CN113839066A - 一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统，属于燃料电池发动机技术领域，包括氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、发动机控制模块和多个并联的由电堆和DC‑DC模块构成的功率输出子模块；电堆的正负极与对应DC‑DC模块的输入端相连，各DC‑DC模块的输出端均连接至同一组线路；氢气子系统、空气子系统和热管理子系统均与各电堆相连；发动机控制模块根据燃料电池汽车的最大功率需求，控制最大输出功率之和满足最大功率需求的N个电堆工作，其他电堆关闭，并根据各电堆的衰减程度按比例调节进入各电堆的氢气流量、空气流量和冷却液流量，及对应DC‑DC模块的输入电流，以适应燃料电池汽车的不同功率需求。

Description

一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统
技术领域
本发明属于燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统。
背景技术
随着传统能源行业的问题日益凸显，新型能源得以迅速发展。与其他能源相比，氢能具有储量大、能量比高、污染小、效率高等特点，受到世界各国的高度重视，被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源。质子交换膜燃料电池是氢能的重要应用场景，空气和氢气分别通入质子交换膜两侧的阴极和阳极，在特制催化剂的催化作用下，氢气在阳极分解为氢质子和电子，氧气在阴极与电子和氢质子反应生成水。反应过程中电子通过导线在外围电路产生电流，直接将化学能转化为电能，相较于先通过燃烧反应把化学能转化为热能，再将热能转化为机械能的方式来说，质子交换膜燃料电池大大提高了能量转换效率，并且反应产物为纯净水，不会带来任何环境污染，对于缓解目前日益严峻的环境问题具有非常重要的意义。
燃料电池发动机是质子交换膜燃料电池的重要应用领域。目前国内已经有多家企业推出以燃料电池发动机为主要能量来源的燃料电池汽车。针对实际的不同路况，燃料电池汽车的功率需求范围较广，最低可能只需要几千瓦，而当高功率运行时，功率需求可能达到几十千瓦甚至百千瓦，为了能够满足汽车的最大功率需求，通常选择具有高额定功率的燃料电池汽车发动机为燃料电池供能。目前国内研发的燃料电池电堆的功率局限在几十千瓦的功率级别，因此在设计大功率燃料电池发动机时，电堆模块通常采用双堆甚至多堆串联的方式，利用多个燃料电池电堆同时为燃料电池汽车供能。以额定60kW的燃料电池发动机为例，多电堆集成的燃料电池发动机系统主要包括氢气模块、空气模块、热管理模块、燃料电池发动机控制模块和燃料电池电堆模块。当单个燃料电池的额定功率为20kW时，通常采用3个燃料电池串联的方式组成燃料电池电堆模块。如图1所示，电堆模块在工作时，3个电堆同时由氢气模块和空气模块供应反应物，进入燃料电池电堆模块后一分为三，分别进入3个电堆内部；功率输出的电路连接方式如图2所示，三个电堆正负极首尾相连，以串联的方式连接组成一个更大功率的电池组，电池组的正负极与DC-DC模块的输入正负极相连，经DC-DC模块稳压后供外部负载使用。
可以发现在现有的燃料电池系统的结构设计下，燃料电池工作过程中反应物以相同的量同时通入所有电堆内部，输出电流会同时流过所有电堆，因此只要燃料电池启动，所有电堆必须同时工作。因此在启停阶段所有电堆会同时进行开机吹扫(氢气吹阳极，空气吹阴极)和关机吹扫(空气同时吹阴极和阳极)。在启停过程中由于阳极侧会出现氢气和空气同时存在的情况，阳极侧会产生“氢空界面”，此时阳极侧会出现负电位，相应的阴极会产生高达1.5V的高电位，导致阴极催化层发生严重的碳载体腐蚀，使得阴极催化层变薄，造成Pt催化剂颗粒的脱落和团聚，电化学活性面积降低，电荷传质阻力和质量传输阻力也随之增加，燃料电池性能严重衰减。另外，根据现有的60kW燃料电池汽车的长时间运行数据统计分析发现，少数时间燃料电池汽车能够在额定功率附近运行，大多数时候燃料电池的实时功率停留在较低的功率范围内，长时间运行在10kW～30kW的功率范围内，因此可以发现，燃料电池电堆长时间处于大于0.7V的高电位状态，而高电位会对催化层中的碳载体产生腐蚀，导致催化剂颗粒发生脱落、团聚，降低了电化学活性面积，使燃料电池性能逐步衰减。通过对燃料电池衰减机理的研究发现，高电位和启停操作是导致燃料电池衰减的非常重要的因素。如果按照现有的运行方式长期运行下来，燃料电池发动机的寿命将会快速下降。
另一方面，由于现有燃料电池系统电堆模块是采用多个电堆串联的方式进行功率输出的，因此工作过程中所有电堆的输出电流是相同的。此时如果某一个电堆性能较差，输出电流将会被限制在一个较低的水平，该电堆就会成为燃料电池电堆模块的“短板”，将整个燃料电池发动机的功率输出限制在低功率，如果此功率不能够满足燃料电池汽车的需求，将不得不更换发动机，这将进一步降低燃料电池发动机的耐久性。当燃料电池系统应用在大功率设备上时，比如重型卡车、大功率船舶以及轨道交通领域时，燃料电池系统的额定功率可能会达到几百个千瓦，此时如果依旧采取现有的如图2所示的功率输出方式，会发现现有的燃料电池发动机电堆模块的设计和控制方式存在很严重的问题，使燃料电池发动机的耐久性差，严重制约燃料电池汽车商业化的进程。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统，根据各电堆的衰减情况控制燃料电池系统的工作状态，并采用电堆并联的方式进行功率输出，减少高电位带来的燃料电池性能衰减，极大提升燃料电池系统的寿命。
本发明具体技术方案如下：
一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统，其特征在于，包括氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、发动机控制模块和多个并联连接的功率输出子模块；
所述功率输出子模块由燃料电池电堆和DC-DC模块构成，燃料电池电堆的正负极与对应DC-DC模块的输入端相连，各DC-DC模块的输出端均连接至同一组线路，其输出电压相同，用于为外部负载供电；
所述氢气子系统的氢气输出管道一分为多，分别经氢气电动比例阀进入各燃料电池电堆的氢气入口；各燃料电池电堆的氢气出口分别经氢气电磁阀，合并到氢气子系统的氢气输入管道；
所述空气子系统的空气输出管道一分为多，分别经空气电动球阀进入各燃料电池电堆的空气入口；各燃料电池电堆的空气出口分别经空气电磁阀，合并到空气子系统的空气输入管道；
所述热管理子系统的冷却液输出管道一分为多，分别经冷却液电动球阀进入各燃料电池电堆的冷却液入口；各燃料电池电堆的冷却液出口分别经冷却液电磁阀，合并到热管理子系统的冷却液输入管道；
所述发动机控制模块分别与氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、各DC-DC模块、各燃料电池电堆的节电压采集控制器、氢气电动比例阀、氢气流量计、氢气电磁阀、空气电动球阀、空气流量计、空气电磁阀、冷却液电动球阀、水流量计和冷却液电磁阀相连；发动机控制模块的内部存储有各燃料电池电堆上次运行结束后记录的衰减程度，以及出厂时记录的最大输出功率和不同电流下的最大平均节电压，计算得到各燃料电池电堆的最大输出功率，然后根据燃料电池汽车的最大功率需求，控制最大输出功率之和满足最大功率需求的N个燃料电池电堆处于工作状态，N≥1，其他燃料电池电堆处于关闭状态，具体为：
发动机控制模块根据燃料电池汽车的最大功率需求，分别计算并控制氢气子系统、空气子系统和热管理子系统对应输出的总氢气量、总空气量和总冷却液量；设处于工作状态的各燃料电池电堆的衰减程度为Ri,i＝1,2,...,N，发动机控制模块分别调节处于工作状态的各燃料电池电堆的氢气电动比例阀、空气电动球阀和冷却液电动球阀的开度，使氢气子系统、空气子系统和热管理子系统按照(1-R1):(1-R2):...:(1-RN)的比例分配进入各燃料电池电堆的氢气流量、空气流量和冷却液流量，并控制氢气电磁阀、空气电磁阀和冷却液电磁阀开启；同时控制处于关闭状态的燃料电池电堆的氢气电动比例阀、氢气电磁阀、空气电动球阀、空气电磁阀、冷却液电动球阀和冷却液电磁阀全闭；
之后发动机控制模块控制处于工作状态的各燃料电池电堆对应DC-DC模块按照(1-R1):(1-R2):...:(1-RN)的比例调节输入电流，以输出目标输出电流，适应燃料电池汽车的不同功率需求；其中，所述目标输出电流为燃料电池汽车的最大功率需求与处于工作状态的各电堆输出电压的平均值的比值。
进一步地，燃料电池电堆的最大输出功率的计算过程如下：
Pmax'＝Pmax*(1-R)
其中，Pmax'为该燃料电池电堆的最大输出功率；Pmax为该燃料电池电堆出厂时记录的最大输出功率；R为该燃料电池电堆的上次运行结束后记录的衰减程度。
进一步地，燃料电池电堆上次运行结束后记录的衰减程度R通过如下方式获得：
发动机控制模块根据该燃料电池电堆上次运行时输出的节点压，计算得到输出电流I下的平均节电压VI_avg，然后根据该燃料电池电堆出厂时记录的电流I下的最大平均节电压VI_pre，计算得到衰减程度R并保存，其中，
Figure BDA0003273008570000041
进一步地，当仅有一个燃料电池电堆处于工作状态时，发动机控制模块根据燃料电池汽车的最大功率需求，分别计算并控制氢气子系统、空气子系统和热管理子系统对应输出的总氢气量、总空气量和总冷却液量，并控制处于工作状态的燃料电池电堆的氢气电动比例阀、氢气电磁阀、空气电动球阀、空气电磁阀、冷却液电动球阀和冷却液电磁阀全开，处于关闭状态的燃料电池电堆的氢气电动比例阀、氢气电磁阀、空气电动球阀、空气电磁阀、冷却液电动球阀和冷却液电磁阀全闭。
进一步地，所述氢气子系统还包括设置于各燃料电池电堆的氢气入口的氢气流量计，与发动机控制模块相连，发动机控制模块根据氢气流量计测量的进入燃料电池电堆的氢气流量，调节氢气电动比例阀的开度。
进一步地，所述空气子系统还包括设置于各燃料电池电堆的空气入口的空气流量计，与发动机控制模块相连，发动机控制模块根据空气流量计测量的进入燃料电池电堆的空气流量，调节空气电动球阀的开度。
进一步地，所述热管理子系统还包括设置于各燃料电池电堆的冷却液入口的水流量计，与发动机控制模块相连，发动机控制模块根据水流量计测量的进入燃料电池电堆的冷却液流量，调节冷却液电动球阀的开度。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统，通过将由燃料电池电堆和DC-DC模块构成的各功率输出子模块并联连接，实现对各电堆工作状态的独立控制，无需要求各电堆的输出电流必须相同，避免由于某一个电堆衰减较快造成的“短板效应”，甚至当某个电堆的性能过差时，可以选择其他电堆继续工作，而不使用该电堆，避免频繁的维修工作，显著提升整个燃料电池发动机的耐久性；
2、本发明可以根据各电堆自身衰减程度，设置进入各电堆的空气流量、氢气流量和冷却液流量的大小，控制各电堆的功率输出，提升电堆寿命；并且在满足燃料电池汽车功率需求的前提下，优先使用较少的电堆进行功能，可以保证当燃料电池汽车功率需求相同的情况下，此种设计下电堆的节电压相对较低，避免了燃料电池长期处于高电位的现象，减少了高电位带来的燃料电池的性能衰减；
3、当某些电堆未处于工作状态时，无需与处于工作状态的电堆一起进行启停操作和变载操作等严重损害燃料电池性能的操作，此时电堆基本不会衰减，能够极大地提升燃料电池系统的寿命。
附图说明
图1为传统多电堆集成的燃料电池发动机系统的结构示意图；
图2为传统多电堆集成的燃料电池发动机系统功率输出的电路连接方式示意图；
图3为本发明实施例1所得多电堆集成的长寿命燃料电池系统的管路结构示意图；
图4为本发明实施例1所得多电堆集成的长寿命燃料电池系统功率输出的电路连接方式示意图；
图5为本发明实施例1所得多电堆集成的长寿命燃料电池系统中空气子系统的示意图；
图6为本发明实施例1所得多电堆集成的长寿命燃料电池系统中空气管路的示意图；
图7为本发明实施例1所得多电堆集成的长寿命燃料电池系统中氢气子系统的示意图；
图8为本发明实施例1所得多电堆集成的长寿命燃料电池系统中氢气管路的示意图；
图9为本发明实施例1所得多电堆集成的长寿命燃料电池系统中热管理子系统的示意图；
图10为本发明实施例1所得多电堆集成的长寿命燃料电池系统中冷却液管路的示意图；
附图标记如下：
1：空气子系统；2：氢气子系统；3：热管理子系统；4：燃料电池电堆A(简称电堆A)；5：燃料电池电堆B(简称电堆B)；6：燃料电池电堆C(简称电堆C)；7：燃料电池电堆D(简称电堆D)；8：电堆A的空气电动球阀；9：电堆A的空气电磁阀；10：电堆A的空气流量计；11：电堆A的氢气电动比例阀；12：电堆A的氢气电磁阀；13：电堆A的氢气流量计；14：电堆A的冷却液电动球阀；15：电堆A的冷却液电磁阀；16：电堆A的水流量计；17：电堆B的空气电动球阀；18：电堆B的空气电磁阀；19：电堆B的空气流量计；20：电堆B的氢气电动比例阀；21：电堆B的氢气电磁阀；22：电堆B的氢气流量计；23：电堆B的冷却液电动球阀；24：电堆B的冷却液电磁阀；25：电堆B的水流量计；26：电堆C的空气电动球阀；27：电堆C的空气电磁阀；28：电堆C的空气流量计；29：电堆C的氢气电动比例阀；30：电堆C的氢气电磁阀；31：电堆C的氢气流量计；32：电堆C的冷却液电动球阀；33：电堆C的冷却液电磁阀；34：电堆C的水流量计；35：电堆D的空气电动球阀；36：电堆D的空气电磁阀；37：电堆D的空气流量计；38：电堆D的氢气电动比例阀；39：电堆D的氢气电磁阀；40：电堆D的氢气流量计；41：电堆D的冷却液电动球阀；42：电堆A的冷却液电磁阀；43：电堆D的水流量计；44：空气侧温压一体传感器；45：冷却液侧温压一体传感器；46：氢气侧温压一体传感器；47：电堆A的DC-DC模块；48：电堆B的DC-DC模块；49：电堆C的DC-DC模块；50：电堆D的DC-DC模块；51：锂电池；52：负载。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提出了一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统，如图3和图4所示，包括氢气子系统2、空气子系统1、热管理子系统3、发动机控制模块和多个并联连接的功率输出子模块。
如图4所示，所述功率输出子模块由燃料电池电堆和DC-DC模块构成，前四个功率输出子模块分别包括电堆A4和电堆A的DC-DC模块47，电堆B4和电堆B的DC-DC模块48，电堆C6和电堆C的DC-DC模块49，电堆D7和电堆D的DC-DC模块50；各电堆的正负极与对应DC-DC模块的输入端相连，各DC-DC模块的输出端均连接至同一组线路，其输出电压相同，用于为外部的多个锂电池51供电，负载52再从锂电池51取电。
为方便描述，本实施例以前四个功率输出子模块为例，对于空气子系统1、氢气子系统2、热管理子系统3和发动机控制模块进行描述，具体为：
如图5所示，所述空气子系统1包括空气端流量计、空气压缩机、尾气自增湿空气加湿器(COG加湿器)、空气进气节气门和空气出气节气门，空气经空气端流量计、空气压缩机进入COG加湿器进行加湿处理，之后经空气出气节气门输入空气输出管道，作为各电堆(4～7)的空气燃料；各电堆(4～7)排出的空气通过空气输入管道，经空气出气节气门进入COG加湿器，再排出尾气。空气管路的示意图如图6所示，空气子系统1输出的空气经空气输出管道一分为四，分别经各电堆的空气电动比例阀(包括电堆A的空气电动球阀8、电堆B的空气电动球阀17、电堆C的空气电动球阀26和电堆D的空气电动球阀35)和空气流量计(包括电堆A的空气流量计10、电堆B的空气流量计19、电堆C的空气流量计28和电堆D的空气流量计37)进入对应电堆的氢气入口；各电堆(4～7)的空气出口分别经空气电磁阀(包括电堆A的空气电磁阀9、电堆B的空气电磁阀18、电堆C的空气电磁阀27和电堆D的空气电磁阀36)，合并到空气子系统1的空气输入管道；在空气输出管道和空气输入管道处设有空气侧温压一体传感器44。
如图7所示，所述氢气子系统2包括进气电磁阀、比例阀、流量计、疏水阀、氢气排气阀和氢气循环泵，氢气经进气电磁阀、比例阀和流量计输入氢气输出管道，作为各电堆(4～7)的氢气燃料，各电堆(4～7)排出的氢气通过氢气输入管道输入至疏水阀，疏水阀排出氢气中的液态水，排出的氢气还通过氢气循环泵进入流量计中循环利用。氢气管路的示意图如图8所示，氢气子系统2输出的氢气经氢气输出管道一分为四，分别经各电堆的氢气电动比例阀(包括电堆A的氢气电动比例阀11、电堆B的氢气电动比例阀20、电堆C的氢气电动比例阀29和电堆D的氢气电动比例阀38)和氢气流量计(包括电堆A的氢气流量计13、电堆B的氢气流量计22、电堆C的氢气流量计31和电堆D的氢气流量计40)进入对应电堆的氢气入口；各电堆(4～7)的氢气出口分别经氢气电磁阀(包括电堆A的氢气电磁阀12、电堆B的氢气电磁阀21、电堆C的氢气电磁阀30和电堆D的氢气电磁阀39)，合并到氢气子系统2的氢气输入管道；在氢气输出管道和氢气输入管道处设有氢气侧温压一体传感器46。
如图9所示，所述热管理子系统3包括风冷换热器、水泵、补液箱、流量计、去离子器和颗粒物过滤器，各电堆(4～7)排出的冷却液通过冷却液输入管道输入，经水泵进入去离子器和风冷换热器中，去离子器用于去除冷却液中的导电离子，风冷换热器用于冷却冷却液，冷却液经去离子器和风冷换热器处理后，进入颗粒物过滤器过滤，之后经补液箱和流量计输入冷却液输出管道。冷却液管路的示意图如图10所示，热管理子系统3输出的冷却液经冷却液输出管道一分为四，分别经各电堆的冷却液电动球阀(包括电堆A的冷却液电动球阀14、电堆B的冷却液电动球阀23、电堆C的冷却液电动球阀32和电堆D的冷却液电动球阀41)和水流量计(包括电堆A的水流量计16、电堆B的水流量计25、电堆C的水流量计34和电堆D的水流量计43)进入对应电堆的冷却液入口；各电堆(4～7)的冷却液出口分别经冷却液电磁阀(包括电堆A的冷却液电磁阀15、电堆B的冷却液电磁阀24、电堆C的冷却液电磁阀33和电堆D的冷却液电磁阀42)，合并到热管理子系统3的冷却液输入管道；在冷却液输出管道和冷却液输入管道处设有冷却液侧温压一体传感器45。
所述发动机控制模块分别与氢气子系统2、空气子系统1、热管理子系统3、各DC-DC模块(47～50)、各电堆(4～7)的节电压采集控制器、氢气电动比例阀(11、20、29和38)、氢气流量计(13、22、31和40)、氢气电磁阀(12、21、30和39)、空气电动球阀(8、17、26和35)、空气流量计(10、19、28和37)、空气电磁阀(9、18、27和36)、冷却液电动球阀(14、23、32和42)、水流量计(16、25、34和43)和冷却液电磁阀(15、24、33和42)相连；发动机控制模块的内部存储有各电堆(4～7)上次运行结束后记录的衰减程度，以及出厂时记录的最大输出功率和不同电流下的最大平均节电压，计算得到各电堆(4～7)的最大输出功率；然后根据燃料电池汽车的最大功率需求，控制最大输出功率之和满足最大功率需求的N个电堆处于工作状态，N≥1，其他电堆处于关闭状态，具体为：
发动机控制模块根据燃料电池汽车的最大功率需求，分别计算并控制氢气子系统2、空气子系统1和热管理子系统3对应输出的总氢气量、总空气量和总冷却液量，计算过程具体为：
Figure BDA0003273008570000081
Qj＝Io·Kj,j＝1,2,3
其中，Io为目标输出电流；P为燃料电池汽车的最大功率需求；U为处于工作状态的各电堆输出电压的平均值；Qj,j＝1,2,3分别为总氢气量、总空气量和总冷却液量；Kj,j＝1,2,3分别为氢气计量比、空气计量比和冷却液计量比；
设处于工作状态的各电堆的衰减程度为Ri,i＝1,...,N，发动机控制模块分别调节处于工作状态的各电堆的氢气电动比例阀、空气电动球阀和冷却液电动球阀的开度，使氢气子系统、空气子系统和热管理子系统按照(1-R1):...:(1-RN)的比例分配进入各电堆的氢气流量、空气流量和冷却液流量，并控制氢气电磁阀、空气电磁阀和冷却液电磁阀开启；同时控制处于关闭状态的燃料电池电堆的氢气电动比例阀、氢气电磁阀、空气电动球阀、空气电磁阀、冷却液电动球阀和冷却液电磁阀均关闭；
之后发动机控制模块根据目标输出电流Io，控制处于工作状态的各电堆对应DC-DC模块按照(1-R1):...:(1-RN)的比例调节输入电流，以输出电流为目标输出电流Io，适应燃料电池汽车的不同功率需求。
其中，电堆(4～7)的最大输出功率的计算过程如下：
其中，Pmax'为该电堆的最大输出功率；Pmax为该电堆出厂时记录的最大输出功率；R为该电堆的上次运行结束后记录的衰减程度；
电堆(4～7)上次运行结束后记录的衰减程度R通过如下方式获得：
发动机控制模块根据该电堆上次运行时输出的节点压，计算得到输出电流I下的平均节电压VI_avg，然后根据该电堆出厂时记录的电流I下的最大平均节电压VI_pre，计算得到衰减程度R并保存，其中，
Figure BDA0003273008570000091
下面对满足不同燃料电池汽车的最大功率需求的长寿命燃料电池系统的电堆运行过程进行描述。
(1)若电堆A4的最大输出功率能满足燃料电池汽车的最大功率需求，发动机控制模块则控制电堆A4处于工作状态，其他电堆处于关闭状态，具体为：
发动机控制模块据燃料电池汽车的最大功率需求，分别计算并控制氢气子系统2、空气子系统1和热管理子系统3对应输出的总氢气量、总空气量和总冷却液量，并控制电堆A的空气电动球阀8、电堆A的空气电磁阀9、电堆A的氢气电动比例阀11、电堆A的氢气电磁阀12、电堆A的冷却液电动球阀14和电堆A的冷却液电磁阀15全开，其他三个电堆(5～7)的空气电动球阀(17、26和35)、空气电磁阀(18、27和36)、氢气电动比例阀(20、29和38)、氢气电磁阀(21、30和39)、冷却液电动球阀(23、32和42)和冷却液电磁阀(24、33和42)全闭，此时仅有电堆A处于工作状态；发动机控制模块通过调节电堆A的DC-DC模块47的输入电流，控制对应功率输出子模块的输出功率，以适应燃料电池汽车的不同功率需求。
(2)若电堆A4和电堆B5的最大输出功率之和能满足燃料电池汽车的最大功率需求，发动机控制模块则控制电堆A4和电堆B5处于工作状态，其他电堆处于关闭状态，具体为：
发动机控制模块据燃料电池汽车的最大功率需求，分别计算并控制氢气子系统2、空气子系统1和热管理子系统3对应输出的总氢气量、总空气量和总冷却液量；设电堆A4和电堆B5的衰减程度分别为R1＝20％和R2＝40％，发动机控制模块根据电堆A4和电堆B5的氢气流量计(13和22)、空气流量计(10和19)和水流量计(16和25)测量的进入对应电堆的氢气流量、空气流量和冷却液流量，分别调节对应电堆的空气电动球阀(8和17)、氢气电动比例阀(11和20)和冷却液电动球阀(14和23)的开度，使氢气子系统2、空气子系统1和热管理子系统3按照8：6的比例分配进入电堆A4和电堆B5的氢气流量、空气流量和冷却液流量，并控制电堆A4和电堆B5的空气电磁阀(9和18)、氢气电磁阀(12和21)和冷却液电磁阀(15和24)全开，其他两个电堆(6和7)的空气电动球阀(26和35)、空气电磁阀(27和36)、氢气电动比例阀(29和38)、氢气电磁阀(30和39)、冷却液电动球阀(32和42)和冷却液电磁阀(33和42)全闭，此时仅有电堆A4和电堆B5处于工作状态；
之后发动机控制模块根据目标输出电流Io，控制电堆A的DC-DC模块47和电堆B的DC-DC模块48按照8：6的比例调节输入电流，以输出电流为目标输出电流Io，适应燃料电池汽车的不同功率需求。
(3)若电堆A4、电堆B5和电堆C6的最大输出功率之和能满足燃料电池汽车的最大功率需求，发动机控制模块则控制电堆A4、电堆B5和电堆C6处于工作状态，其他电堆处于关闭状态，具体为：
发动机控制模块据燃料电池汽车的最大功率需求，分别计算并控制氢气子系统2、空气子系统1和热管理子系统3对应输出的总氢气量、总空气量和总冷却液量；设电堆A4、电堆B5和电堆C6的衰减程度分别为R1＝20％、R2＝30％和R3＝40％，发动机控制模块根据电堆A4、电堆B5和电堆C6的氢气流量计(13、22和31)、空气流量计(10、19和28)和水流量计(16、25和34)测量的进入对应电堆的氢气流量、空气流量和冷却液流量，分别调节对应电堆的空气电动球阀(8、17和26)、氢气电动比例阀(11、20和29)和冷却液电动球阀(14、23和32,)的开度，使氢气子系统2、空气子系统1和热管理子系统3按照8：7：6的比例分配进入电堆A4、电堆B5和电堆C6的氢气流量、空气流量和冷却液流量，并控制电堆A4、电堆B5和电堆C6的空气电磁阀(9、18和27)、氢气电磁阀(12、21和30)和冷却液电磁阀(15、24和33)全开，电堆D7的空气电动球阀35、空气电磁阀36、氢气电动比例阀38、氢气电磁阀39、冷却液电动球阀42和冷却液电磁阀42全闭，此时仅有电堆A4、电堆B5和电堆C6处于工作状态；
之后发动机控制模块根据目标输出电流Io，控制电堆A的DC-DC模块47、电堆B的DC-DC模块48和电堆C的DC-DC模块49按照8：7：6的比例调节输入电流，以输出电流为目标输出电流Io，适应燃料电池汽车的不同功率需求。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
同时，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

Claims (7)

1.一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统，其特征在于，包括氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、发动机控制模块和多个并联连接的功率输出子模块；
所述功率输出子模块由燃料电池电堆和DC-DC模块构成，燃料电池电堆的正负极与对应DC-DC模块的输入端相连，各DC-DC模块的输出端均连接至同一组线路；
所述氢气子系统的氢气输出管道一分为多，分别经氢气电动比例阀进入各燃料电池电堆的氢气入口；各燃料电池电堆的氢气出口分别经氢气电磁阀，合并到氢气子系统的氢气输入管道；
所述空气子系统的空气输出管道一分为多，分别经空气电动球阀进入各燃料电池电堆的空气入口；各燃料电池电堆的空气出口分别经空气电磁阀，合并到空气子系统的空气输入管道；
所述热管理子系统的冷却液输出管道一分为多，分别经冷却液电动球阀进入各燃料电池电堆的冷却液入口；各燃料电池电堆的冷却液出口分别经冷却液电磁阀，合并到热管理子系统的冷却液输入管道；
所述发动机控制模块分别与氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、各DC-DC模块、各燃料电池电堆的节电压采集控制器、氢气电动比例阀、氢气流量计、氢气电磁阀、空气电动球阀、空气流量计、空气电磁阀、冷却液电动球阀、水流量计和冷却液电磁阀相连；发动机控制模块的内部存储有各燃料电池电堆上次运行结束后记录的衰减程度，以及出厂时记录的最大输出功率和不同电流下的最大平均节电压，计算得到各燃料电池电堆的最大输出功率，然后根据燃料电池汽车的最大功率需求，控制最大输出功率之和满足最大功率需求的N个燃料电池电堆处于工作状态，其他燃料电池电堆处于关闭状态，具体为：
计算并控制氢气子系统、空气子系统和热管理子系统对应输出的总氢气量、总空气量和总冷却液量；设处于工作状态的各燃料电池电堆的衰减程度为Ri,i＝1,2,...,N，分别调节各燃料电池电堆的氢气电动比例阀、空气电动球阀和冷却液电动球阀的开度，使氢气子系统、空气子系统和热管理子系统按照(1-R1):(1-R2):...:(1-RN)的比例分配进入各燃料电池电堆的氢气流量、空气流量和冷却液流量，并控制氢气电磁阀、空气电磁阀和冷却液电磁阀开启；同时控制处于关闭状态的燃料电池电堆的氢气电动比例阀、氢气电磁阀、空气电动球阀、空气电磁阀、冷却液电动球阀和冷却液电磁阀全闭；
之后发动机控制模块控制处于工作状态的各燃料电池电堆对应DC-DC模块按照(1-R1):(1-R2):...:(1-RN)的比例调节输入电流，以输出目标输出电流；其中，目标输出电流为燃料电池汽车的最大功率需求与处于工作状态的各燃料电池电堆输出电压的平均值的比值。
2.根据权利要求1所述多电堆集成的长寿命燃料电池系统，其特征在于，当仅有一个燃料电池电堆处于工作状态时，发动机控制模块根据燃料电池汽车的最大功率需求，分别计算并控制氢气子系统、空气子系统和热管理子系统对应输出的总氢气量、总空气量和总冷却液量，并控制处于工作状态的燃料电池电堆的氢气电动比例阀、氢气电磁阀、空气电动球阀、空气电磁阀、冷却液电动球阀和冷却液电磁阀全开，处于关闭状态的燃料电池电堆的氢气电动比例阀、氢气电磁阀、空气电动球阀、空气电磁阀、冷却液电动球阀和冷却液电磁阀全闭。
3.根据权利要求1所述多电堆集成的长寿命燃料电池系统，其特征在于，燃料电池电堆的最大输出功率的计算过程如下：
Pmax'＝Pmax*(1-R)
其中，Pmax'为该燃料电池电堆的最大输出功率；Pmax为该燃料电池电堆出厂时记录的最大输出功率；R为该燃料电池电堆的上次运行结束后记录的衰减程度。
4.根据权利要求1～3任一项所述多电堆集成的长寿命燃料电池系统，其特征在于，燃料电池电堆上次运行结束后记录的衰减程度R通过如下方式获得：
发动机控制模块根据该燃料电池电堆上次运行时输出的节点压，计算得到输出电流I下的平均节电压VI_avg，然后根据该燃料电池电堆出厂时记录的电流I下的最大平均节电压VI_pre，计算得到衰减程度R并保存，其中，
Figure FDA0003273008560000021
5.根据权利要求1或2任一项所述多电堆集成的长寿命燃料电池系统，其特征在于，所述氢气子系统还包括设置于各燃料电池电堆的氢气入口的氢气流量计，与发动机控制模块相连，发动机控制模块根据氢气流量计测量的进入燃料电池电堆的氢气流量，调节氢气电动比例阀的开度。
6.根据权利要求1或2任一项所述多电堆集成的长寿命燃料电池系统，其特征在于，所述空气子系统还包括设置于各燃料电池电堆的空气入口的空气流量计，与发动机控制模块相连，发动机控制模块根据空气流量计测量的进入燃料电池电堆的空气流量，调节空气电动球阀的开度。
7.根据权利要求1或2任一项所述多电堆集成的长寿命燃料电池系统，其特征在于，所述热管理子系统还包括设置于各燃料电池电堆的冷却液入口的水流量计，与发动机控制模块相连，发动机控制模块根据水流量计测量的进入燃料电池电堆的冷却液流量，调节冷却液电动球阀的开度。
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