控制系统，其特征在于，所述交流电源和所述直流负载之间还设置有AC/DC转换器。
6.如权利要求4所述的燃料电池备用电源控制系统，其特征在于，所述锂电池具体为48V容量为3Ah磷酸铁锂电池。
7.一种燃料电池备用电源控制方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的燃料电池备用电源控制系统，具体步骤如下：通过检测交流母线的电压判断当前供电情况为有电状态或无电状态,依据供电情况选择不同的供电方式,当系统处于无电状态,进而检测直流母线的电压判断是否存在除燃料电池备用电源以外的备用电源,若判断无其他备用电源,启动模块与燃料电池之间的断路器闭合,燃料电池启动并为直流负载供电。
8.如权利要求7所述的燃料电池备用电源控制方法，其特征在于，所述依据供电情况选择不同的供电方式具体为：当系统处于有电状态，控制交流电源为直流负载供电，启动模块通过交流电源进行充电。
9.如权利要求7所述的燃料电池备用电源控制方法，其特征在于，所述检测直流母线的电压判断是否存在除燃料电池备用电源以外的备用电源具体为：检测直流母线电压获得电压值，当电压值迅速降为零，则判断无其他备用电源；当电压值大于设定值，则判断存在其他备用电源。
10.如权利要求7所述的燃料电池备用电源控制方法，其特征在于，所述检测交流母线的电压判断当前供电情况为有电状态或无电状态具体为：通过燃料电池的主控板采集交流继电器信号量，若采集到高电平信号则判断为有电状态；若采集到低电平信号则判断为无电状态。
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| CN114497623A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-05-13 | 西安北方庆华机电有限公司 | 一种介入式混合空冷燃料电池交流电源 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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