CN113540519B - 一种燃料电池备用电源充放电管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池备用电源充放电管理系统及方法，该系统包括：燃料电池本体；启动电源，包括至少两个启动电池，所述启动电池的输出端电连接放电电路、输入端电连接充电电路，所述放电电路电连接所述燃料电池本体的启动单元；控制器，分别电连接每个所述启动电池的电源管理系统，以获取剩余电量数据；其中，在所述燃料电池本体启动时，所述控制器选择其中一个剩余电量最高的所述启动电池放电，以对所述燃料电池本体进行启动供电，并根据剩余电量大小控制其余的所述启动电池的充电与否。基于本发明的技术方案，本系统具响应快、系统联动性高、能源利用率高、使用清洁能源等特点。

Description

一种燃料电池备用电源充放电管理系统及方法

技术领域

本发明涉及供电管理技术领域，特别地涉及一种燃料电池备用电源充放电管理系统及方法。

背景技术

氢能作为21世纪清洁能源，其燃料应用效率高、环境污染少，其中以氢能作为能源供给的燃料电池本体被认为潜力最大的发电装置，大量的科研学者投入对氢燃料电池本体的研究。而近些年，因为自然灾害频发，经常会出现供电网络被破坏而导致燃料电池本体基本供电中断的问题，这使得启动电源的地位的日益突出。

而对于燃料电池本体的启动电源而言，其响应时间越短，用户的损失越小。所以如何保障燃料电池本体的启动电源的响应时间尽量短以及保障燃料电池本体系统正常启动和运行是燃料电池本体系统正常运行的首要课题。而燃料电池本体的启动电源的锂电池充放电性能直接影响燃料电池本体系统的燃料电池本体的工作效率、使用寿命以及锂电池的使用寿命等，所以如何有效控制锂电池充放电是燃料电池本体高效率运行的必要前提。

鉴于此，需要一种燃料电池备用电源充放电管理系统，以解决启动电源响应时间以及启动电池充放电的问题。

发明内容

针对上述现有技术亟待解决的启动电源响应时间以及启动电池充放电的问题，本申请提出了一种燃料电池备用电源充放电管理系统及方法。

第一方面，本发明提出了一种燃料电池备用电源充放电管理系统，包括：

燃料电池本体；

启动电源，包括至少两个启动电池，所述启动电池的输出端电连接放电电路、输入端电连接充电电路，所述放电电路电连接所述燃料电池本体的启动单元；

控制器，分别电连接每个所述启动电池的电源管理系统，以获取剩余电量数据；

其中，在所述燃料电池本体启动时，所述控制器选择其中一个剩余电量最高的所述启动电池放电，以对所述燃料电池本体进行启动供电，并根据剩余电量大小控制其余的所述启动电池的充电与否。

在一个实施方式中，还包括：光伏发电装置，所述光伏发电装置的输出端电连接所述充电电路。

在一个实施方式中，所述放电电路中设置有超级电容，以吸收所述启动电池放电瞬间的电流尖峰。

在一个实施方式中，所述放电电路与所述充电电路中对应每个所述启动电池均分别设置有继电器开关，所述控制器电连接所述继电器开关的控制端。

在一个实施方式中，所述启动电池的输出端还电连接用户端母线。

第二方面，本发明提出了一种燃料电池备用电源充放电管理方法，包括：

检测到市政电网断电信号；

获取启动电源中各启动电池的剩余电量信息；

导通所述启动电池中剩余电量最高的第一启动电池的放电电路，以向燃料电池本体的启动单元供电；

根据其余的所述启动电池的剩余电量信息，控制其充电与否。

在一个实施方式中，根据其余的所述启动电池的剩余电量信息，控制其充电与否，包括：

分别判断所述其余的启动电池的剩余电量是否小于第一预设电量阈值；

根据判断结果，导通剩余电量小于所述第一预设电量阈值的所述启动电池的充电电路；

根据判断结果，保持剩余电量不小于所述预设第一电量阈值的所述启动电池的充放电电路断开。

在一个实施方式中，还包括：

在所述第一启动电池放电至剩余电量小于第二预设电量阈值时，判断所述其余的启动电池中是否存在剩余电量大于所述第一启动电池的第二启动电池；

若存在所述第二启动电池，则在断开所述第一启动电池的放电电路并导通其充电电路后，导通所述第二启动电池的放电电路；

若不存在所述第二启动电池，则保持第一启动电池的放电电路的导通。

在一个实施方式中，还包括：

对于所述其余的启动电池中存在多个所述启动电池的剩余电量大于所述第一启动电池，则以剩余电量最高的所述启动电池作为所述第二启动电池。

在一个实施方式中，还包括：

在所述燃料电池本体启动并正常输出后，断开所有的所述启动电池的放电电路；

分别判断所有的所述启动电池的剩余电量是否小于第一预设阈值；

根据判断结果，导通剩余电量小于所述第一预设电量阈值的所述启动电池的充电电路。

在一个实施方式中，还包括：

获取启动电源中各启动电池的电池温度；

若存在所述启动电池的所述电池温度超过温度阈值，则判断为异常状态，完全断开对应的所述启动电池的充放电电路或减小对应的所述启动电池的充放电电流。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种燃料电池备用电源充放电管理系统及方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

本发明的一种燃料电池备用电源充放电管理系统及方法，通过在燃料电池的启动电源中设置多个启动电池，并结合光伏发电装置等系统对其进行充电，使启动电池在对燃料电池供电时可以交替进行，保证对燃料电池的供电任何时刻都可以正常且快速响应；同时，启动电池循环充放电，延长电池使用寿命。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的管理系统的构示意图；

图2显示了本发明的启动电池充放电管理方法的控制流程图；

图3显示了本发明的管理系统的控制流程图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

附图标记：

1-燃料电池本体，2-启动电源，21-启动电池，211-充电电路，212-放电电路，3-控制器，4-光伏发电装置，5-超级电容，6-用户端母线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的管理系统主要通过锂电池与光伏发电系统配合对燃料电池系统的启动、正常运行提供电能；锂电池在给燃料电池系统供电时，要进行锂电池间的充放电切换以保证系统的正常运行。为了达到接近燃料电池工作的最佳温度点65℃，需要监测电堆内部温度，所以风扇由控制器根据温度传感器的获取温度数据进行转速控制，将电堆的运行最佳温度在65℃左右，并将燃料电池发电过程中产生的热量吹出电堆外，提高燃料电池的工作效率以及氢气利用率。

燃料电池双极板之间有缝隙，空气中的氧气需要进入到双极板的膜电极与氢气反应，进行燃料电池堆内的空气必须经过过滤，假若空气中的杂质进入到燃料电池堆内，容易造成双极板腐蚀，影响燃料电池的工作效率和使用寿命。故设置空气滤网，该空气过滤网必须紧贴燃料电池。

实施例1

本发明的实施例提供了一种燃料电池备用电源充放电管理系统，包括：

燃料电池本体1；

启动电源2，包括至少两个启动电池21，启动电池21的输出端电连接放电电路212、输入端电连接充电电路211，放电电路212电连接燃料电池本体1的启动单元；

控制器3，通过RS485通信协议分别电连接每个启动电池21的电源管理系统(BMS)，以获取剩余电量(SOC)数据；

其中，在燃料电池本体1启动时，控制器3选择其中一个剩余电量最高的启动电池21放电，以对燃料电池本体1进行启动供电，并根据剩余电量大小控制其余的启动电池21的充电与否。

具体地，如附图图1所示，本发明的管理系统中，启动电源2用于在燃料电池本体1启动时向燃料电池本体1的启动单元(附图中未示出)供电，以提供燃料电池本体1启动过程中所需的电能。而在启动电源2中设置有至少两个启动电池21，启动电池21优选采用锂电池，控制器3根据启动电池的剩余电量，选择剩余电量最高的启动电池21来向燃料电池本体1供电，导通其放电电路212。而其余的启动电池21，根据其剩余电量的大小决定是否需要对其进行充电。

具体来说，当启动电池21的电量小于预设电量阈值时，即判断该启动电池需要进行充电，此时，控制器3控制该启动电池21的充电电路211导通。本实施例中，预设电量阈值设置为启动电池21总容量的95％，即启动电池21的剩余电量低于95％，即表明其需要充电，充电至预设电量阈值时，停止充电。

在对燃料电池本体1的启动进行供电时，实时监测所有启动电池21的剩余电量，当当前对燃料电池本体1进行供电的启动电池21的剩余电量低于电量阈值下限时，即判断当前的启动电池21电力不足，控制器3检测其余启动电池21中是否有剩余电量大于当前的启动电池21的启动电池21；有则切换相应的启动电池21替代当前的启动电池21对燃料电池本体1进行供电，当前的启动电池21被切换下来后，即通过充电电路211进行充电。

需要说明的是，燃料电池本体1的内部还设置有电连接控制器3的温度传感器，以监测燃料电池本体1的温度。同时，还对应燃料电池本体1设置有散热装置，附图图1所示的风扇(风冷)，也可以设置水冷散热。

进一步地，还包括光伏发电装置4，光伏发电装置4的输出端电连接充电电路211。

具体地，光伏发电装置4用于连接充电电路211，用于对启动电池21进行充电；所有启动电池21的充电电路211并联并设置一个总接口，该总接口连接光伏发电装置4的输出端。并且，该总接口还连接燃料电池本体1的输出端以及市政电网，以在光伏发电装置4故障或者夜晚环境下，替代光伏发电装置4向启动电池21的充电进行供电。

在市政电网正常时，启动电池21主要通过市政电网与光伏发电装置4进行充电，首选光伏发电装置4。在市政电网中断时，燃料电池本体1完全启动前，只能依靠光伏发电装置4进行对启动电池21进行充电；燃料电池本体1完全启动后，就可以视情况选择燃料电池本体1或光伏发电装置4对启动电池21进行充电，依然首选光伏发电装置4。即便在市政电网中断时，燃料电池本体1完全启动前，光伏发电装置4无法使用(夜晚或故障等情况)，由于启动电源2中具有多个启动电池21，可以交替使用，容错率高，依然可以支撑燃料电池本体1启动。

此外，如附图图1所示，启动电池21的充电电路211对应的总接口处设置有变换器(DCDC2)，以控制充电电流。控制器3还可以检测启动电池21的温度，主要是充电过程中，启动电池21的温度可能会升高，当启动电池21的温度高于第一温度阈值时，控制器3通过控制变换器(DCDC2)来减小电流，以降温。当启动电池21的温度高于第二温度阈值时，控制器3断开启动电池21的充电电路211，防止启动电池21损坏。第一温度阈值与第二温度阈值可以根据实际情况设置，本实施例中，将第一温度阈值设置为50℃，第二温度阈值设置为80℃。放电过程中，如果温度异常升高也可以通过相同的方法进行控制，以降温或断开电路保证安全。

优选地，如附图图1所示，放电电路212中设置有超级电容5，以吸收启动电池21放电瞬间的电流尖峰。该超级电容5可以对应所有的启动电池21的放电电路212设置一个，即所有的启动电池21的放电电路212并联；也可以对应每个启动电池21的放电电路212设置。

在一个实施例中，放电电路212与充电电路211中对应每个启动电池21均分别设置有继电器开关，控制器3电连接继电器开关的控制端。

具体地，如附图图1所示，图中SW1、SW2均为放电电路212中对应各启动电池21的继电器开关，控制相应放电电路212的通断；SW3、SW4均为充电电路211中对应各启动电池21的继电器开关，控制相应充电电路211的通断。进一步地，在燃料电池本体1输出端设置SW5，控制燃料电池本体1输电电路的通断，同时设置变换器(DCDC1)来控制输出电流；在充电电路211连接燃料电池本体1输出端以及市政电网的总电路上设置SW6，控制充电电路211与燃料电池本体1输出端以及市政电网的连接的通断。

在一个实施例中，启动电池21的输出端还电连接用户端母线6。

具体地，燃料电池本体1作为备用电源，是在市政电网中断时启动，此时用户端的设备得不到市政电网的电力供应，同时燃料电池本体1也还在启动中，无法对用户端进行供电，那么就需要启动电池21在向燃料电池本体1供电的同时，也向用户端母线6供电，以在燃料电池本体1完全启动发电前支撑用户端的设备的运行。

实施例2

参照附图图2与图3，本发明的实施例提供了一种燃料电池备用电源充放电管理方法，包括：

S0：

S01：检测光伏发电装置是否正常运行；

S02：若光伏发电装置正常运行，则断开启动电池的充电电路与其他充电电源之间的连接；

具体地，充电电源包括光伏发电装置、市政电网以及燃料电池本体输出的电力，在一般情况下，优先采用光伏发电装置作为启动电池的充电电源，即通过控制器断开附图图1中的SW6(继电器开关)，光伏清洁能源节能环保。

S03：若光伏发电装置未正常运行，则导通启动电池的充电电路与其他充电电源之间的连接；

具体地，若光伏发电装置未正常运行，例如故障或夜晚环境，则正常情况下采用市政电网的电力作为启动电池的充电电源，市政电网中断时则采用完全启动后的燃料电池本体作为启动电池的充电电源，市政电网与燃料电池本体对启动电池的供电并联至一个主电路，即通过控制器闭合该主电路上的SW6。

S04：通过相应的充电电源对各启动电池进行充电，并至第一预设电量阈值后断开充电电路。

具体地，在市政电网正常情况下，通过相应的充电电源将启动电源中各启动电池的电量充至第一预设电量阈值，保证其具有足够的剩余电量。

S1：检测到市政电网断电信号；

具体地，控制器实时检测市政电网的通断，一旦市政电网中断，控制器立即控制燃料电池本体准备启动。

S11：获取启动电源中各启动电池的电池温度；

具体地，在启动燃料电池本体时，先获取通过启动电池的电池温度，通过温度判断启动电池的安全性。

S12：若存在启动电池的电池温度超过温度阈值，则判断为异常状态，完全断开对应的启动电池的充放电电路或减小对应的启动电池的充放电电流。

具体地，包括几种情况，如果存在空置(充放电电路已经完全断开)的启动电池的电池温度超过温度阈值，那么该电池可能本身存在故障，保持其空置状态并向用户发出警报信号；如果存在正在充电的启动电池的电池温度超过温度阈值，那么可能是充电电流过大，此时减小其充电电流。

此外，如果正在向燃料电池本体进行供电的启动电池出现电池温度超过温度阈值的情况，在不影响燃料电池本体启动的前提下，一定范围内减小该启动电池的放电电流。

进一步地，如果相应的启动电池的电池温度超过温度阈值且进一步达到温度上限时，如果该启动电池处于充放电状态，那么就需要断开相应的充放电电路并向用户发出警报，保证安全性；对于其中处于放电状态的启动电池，在断开其放电电路的同时，切换其他温度正常的启动电池来继续相应的供电。

S2：获取启动电源中各启动电池的剩余电量信息；

具体地，对于启动电池剩余电量信息的获取，优选针对温度正常的启动电池，其中，如果是处于充电状态的电池，其温度偏高或者超过正常的温度阈值也可能是正常情况，只要其温度不超过温度上限，也可以获取其剩余电量信息作为对燃料电池进行供电的备选。

S3：导通启动电池中剩余电量最高的第一启动电池的放电电路，以向燃料电池本体的启动单元供电；

具体的，相应的启动电池向燃料电池供电的同时，也向用户端母线供电，以在燃料电池为完全启动时支撑用户端设备的正常运行。如果存在几个剩余电量并列最高的启动电池，则按一定规则选择相应的启动电池作为第一启动电池，规则可以自定义，例如随机选取，或者选取电池温度最低的那一个，或者按电池状态首选空置的；如果启动电池的规格有差异，也可以首选总电量最大的。

S4：根据其余的启动电池的剩余电量信息，控制其充电与否；

S41：分别判断其余的启动电池的剩余电量是否小于第一预设电量阈值；

具体地，本实施例中将第一预设电量阈值设置为启动电池总容量的95％，即启动电池的剩余电量低于95％，即表明其需要充电，充电至第一预设电量阈值时，停止充电。

S42：根据判断结果，导通剩余电量小于第一预设电量阈值的启动电池的充电电路；

S43：根据判断结果，保持剩余电量不小于预设第一电量阈值的启动电池的充放电电路断开。

具体的，其余的启动电池如果剩余电量不小于预设第一电量阈值，则其充电电路与放电电路均断开，该启动电池空置。进一步地，由于电池空置时其自身也会有电量损耗，所以为了保证安全性，优选光伏发电装置与启动电池的充电电路时刻导通。此外，由于电池的特性，同一个启动电池的充电电路与放电电路不能同时导通。

S5：

S51：在第一启动电池放电至剩余电量小于第二预设电量阈值时，判断其余的启动电池中是否存在剩余电量大于第一启动电池的第二启动电池；

具体地，第一启动电池持续向燃料电池本体进行供电，剩余电量不断减少，在其剩余电量减少至第二预设电量阈值时，判断为电量较低，控制器在其他启动电池中寻找剩余电量大于当前第一启动电池的启动电池，作为替代第一启动电池继续向燃料电池本体进行供电的第二启动电池。

本实施例中将第二预设电量阈值设置为启动电池总容量的15％，即当前的启动电池的剩余电量如果低于15％，判断为电量较低，需要切换其他启动电池来进行替代。

S52：若存在第二启动电池，则在断开第一启动电池的放电电路并导通其充电电路后，导通第二启动电池的放电电路并断开其充电电路；

具体地，在燃料电池的启动过程中，原则上由所有的启动电池交替对燃料电池本体的启动进行供电，如果在燃料电池本体完全启动前，对燃料电池本体进行供电的启动电池电量过低，即切换其他电量高的启动电池来进行替代，直至燃料电池完全启动；

进一步地，在导通第二启动电池的放电电路时，如果第二启动电池原本处于充电状态，则先断开其充电电路；如果第二启动电池原本处于空置状态，则直接导通其放电电路。

S521：对于其余的启动电池中存在多个启动电池的剩余电量大于第一启动电池，则以剩余电量最高的启动电池作为第二启动电池；

S53：若不存在第二启动电池，则保持第一启动电池的放电电路的导通。

具体地，若不存在第二启动电池，则表明当前时刻，其余启动电池的剩余电量更低，则先保持第一启动电池向燃料电池本体的供电，而后根据一定规则再次检测其余启动电池的剩余电量，以作为第二启动电池。该规则可以预先自定义，例如可以是一定时间之后，或者是当前的第一启动电池的剩余电量进一步下降至某一预设值时，或者是当前的第一启动电池的剩余电量进一步下降一定电量后。

S6：

S61：在燃料电池本体启动并正常输出后，断开所有的启动电池的放电电路；

具体地，燃料电池完全启动后，即不需要外部供电，故断开所有的启动电池的放电电路。此时也断开了启动电池向用户端的供电，由燃料电池本体对用户端进行供电。

S62：分别判断所有的启动电池的剩余电量是否小于第一预设阈值；

S63：根据判断结果，导通剩余电量小于第一预设电量阈值的启动电池的充电电路；

具体地，燃料电池完全启动后，根据各启动电池的剩余电量大小，对剩余电量小于第一预设电量阈值的启动电池进行充电，即导通其对应的充电电路。

此时，若光伏发电装置正常，即通过其向对应的启动电池进行充电；若光伏发电装置无法使用，则通过燃料电池本体对应的启动电池进行充电，直至市政电网恢复。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种燃料电池备用电源充放电管理系统，其特征在于，包括：

燃料电池本体；

启动电源，包括至少两个启动电池，所述启动电池的输出端电连接放电电路、输入端电连接充电电路，所述放电电路电连接所述燃料电池本体的启动单元；

控制器，分别电连接每个所述启动电池的电源管理系统，以获取剩余电量数据；

光伏发电装置，所述光伏发电装置的输出端电连接所述充电电路；

其中，在所述燃料电池本体启动时，所述控制器选择其中一个剩余电量最高的所述启动电池放电，以对所述燃料电池本体进行启动供电，并根据剩余电量大小控制其余的所述启动电池的充电与否。

2.根据权利要求1所述的燃料电池备用电源充放电管理系统，其特征在于，所述放电电路中设置有超级电容，以吸收所述启动电池放电瞬间的电流尖峰。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池备用电源充放电管理系统，其特征在于，所述放电电路与所述充电电路中对应每个所述启动电池均分别设置有继电器开关，所述控制器电连接所述继电器开关的控制端。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池备用电源充放电管理系统，其特征在于，所述启动电池的输出端还电连接用户端母线。

5.一种燃料电池备用电源充放电管理方法，其特征在于，包括：

检测到市政电网断电信号；

获取包括至少两个启动电池的启动电源中各所述启动电池的剩余电量信息；

导通所述启动电池中剩余电量最高的第一启动电池的放电电路，以向燃料电池本体的启动单元供电；

根据其余的所述启动电池的剩余电量信息，控制其充电与否，所述启动电池的充电电路连接光伏发电装置。

6.根据权利要求5所述的燃料电池备用电源充放电管理方法，其特征在于，根据其余的所述启动电池的剩余电量信息，控制其充电与否，包括：

分别判断所述其余的启动电池的剩余电量是否小于第一预设电量阈值；

根据判断结果，导通剩余电量小于所述第一预设电量阈值的所述启动电池的充电电路；

根据判断结果，保持剩余电量不小于所述预设第一电量阈值的所述启动电池的充放电电路断开。

7.根据权利要求5或6所述的燃料电池备用电源充放电管理方法，其特征在于，还包括：

在所述第一启动电池放电至剩余电量小于第二预设电量阈值时，判断所述其余的启动电池中是否存在剩余电量大于所述第一启动电池的第二启动电池；

若存在所述第二启动电池，则在断开所述第一启动电池的放电电路并导通其充电电路后，导通所述第二启动电池的放电电路；

若不存在所述第二启动电池，则保持第一启动电池的放电电路的导通。

8.根据权利要求7所述的燃料电池备用电源充放电管理方法，其特征在于，还包括：

对于所述其余的启动电池中存在多个所述启动电池的剩余电量大于所述第一启动电池，则以剩余电量最高的所述启动电池作为所述第二启动电池。

9.根据权利要求5所述的燃料电池备用电源充放电管理方法，其特征在于，还包括：

在所述燃料电池本体启动并正常输出后，断开所有的所述启动电池的放电电路；

分别判断所有的所述启动电池的剩余电量是否小于第一预设阈值；

根据判断结果，导通剩余电量小于第一预设电量阈值的所述启动电池的充电电路。

10.根据权利要求5所述的燃料电池备用电源充放电管理方法，其特征在于，还包括：

获取启动电源中各启动电池的电池温度；

若存在所述启动电池的所述电池温度超过温度阈值，则判断为异常状态，完全断开对应的所述启动电池的充放电电路或减小对应的所述启动电池的充放电电流。

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