CN113085661A - 基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法、系统及氢燃料电动车 - Google Patents

基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法、系统及氢燃料电动车 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法、系统及氢燃料电动车，控制芯片根据负载端的电流和电压，从而获取所述负载端的当前功率，再依据储氢装置可提供的总功率，获取当前储氢装置内的氢气剩余量，无须其他检测手段，也无须其他外部组件，即可随时获知氢气剩余量，方便使用和替换。且通过控制芯片对充电电路进行有效控制，从而改变氢燃料电池电堆对锂电池的充电模式，提高氢气有效使用率，使得氢气的使用时间更长，加长氢燃料电动车的行程。

Description

基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法、系统及氢燃料 电动车
技术领域
本发明涉及氢燃料电池管理技术领域，尤其涉及一种基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法、系统及氢燃料电动车。
背景技术
氢燃料电池是一种使用氢气作为燃料，通过与氧气的化学反应而产生电能的装置，其副产物只有水，因此氢燃料电池在交通设备领域内得到了快速发展，利用使用氢燃料电池作为机动车、非机动车的电能来源，由此，通过氢燃料电池作为助力的自行车成为了一种理想的绿色出行交通工具。
由于氢燃料电池是基于氢气和氧气在电解质中的扩散，其动态响应速度与其扩散速度有关。因此并不适合高频率、大动态负载变化的应用。而电动车在使用过程中，需要电能快速响应、提供，因此，在使用的初期，常出现氢燃料电池功能不足或功能较慢，而在使用的过程中，电动车在不同道路中的骑行过程又将对电能有着不少动态变化的需求，因此对氢燃料电池的电堆提出了不少要求。例如在上坡过程中，由于电动车电机所需电能较高，氢燃料电池的输出电流也将动态变化，易造成氢燃料电池电堆的损坏和过载。
由此，氢燃料电池电堆常与锂电池搭配，共同形成氢燃料电动车，如何有效利用氢燃料电池电堆，并将其作为主电源，锂电池为副电源向电动车供电，是需要解决的技术问题。
目前出于成本考虑，现有产品不带压力传感器，因此对氢气瓶内氢气量是未知的，所以不能根据氢气量有效控制充电电路，不能最有效的将氢气转化为电能。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种提高氢气有效使用率的基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法、系统及氢燃料电动车。
本发明公开了一种基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法，包括如下步骤：获取与氢燃料源的储量相对应的所述氢燃料电池电堆的供电总量，从而获取所述氢燃料电池电堆的供电总功率W，所述氢燃料源用于向所述氢燃料电池电堆提供氢气；实时检测获取所述氢燃料电池电堆的负载端的电流和电压，从而获取所述负载端的当前功率；累计所述当前功率，获取所述累计时间段内所消耗的功率W1，从而获取所述氢燃料源的剩余储量W2；W＝W1+W2；累计获取所述氢燃料电池电堆的供电时间；当所述供电时间小于第一预设时间段时，采用第一充电速度通过所述氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；当所述供电时间小于第二预设时间段且大于第一预设时间段时，采用第二充电速度通过所述氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；当所述供电时间大于第二预设时间段时，采用第三充电速度通过所述氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；所述第一预设时间段小于所述第二预设时间段，所述第一充电速度大于等于所述第二充电速度大于等于所述第三充电速度。
优选地，所述采用第一充电速度/第二充电速度/第三充电速度对通过所述氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕之前还包括：对所述锂电池进行预充电，所述预充电的时间小于一分钟；采用第一充电速度进行充电之前，采用第四充电速度进行所述预充电过程；采用第二充电速度进行充电之前，采用第五充电速度进行所述预充电过程；采用第三充电速度进行充电之前，采用第六充电速度进行所述预充电过程；所述第四充电速度小于所述第一充电速度；所述第五充电速度小于所述第二充电速度；所述第六充电速度小于所述第三充电速度；且所述第四充电速度大于等于所述第五充电速度大于等于所述第六充电速度。
优选地，所述预充电过程还包括数个次级预充阶段，数个所述次级预充阶段所采用的充电速度不同。
优选地，所述第一预设时间段大于等于4h且小于等于6h；所述第二预设时间段大于等于9h且小于等于11h；所述第一充电速度为100％占空比；所述第二充电速度大于等于50％占空比且小于等于100％占空比；所述第三充电速度小于等于50％占空比；所述第四充电速度大于等于40％占空比且小于等于60％占空比；所述第五充电速度大于等于30％占空比且小于等于60％占空比；所述第六充电速度小于等于30％占空比。
优选地，所述累计所述当前功率，获取所述累计时间段内所消耗的功率W1，从而获取所述氢燃料源的剩余储量W2还包括：当完成一个所述累计时间段或所述氢燃料源消耗完毕时，则停止累计所述当前功率、并清空累计值。
优选地，一个所述累计时间段为所述氢燃料源的存储单元内的所述氢燃料源从满容量至消耗完毕的时间。
本发明还公开了一种基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电系统，包括与所述氢燃料电池电堆共同向负载端供电的锂电池，还包括用于向所述用于向所述氢燃料电池电堆提供氢气的储氢装置、设于所述储氢装置与所述氢燃料电池电堆之间的控制芯片；获取与所述储氢装置满容量相对应的所述氢燃料电池电堆的供电总量，从而获取所述氢燃料电池电堆的供电总功率W；所述控制芯片实时检测获取所述氢燃料电池电堆的负载端的电流和电压，从而获取所述负载端的当前功率；所述控制芯片累计所述当前功率，获取所述累计时间段内所消耗的功率W1，从而获取所述氢燃料源的剩余储量W2；W＝W1+W2。
优选地，所述控制芯片累计获取所述氢燃料电池电堆的供电时间；当所述供电时间小于第一预设时间段时，则控制所述氢燃料电池电堆先采用第四充电速度对锂电池进行预充电过程，再采用第一充电速度对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；当所述供电时间小于第二预设时间段且大于第一预设时间段时，则控制所述氢燃料电池电堆先采用第五充电速度对锂电池进行预充电过程，再采用第二充电速度对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；当所述供电时间大于第二预设时间段时，则控制所述氢燃料电池电堆先采用第六充电速度锂电池进行预充电过程，再采用第三充电速度对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；所述第一预设时间段小于所述第二预设时间段；所述第一充电速度大于等于所述第二充电速度大于等于所述第三充电速度；所述第四充电速度小于所述第一充电速度；所述第五充电速度小于所述第二充电速度；所述第六充电速度小于所述第三充电速度；且所述第四充电速度大于等于所述第五充电速度大于等于所述第六充电速度。
本发明还公开了一种氢燃料电动车，通过上述的基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法进行供电。
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.控制芯片根据负载端的电流和电压，从而获取所述负载端的当前功率，再依据储氢装置可提供的总功率，获取当前储氢装置内的氢气剩余量，无须其他检测手段，也无须其他外部组件，即可随时获知氢气剩余量，方便使用和替换；
2.通过控制芯片对充电电路进行有效控制，从而改变充电模式，提高氢气有效使用率，使得氢气的使用时间更长，加长氢燃料电动车的行程。
附图说明
图1为本发明提供的基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电系统的结构框图；
图2为本发明提供的基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法的一优选实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。
本发明公开了一种基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法，包括获知氢气剩余量和改变氢气充电方式两个部分。
首先，获取与用于向氢燃料电池电堆充电的氢燃料源的储量相对应的氢燃料电池电堆的供电总量，从而获取氢燃料电池电堆的供电总功率W，例如，充满氢气的存储单元的氢气储量可以转化为1kw的电功率，而对于不同存储单元的容积的不同，可以提供的电功率也不同。
对于获取氢气剩余量，实时检测获取氢燃料电池电堆的负载端的电流和电压，从而获取负载端的当前功率。通过累计当前功率，即可获取累计时间段内所消耗的功率W1，从而依据公式W＝W1+W2获取氢燃料源的剩余储量W2。当W1等于W，则说明存储单元内的氢气已经全部消耗完毕。此时需要更换存储单元，在更换存储单元后需要将累计的功率清零。
对于改变氢气充电方式，即根据累计时间来预测存储单元的气体容量，从而有效控制氢燃料电池电堆对锂电池的充电模式。
具体的，首先累计获取氢燃料电池电堆的供电时间，判断：
当供电时间小于第一预设时间段时，则采用第一充电速度通过氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
当供电时间小于第二预设时间段且大于第一预设时间段时，则采用第二充电速度通过氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
当供电时间大于第二预设时间段时，则采用第三充电速度通过氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕。
第一预设时间段小于第二预设时间段，第一充电速度大于等于第二充电速度大于等于第三充电速度。控制原则即为：当累计使用时间过长，则采用较小的充电速度继续充电，防止氢燃料电池电堆的损坏和过载。
较佳地，为了进一步保护氢燃料电池电堆，在进行正常充电前还需对锂电池进行预充电，预充电的时间小于一分钟。
具体的，采用第一充电速度进行充电之前，采用第四充电速度进行预充电过程；采用第二充电速度进行充电之前，采用第五充电速度进行预充电过程；采用第三充电速度进行充电之前，采用第六充电速度进行预充电过程。
预充电的充电速度小于正常充电的速度，即第四充电速度小于第一充电速度、第五充电速度小于第二充电速度、第六充电速度小于第三充电速度。且预充电的速度不能过小，要与当前要使用的正常充电速度相匹配，即第四充电速度大于等于第五充电速度大于等于第六充电速度。
较佳地，对于累计充电时间较长、而存储单元内的氢气储量又还余量较足的时候，需要将预充电过程设置为多个次级预充阶段，数个次级预充阶段所采用的充电速度不同，通过逐级增加速度来最大程度的保护氢燃料电池电堆。
较佳地，第一预设时间段大于等于4h且小于等于6h，优选为5小时。第二预设时间段大于等于9h且小于等于11h，优选为10小时。
第一充电速度为100％占空比。第二充电速度大于等于50％占空比且小于等于100％占空比，优选同第一充电速度一样，也是100％占空比。第三充电速度小于等于50％占空比，优选50％占空比。第四充电速度与第一充电速度相匹配，应大于等于40％占空比且小于等于60％占空比，优选50％占空比，预充电时间为30秒。第五充电速度与第二充电速度相匹配，应大于等于30％占空比且小于等于60％占空比，优选60％占空比，由于在使用第二充电速度进行充电时，此时累计充电时间已经较长、而存储单元内的氢气储量又还余量较足，故需要将预充电过程分为两个次级预充阶段，每个30秒，先采用30％占空比的速度进行第一个次级预充电过程，再采用60％占空比进行第二个预充电过程。第六充电速度与第三充电速度相匹配，应小于等于30％占空比，预充电时间为30秒。
需要说明的是，本发明实施例涉及的充电速度具体值和范围值并不限制充电速度的选择，对于某些特殊应用场景，也可以将采用其他的数值。
较佳地，累计时间段可为预设时间段，当完成一个累计时间段或氢燃料源消耗完毕时，则停止累计当前功率、并清空累计值，实现一个特定时间段内的充电过程控制。
而在实际应用过程中，一个累计时间段通常即为氢燃料源的存储单元内的氢燃料源从满容量至消耗完毕的时间，当每次更换存储单元时，都应当停止累计当前功率、并清空累计值。
参见附图1，本发明还公开了一种基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电系统，可以用于实施上述基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法，包括：
-负载端，通电进行工作；
-氢燃料电池电堆，与负载端和锂电池连接，用于向负载端和锂电池供电；
-锂电池，与负载端连接，与氢燃料电池电堆共同向负载端供电；
-储氢装置，与氢燃料电池电堆连接，用于向氢燃料电池电堆提供氢气；
-控制芯片，设于储氢装置与氢燃料电池电堆之间。
由控制芯片控制进行供电操作。具体的，首先计算获取与储氢装置满容量相对应的氢燃料电池电堆的供电总量，从而获取氢燃料电池电堆的供电总功率W。一般来说，储氢装置在设计时，即根据相关属性获知供电总量，二不同型号的不同容量的储氢装置即有对应的供电总量值。
控制芯片实时检测获取氢燃料电池电堆的负载端的电流和电压，从而获取负载端的当前功率。控制芯片累计当前功率，获取累计时间段内所消耗的功率W1，从而依据公式W＝W1+W2计算获取氢燃料源的剩余储量W2。
控制芯片累计获取氢燃料电池电堆的供电时间，根据不同的供电时间来调整充电速度：
当供电时间小于第一预设时间段时，则控制氢燃料电池电堆先采用第四充电速度对锂电池进行预充电过程，再采用第一充电速度对锂电池进行充电，直至锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
当供电时间小于第二预设时间段且大于第一预设时间段时，则控制氢燃料电池电堆先采用第五充电速度对锂电池进行预充电过程，再采用第二充电速度对锂电池进行充电，直至锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
当供电时间大于第二预设时间段时，则控制氢燃料电池电堆先采用第六充电速度通过氢燃料电池电堆对锂电池进行预充电过程，再采用第三充电速度对锂电池进行充电，直至锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕。
第一预设时间段、第二预设时间段、第一充电速度、第二充电速度、第三充电速度、第四充电速度、第五充电速度、第六充电速度与前文所述的要求等同，在此不再赘述。
参见附图2，下面通过一实施例具体说明本发明的实现流程。
控制芯片通过获知氢气剩余量判断是否需要更换储氢装置，若需要，则将主控芯片上的累计时间清零，并开始实时采集负载电压和电流和工作时间；若不需要，则直接开始实时采集负载电压和电流和工作时间。
主控芯片判断当前累计工作时长：
若累计工作时间小于5小时，则采用50％占空比pwm充电30s进行预充电，再采用100％占空比pwm进行正常充电，直至电池充满，或者储氢装置内的氢气用完则结束。
若累计时间超过5小时且不满10小时，则采用30％占空比pwm进行第一个次级预充电过程，充电30s，再采用60％占空比pwm充电30s进行第二个次级预充电过程充电30s，最后被使用100％占空比pwm进行正常充电，直至电池充满，或者储氢装置内的氢气用完则结束。
若累计超过10小时，则采用30％占空比pwm充电30s进行预充电，再采用50％占空比pwm进行正常充电，直至电池充满，或者储氢装置内的氢气用完则结束。
本发明通过根据储氢装置内的氢气余量来实时调节充电速度，可以有效提高氢气有效使用率，使得氢气的使用时间更长。
本发明还公开了一种氢燃料电动车，包括上述的基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电系统，通过上述的基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法进行供电，使得电动车的行程更长。
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取与氢燃料源的储量相对应的所述氢燃料电池电堆的供电总量，从而获取所述氢燃料电池电堆的供电总功率W，所述氢燃料源用于向所述氢燃料电池电堆提供氢气；
实时检测获取所述氢燃料电池电堆的负载端的电流和电压，从而获取所述负载端的当前功率；累计所述当前功率，获取所述累计时间段内所消耗的功率W1，从而获取所述氢燃料源的剩余储量W2；W＝W1+W2；
累计获取所述氢燃料电池电堆的供电时间；
当所述供电时间小于第一预设时间段时，采用第一充电速度通过所述氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
当所述供电时间小于第二预设时间段且大于第一预设时间段时，采用第二充电速度通过所述氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
当所述供电时间大于第二预设时间段时，采用第三充电速度通过所述氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
所述第一预设时间段小于所述第二预设时间段，所述第一充电速度大于等于所述第二充电速度大于等于所述第三充电速度。
2.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，所述采用第一充电速度/第二充电速度/第三充电速度通过所述氢燃料电池电堆对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕之前还包括：
对所述锂电池进行预充电，所述预充电的时间小于一分钟；
采用第一充电速度进行充电之前，采用第四充电速度进行所述预充电过程；
采用第二充电速度进行充电之前，采用第五充电速度进行所述预充电过程；
采用第三充电速度进行充电之前，采用第六充电速度进行所述预充电过程；
所述第四充电速度小于所述第一充电速度；所述第五充电速度小于所述第二充电速度；所述第六充电速度小于所述第三充电速度；且所述第四充电速度大于等于所述第五充电速度大于等于所述第六充电速度。
3.根据权利要求2所述的供电方法，其特征在于，所述预充电过程还包括数个次级预充阶段，数个所述次级预充阶段所采用的充电速度不同。
4.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，所述第一预设时间段大于等于4h且小于等于6h；所述第二预设时间段大于等于9h且小于等于11h；
所述第一充电速度为100％占空比；所述第二充电速度大于等于50％占空比且小于等于100％占空比；所述第三充电速度小于等于50％占空比；
所述第四充电速度大于等于40％占空比且小于等于60％占空比；所述第五充电速度大于等于30％占空比且小于等于60％占空比；所述第六充电速度小于等于30％占空比。
5.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，所述累计所述当前功率，获取所述累计时间段内所消耗的功率W1，从而获取所述氢燃料源的剩余储量W2还包括：
当完成一个所述累计时间段或所述氢燃料源消耗完毕时，则停止累计所述当前功率、并清空累计值。
6.根据权利要求5所述的供电方法，其特征在于，一个所述累计时间段为所述氢燃料源的存储单元内的所述氢燃料源从满容量至消耗完毕的时间。
7.一种基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电系统，包括与所述氢燃料电池电堆共同向负载端供电的锂电池，其特征在于，还包括用于向所述用于向所述氢燃料电池电堆提供氢气的储氢装置、设于所述储氢装置与所述氢燃料电池电堆之间的控制芯片；
获取与所述储氢装置满容量相对应的所述氢燃料电池电堆的供电总量，从而获取所述氢燃料电池电堆的供电总功率W；
所述控制芯片实时检测获取所述氢燃料电池电堆的负载端的电流和电压，从而获取所述负载端的当前功率；
所述控制芯片累计所述当前功率，获取所述累计时间段内所消耗的功率W1，从而获取所述氢燃料源的剩余储量W2；W＝W1+W2。
8.根据权利要求7所述的供电系统，其特征在于，所述控制芯片累计获取所述氢燃料电池电堆的供电时间；
当所述供电时间小于第一预设时间段时，则控制所述氢燃料电池电堆先采用第四充电速度对锂电池进行预充电过程，再采用第一充电速度对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
当所述供电时间小于第二预设时间段且大于第一预设时间段时，则控制所述氢燃料电池电堆先采用第五充电速度对锂电池进行预充电过程，再采用第二充电速度对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
当所述供电时间大于第二预设时间段时，则控制所述氢燃料电池电堆先采用第六充电速度锂电池进行预充电过程，再采用第三充电速度对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；
所述第一预设时间段小于所述第二预设时间段；
所述第一充电速度大于等于所述第二充电速度大于等于所述第三充电速度；所述第四充电速度小于所述第一充电速度；所述第五充电速度小于所述第二充电速度；所述第六充电速度小于所述第三充电速度；且所述第四充电速度大于等于所述第五充电速度大于等于所述第六充电速度。
9.一种氢燃料电动车，其特征在于，通过上述权利要求1-6任一所述的基于供电时长的氢燃料电池电堆的供电方法进行供电。
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