CN113085662A - 基于燃料压力的氢燃料电池电堆的供电方法、系统及氢燃料电动车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于燃料压力的氢燃料电池电堆的供电方法、系统及氢燃料电动车，通过压力传感器实时获取储氢装置内的气体压力，从而获取氢气的容量，根据储氢装置内的氢气的实时容量，来改变氢燃料电池电堆对锂电池进行充电的速度，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

基于燃料压力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，尤其涉及一种基于燃料压力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，即使带有压力传感器，但对储氢装置内的氢气压力的检测精度不高，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燃料压力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燃料压力的氢燃料电池电堆的供电方法，包括如下步骤：获取用于向所述氢燃料电池电堆提供氢气的氢燃料源的实时压力；当所述实时压力位于第一预设压力范围时，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；当所述实时压力位于第二预设压力范围时，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；当所述实时压力位于第三预设压力范围时，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；所述第一预设压力范围大于所述第二预设压力范围大于所述第三预设压力范围，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，所述第一预设压力范围为大于等于1Mpa；所述第二预设压力范围大于等于5Kpa且小于1Mpa；所述第三预设压力范围小于5Kpa；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，所述当所述实时压力位于第一预设压力范围时，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；当所述实时压力位于第二预设压力范围时，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还包括：当采用所述第一充电速度或所述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时，若检测到所述实时压力下降于第三预设压力范围，则采用第七充电速度继续对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕。

优选地，所述第七充电速度小于等于50％占空比。

一种基于燃料压力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和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，还包括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、及与所述控制芯片和所述储氢装置相连接的压力传感器；所述压力传感器获取所述储氢装置的实时压力；当所述实时压力位于第一预设压力范围时，所述控制芯片控制所述氢燃料电池电堆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；当所述实时压力位于第二预设压力范围时，所述控制芯片控制所述氢燃料电池电堆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；当所述实时压力位于第三预设压力范围时，所述控制芯片控制所述氢燃料电池电堆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；所述第一预设压力范围大于所述第二预设压力范围大于所述第三预设压力范围，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，所述控制芯片还控制所述氢燃料电池电堆在采用第一充电速度对锂电池进行充电之前，先采用第四充电速度进行预充电过程；或，在采用第二充电速度进行充电之前，先采用第五充电速度进行预充电过程；或，在采用第三充电速度进行充电之前，先采用第六充电速度进行预充电过程；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，当所述氢燃料电池电堆采用所述第一充电速度或所述第二充电速度对锂电池进行充电时，若所述压力传感器检测到所述实时压力下降于第三预设压力范围，则所述控制芯片控制所述氢燃料电池电堆采用第七充电速度继续对所述锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；所述第七充电速度小于等于50％占空比。

一种氢燃料电动车，通过上述任一所述的基于燃料压力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.通过获取储氢装置内的气体压力，从而获取氢气的容量，根据储氢装置内的氢气的实时容量，来改变所述氢燃料电池电堆对锂电池的充电速度，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燃料压力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燃料压力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燃料压力的氢燃料电池电堆的供电方法，包括如下步骤：

获取用于向氢燃料电池电堆提供氢气的氢燃料源的实时压力；

根据实时检测到的不同的压力段实施不同的充电模式：

当实时压力位于第一预设压力范围时，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；

当实时压力位于第二预设压力范围时，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；

当实时压力位于第三预设压力范围时，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。

第一预设压力范围大于第二预设压力范围大于第三预设压力范围，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：当氢气余量较多时，则采用较高的充电速度；当氢气的容量较低时，则采用较小的充电速度进行充电，最有效的将氢气转化为电能。

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，先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，先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，先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，对于存储单元内的氢气储量余量不低但也不够充足的时候，此时要求的正常充电速度通常与余量较高时的充电速度相近，而由于本身余量有所欠缺，故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。通常应用于第二预设压力范围。

较佳地，第一预设压力范围为大于等于1Mpa，也成为高压区域段；第二预设压力范围大于等于5Kpa且小于1Mpa，也成为中压区域段；第三预设压力范围小于5Kpa，也成为低压区域段。

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，优选为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，优选为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。

较佳地，由于在使用过程中，氢气在不断减少，考虑动态过程，即使当前检测到的氢气压力为高压区域段，使用一段时间过后，可能下降为中压区域段，再经一段时间则下降为低压区域段；当前检测到的氢气压力为中压区域段也同样，使用一段时间过后，可能下降为低压区域段。此时若继续使用原先设定的充电速度进行充电直至锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕则是不可取的，故当采用第一充电速度或第二充电速度通过氢燃料电池电堆对锂电池进行充电时，若检测到实时压力下降于第三预设压力范围，则采用第七充电速度继续对锂电池进行充电，直至锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕。

较佳地，第七充电速度小于等于50％占空比，优选为50％占空比。

参见附图1，本发明还公开了一种基于燃料压力的氢燃料电池电堆的供电系统，可以用于实施上述基于燃料压力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；

-压力传感器，与控制芯片和储氢装置相连接，用于检测储氢装置的气体压力。

供电系统在工作时，压力传感器获取储氢装置的实时压力：

当实时压力位于第一预设压力范围时，则控制储氢装置先采用第四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；

当实时压力位于第二预设压力范围时，则控制储氢装置先采用第五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；

当实时压力位于第三预设压力范围时，则控制储氢装置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。

第一预设压力范围、第二预设压力范围、第三预设压力范围、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。

较佳地，当储氢装置采用第一充电速度或第二充电速度通过氢燃料电池电堆对锂电池进行充电时，若压力传感器检测到实时压力下降于第三预设压力范围，则控制芯片控制氢燃料电池电堆采用第七充电速度继续对锂电池进行充电，直至锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；第七充电速度小于等于50％占空比，优选50％占空比。

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。

实时检测氢气压力，并根据不同的压力段实施不同的充电模式：

若处于高压区域段，则先采用50％占空比pwm进行30s的预充电，再采用100％占空比pwm充电，直至电池充满；这个过程中如果压力下降为中压区域，则充电模式不受影响；而如果压力下降为低压区域，则始终使用50％占空比pwm，直至电池充满，或者气瓶用完则；

若处于中压区域，则先采用30％占空比pwm进行30s的第一个预充电阶段，再采用60％占空比pwm进行30s的第二个预充电阶段，接着采用100％占空比pwm充电，直至电池充满；这个过程中如果压力下降为低压区域，则始终使用50％占空比pwm，直至电池充满，或者气瓶用完则。

若处于低压区域，则先采用30％占空比pwm进行30s的预充电，再采用50％占空比pwm充电，直至电池充满，或者气瓶用完则。

本发明通过压力传感器实时获取储氢装置的气体压力，从而获取储氢装置内的氢气余量，根据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，包括上述的基于燃料压力的氢燃料电池电堆的供电系统，通过上述的基于燃料压力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 (10)

1.一种基于燃料压力的氢燃料电池电堆的供电方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取用于向所述氢燃料电池电堆提供氢气的氢燃料源的实时压力；

当所述实时压力位于第一预设压力范围时，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；

当所述实时压力位于第二预设压力范围时，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；

当所述实时压力位于第三预设压力范围时，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；

所述第一预设压力范围大于所述第二预设压力范围大于所述第三预设压力范围，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，所述第一预设压力范围为大于等于1Mpa；所述第二预设压力范围大于等于5Kpa且小于1Mpa；所述第三预设压力范围小于5Kpa；

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，所述当所述实时压力位于第一预设压力范围时，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；当所述实时压力位于第二预设压力范围时，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还包括：

当采用所述第一充电速度或所述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时，若检测到所述实时压力下降于第三预设压力范围，则采用第七充电速度继续对锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕。

6.根据权利要求5所述的供电方法，其特征在于，所述第七充电速度小于等于50％占空比。

7.一种基于燃料压力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和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，其特征在于，还包括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、及与所述控制芯片和所述储氢装置相连接的压力传感器；

所述压力传感器获取所述储氢装置的实时压力；

当所述实时压力位于第一预设压力范围时，所述控制芯片控制所述氢燃料电池电堆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；

当所述实时压力位于第二预设压力范围时，所述控制芯片控制所述氢燃料电池电堆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；

当所述实时压力位于第三预设压力范围时，所述控制芯片控制所述氢燃料电池电堆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；

所述第一预设压力范围大于所述第二预设压力范围大于所述第三预设压力范围，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。

8.根据权利要求7所述的供电系统，其特征在于，所述控制芯片还控制所述氢燃料电池电堆在采用第一充电速度对锂电池进行充电之前，先采用第四充电速度进行预充电过程；

或，在采用第二充电速度进行充电之前，先采用第五充电速度进行预充电过程；

或，在采用第三充电速度进行充电之前，先采用第六充电速度进行预充电过程；

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。

9.根据权利要求7所述的供电系统，其特征在于，当所述氢燃料电池电堆采用所述第一充电速度或所述第二充电速度对锂电池进行充电时，若所述压力传感器检测到所述实时压力下降于第三预设压力范围，则所述控制芯片控制所述氢燃料电池电堆采用第七充电速度继续对所述锂电池进行充电，直至所述锂电池被充满或氢燃料源消耗完毕；

所述第七充电速度小于等于50％占空比。

10.一种氢燃料电动车，其特征在于，通过上述权利要求1-6任一所述的基于燃料压力的氢燃料电池电堆的供电方法进行供电。

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