CN113871655A - 燃料电池系统的放电状态调控模块、控制系统及停机方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的放电状态调控模块、控制系统及停机方法，该放电状态调控模块包括比较器、开关管和采样电阻，比较器的第一输入端分别与所述开关管的第一端和所述采样电阻的第一端连接，所述开关管的第二端与燃料电池系统的高电位端相连，所述开关管的第一端与所述采样电阻的第一端连接，所述采样电阻的第二端与所述燃料电池系统的低电位端相连，所述比较器的输出端与所述开关管的控制端连接；其中，所述比较器的第二输入端选择性地接入目标控制电压，通过控制所述开关管导通进而控制所述燃料电池系统放电程度。本发明通过放电状态控制模块可以控制燃料电池系统自动放电，防止燃料电池系统长时间工作在高电位导致耐久性下降问题。

Description

燃料电池系统的放电状态调控模块、控制系统及停机方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统的放电状态调控模块、控制系统及停机方法。
背景技术
燃料电池是氢气与氧气在膜电极表面发生电化学反应产生水并对外输出电能的发电装置，单片燃料电池开路电压约1.0V，额定工作电压0.5～0.75V。燃料电池长时间工作于高于0.75V的电位时会造成催化剂不可逆衰减。
在怠速及停机过程均容易出现燃料电池工作于高电位，怠速高电位可通过适当的电堆选型及工况匹配避免，停机过程高电位不可避免。一种方法是通过封闭氢气、空气管路，待氢气、空气完全耗尽后自动降低电位。但氢气、空气消耗速度慢，较长时间内燃料电池仍处于高电位状态。另一种方法是通过燃料电池堆对下游阻性设备(如DC-DC、电机等)放电的方法快速降低电位，但需要对DC-DC进行针对性设计。鉴于膜电极三相界面活性位上的气体不能在一次放电中全部消耗完毕，燃料电池重新开路后会再次处于高电位状态，因此，需要对DC-DC、电机等设备进行多次操作，从而造成停机流程复杂的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种燃料电池系统的放电状态控制模块。
本发明的第二目的在于提供一种燃料电池系统的调控系统。
本发明的第三目的在于提供一种燃料电池系统的停机方法。
为实现上述目的，本发明第一方面的燃料电池系统的放电状态控制模块，包括比较器、开关管和采样电阻Rs，所述比较器的第一输入端分别与所述开关管的第一端和所述采样电阻Rs的第一端连接，所述开关管的第二端与燃料电池系统的高电位端相连，所述开关管的第一端与所述采样电阻Rs的第一端连接，所述采样电阻Rs的第二端与所述燃料电池系统的低电位端相连，所述比较器的输出端与所述开关管的控制端连接；其中，所述比较器的第二输入端选择性地接入目标控制电压，通过控制所述开关管导通进而控制所述燃料电池系统放电程度。
进一步，所述开关管为MOS管，所述比较器的输出端经电阻Rg与所述MOS管的栅极连接，所述MOS管的漏极与所述燃料电池系统的高电位端连接，所述MOS管的源极分别与所述比较器的第一输入端和所述采样电阻的第一端连接。
进一步，所述比较器为运算放大器，所述运算放大器的反相端分别与所述开关管的第一端和所述采样电阻的第一端连接，所述运算放大器的同相端选择性地接入所述目标控制电压，所述运算放大器的输出端与所述开关管的控制端连接。
进一步，所述燃料电池系统的放电状态控制模块还包括第一电压输入端、第二电压输入端和第三电压输入端，所述第一电压输入端经数模转换单元与所述运算放大器的同相端连接，通过所述第一电压输入端向所述运算放大器的同相端接入所述目标控制电压；所述第二电压输入端与所述开关管的第二端连接，通过所述第二电压输入端与所述燃料电池系统的高电位端相连；所述第三电压输入端与所述采样电阻Rs的第二端连接，通过所述第三电压输入端与所述燃料电池系统的低电位端相连。
进一步，所述目标控制电压为0.1V-0.75V。
进一步，所述燃料电池系统包括多个燃料电池串联形成的燃料电池堆。
本发明第二方面的燃料电池控制系统，包括控制模块和如第一方面所述的放电状态控制模块，所述控制模块与所述放电状态控制模块相连，所述放电状态控制模块与所述燃料电池系统相连，所述控制模块用于控制向所述放电状态控制模块接入的所述目标控制电压的电压大小。
进一步，所述控制模块包括：
判断单元，用于判断当前燃料控制系统的电压与目标控制电压的大小；
控制单元，用于在当前燃料控制系统的电压小于目标控制电压后停止接入所述目标控制电压。
本发明第三方面的燃料电池系统的停机方法，利用第二方面的燃料电池控制系统，所述停机方法包括如下步骤：
1)封闭氢气、空气管路的进出口；
2)向所述放电状态控制模块持续接入所述目标控制电压，所述目标控制电压的电压值小于所述燃料电池系统的电压值；
3)燃料电池系统通过所述放电状态控制模块自动放电；
4)在所述燃料电池系统的电压值小于0.1V时，停止向所述放电状态控制模块接入所述目标控制电压。
本发明通过放电状态控制模块可以控制燃料电池系统自动放电，防止燃料电池系统长时间工作在高电位导致耐久性下降问题。
此外，通过放电状态控制模块可以控制燃料电池系统持续放电至所需电压，避免燃料电池系统放电不净而造成燃料电池系统电压回升至高电位，并且停机时无需对DC-DC、电机等设备进行操作，简化了停机流程。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明一实施例的放电状态控制模块的电路示意图；
图2为本发明一实施例的燃料电池控制系统的结构示意图；
图3为本发明一实施例的燃料电池系统的停机方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
此外，所描述的任意两元件之间连接关系的“连接”或“相连”包括直接连接和间接连接，亦即两元件之间可以直接连接或者两元件之间还有其他元件，通过其他元件间接连接。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
如图1所示，燃料电池系统的放电状态控制模块，包括比较器1、开关管2和采样电阻3，所述比较器1的第一输入端分别与所述开关管2的第一端和所述采样电阻3的第一端连接，所述开关管2的第二端与燃料电池系统的高电位端相连，所述开关管2的第一端与所述采样电阻3的第一端连接，所述采样电阻3的第二端与所述燃料电池系统的低电位端相连，所述比较器1的输出端与所述开关管2的控制端连接；其中，所述比较器1的第二输入端选择性地接入目标控制电压，通过控制所述开关管2导通进而控制所述燃料电池系统放电程度。通过开关管2、采样电阻3和燃料电池系统之间形成的放电回路可以控制燃料电池系统放电程度。
本发明通过放电状态控制模块可以控制燃料电池系统自动放电，防止燃料电池系统长时间工作在高电位导致耐久性下降问题。
可选的，所述开关管2为MOS管，所述比较器1的输出端经电阻Rg与所述MOS管的栅极连接，所述MOS管的漏极与所述燃料电池系统的高电位端连接，所述MOS管的源极分别与所述比较器1的第一输入端和所述采样电阻3的第一端连接。MOS管输出回路电流经采样电阻3后转换为电压，并反馈到比较器的第一输入端。
可选的，所述比较器1为运算放大器，所述运算放大器的反相端分别与所述开关管2的第一端和所述采样电阻3的第一端连接，所述运算放大器的同相端选择性地接入所述目标控制电压，所述运算放大器的输出端与所述开关管2的控制端连接。在接入目标控制电压Vctrl后,若同相端电压大于反相端，则MOS管导通程度加深，输出回路电流增大，并使同相端电压与反相端电压相等，反之亦然。最终使燃料电池堆实现恒流放电，放电电流Idischarge为：
Figure BDA0003222224280000051
其中，Vctrl为目标控制电压，Rs为采样电阻。
可选的，所述燃料电池系统的放电状态控制模块还包括第一电压输入端、第二电压输入端和第三电压输入端，所述第一电压输入端经数模转换单元与所述运算放大器的同相端连接，通过所述第一电压输入端向所述运算放大器的同相端接入所述目标控制电压Vctrl；所述第二电压输入端与所述开关管2的第二端连接，通过所述第二电压输入端与所述燃料电池系统的高电位端相连，接入高电位V2i；所述第三电压输入端与所述采样电阻3的第二端连接，通过所述第三电压输入端与所述燃料电池系统的低电位端相连，接入低电位V2i-1。
可选的，放电状态控制模块接入的目标控制电压的电压值可以根据需要设定，例如所述目标控制电压为0.1V-0.75V。只需保证目标控制电压的电压值小于燃料电池系统的电压值。
可选的，所述燃料电池系统包括多个燃料电池串联形成的燃料电池堆。燃料电池堆中串联的燃料电池数量并无限制。
如图2所示，本发明的燃料电池控制系统，包括控制模块4和放电状态控制模块5。其中，放电状态模块5的技术方案已在上述实施例详细说明，在此不再赘述。所述控制模块4与所述放电状态控制模块5相连，所述放电状态控制模块5与所述燃料电池系统相连，所述控制模块4用于控制向所述放电状态控制模块5接入的所述目标控制电压Vctrl的电压大小和接入所述目标控制电压Vctrl的时间。燃料电池系统的高位端Vn与放电状态控制模块5的第二电压输入端相连，燃料电池系统的低位端V1与放电状态控制模块5的第三电压输入端相连，控制模块4与放电状态控制模块5的第一电压输入端相连。通过控制模块4可以调节接入目标控制电压Vctrl的电压大小和接入所述目标控制电压Vctrl的时间长短。
所述控制模块包括判断单元和控制单元，判断单元用于判断当前燃料控制系统的电压与目标控制电压的大小。控制单元用于在当前燃料控制系统的电压小于目标控制电压后停止接入所述目标控制电压。
如图3所示，本发明的燃料电池系统的停机方法，利用上述的燃料电池控制系统，所述停机方法包括如下步骤：
步骤S300：封闭氢气、空气管路的进出口；
步骤S310：向所述放电状态控制模块持续接入所述目标控制电压，所述目标控制电压的电压值小于所述燃料电池系统的电压值；
步骤S320：燃料电池系统通过所述放电状态控制模块自动放电；
步骤S330：在所述燃料电池系统的电压值小于0.1V时，停止向所述放电状态控制模块接入所述目标控制电压。
本发明基于所述燃料电池控制系统的停机方法，在停机信号发出后，首先封闭氢气、空气管路的进出口，然后燃料电池系统控制器给出小于电堆电压的目标控制电压，电堆开始自动放电，电堆电压降低，放电完毕后电堆电压可能出现上升，于是继续给出目标控制电压，直到电堆电压小于0.1V。可以使燃料电池堆以任意电流放电，并使残余电量迅速耗尽，规避由电堆长时间处于高电位状态导致的耐久性下降问题。通过放电状态控制模块可以控制燃料电池系统持续放电至所需电压，避免燃料电池系统放电不净而造成燃料电池系统电压回升至高电位，并且停机时无需对DC-DC、电机等设备进行操作，简化了停机流程。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统的放电状态控制模块，其特征在于，包括比较器、开关管和采样电阻，所述比较器的第一输入端分别与所述开关管的第一端和所述采样电阻的第一端连接，所述开关管的第二端与燃料电池系统的高电位端相连，所述开关管的第一端与所述采样电阻的第一端连接，所述采样电阻的第二端与所述燃料电池系统的低电位端相连，所述比较器的输出端与所述开关管的控制端连接；其中，所述比较器的第二输入端选择性地接入目标控制电压，通过控制所述开关管导通进而控制所述燃料电池系统放电程度。
2.如权利要求1所述的放电状态控制模块，其特征在于，所述开关管为MOS管，所述比较器的输出端经电阻Rg与所述MOS管的栅极连接，所述MOS管的漏极与所述燃料电池系统的高电位端连接，所述MOS管的源极分别与所述比较器的第一输入端和所述采样电阻的第一端连接。
3.如权利要求1所述的放电状态控制模块，其特征在于，所述比较器为运算放大器，所述运算放大器的反相端分别与所述开关管的第一端和所述采样电阻的第一端连接，所述运算放大器的同相端选择性地接入所述目标控制电压，所述运算放大器的输出端与所述开关管的控制端连接。
4.如权利要求3所述的放电状态控制模块，其特征在于，所述燃料电池系统的放电状态控制模块还包括第一电压输入端、第二电压输入端和第三电压输入端，所述第一电压输入端经数模转换单元与所述运算放大器的同相端连接，通过所述第一电压输入端向所述运算放大器的同相端接入所述目标控制电压；所述第二电压输入端与所述开关管的第二端连接，通过所述第二电压输入端与所述燃料电池系统的高电位端相连；所述第三电压输入端与所述采样电阻Rs的第二端连接，通过所述第三电压输入端与所述燃料电池系统的低电位端相连。
5.一种燃料电池控制系统，其特征在于，包括控制模块和如权利要求1-4任一项所述的放电状态控制模块，所述控制模块与所述放电状态控制模块相连，所述放电状态控制模块与所述燃料电池系统相连，所述控制模块用于控制向所述放电状态控制模块接入的所述目标控制电压的电压大小。
6.如权利要求5所述的燃料电池控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：
判断单元，用于判断当前燃料控制系统的电压与目标控制电压的大小；
控制单元，用于在当前燃料控制系统的电压小于目标控制电压后停止接入所述目标控制电压。
7.一种燃料电池系统的停机方法，其特征在于，利用如权利要求5所述的燃料电池控制系统，所述停机方法包括如下步骤：
1)封闭氢气、空气管路的进出口；
2)向所述放电状态控制模块持续接入所述目标控制电压，所述目标控制电压的电压值小于所述燃料电池系统的电压值；
3)燃料电池系统通过所述放电状态控制模块自动放电；
4)在所述燃料电池系统的电压值小于0.1V时，停止向所述放电状态控制模块接入所述目标控制电压。
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