CN113270618A - 一种氢燃料电池系统、方法和轨道车辆 - Google Patents

一种氢燃料电池系统、方法和轨道车辆 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开了一种氢燃料电池系统、方法和轨道车辆，氢燃料电池系统包括氢燃料电池和控制器；所述氢燃料电池至少包括两个电堆单元：第一电堆单元和第二电堆单元；所述第一电堆单元与所述第二电堆单元并联；其中，所述第一电堆单元包括第一电堆模块和第一DC/DC转换器，所述第二电堆单元包括第二电堆模块和第二DC/DC转换器；所述控制器，用于根据所述氢燃料电池系统的用电需求确定是否启动所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。基于此，与传统单模块氢燃料电池系统相比，此系统具有输出功率大和多模块冗余结构等优点，而与简单的多套系统并联结构相比，此系统的紧凑性好，在轨道车辆等应用场景中可以有效减小布置空间。

Description

一种氢燃料电池系统、方法和轨道车辆
技术领域
本申请涉及能源技术领域，特别是涉及一种氢燃料电池系统、方法和轨道车辆。
背景技术
由于氢燃料电池的无污染、能量密度高等优点，氢燃料电池在作为地铁列车用备用电源领域具有重大潜力。燃料电池以氢气和氧气为反应物，生成电与水。转换效率高且完全无污染、零排放，是未来车载能源的发展方向。但传统单模块氢燃料电池并联输出系统具有体积大、重量大、效率低等缺点，不利于燃料电池的推广应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种氢燃料电池系统、方法和轨道车辆，缩小了氢燃料电池系统所占用的布置空间。
有鉴于此，本申请实施例公开了如下技术方案：
一方面，本申请实施例提供了一种氢燃料电池系统，所述氢燃料电池系统包括氢燃料电池和控制器；
所述氢燃料电池至少包括两个电堆单元：第一电堆单元和第二电堆单元；
所述第一电堆单元与所述第二电堆单元并联；其中，所述第一电堆单元包括第一电堆模块和第一DC/DC转换器，所述第二电堆单元包括第二电堆模块和第二DC/DC转换器；
所述第一DC/DC转换器，用于连接所述第一电堆模块和所述控制器；
所述第二DC/DC转换器，用于连接所述第二电堆模块和所述控制器；
所述控制器，用于根据所述氢燃料电池系统的用电需求确定是否启动所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。
在一种可能的实现方式中，若确定启动所述第一电堆模块，所述控制器用于：
向所述第一DC/DC转换器发送启动指令；
所述第一DC/DC转换器，用于接收所述启动指令，并根据所述启动指令，控制所述第一电堆模块启动。
在一种可能的实现方式中，若确定启动所述第一电堆模块，所述控制器还用于：
根据所述氢燃料电池系统的用电需求和所述第一电堆模块的健康状态，确定所述第一电堆模块的输出功率；
所述向所述第一DC/DC转换器发送启动指令包括：
向所述第一DC/DC转换器发送携带有所述输出功率的启动指令。
在一种可能的实现方式中，若确定启动所述第二电堆模块，所述控制器，用于向所述第二DC/DC转换器发送启动指令；
所述第二DC/DC转换器，用于接收所述启动指令，并根据所述启动指令，控制所述第二电堆模块启动。
在一种可能的实现方式中，若确定启动所述第二电堆模块，所述控制器还用于：
根据所述氢燃料电池系统的用电需求和所述第二电堆模块的健康状态，确定所述第二电堆模块的输出功率；
所述向所述第二DC/DC转换器发送启动指令包括：
向所述第二DC/DC转换器发送携带有所述输出功率的启动指令。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述氢燃料电池系统的用电需求确定所述第一电堆模块和所述第二电堆模块的启动包括：
根据所述氢燃料电池系统的用电需求、所述第一电堆模块的最佳输出功率以及所述第二电堆模块的最佳输出功率确定是否启动所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。
在一种可能的实现方式中，所述氢燃料电池系统还包括空气供给子系统、氢气供给子系统和冷却子系统。
在一种可能的实现方式中，所述氢燃料电池系统还包括储能电池。
另一方面，本申请实施例还提供了一种应用于上述方面所述氢燃料电池系统的方法，所述方法包括：
所述控制器确定所述氢燃料电池系统的用户需求；
所述控制器根据所述用电需求，确定是否开启所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。
另一方面，本申请实施例还提供了一种轨道车辆，包括上述方面任一项所述的氢燃料电池系统。
由上述技术方案可以看出，氢燃料电池系统包括氢燃料电池和控制器；所述氢燃料电池至少包括两个电堆单元：第一电堆单元和第二电堆单元；所述第一电堆单元与所述第二电堆单元并联；其中，所述第一电堆单元包括第一电堆模块和第一DC/DC转换器，所述第二电堆单元包括第二电堆模块和第二DC/DC转换器；所述第一DC/DC转换器，用于连接所述第一电堆模块和所述控制器；所述第二DC/DC转换器，用于连接所述第二电堆模块和所述控制器；所述控制器，用于根据所述氢燃料电池系统的用电需求确定是否启动所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。基于此，与传统单模块氢燃料电池系统相比，此系统具有输出功率大和多模块冗余结构等优点，而与简单的多套系统并联结构相比，此系统的紧凑性好，在轨道车辆等应用场景中可以有效减小布置空间。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种氢燃料电池系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种氢燃料电池系统的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种氢燃料电池系统的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种应用于氢燃料电池系统的方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请的实施例进行描述。
参见图1，图1为本申请实施例提供的一种氢燃料电池系统的结构示意图。如图1所示，该氢燃料电池系统包括氢燃料电池10和控制器20：
氢燃料电池101至少包括两个电堆单元：第一电堆单元101和第二电堆单元102，其中，第一电堆单元101与第二电堆单元102并联。第一电堆单元101包括第一电堆模块1010和第一DC/DC转换器1011，第二电堆单元102包括第二电堆模块1020和第二DC/DC转换器1021。
需要说明的是，第一DC/DC转换器1011，用于连接第一电堆模块1010和控制器20。如图1所示，控制器20的输出端通过第一DC/DC转换器1011与第一电堆模块1010的输入端相连，第一电堆模块1010的输出端通过第一DC/DC转换器1011与控制器20相连。
同样的，第二DC/DC转换器1021，用于连接第二电堆模块1020和控制器20。如图1所示，控制器20的输出端通过第二DC/DC转换器1021与第二电堆模块1020的输入端相连，第二电堆模块1020的输出端通过第二DC/DC转换器1021与控制器20相连。
在应用过程中，控制器20根据氢燃料电池系统的用电需求确定是否启动第一电堆模块1010和第二电堆模块1020。具体的，控制器20连接氢燃料电池系统的负载，控制器20通过计算氢燃料电池每个负载的总用电需求，确定出氢燃料电池所需提供的输出功率。若第一电堆模块1010的输出功率能够满足氢燃料电池系统的用电需求，确定启动第一电堆模块1010。若第一电堆模块1010的输出功率不满足氢燃料电池系统的用电需求，且第一电堆模块1010的输出功率和第二电堆模块1020的输出功率之和满足氢燃料电池系统的用电需求，则确定启动第一电堆模块1010和第二电堆模块1020。
需要说明的是，在确定是否启动第一电堆模块1010和第二电堆模块1020的过程中，先判断第一电堆模块的输出功率是否满足氢燃料电池系统的用电需求，还是先判断第二电堆模块的输出功率是否满足氢燃料电池系统的用电需求，在本申请实施例中不作任何限定。在实际应用中，可以预先设定判断顺序。
在一种可能的实现方式中，若确定启动第一电堆模块1010，控制器20向第一DC/DC转换器1011发送启动指令。第一DC/DC转换器1011接收到该启动指令后，根据启动指令，控制第一电堆模块1010启动。
在工作模式下，控制器20可以进一步确定第一电堆模块1010的输出功率。具体的，控制器20根据氢燃料电池系统的用电需求和第一电堆模块1010的健康状态，确定第一电堆模块1010的输出功率，然后向第一DC/DC转换器1011发送携带有输出功率的启动指令。第一DC/DC转换器1011接收到携带有输出功率的启动指令后，根据该启动指令，控制第一电堆模块1010的输出功率。其中，健康状态是指电堆模块的工作状态。在实际应用中，控制器可以通过电堆模块的输出电流、电压等参数对电堆模块的健康状态进行监控。
在一种可能的实现方式中，若确定启动第二电堆模块1020，控制器20向第二DC/DC转换器1021发送启动指令。第二DC/DC转换器1021接收到该启动指令后，根据启动指令，控制第二电堆模块1020启动。
在工作模式下，控制器20可以进一步确定第二电堆模块1020的输出功率。具体的，控制器20根据氢燃料电池系统的用电需求和第二电堆模块1020的健康状态，确定第二电堆模块1020的输出功率，然后向第二DC/DC转换器1021发送携带有输出功率的启动指令。第二DC/DC转换器1021接收到携带有输出功率的启动指令后，根据该启动指令，控制第二电堆模块1020的输出功率。
在实际应用中，若确定同时启动第一电堆模块1010和第二电堆模块1020，控制器20向第一DC/DC转换器1011和第二DC/DC转换器1021发送启动指令。第一DC/DC转换器1011接收到该启动指令后，根据启动指令，控制第一电堆模块1010启动。第二DC/DC转换器1021接收到该启动指令后，根据启动指令，控制第二电堆模块1020启动。
上述根据系统用电需求，确定启动哪一个或多个电堆模块，并通过DC/DC转换器控制电堆模块的启动，实现了对于氢燃料电池中每个电堆模块的独立控制，避免了同时启动氢燃料电池系统中的所有电堆模块导致的电量浪费，同时缩小了电堆模块所占用的布置空间。
在确定是否启动电堆模块的过程中，本申请实施例提供了一种可能的实现方式，即控制器20根据氢燃料电池系统的用电需求、第一电堆模块1010的最佳输出功率以及第二电堆模块1020的最佳输出功率确定是否启动第一电堆模块和所述第二电堆模块。
其中，最佳输出功率是指电堆模块的转换效率达到预设阈值的一定功率范围。例如，预设阈值为60％，在转换效率超过60％对应的输出功率范围为[70kw,80kw]，则电堆模块的最佳输出功率在70kw～80kw之间的任意值。
举例来讲，若氢燃料电池的用电需求为300kw，若氢燃料电池包括5个电堆模块，且每个电堆模块的最高输出功率为100kw，且每个电堆模块的最佳输出功率在[70kw,80kw]，基于上述方式，可以确定出需要启动4个电堆模块，且每个电堆模块的输出功率为75kw。
由于氢燃料电池中的电堆模块是彼此独立工作的，因此，在满足氢燃料电池系统的用电需求基础上，考虑电堆模块在工作模式下的最佳输出功率，以提高氢燃料电池系统的工作效率，减少对于电量的浪费。
上述实施例提供的氢燃料电池系统，包括氢燃料电池和控制器；所述氢燃料电池至少包括两个电堆单元：第一电堆单元和第二电堆单元；所述第一电堆单元与所述第二电堆单元并联；其中，所述第一电堆单元包括第一电堆模块和第一DC/DC转换器，所述第二电堆单元包括第二电堆模块和第二DC/DC转换器；所述第一DC/DC转换器，用于连接所述第一电堆模块和所述控制器；所述第二DC/DC转换器，用于连接所述第二电堆模块和所述控制器；所述控制器，用于根据所述氢燃料电池系统的用电需求确定是否启动所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。基于此，与传统单模块氢燃料电池系统相比，此系统具有输出功率大和多模块冗余结构等优点，而与简单的多套系统并联结构相比，此系统的紧凑性好，在轨道车辆等应用场景中可以有效减小布置空间。
参见图2，图2为本申请实施例提供的另一种氢燃料电池系统的结构示意图。如图2所示，该氢燃料电池包括空气供给子系统、氢气供给子系统和冷却子系统。
氢气供给子系统包括氢气罐201、压力调节阀202、氢气热交换器203、氢气回流泵204和调节阀205。在应用过程中，氢气存储在氢气罐201中，通过压力调节阀202经过至少一级减压后，通过氢气热交换器203进入氢燃料电池213中。如图2所示，氢气罐201中的氢气经过两级减压通过进入氢燃料电池213中，在氢燃料电池213的电堆模块中与空气中的氧气反应，生成电和水。
空气供给子系统包括压缩机206、空气冷却器207、调节阀208和加湿器209。在应用过程中，外界空气通过空气压缩机206泵入空气供给子系统管路中，通过空气冷却器207泵入氢燃料电池213中，在氢燃料电池213的电堆模块中与氢气反应，生成电和水。
冷却子系统包括冷却液循环泵210、散热片211和旁路阀212。在实际应用中，冷却子系统，用于将多余的废热通过换热系统排出。
如图2所示，氢燃料电池213包括4个电堆单元，即图2中的1#电堆、2#电堆、3#电堆和4#电堆。其中，每个电堆单元都包括一个电堆模块和一个DC/DC转换器。在实际应用过程中，控制器根据氢燃料电池系统的用电需求确定4个电堆单元中的每个电堆模块是否启动，而不需要同时启动所有电堆模块供电。
上述实施例提供的氢燃料电池系统，共用一套辅助子系统(即空气供给子系统、氢气供给子系统和冷却子系统)，与传统单模块氢燃料电池系统相比，此系统具有输出功率大和多模块冗余结构等优点，而与简单的多套系统并联结构相比，此系统的紧凑性好，在轨道车辆等应用场景中可以有效减小布置空间。
为了更好地理解本申请实施例提供的氢燃料电池中的电堆模块的工作方式，下面结合图3，对上述氢燃料电池进行具体介绍。
参见图3，图3为本申请实施例提供的另一种氢燃料电池系统的结构示意图。如图3所示，氢燃料电池包括n个电堆单元，n个电堆单元相互并联，且每个电堆单元包括一个电堆模块和一个DC/DC转换器。如图3所示，n个电堆模块分别记为电堆单元1,电堆单元2,…,电堆单元n。
在应用过程中，n个电堆模块通过n个DC/DC转换器连接至能量分配单元(PowerDistribution Unit,PDU)，通过PDU确定是否n个电堆模块中的哪一个或多个。如图3所示，若电堆模块j为n个电堆模块中的任意一个，PDU的输出端通过电堆模块j对应的DC/DC转换器连接至电堆模块j的输入端，且电堆模块j的输出端通过电堆模块j对应的DC/DC转换器连接至PDU的输入端。
对于上述PDU而言，还连接有负载，如：车载储能系统和其他用电设备，以便电堆模块通过PDU向负载供电。此外，氢燃料电池中还可以包括储能电池，作为备用电池为氢燃料电池系统工作。在实际应用中，储能电池通过能量管理系统(Battery Managed System,BMS)与PDU相连，通过PDU控制储能电池工作。
上述是实施例提供的氢燃料电池系统，包括氢燃料电池和控制器；所述氢燃料电池至少包括两个电堆单元：第一电堆单元和第二电堆单元；所述第一电堆单元与所述第二电堆单元并联；其中，所述第一电堆单元包括第一电堆模块和第一DC/DC转换器，所述第二电堆单元包括第二电堆模块和第二DC/DC转换器；所述第一DC/DC转换器，用于连接所述第一电堆模块和所述控制器；所述第二DC/DC转换器，用于连接所述第二电堆模块和所述控制器；所述控制器，用于根据所述氢燃料电池系统的用电需求确定是否启动所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。基于此，与传统单模块氢燃料电池系统相比，此系统具有输出功率大和多模块冗余结构等优点，而与简单的多套系统并联结构相比，此系统的紧凑性好，在轨道车辆等应用场景中可以有效减小布置空间。
针对上述实施例提供的氢燃料电池系统，本申请还提供了一种应用于上述实施例提供的氢燃料电池系统的方法。如图4所示，该方法包括：
S401：所述控制器确定所述氢燃料电池系统的用户需求；
S402：所述控制器根据所述用电需求，确定是否开启所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。
针对上述实施例提供的氢燃料电池系统，本申请还提供了一种轨道车辆，该轨道车辆包括上述实施例提供的氢燃料电池系统。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质可以是下述介质中的至少一种：只读存储器(英文：read-only memory，缩写：ROM)、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备及系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的设备及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池系统，其特征在于，所述氢燃料电池系统包括氢燃料电池和控制器；
所述氢燃料电池至少包括两个电堆单元：第一电堆单元和第二电堆单元；
所述第一电堆单元与所述第二电堆单元并联；其中，所述第一电堆单元包括第一电堆模块和第一DC/DC转换器，所述第二电堆单元包括第二电堆模块和第二DC/DC转换器；
所述第一DC/DC转换器，用于连接所述第一电堆模块和所述控制器；
所述第二DC/DC转换器，用于连接所述第二电堆模块和所述控制器；
所述控制器，用于根据所述氢燃料电池系统的用电需求确定是否启动所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，若确定启动所述第一电堆模块，所述控制器用于向所述第一DC/DC转换器发送启动指令；
所述第一DC/DC转换器，用于接收所述启动指令，并根据所述启动指令，控制所述第一电堆模块启动。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池系统，其特征在于，若确定启动所述第一电堆模块，所述控制器还用于：
根据所述氢燃料电池系统的用电需求和所述第一电堆模块的健康状态，确定所述第一电堆模块的输出功率；
所述向所述第一DC/DC转换器发送启动指令包括：
向所述第一DC/DC转换器发送携带有所述输出功率的启动指令。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，若确定启动所述第二电堆模块，所述控制器，用于向所述第二DC/DC转换器发送启动指令；
所述第二DC/DC转换器，用于接收所述启动指令，并根据所述启动指令，控制所述第二电堆模块启动。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池系统，其特征在于，若确定启动所述第二电堆模块，所述控制器还用于：
根据所述氢燃料电池系统的用电需求和所述第二电堆模块的健康状态，确定所述第二电堆模块的输出功率；
所述向所述第二DC/DC转换器发送启动指令包括：
向所述第二DC/DC转换器发送携带有所述输出功率的启动指令。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述根据所述氢燃料电池系统的用电需求确定所述第一电堆模块和所述第二电堆模块的启动包括：
根据所述氢燃料电池系统的用电需求、所述第一电堆模块的最佳输出功率以及所述第二电堆模块的最佳输出功率确定是否启动所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。
7.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述氢燃料电池系统还包括空气供给子系统、氢气供给子系统和冷却子系统。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述氢燃料电池系统还包括储能电池。
9.一种应用于权利要求1-8任意一项所述氢燃料电池系统的方法，其特征在于，所述方法包括：
所述控制器确定所述氢燃料电池系统的用户需求；
所述控制器根据所述用电需求，确定是否开启所述第一电堆模块和所述第二电堆模块。
10.一种轨道车辆，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的氢燃料电池系统。
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