CN112467175A - 一种氢燃料电池控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池控制系统，包括中控模块以及与中控模块电连接的电源、氢气模块、空气模块、散热模块及多个传感器；中控模块用于控制整个系统的工作，电源用于为整个系统供电；氢气模块包括氢控制器、氢气循环泵及氢气尾排；空气模块包括空压机及空气尾排；散热模块包括散热水泵、散热管路及散热风扇，用于为氢燃料电池的电堆散热；多个传感器中包括压力传感器、温度传感器、空气流量传感器、氢气浓度传感器、电堆的电流传感器及电压传感器。本发明另外公开了一种氢燃料电池控制方法。本发明提供的氢燃料电池控制系统及方法，能对氢燃料电池工作中的各个步骤进行全面的控制，大大提供了氢燃料电池使用时的安全性。

Description

一种氢燃料电池控制系统及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体的说是涉及一种氢燃料电池控制系统及方法。

背景技术

随着新能源技术的发展，氢燃料电池已经应用至新能源汽车领域中。但由于氢气本身就具有易燃易爆的特性，因此，如若在对氢燃料电池控制不当，会存在很大的安全隐患，严重时甚至会导致车毁人亡。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的在于提供一种氢燃料电池控制方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种氢燃料电池控制系统，包括中控模块以及与所述中控模块电连接的电源、氢气模块、空气模块、散热模块及多个传感器；

所述中控模块用于控制整个系统的工作，所述电源用于为整个系统供电；

所述氢气模块包括氢控制器、氢气循环泵及氢气尾排；

所述空气模块包括空压机及空气尾排；

所述散热模块包括散热水泵、散热管路及散热风扇，用于为氢燃料电池的电堆散热；

多个传感器中包括压力传感器、温度传感器、空气流量传感器、氢气浓度传感器、电堆的电流传感器及电压传感器。

本发明另外公开了一种氢燃料电池控制方法，该方法利用上述的氢燃料电池控制系统，且包括如下步骤：

S1，接通电源，中控模块检测氢燃料电池控制系统的初始状态是否正常，若正常则进入步骤S2；

S2，开启散热模块，并检测散热模块是否正常开启，若是则进入步骤S3；

S3，开启氢气模块，并检测氢气模块是否正常开启，若是则进入步骤S4；

S4，开启空气模块，并检测空气模块是否正常开启，若是则进入步骤S5；

S5，氢燃料电池的电堆开始工作，并检测氢燃料电池是否正常启动，工作过程中，根据负载电流变化，中控模块自动调节氢气模块、空气模块及散热模块的工作参数，并持续检测氢燃料电池控制系统中的多个传感器的数据是否正常，若正常则维持氢燃料电池的正常工作；

以上各步骤中，若发生异常，则氢燃料电池控制系统将异常信息发送给上位机，并使氢燃料电池停止工作。

在一些实施例中，步骤S1中，具体包括开机自检步骤和启动前自检步骤；

接通电源后，先进行开机自检，若开机自检的结果正常则氢燃料电池控制系统进入待机状态；

待机状态的氢燃料电池控制系统接收到启动指令后，再进行启动前自检，若启动前自检的结果正常则进入步骤S2。

在一些实施例中，在开机自检步骤中，检测项目包括：多个传感器的初始值是否正常，系统中的绝缘阻值是否正常，系统的各模块间的通讯是否正常；

在启动前自检步骤中，检测项目包括：系统的各模块间的通讯是否正常，氢气系统的各个阀门是否在正常工作范围内，散热模块的冷却液的温度范围。

在一些实施例中，所述氢燃料电池控制系统还包括加热模块；在启动前自检步骤中，若检测到冷却液的温度低于预设值，则在步骤S2前，先通过加热模块加热冷却液，使冷却液的温度达到预设值。

在一些实施例中，氢燃料电池工作过程中，若中控模块接收到停机指令，进入步骤S6：氢燃料电池控制系统控制氢燃料电池按照预设的流程停止工作，此后氢燃料电池控制系统进入待机状态。

在一些实施例中，步骤S6具体包括：

S6a，中控模块接收到停机指令后，先控制氢气尾排的电磁阀打开，然后切断氢燃料电池的主负载；

S6b，氢燃料电池接通辅助负载；

S6c，调节氢气循环泵的比例阀的开度，降低氢气进入氢燃料电池的电堆的压力，并调节空压机的转速至预设值；

S6d，调节氢气尾排的电磁阀及空气尾排的电磁阀，进入氢气吹扫模式，同时提高氢气循环泵的转速；

S6e，氢气吹扫的同时，提高散热水泵的转速及散热风扇的转速，以加快散热；

S6f，氢气吹扫预设的时间后，先切断氢气循环泵，再切断氢气循环泵的比例阀前的电磁阀，并关闭空压机和空气尾排的电磁阀；

S6g，当比例阀前的氢压小于预设值时，向后关闭比例阀和氢气尾排的电磁阀，从而完全关闭氢气路；

S6h，当氢燃料电池的电堆电压降至预设值以下时，切断辅助负载；

S6i，氢燃料电池完全停止工作前，中控模块向上位机发送停机信息，此后氢燃料电池控制系统进入待机状态。

在一些实施例中，当中控模块检测到发生故障时，进入故障停机状态；

故障停机状态下，氢燃料电池控制系统根据与步骤S6类似的步骤，控制氢燃料电池停止工作。

在一些实施例中，当中控模块接收到上位机发来的紧急停机指令后，进入紧急停机状态；

紧急停机状态下，依次断开氢气控制器的高、中压电磁阀，打开氢气尾排的电磁阀，关闭氢气循环泵，关闭氢气进口电磁阀，关闭空压机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的氢燃料电池控制系统及方法，能对氢燃料电池工作中的各个步骤进行全面的控制，大大提供了氢燃料电池使用时的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的氢燃料电池控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。

本发明提供了一种氢燃料电池控制系统，包括中控模块以及与中控模块电连接的电源、氢气模块、空气模块、散热模块及多个传感器；中控模块用于控制整个系统的工作，电源用于为整个系统供电；氢气模块包括氢控制器、氢气循环泵及氢气尾排；空气模块包括空压机及空气尾排；散热模块包括散热水泵、散热管路及散热风扇，用于为氢燃料电池的电堆散热；多个传感器中包括压力传感器、温度传感器、空气流量传感器、氢气浓度传感器、电堆的电流传感器及电压传感器。

具体地，中控模块可以为一个以freescaleS12单边机为核心，和其他一些测控设备辅助的控制系统，并与上位机(如中控室的计算机)连接。电源可采用24V直流电源和550V直流电源的双电源输入。

进一步参照图1，本发明另外提供了一种氢燃料电池控制方法，该方法利用如权利要求1的氢燃料电池控制系统，且包括如下步骤：

S1，接通电源，中控模块检测氢燃料电池控制系统的初始状态是否正常，若正常则进入步骤S2；

S2，开启散热模块，并检测散热模块是否正常开启，若是则进入步骤S3；

S3，开启氢气模块，并检测氢气模块是否正常开启，若是则进入步骤S4；

S4，开启空气模块，并检测空气模块是否正常开启，若是则进入步骤S5；

S5，氢燃料电池的电堆开始工作，并检测氢燃料电池是否正常启动，工作过程中，根据负载电流变化，中控模块自动调节氢气模块、空气模块及散热模块的工作参数，并持续检测氢燃料电池控制系统中的多个传感器的数据是否正常，若正常则维持氢燃料电池的正常工作；

以上各步骤中，若发生异常，则氢燃料电池控制系统将异常信息发送给上位机，并使氢燃料电池停止工作。

进一步地，步骤S1中，具体包括开机自检步骤和启动前自检步骤；接通电源后，先进行开机自检，若开机自检的结果正常则氢燃料电池控制系统进入待机状态；待机状态的氢燃料电池控制系统接收到启动指令后，再进行启动前自检，若启动前自检的结果正常则进入步骤S2。

进一步地，在开机自检步骤中，检测项目包括：多个传感器的初始值是否正常，系统中的绝缘阻值是否正常，系统的各模块间的通讯是否正常；在启动前自检步骤中，检测项目包括：系统的各模块间的通讯是否正常，氢气系统的各个阀门是否在正常工作范围内，散热模块的冷却液的温度范围。

进一步地，氢燃料电池控制系统还包括加热模块；在启动前自检步骤中，若检测到冷却液的温度低于预设值，则在步骤S2前，先通过加热模块加热冷却液，使冷却液的温度达到预设值。

进一步地，氢燃料电池工作过程中，若中控模块接收到停机指令，进入步骤S6：氢燃料电池控制系统控制氢燃料电池按照预设的流程停止工作，此后氢燃料电池控制系统进入待机状态。

进一步地，步骤S6具体包括：

S6a，中控模块接收到停机指令后，先控制氢气尾排的电磁阀打开，然后切断氢燃料电池的主负载；

S6b，氢燃料电池接通辅助负载；

S6c，调节氢气循环泵的比例阀的开度，降低氢气进入氢燃料电池的电堆的压力，并调节空压机的转速至预设值；

S6d，调节氢气尾排的电磁阀及空气尾排的电磁阀，进入氢气吹扫模式，同时提高氢气循环泵的转速；

S6e，氢气吹扫的同时，提高散热水泵的转速及散热风扇的转速，以加快散热；

S6f，氢气吹扫预设的时间后，先切断氢气循环泵，再切断氢气循环泵的比例阀前的电磁阀，并关闭空压机和空气尾排的电磁阀；

S6g，当比例阀前的氢压小于预设值时，向后关闭比例阀和氢气尾排的电磁阀，从而完全关闭氢气路；

S6h，当氢燃料电池的电堆电压降至预设值以下时，切断辅助负载；

S6i，氢燃料电池完全停止工作前，中控模块向上位机发送停机信息，此后氢燃料电池控制系统进入待机状态。

进一步地，当中控模块检测到发生故障时，进入故障停机状态；故障停机状态下，氢燃料电池控制系统根据与步骤S6类似的步骤，控制氢燃料电池停止工作。

另外，当中控模块接收到上位机发来的紧急停机指令后，进入紧急停机状态；紧急停机状态下，依次断开氢气控制器的高、中压电磁阀，打开氢气尾排的电磁阀，关闭氢气循环泵，关闭氢气进口电磁阀，关闭空压机。

可以理解的是，除了紧急停机状态以外，以上所述的各个流程的每一步之间，可以加延时，并对上一步进行判断，以确定是否正确的执行了命令。而在紧急停机状态，则各个流程之间尽量没有延时，以尽快完成停机。另外，各步骤中所有的数值判断，均可根据误差做约等于，例如，对于要求24V的驱动电路的电压，只要电压范围在24V±10％以内，即判断为合格。

在一个具体实施例中，步骤S1中：

开机自检步骤中，对应各传感器初始状态的检测如下：对于压力传感器，要求待机时的压力为0kpa±2％(2％指相对于传感器量程的2％)，由于氢路和水路会产生负压，因此小于0也认为是正常；对于温度传感器，要求温度在20～80℃之间即可，目前停机降温的要求是45℃，如果此时再次断电重启，那么上电自检就是45℃，如果出现故障停机或者紧急停机，温度可能在70℃，因此温度传感器的自检温度范围可选为20～80℃；空气流量传感器，待机时要求流量为0PLM±2％；电堆的电流传感器，待机时要求电流为0A±2％；电堆的电压传感器，要求小于50V；并检测电堆处的氢气浓度，若大于1％则可能发生氢气泄露，进入故障停机阶段。

启动前自检步骤中，具体检测以下内容：

1)氢控制器通讯是否正常

通讯正常，则检查氢气剩余量是否满足启动要求，满足则启动，不满足转为故障停机。

通讯不正常，等待完成所有自检，若还没有通讯上，转为故障停机。

2)空压机通讯是否正常

通讯正常，需要检查输入电压是否在400-750VDC之间，在400-750VDC之间，空压机具备启动前条件，假如不在400-750VDC之间，重新检测，直到所有自检完成，若空压机还没有检测到400-750VDC，转为故障停机。

通讯不正常，等待所有自检完成，若空压机还没有通讯上，转为故障停机。

3)氢气循环泵通讯是否正常

通讯正常，需要检查输入电压是否有24VDC，有24VDC氢气循环泵具备启动前提条件，假如没有24VDC，需要检查24VDC电源是否正常，若24VDC电源正常，重新检测，直到所有自检完成，若还是没有检测到24VDC，转为故障停机。若24VDC电源不正常，转为故障停机。

通讯不正常，重新检测，直到所有自检完成，若还没有检测到，转为故障停机。

4)巡检通讯是否正常

通讯正常，看有没有心跳帧发送出来，有心跳帧出来，说明通讯正常，若没有心跳帧出来，等待所有自检完成，若还没有检测到心跳帧，转为故障停机。

通讯不正常，等待，直到所有自检完成，还没有通讯上，转为故障停机。

5)绝缘检测(无源绝缘电阻检测)通讯是否正常

通讯正常，绝缘检测正常；

通讯不正常，等待，直到所有自检完成，还没有通讯上，转为故障停机。

6)24VDC电源通讯是否正常(动力24VDC)

7)打开氢控制器的高压阀和中压阀，检测高、中压是否在正常工作范围之内。

8)打开前氢阀，判断比例阀前氢压是否在正常工作范围之内。

9)判断冷却液的入堆温度，如果低于0℃，则待自检完成后，且接收到启动命令后，在进入步骤S2前先进行加热处理：

启动加热片，给氢气尾排电磁阀、氢气循环泵加热，同时启动冷却液加热模块和冷却液循环水泵，此时，冷却液经由节温器，走小回路(小回路为冷却液加热回路，大回路为冷却回路)，待冷却液入堆温度升高至5℃左右，先后关闭加热片开关和冷却液加热模块开关；然后进入步骤S2，正常启动燃料电池系统，当冷却液入堆温度高于5℃，冷却液经由节温器调节，直接进入大回路循环。

步骤S2-S4中：

1)连通辅助负载，以确保燃料电池在启动过程中阴极电位不至于过高。

2)打开冷却水循环，即启动电堆散热水泵，并检测是否启动成功。

3)打开阳极氢尾排电磁阀。

4)延迟0.1s后启动氢气入堆比例阀，供给氢气到阳极流场，此时氢气的尾排频率1s/0.5s，持续4次，完成吹扫后，将氢气尾排的切换至6s/0.5s，并检测是否启动成功。

5)启动空压机，空压机初始值设定20000rpm。空尾排电磁阀排气频率8s/0.5s，并检测是否启动成功。

6)断开辅助负载。

7)打开氢气循环泵。

步骤S5中：

启动检测阶段：

1)电压传感器监测电堆电压，巡检板监测电堆单片电压，当电压大于230V且巡检最低电压大于1V(两片一巡检)时，则判定氢燃料电池启动成功，进入正常运行状态。

2)启动过程中，给上位机发送氢燃料电池系统正在启动信息。

正常工作阶段：

1)闭合主输出继电器，氢燃料电池正常运行并对外输出功率。

通过接触器反馈信号或者通过的电流判断接触器是否闭合，闭合视为正常，否则视为故障，执行故障或紧急停机。

2)根据负载电流变化，自动调节空压机、比例阀、氢尾排、空气尾排、氢气循环泵、散热水泵等部件的运行参数。

巡检电压小于0.8V，进入故障停机；巡检电压大于0.8V，小于1V，提高空压机转速10％，同时延长氢气尾排时间1s-2s，持续20s，观测单片电压是否上升并超过1V，若超过1V，则切换至正常的排气频率和正常的空压机转速，若电压仍然在0.8V至1V之间，上报二级故障，维持原来的正常运行参数并运行30min，若30min后，单片电压仍然在0.8V至1V之间，报一级故障并走正常停机流程。

3)正常运行过程中，给上位机发送燃料电池系统正常运行信息。

步骤S6中：

1)接收到停机指令后，先打开氢尾排电磁阀，然后切断主负载。

2)接上辅助负载。

3)调节比例阀开度，保证氢气入堆压力在低范围；调节空压机的转速至20000rpm。

4)调节氢气尾排，切换至1s/0.5s的吹扫模式；调节空尾排电磁阀，切换至2s/0.5s的吹扫模式；同时氢气循环泵在较大转速下运行。

5)氢气吹扫的同时，增大电堆散热水泵转速，及电堆散热风扇的转速，加快散热(尽量在1min之内，保证电堆入堆冷却液的温度低于45℃，然后切断散热风扇和电堆散热水泵，电堆散热完毕)；与此同时，提高散热风扇的转速，降低散热水泵出水口温度，使之不高于55℃，切断散热风扇和水泵(保证在1min之内完成)。

6)氢尾排和空尾排吹扫时间大概10-20s(当氢尾排和空尾排没有明显的液态水珠排出时，视为吹扫完毕)，这时，先切断氢气循环泵，延迟1s后再切断比例阀前电磁阀；同时，关闭空压机和空尾排电磁阀。

7)当比例阀前氢压小于80kpa，先后关闭比例阀和氢尾排电磁阀，至此，氢气回路完全关闭。

8)当电压降至39V以下，切断耗电小电阻(该过程可以反复几次，每次持续时间不宜过长，保证电堆电压最终不会出现回升现象)

9)燃料电池系统完全停止工作前，给上位机发送正在停机信息。

10)至此实现了电堆的正常停机流程，并进入待机状态。

11)停机完成，处于待机状态，给上位机发送氢燃料电池系统完全正常停止信息。

另外，故障停机的情况可包括单片电压过低、电堆温度持续过高、等其他一级故障。紧急停机的情况可包括空气入堆压力过大、氢循环泵通讯故障、氢控制器通讯故障、氢气罐高压过大、氢气罐温度高、氢气罐温度低、前氢压高、前氢压传感器故障、入堆氢压高、入堆氢压低(开路时除外)、入堆氢压传感器故障、氢气浓度高、氢气浓度传感器故障、电堆散热水泵故障、电堆入口水压过低及电堆出入口压差过低等。

综上，本发明提供的氢燃料电池控制系统及方法，能对氢燃料电池工作中的各个步骤进行全面的控制，大大提供了氢燃料电池使用时的安全性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种氢燃料电池控制系统，其特征在于，包括中控模块以及与所述中控模块电连接的电源、氢气模块、空气模块、散热模块及多个传感器；

所述中控模块用于控制整个系统的工作，所述电源用于为整个系统供电；

所述氢气模块包括氢控制器、氢气循环泵及氢气尾排；

所述空气模块包括空压机及空气尾排；

所述散热模块包括散热水泵、散热管路及散热风扇，用于为氢燃料电池的电堆散热；

多个传感器中包括压力传感器、温度传感器、空气流量传感器、氢气浓度传感器、电堆的电流传感器及电压传感器。

2.一种氢燃料电池控制方法，其特征在于，该方法利用如权利要求1所述的氢燃料电池控制系统，且包括如下步骤：

S1，接通电源，中控模块检测氢燃料电池控制系统的初始状态是否正常，若正常则进入步骤S2；

S2，开启散热模块，并检测散热模块是否正常开启，若是则进入步骤S3；

S3，开启氢气模块，并检测氢气模块是否正常开启，若是则进入步骤S4；

S4，开启空气模块，并检测空气模块是否正常开启，若是则进入步骤S5；

S5，氢燃料电池的电堆开始工作，并检测氢燃料电池是否正常启动，工作过程中，根据负载电流变化，中控模块自动调节氢气模块、空气模块及散热模块的工作参数，并持续检测氢燃料电池控制系统中的多个传感器的数据是否正常，若正常则维持氢燃料电池的正常工作；

以上各步骤中，若发生异常，则氢燃料电池控制系统将异常信息发送给上位机，并使氢燃料电池停止工作。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池控制方法，其特征在于，步骤S1中，具体包括开机自检步骤和启动前自检步骤；

接通电源后，先进行开机自检，若开机自检的结果正常则氢燃料电池控制系统进入待机状态；

待机状态的氢燃料电池控制系统接收到启动指令后，再进行启动前自检，若启动前自检的结果正常则进入步骤S2。

4.根据权利要求3所述的氢燃料电池控制方法，其特征在于，在开机自检步骤中，检测项目包括：多个传感器的初始值是否正常，系统中的绝缘阻值是否正常，系统的各模块间的通讯是否正常；

在启动前自检步骤中，检测项目包括：系统的各模块间的通讯是否正常，氢气系统的各个阀门是否在正常工作范围内，散热模块的冷却液的温度范围。

5.根据权利要求4所述的氢燃料电池控制方法，其特征在于，所述氢燃料电池控制系统还包括加热模块；在启动前自检步骤中，若检测到冷却液的温度低于预设值，则在步骤S2前，先通过加热模块加热冷却液，使冷却液的温度达到预设值。

6.根据权利要求2所述的氢燃料电池控制方法，其特征在于，氢燃料电池工作过程中，若中控模块接收到停机指令，进入步骤S6：氢燃料电池控制系统控制氢燃料电池按照预设的流程停止工作，此后氢燃料电池控制系统进入待机状态。

7.根据权利要求6所述的氢燃料电池控制方法，其特征在于，步骤S6具体包括：

S6a，中控模块接收到停机指令后，先控制氢气尾排的电磁阀打开，然后切断氢燃料电池的主负载；

S6b，氢燃料电池接通辅助负载；

S6c，调节氢气循环泵的比例阀的开度，降低氢气进入氢燃料电池的电堆的压力，并调节空压机的转速至预设值；

S6d，调节氢气尾排的电磁阀及空气尾排的电磁阀，进入氢气吹扫模式，同时提高氢气循环泵的转速；

S6e，氢气吹扫的同时，提高散热水泵的转速及散热风扇的转速，以加快散热；

S6f，氢气吹扫预设的时间后，先切断氢气循环泵，再切断氢气循环泵的比例阀前的电磁阀，并关闭空压机和空气尾排的电磁阀；

S6g，当比例阀前的氢压小于预设值时，向后关闭比例阀和氢气尾排的电磁阀，从而完全关闭氢气路；

S6h，当氢燃料电池的电堆电压降至预设值以下时，切断辅助负载；

S6i，氢燃料电池完全停止工作前，中控模块向上位机发送停机信息，此后氢燃料电池控制系统进入待机状态。

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池控制方法，其特征在于，当中控模块检测到发生故障时，进入故障停机状态；

故障停机状态下，氢燃料电池控制系统根据与步骤S6类似的步骤，控制氢燃料电池停止工作。

9.根据权利要求8所述的氢燃料电池控制方法，其特征在于，当中控模块接收到上位机发来的紧急停机指令后，进入紧急停机状态；

紧急停机状态下，依次断开氢气控制器的高、中压电磁阀，打开氢气尾排的电磁阀，关闭氢气循环泵，关闭氢气进口电磁阀，关闭空压机。

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