CN112055907A - 用于控制被设置用于向电动机提供电力的氢燃料电池系统的方法以及相应的氢燃料电池系统 - Google Patents

用于控制被设置用于向电动机提供电力的氢燃料电池系统的方法以及相应的氢燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

一种用于控制氢燃料电池系统的方法，氢燃料电池系统被设置用于向电动机提供电力，所述氢燃料电池系统包括多个燃料电池装置，其中每个燃料电池装置包括多个氢燃料电池组和控制器，其中所述多个控制器互连，所述方法基于在特定的氢燃料电池装置不能提供其电力份额的情况下相应的电力不足由剩余的燃料电池装置通过增加它们提供给电动机的电力量来接管的步骤。

Description

用于控制被设置用于向电动机提供电力的氢燃料电池系统的 方法以及相应的氢燃料电池系统
描述
本公开内容涉及一种用于控制被设置用于向电动机提供电力的氢燃料电池系统的方法。
根据本公开内容的氢燃料电池系统包括多个燃料电池装置。每个燃料电池装置包括多个燃料电池组(fuel cell stack)和控制器。燃料电池组是将来自氢燃料和氧的化学能转化成电能的电化学电池。电能可用于例如驱动(empower)电动机。
氢燃料电池组因此不同于常规蓄电池(battery)。燃料电池基于提供给燃料电池的燃料(即具有氢的形式)而工作。在蓄电池中，基于蓄电池中已存在的化学物质产生电能。
已知的氢燃料电池系统的一个缺陷是它们已在实验室设定下进行测试。燃料电池系统能够提供的电力量、燃料电池系统的寿命以及已被测试的所有这些种类的方面是在实验室中确认的。迄今为止，还没有能够灵活使用并且还被设置用于延长氢燃料电池系统的寿命的系统。
本公开内容的目的在于提供用于高效地控制氢燃料电池系统的方法。
在第一方面，本公开内容提供了一种用于控制氢燃料电池系统的方法，所述氢燃料电池系统包括多个氢燃料电池装置，其中所述氢燃料电池系统被设置用于通过每个所述氢燃料电池装置向电动机提供电力，每个所述氢燃料电池装置包括多个氢燃料电池组和控制器，其中各氢燃料电池装置的多个控制器互连。
该方法包括以下步骤：
-通过每个所述控制器分立地检测需要所述氢燃料电池系统提供的电力总量；
-通过每个所述控制器基于检测到的电力总量和氢燃料电池装置的数量而分立地针对其相应的燃料电池装置确定燃料电池装置电力；
-通过每个所述控制器分立地控制其相应的燃料电池装置以提供所述燃料电池装置电力；
-通过所述多个控制器中的至少一个控制器检测由所述多个互连的氢燃料电池装置提供的所述电力总量的不足；
-通过所述多个控制器中的所述至少一个控制器基于所述氢燃料电池装置的数量确定用于解决检测到的所述电力总量的不足的燃料电池装置不足电力；
-通过所述多个控制器中的所述至少一个控制器控制其相应的燃料电池装置以使其提供的电力增加所述燃料电池装置不足电力。
典型地，需要提供的电力量在氢燃料电池组之间分配。因而，燃料电池组提供电力总量的相同的份额。
发明人的洞悉之一在于，在特定的燃料电池装置不能提供其份额的情况下，该特定的份额应由剩余的燃料电池装置等同地接管。
此外，发明人已发现，其中每个燃料电池装置与单个控制器耦接的去中心化解决方案是增加氢燃料电池系统的灵活性的方式。通过这种方式，系统是灵活的，因为可以将新的燃料电池装置引入到系统中和/或可以从系统去除燃料电池装置。这还有利于维护的目的。
下文更详细地说明如上文公开的每个方法步骤。
首先，该方法包括通过每个所述控制器分立地检测需要所述氢燃料电池系统提供的电力总量的步骤。这可以意指控制器具有其中给出了系统要提供的电力总量的输入。该特定输入对于每个控制器而言可以是相同的。另一选择是单个控制器确定所需的电力总量，并且该特定控制器将所确定的电力总量传递给剩余的控制器。
第二，该方法包括通过每个所述控制器基于检测到的电力总量和氢燃料电池装置的数量而分立地针对其相应的燃料电池装置确定燃料电池装置电力的步骤。这可以意指每个控制器确定其相应的燃料电池装置必须提供以满足所需电力总量的电力份额。例如，每个控制器可以简单地将电力总量除以系统中存在的燃料电池装置的数目。还可以考虑附加的余量以确保燃料电池装置能够提供所述电力总量。
第三，该方法包括通过每个所述控制器分立地控制其相应的燃料电池装置以提供所述燃料电池装置电力的步骤。这可以意指控制器控制要提供给相应的燃料电池装置的氢的量和氧(即空气)的量。因而，控制器可以控制用于氧和/或氢的进气的阀门等的操作。
第四，该方法包括通过所述多个控制器中的至少一个控制器检测由互连的所述多个氢燃料电池装置提供的所述电力总量的不足的步骤。
本公开内容涉及其中特定的氢燃料电池装置不能提供其份额的情况。与特定的氢燃料电池装置对应的控制器可以例如向其他控制器广播信息消息，用于向这些其他控制器通知特定的氢燃料电池装置不能提供其份额。另一选择是剩余的每个控制器检测到存在燃料电池系统提供的电力总量的不足。
第五，该方法包括通过所述多个控制器中的所述至少一个控制器基于所述氢燃料电池装置的数量确定用于解决检测到的所述电力总量的不足的燃料电池装置不足电力的步骤。这将意指每个控制器确定其相应的氢燃料电池装置需要提供的所需的电力增量。如上文所述，在一个示例中，燃料电池系统提供的电力总量的不足在剩余的燃料电池装置之间分配。
第六，该方法包括通过所述多个控制器中的所述至少一个控制器控制其相应的燃料电池装置以使其提供的电力增加所述燃料电池装置不足电力的步骤。这可以意指每个控制器控制其相应的阀门，用于增加提供给其相应的氢燃料电池装置(即其相应的燃料电池装置中的燃料电池组)的空气和/或氢的量。
在一个示例中，每个所述控制器经由总线彼此连接，所述方法还包括以下步骤：
-通过每个所述控制器分立地发现连接到所述总线的控制器的数量。
该总线是例如CAN总线或类似者。该总线将控制器彼此连接。
在初始化阶段期间，每个控制器可以通过在总线上广播消息来发现彼此。通过这种方式，控制器可以获知连接到总线的其他控制器。因此每个控制器可以确定控制器数量，并且因此还可以确定氢燃料电池系统中存在的氢燃料电池装置的数量。
在另一示例中，检测需要所述氢燃料电池系统提供的所述电力总量的步骤包括：
-通过每个所述控制器基于来自所述电动机的输入以及基于来自蓄电池的输入分立地检测所需的所述电力总量。
注意，氢燃料电池系统要向电动机提供能量。电动机还可以连接到蓄电池。因而，蓄电池和燃料电池系统可以向电动机提供电力。在该特定情况下，优选的是蓄电池向电动机提供电力并且燃料电池系统可以在蓄电池不能提供充足的电力的情况下提供附加的电力。
在另一示例中，该方法还包括以下步骤：
-通过每个所述控制器分立地接收所述电动机关机的输入；
-通过每个所述控制器分立地为其相应的燃料电池装置中的燃料电池组通入空气，用于去除燃料电池装置中存在的任何残留的氢。
发明人已发现有利的是向燃料电池组通入空气用于去除其中存在的任何残留的氢。这可以增加燃料电池组的寿命并且可以减小保养与维修期间的危害电压的风险。
在另一示例中，该氢燃料电池系统还包括用于监测所述多个燃料电池装置中的每个的状况的监测系统，并且包括通信模块，所述方法还包括以下步骤：
-通过所述监测系统监测所述多个燃料电池装置中的每个的所述状况；
-通过所述通信模块向用户设备传递所述监测的状况。
在替选方案中，每个燃料电池装置包括监测系统和通信模块。
通信模块可以是例如基于3G、4G或5G技术通信网络的模块。这样所监测的状况可以经由3G、4G或5G通信网络为用户所用，用户例如用户设备UE，如电话、或平板电脑等。
替选地或者作为补充，所监测的状况可以经由web接口(如web入口)而是可用的。
在本公开内容的第二方面，提供了一种氢燃料电池系统，其被设置用于向电动机提供电力，所述氢燃料电池系统包括多个氢燃料电池装置，其中所述氢燃料电池系统被设置用于通过每个所述氢燃料电池装置向电动机提供电力，每个所述氢燃料电池装置包括控制器和多个氢燃料电池组，其中所述氢燃料电池装置的多个控制器互连。
每个所述控制器包括：
-检测设备，被设置用于检测需要所述氢燃料电池系统提供的电力总量；
-处理设备，被设置用于基于所述检测到的电力总量和氢燃料电池装置的数量而针对其相应的燃料电池装置确定燃料电池装置电力；
-控制设备，被设置用于控制其相应的燃料电池装置以提供所述燃料电池装置电力；
其中所述检测设备还被设置用于检测由所述多个互连的氢燃料电池装置提供的所述电力总量的不足；
其中所述处理设备还被设置用于基于所述氢燃料电池装置的数量确定用于解决检测到的所述电力总量的不足的燃料电池装置不足电力；
其中所述控制设备还被设置用于控制其相应的燃料电池装置以使其提供的电力增加所述燃料电池装置不足电力。
本公开内容的第一方面的优点也固有地成为本公开内容的第二方面的一部分。此外，需指出，尽管权利要求的撰写如同将根据本公开内容的所有设备并入单个装置中，但是本领域技术人员应理解，同一公开内容可以通过使设备分布在若干装置上来实现。
在一个示例中，每个所述控制器经由总线彼此连接，其中每个所述控制器还包括：
-发现设备，被设置用于发现连接到所述总线的控制器的数量。
发现设备因此可被设置成发送用于请求总线上存在的任何其他控制器使得它们自身被获知的广播消息。
在另一示例中，该检测设备还被设置用于：
-基于来自所述电动机的输入以及基于来自蓄电池的输入检测所需的所述电力总量。
在一个示例中，每个所述控制器还包括：
-接收设备，被设置用于接收所述电动机关机的输入；
-通风设备，被设置用于为其相应的燃料电池装置通入空气，用于去除燃料电池装置中存在的任何残留的氢。
每个燃料电池组可以包括空气入口和氢入口。这两个入口中的每个可以分别设置有用于控制朝向燃料电池组的空气量和氢量的阀门。此外，阀门可以存在于空气入口和氢入口之间。通过打开该特定阀门，空气可被输入到氢入口中。因此该特定阀门可用于确保空气被输入到装置中用于去除燃料电池组中存在的任何残留的氢。通风设备可以是换气扇或气泵。
在又一示例中，该氢燃料电池系统还包括用于监测所述多个燃料电池装置中的每个的状况的监测系统，并且包括被设置用于向用户传递所监测的状况的通信模块。
在第三方面，提供了一种控制器，其被设置用于在根据如上文提供的任何示例的氢燃料电池系统中操作。
在第四方面，提供了一种车辆，其包括根据如上文提供的任何示例的氢燃料电池系统。该车辆是例如运输装置，如公交车。
根据参照附图的下面的描述将最佳地理解本公开内容的上述和其他的特征和优点。在附图中，相同的附图标记表示相同的部件或者执行相同的或相似的功能或操作的部件。
附图说明
图1示意性地示出了根据本公开内容的方法的流程图；
图2示意性地示出了根据本公开内容的燃料电池系统；
图3示意性地示出了用在本公开内容中的控制器。
具体实施方式
图1示出了说明根据本公开内容的用于控制氢燃料电池系统的方法的各步骤的示意图表10，该氢燃料电池系统被设置用于向电动机提供电力。所述氢燃料电池系统包括多个氢燃料电池装置，其中每个所述氢燃料电池装置具有控制器，并且其中所述多个控制器彼此互连。
所述方法10包括以下步骤：
-通过每个所述控制器11分立地检测1需要所述氢燃料电池系统100提供的电力总量；
-通过每个所述控制器11基于所述检测到的电力总量和氢燃料电池装置12的数量分立地确定2关于其相应的燃料电池装置12的燃料电池装置电力；
-通过每个所述控制器11分立地控制3其相应的燃料电池装置12以提供所述燃料电池装置电力；
-通过所述多个控制器11中的至少一个控制器检测4由互连的所述多个氢燃料电池装置12提供的所述电力总量的不足；
-通过所述多个控制器11中的所述至少一个控制器基于所述氢燃料电池装置12的数量确定5用于解决检测到的所述电力总量的不足的燃料电池装置不足电力；
-通过所述多个控制器11中的所述至少一个控制器控制6其相应的燃料电池装置12以使其提供的电力增加所述燃料电池装置不足电力。
所述方法还可以包括以下步骤：
-通过每个所述控制器11分立地发现7连接到所述总线13的控制器11的数量。
在本情况下，发现处理可以在燃料电池系统开机时开始，或者可以在安装或更换系统中的特定的控制器时进行。
图2示出了用于执行根据本公开内容的所述方法的燃料电池系统100。所述系统100包括多个燃料电池装置101、102、103。每个燃料电池装置包括多个燃料电池组12和控制器11。每个燃料电池组12彼此连接，优选串联，并且每个燃料电池组12连接到控制器11。
每个燃料电池组12可以设置有传感器和/或致动器(未示出)，其中相应的控制器11可被设置用于读出这些传感器和/或致动相应的致动器。
去中心化的系统，即不利于单个控制器用于控制每个燃料电池装置101、102、103的系统的优点之一在于使得系统更加灵活。更容易将新的燃料电池装置并入到系统中并且更容易更换去中心化的系统中的当前的燃料电池装置。
每个燃料电池装置101、102、103还可以包括用于向燃料电池组12供给空气(即氧)的空气源14，并且可以包括用于将氢输入到燃料电池组12的氢再循环装置15，并且可以包括用于冷却燃料电池组12的冷却部件16，并且可以包括用于确保系统10中的部件不会冻结的防冻(frost protection)装置17，并且可以包括加湿装置18。所有这些部件也可以连接到控制器11，用于向外部世界传递相应的数据。
换言之，本公开内容提供了一种用于控制级联的燃料电池系统的方法，其中所述方法包括：
a)操作设置在初始操作状态下的许多个燃料电池装置；
b)检测所需的级联的燃料电池系统的电力输出；
c)在所述级联的燃料电池系统中的燃料电池装置之间分配所需的电力输出；
d)检测所述级联系统中的任何所述燃料电池装置是否不能提供所需的电力输出的份额并且在所述级联的燃料电池系统中的其他燃料电池装置之间分配所述不足的电力输出。
此外，提供了一种方法，用于在操作循环结束时从燃料电池系统去除氢以便于从所述燃料电池组去除高电压。这进一步减小了保养与维修期间的危害电压的风险。该方法可以通过向所述氢通路通入空气(例如氧)来从所述燃料电池系统去除所述氢。
图3示意性地示出了用在本公开内容中的控制器11。
控制器11包括连接到输入端子52的接收器51和连接到输出端子60的发送器61，其中所述接收器51和发送器61被设置用于在总线上接收和发送消息。控制器11还包括检测设备53、控制设备54、通风设备55和发现设备56。此外，处理设备59被包括，连接到存储器，用于控制器11的正确操作。
本领域技术人员根据对附图、本公开内容和所附权利要求的学习，在实践要求保护的本公开内容时能够理解和进行对所公开的示例的其他变型。在权利要求中，用词“包括”并未排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”并未排除多个。单个处理器或其他单元可以满足权利要求中记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载了特定的措施的事实并非指示这些措施的组合不能被有利地使用。计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，诸如连同其他硬件一起提供的或者作为其他硬件的一部分的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分送，诸如经由互联网或者其他有线或无线通讯系统。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。
本公开内容不限于如上文公开的示例，并且可以由本领域技术人员在不必应用创造性技术的情况下而超出如所附权利要求中公开的本公开内容的范围进行修改和改进。

Claims (12)

1.一种用于控制氢燃料电池系统的方法，所述氢燃料电池系统包括多个氢燃料电池装置，其中所述氢燃料电池系统被设置用于通过每个所述氢燃料电池装置向电动机提供电力，每个所述氢燃料电池装置包括控制器和多个氢燃料电池组，其中各氢燃料电池装置的多个控制器互连，所述方法包括以下步骤：
-通过每个所述控制器分立地检测需要所述氢燃料电池系统提供的电力总量；
-通过每个所述控制器基于检测到的电力总量和氢燃料电池装置的数量而分立地针对其相应的燃料电池装置确定燃料电池装置电力；
-通过每个所述控制器分立地控制其相应的燃料电池装置以提供所述燃料电池装置电力；
-通过所述多个控制器中的至少一个控制器检测由互连的所述多个氢燃料电池装置提供的所述电力总量的不足；
-通过所述多个控制器中的所述至少一个控制器基于所述氢燃料电池装置的数量确定用于解决检测到的所述电力总量的不足的燃料电池装置不足电力；
-通过所述多个控制器中的所述至少一个控制器控制其相应的燃料电池装置以使其提供的电力增加所述燃料电池装置不足电力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个所述控制器经由总线彼此连接，所述方法还包括以下步骤：
-通过每个所述控制器分立地发现连接到所述总线的控制器的数量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述的检测需要所述氢燃料电池系统提供的所述电力总量的步骤包括：
-通过每个所述控制器基于来自所述电动机的输入以及基于来自蓄电池的输入而分立地检测所需的所述电力总量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
-通过每个所述控制器分立地接收所述电动机关机的输入；
-通过每个所述控制器分立地为其相应的燃料电池装置中的燃料电池组通入空气，用于去除燃料电池装置中存在的任何残留的氢。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述氢燃料电池系统还包括用于监测所述多个燃料电池装置中的每个的状况的监测系统，并且包括通信模块，所述方法还包括以下步骤：
-通过所述监测系统监测所述多个燃料电池装置中的每个的所述状况；
-通过所述通信模块向用户设备传递监测的状况。
6.一种氢燃料电池系统，被设置用于向电动机提供电力，所述氢燃料电池系统包括多个氢燃料电池装置，其中所述氢燃料电池系统被设置用于通过每个所述氢燃料电池装置向电动机提供电力，每个所述氢燃料电池装置包括控制器和多个氢燃料电池组，其中氢燃料电池装置的多个控制器互连，每个所述控制器包括：
-检测设备，被设置用于检测需要所述氢燃料电池系统提供的电力总量；
-处理设备，被设置用于基于检测到的电力总量和氢燃料电池装置的数量而针对其相应的燃料电池装置确定燃料电池装置电力；
-控制设备，被设置用于控制其相应的燃料电池装置以提供所述燃料电池装置电力；
其中，所述检测设备还被设置用于检测由互连的所述多个氢燃料电池装置提供的所述电力总量的不足；
其中，所述处理设备还被设置用于基于所述氢燃料电池装置的数量确定用于解决检测到的所述电力总量的不足的燃料电池装置不足电力；
其中，所述控制设备还被设置用于控制其相应的燃料电池装置以使其提供的电力增加所述燃料电池装置不足电力。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池系统，其中，每个所述控制器经由总线彼此连接，其中，每个所述控制器还包括：
-发现设备，被设置用于发现连接到所述总线的控制器的数量。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的氢燃料电池系统，其中，所述检测设备还被设置用于：
-基于来自所述电动机的输入以及基于来自蓄电池的输入检测所需的所述电力总量。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的氢燃料电池系统，其中，每个所述控制器还包括：
-接收设备，被设置用于接收所述电动机关机的输入；
-通风设备，被设置用于为其相应的燃料电池装置通入空气，用于去除燃料电池装置中存在的任何残留的氢。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的氢燃料电池系统，其中，所述氢燃料电池系统还包括用于监测所述多个燃料电池装置中的每个的状况的监测系统，并且包括被设置用于向用户传递所监测的状况的通信模块。
11.一种控制器，被设置用于在根据权利要求6至10中的任一项所述的氢燃料电池系统的一个所述氢燃料电池装置中操作。
12.一种车辆，包括根据权利要求6至10中的任一项所述的氢燃料电池系统。
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