CN114747053A - 用于在多堆栈燃料电池系统中提供热量控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种系统(5)，其包括多个功率转换器(20‑1至20‑n)，这些功率转换器被配置为经由处理设备(30)来平衡来自多个燃料电池堆栈(10‑1至10‑n)的热量。一些实施例可：设置位于多个堆栈(10‑1)中一个的输出端处的功率转换器(20‑1)中一个的一个或多个参数值，使得一个堆栈优先向负载提供功率；确定一个堆栈(10‑1)和多个堆栈(10‑2至10‑n)中的一个或多个其他堆栈的热功率，热功率中的每一个基于在相应功率转换器(20‑1至20‑n)的输入端处确定的电压和电流来确定；确定一个堆栈(20‑1)的热功率是否满足标准；以及响应于确定一个堆栈的热功率满足标准，设置位于一个或多个其他堆栈的输出端处的功率转换器(20‑2至20‑n)中每一个的一个或多个参数值，使得一个或多个其他堆栈(10‑2到10‑n)中每一个的确定的热功率更接近地匹配一个堆栈(10‑1)的确定的热功率。

Description

用于在多堆栈燃料电池系统中提供热量控制的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及用于控制燃料电池堆栈和相应功率转换器以确保燃料电池堆栈以基本上相同的速率退化的系统和方法。
背景技术
燃料电池堆栈由许多单电池堆叠而成，使得一个电池的阴极与相邻电池的阳极电连接。这样，完全相同的电流通过每个电池。高效的燃料电池电源需要适当的温度控制和热量管理，以确保可靠运行。例如，较高的操作温度通常会导致更多的生成水被蒸发，从而产生更多废热，这有损坏燃料电池堆栈(例如，膜变干)和/或加剧性能退化的风险。
即使是新的燃料电池堆/堆栈，基于它们的制造公差和它们各自的运行方式，它们的性能也是不同的。随着时间的推移，堆栈会退化，但它们的性能并不会以完全相同的速率退化，即使在所有堆栈之间平均分担电负载的情况下也是如此。堆栈以不同的速率退化，这导致最弱或最差的一个堆栈不得不越来越多地发挥自己的作用，并按比例地努力工作，以跟上其他堆栈。在这种情况下，燃料电池堆进一步退化，诸如在失控状态或负反馈回路中，其中燃料电池堆迅速恶化，导致组成系统的寿命显著缩短。仅仅进一步冷却最弱的堆栈并不是一个可行的解决方案，因为存在平方关系，即，使来自风扇的气流成两倍要消耗四倍的寄生功率。
发明内容
公开了用于控制多个燃料电池堆栈的热生成的系统和方法。因此，本公开的一个或多个方面涉及用于配置多个功率转换器使得热量平衡的方法。一些实施例可：设置位于多个堆栈中一个的输出端处的功率转换器中一个的一个或更多个参数值，使得一个堆栈优先向负载提供功率/供电；确定所述一个堆栈和多个堆栈中的一个或更多个其他堆栈的热功率，热功率中的每一个基于在相应功率转换器的输入端处确定的电压和电流来确定；确定所述一个堆栈的热功率是否满足标准；以及响应于确定所述一个堆栈的热功率满足标准，设置位于一个或更多个其他堆栈的输出端处的功率转换器中每一个的一个或更多个参数值，使得一个或更多个其他堆栈中的每一个的确定的热功率更接近地匹配一个堆栈的确定的热功率。
该方法由一种系统实施，该系统包括由机器可读指令和/或其他组件配置的一个或更多个硬件处理器。该系统包括一个或更多个处理器和其他组件或介质，例如，可在其上执行机器可读指令。所描述的任何技术的实施方式可包括方法或过程、装置、设备、机器、系统或存储在计算机可读存储设备(一个或更多个)上的指令。
附图说明
以下附图和说明中阐述了特定实施方式的细节。在整个说明书中，类似的附图标记可指代类似的元件。根据以下描述，包括附图和权利要求，其他特征将是显而易见的。然而，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在作为对本公开的限制的定义。
图1示出了根据一个或多个实施例的平衡由燃料电池堆栈产生的热量的系统的示例。
图2示出了根据一个或多个实施例的用于平衡由燃料电池堆栈产生的热量的过程。
具体实施方式
正如本申请书中所使用的，词语“可以/可(may)”是在许可的意义上使用的(即，意指有可能)，而不是在强制的意义上使用的(即，意指必须)。词语“包括(include，including，includes)”等意指包括，但不限于此。如本文所用，单数形式的“一个(a/an)”和“该(the)”包括复数指代，除非上下文另有明确指示。如本文所用，术语“数量(number)”应意指一或大于一的整数(即，多个)。
如本文所用，两个或多个部件或组件“耦合”的陈述应意指，只要发生链接，这些部件直接或间接地，即通过一个或多个中间部件或组件接合或一起操作。如本文所用，“直接耦合”意指两个元件彼此直接接触。
除非另有明确说明，否则从论述中显而易见的是，应当理解，在整个说明书中，利用诸如“处理(processing)”、“计算(computing)”、“运算(calculating)”、“确定(determining)”等术语的论述是指特定装置，诸如专用计算机或类似的专用电子处理/计算设备的动作或过程。
图1示出了包括功率转换器20的多堆栈燃料电池电源系统5，该功率转换器被配置为在某一时刻使得一组堆栈10跟随堆栈10中的一个的热量。此时，这一堆栈可能被指定为主堆栈。而且，尽管可为该堆栈设置电负载限制(例如，限制变化率)，但该堆栈有效地跟随负载。剩余的堆栈可基于要达到的热量设定点进行控制，该设定点可从主堆栈产生的热量中导出。在另一个后续时间，该组中的另一个堆栈可被指定和控制为主堆栈。
在一些实施例中，系统5的功率转换器20的输出端以并行配置连接，使得堆栈10-1至10-n(n为自然数)向负载提供功率。在一些实施例中，功率转换器20是DC-DC(DC/DC)转换器，其包括将直流(DC)源从一个电压电平转换为另一个电压电平的电子电路或机电设备。例如，每个功率转换器20可为DC/DC降压-升压转换器、线性调节器、电压调节器、电机发电机、旋转转换器或开关模式电源。在一些实施例中，调节功率转换器20的输出。并且，在一些实施例中，提供给负载的功率可为线性的、切换的或基于电池的。
在一些实施例中，每个功率转换器20具有一个或多个模拟输入端，诸如电压设定点和电流限制，用于控制来自每个功率转换器的输出功率。例如，功率控制组件32可将每个功率转换器20-2至20-n(n为自然数)的电压设置为高于功率转换器20-1的电压设定点，从而功率转换器20-2至20-n优先向负载馈电。在该示例中，功率控制组件32可通过将其电流限制设置为高于功率转换器20-2至20-n的电流限制来将功率转换器20-1配置为主堆栈。当负载需求满足标准时，并且因此当从系统5中汲取相当大量的功率时，堆栈10-1和功率转换器20-1可参与供应该超额功率需求。但是，因为热量估计组件34可确定从每个堆栈10生成的热功率，所以功率控制组件32可提高每个功率转换器20-2至20-n的电流限制，使得功率转换器20-2至20-n递送更多功率。在一些实施方式中，热量估计组件34可定期或不定期地确定这些热功率。在另一个实施方式中，热量估计组件34可基于经由用户接口18从用户接收的请求来确定这些热功率。
在一些实施例中，功率控制组件32可通过特别控制功率转换器20的输出电流限制和电压设定点来将一个堆栈10配置为主堆栈。在一些实施例中，功率控制组件32可将堆栈10配置为主要的，以通过跟随功率循环来供应瞬态负载。在一些实施例中，功率控制组件32交替使用堆栈10中的哪一个作为主堆栈。在一些实施方式中，一个以上的堆栈可作为主堆栈运行。在这些情况中的任何一种情况下，当前未作为主堆栈运行的其他堆栈可增加或减少它们的电力生成//发电，以跟随主堆栈的热生成。
在一些实施例中，功率控制组件32可将最弱或最不健康的堆栈10配置为主堆栈。在这些或其他实施例中，功率控制组件32可将最强或最健康的堆栈10配置为主堆栈。主堆栈通常会跟随负载。例如，如果负载为零，则主堆栈和所有其他堆栈可不提供功率；但是，当负载增加时，主堆栈的功率转换器可跟随负载。也就是说，主堆栈功率可按尽可能快的速度增加，以匹配负载。实际上，系统5中的所有堆栈10均可通过对应地提供功率来跟随负载，但主堆栈可领先，并且其他堆栈可跟随主堆栈。然而，这可能并不意味着主堆栈10将超过同等分担的级别。除主堆栈10以外的堆栈10可跟随主堆栈，使得它们尝试匹配主堆栈的热功率(或其他匹配参数),并且跟随在后面。在另一个示例中，主堆栈可处于非活动状态(而所有其他堆栈均在积极地获取电力)，直到来自负载的需求上升超过阈值。
图1的电子存储装置22包括以电子方式存储信息的电子存储介质。电子存储装置22的电子存储介质可包括与系统5集成(即，基本上不可移动)的系统存储装置和/或可经由例如端口(例如，USB端口、火线端口等)或驱动器(例如，磁盘驱动器等)可拆除地连接到系统5的可移动存储装置。电子存储装置22可以(全部或部分地)是系统5内的单独组件，或者电子存储装置22可(全部或部分地)与系统5的一个或多个其他组件(例如，用户接口设备18、处理器30等)集成在一起。在一些实施例中，电子存储装置22可与处理器30一起位于服务器中，位于作为外部资源24的一部分的服务器中，位于用户接口设备18中，和/或位于其他位置。电子存储装置22可包括存储控制器和一个或多个光学可读存储介质(例如，光盘等)、磁性可读存储介质(例如，磁带、磁硬盘驱动器、软盘驱动器等)、基于电荷的存储介质(例如，EPROM、RAM等)、固态存储介质(例如，闪存驱动器等)，和/或其他电子可读存储介质。电子存储装置22可存储软件算法、由处理器30获得和/或确定的信息、经由用户接口设备18和/或其他外部计算系统接收的信息、从外部资源24接收的信息和/或使系统5能够如本文所描述起作用的其他信息。
外部资源24可包括信息源(例如，数据库、网站等)、参与系统5的外部实体、系统5外部的一个或多个服务器、网络、电子存储装置、与Wi-Fi技术相关的装备、与
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(蓝牙)技术相关的装备、数据输入设备、电源、发送/接收元件(例如，被配置为发送和/或接收无线信号的天线)、网络接口控制器(NIC)、显示控制器、图形处理单元(GPU)和/或其他资源。在一些实施方式中，本文中归属于外部资源24的功能性中的一些或所有可由系统5中包括的其他组件或资源提供。处理器30、外部资源24、用户接口设备18、电子存储装置22、网络70和/或系统5的其他组件可被配置为经由有线和/或无线连接彼此通信，所述连接诸如网络(例如，局域网(LAN)、互联网、广域网(WAN)、无线接入网(RAN)、公共交换电话网(PSTN))，蜂窝技术(例如GSM、UMTS、LTE、5G等)、Wi-Fi技术、另一无线通信链路(例如射频(RF)、微波、红外(IR)、紫外线(UV)、可见光、厘米波(cmWave)、毫米波(mmWave)等)、基站和/或其他资源。
系统5的用户接口设备(一个或多个)18可被配置为在一个或多个用户与系统5之间提供接口。用户接口设备18被配置为向一个或多个用户提供信息和/或从一个或多个用户接收信息。用户接口设备18包括用户接口和/或其他组件。用户接口可为和/或包括被配置为呈现视图和/或字段的图形用户接口，这些视图和/或字段被配置为接收关于系统5的特定功能性的输入和/或选择，和/或提供和/或接收其他信息。在一些实施例中，用户接口设备18的用户接口可包括与处理器30和/或系统5的其他组件相关联的多个单独接口。适合包含在用户接口设备18中的接口设备的示例包括触摸屏、小键盘、触敏和/或物理按钮、开关、键盘、旋钮、杠杆、显示器、扬声器、麦克风、指示灯、声音报警器、打印机和/或其他接口设备。本公开还设想用户接口设备18包括可移动存储接口。在该示例中，信息可从可移动存储装置(例如，智能卡、闪存驱动器、可移动磁盘)加载到用户接口设备18中，这使得用户能够定制用户接口设备18的实施方式。
在一些实施例中，用户接口设备18被配置为向系统5提供用户接口、处理能力、数据库和/或电子存储装置。因此，用户接口设备18可包括处理器30、电子存储装置22、外部资源24和/或系统5的其他组件。在一些实施例中，用户接口设备18连接到网络(例如，互联网)。在一些实施例中，用户接口设备18不包括处理器30、电子存储装置22、外部资源24和/或系统5的其他组件，而是经由专用线路、总线、交换机、网络或其他通信工具与这些组件通信。通信可为无线的或有线的。在一些实施例中，用户接口设备18是膝上型计算机、台式计算机、智能电话、平板计算机和/或其他用户接口设备。
数据和内容可通过通信接口(例如硬连线、总线等)和通信路径，使用对应于不同媒体传送平台的多种通信协议中的任何一种，在系统5的各种组件之间交换。
在一些实施例中，处理器30可属于用户设备、消费电子设备、移动电话、智能电话、个人数据助理、数字平板计算机/平板计算机、可穿戴设备(例如手表)、个人计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、工作台、服务器、高性能计算机(HPC)、车载计算机、游戏或娱乐系统、机顶盒或任何其他设备。因此，处理器30被配置为在系统5中提供信息处理能力。处理器30可包括微控制器、数字处理器、模拟处理器、设计用于处理信息的数字电路、设计用于处理信息的模拟电路、状态机和/或用于电子地处理信息的其他机制中的一个或多个。尽管处理器30在图1中示出为单个实体，但这仅仅是为了说明的目的。在一些实施例中，处理器30可包括多个处理单元。这些处理单元可物理上位于同一设备(例如，服务器)内，或者处理器30可表示协同操作的多个设备(例如，一个或多个服务器、用户接口设备18、作为外部资源24一部分的设备、电子存储装置22和/或其他设备)的处理功能性。
如图1所示，处理器30经由机器可读指令配置为执行一个或多个计算机程序组件。计算机程序组件可包括功率控制组件32、热量估计组件34、冷却控制组件36、开关控制组件38、阀控制组件39和/或其他组件中的一个或多个。处理器30可被配置为通过以下项执行组件32、34、36、38和/或39：软件；硬件固件；软件、硬件和/或固件的某个组合；和/或用于配置处理器30上的处理能力的其他机制。
应当理解，尽管组件32、34、36、38和39在图1中被示为共同位于单个处理单元内，但在处理器30包括多个处理单元的实施例中，组件32、34、36、38和/或39中的一个或多个可位于远离其他组件的位置。例如，在一些实施例中，处理器组件32、34、36、38和39中的每一个均可包括一组独立且不同的处理器。由下面描述的不同组件32、34、36、38和/或39所提供的功能性的描述是为了说明的目的，而不是为了限制，因为组件32、34、36、38和/或39中的任何一个可提供比所描述的更多或更少的功能性。例如，可消除组件32、34、36、38和/或39中的一个或多个，并且其功能性中的一些或所有可由其他组件32、34、36、38和/或39提供。作为另一个示例，处理器30可被配置为执行一个或多个附加组件，这些附加组件可执行以下归因于组件32、34、36、38和/或39中的一个的功能性中的一些或所有。
在一些实施例中，功率控制组件32可确定堆栈10的数量和当前在系统5中运行的特定堆栈10，使得堆栈10的各种不同组合被用于向负载提供功率。例如，功率控制组件32和热量估计组件34可导致创建操作功率转换器20的配置(一个或多个)，用于向负载馈电。在这个或另一个示例中，开关可被配置为使得负载消耗来自堆栈10-1、10-2、…10-n中一个或更多个的功率。在一些实施例中，负载包括多个负载。
在一些实施例中，功率控制组件32可被配置为识别并自动确定每个功率转换器20的一个或多个参数值。这些参数值可包括电流限制、电压设定点、开/关设定和另一个合适的控制信号中的至少一个。通过控制这些参数值，功率转换器20可处于功率控制部件32的完全功率控制下。在一些实施例中，功率转换器20可基于经由用户接口18接收并经由来自功率控制组件32的电压控制信号传送到相应功率转换器20的期望输入电压来在它们之间确定它们自己的输出电压。
在一些实施例中，功率控制组件32可设置系统5中每个功率转换器20的最大电流限制和/或电压设定点。例如，功率转换器20-1可被设置为以48伏(V)递送功率，并且一个或多个功率转换器20-2至20-n可被设置为以49伏递送功率。但这并不旨在是限制性的，因为一个或多个功率转换器中的每一个可单独设置，并且因此被设置为不同的并且可能不同的电流和/或电压。
在一些实施例中，功率控制组件32可配置一个或多个功率转换器20，使得一个或多个堆栈10作为主堆栈运行。在一些实施方式中，功率控制组件32可经由用户接口设备18接收系统5的主堆栈的电压设置作为输入。然后，功率控制组件32可基于接收到的电压配置与该堆栈相关联的功率转换器的输出电压，并且将与系统5的所有其他堆栈相关联的功率转换器的输出电压配置为比与主堆栈相关联的输出电压稍高的电压。通过这种配置，其他堆栈将优先馈电。也就是说，通过设置比其他堆栈低的设定点，主堆栈10将允许其他堆栈10首先馈电。但是，通过将主堆栈的功率转换器20的电流限制设置为高于其他堆栈的功率转换器20的电流限制，当有额外的负载要被拉掉时，主堆栈的功率转换器可促进向负载递送更多的电流。
在一些实施方式中，功率控制组件32可控制与主堆栈10相关联的功率转换器20，使得主堆栈优先提供功率，直到其变得太热；也就是说，主堆栈可被配置为跟随负载。当主堆栈10变得太热时，其他堆栈10可通过控制它们的功率转换器来配置，以帮助和带走一些负载来降低主堆栈的温度。因此，可控制每个堆栈10，使其轮流成为主堆栈。通过这种控制策略，系统5的一些实施例可避免弱堆栈耗尽。当一个弱堆栈处于主堆栈时，它可能会更快地变热，因此可控制其他堆栈更早地激活来辅助。
在一些实施例中，不是要求所有的堆栈10提供相等比例的电负载，而是可将一个堆栈10指定为主堆栈。这样做的效果可能是，性能更好的堆栈比其他堆栈工作得稍微努力一些，因此性能退化在所有堆栈中分布得更均匀。此外，由于它们可能产生相同的热量，因此它们可能需要相同的冷却，因此可能以相同的冷却流(例如，经由气体、空气、液体或其他介质)来操作。
当燃料电池运行时，氢的电解氧化产生电压，该电压驱动电流提供有用的功率。然而，这种生产并不是完全高效的，因此会产生废热。热量估计组件34可执行计算以提供热功率的估计。在一些实施例中，热功率可为来自反应(即，燃料电池中通过氢氧化产生水而发生的可逆电化学反应)的功率，该功率没有被有效地转换成电力，而是被转换成热。这种热功率(P热)可使用下面的等式生成：
Figure BDA0003669691270000081
在这个等式中，N电池是堆栈中电池(例如，质子交换膜(PEM)燃料电池)的数量，ΔcHLHV是氢的燃烧热(LHV)且以兆焦耳(MJ)每千克(kg)为单位测量，MH2是氢的分子质量且以克(g)每摩尔为单位测量，s是反应中使用/产生的物质数量(例如，氢消耗)，z是反应中使用的电子数量(例如2)，F是法拉第常数且以库仑(C)每摩尔为单位测量，V堆栈是堆栈的输出电压设定点且由电压传感器40测量，并且I是从堆栈中汲取的当前电流且由电流传感器50测量。上面的等式1可通过用相应的值替换常数而简化为下面的等式：
P热＝(1.253169873N电池-V堆栈)I(2)
值1.253169873可视为理想的低热值(LHV)电压。
在一些实施例中，热量估计组件34可实施基于堆栈的估计健康状况实施选择基本堆栈10的一般策略。例如，热量估计组件34可被配置为存储每个堆栈10的先前确定的热功率，并且基于每个堆栈的存储的(即，历史的)热功率来确定每个堆栈10的健康水平。在这个或另一个示例中，使用来自热量估计组件34的一个或多个值的功率控制组件32可被配置为基于相应的、确定的健康水平来重置与主堆栈(例如10-1)相关联的功率转换器(例如20-1)的参数值，并且重置与另一个堆栈(例如10-2至10-n中的一个)相关联的另一功率转换器(例如20-2至20-n中的一个)的参数值，使得另一堆栈优先向负载提供功率。功率控制组件32和热量估计组件34因此可配置主堆栈的这种改变；结果，可导致另一个堆栈以现在更大的速率退化(例如，通过经由相应功率转换器的配置运行另一个堆栈，使得该另一个堆栈比没有选择该另一个堆栈来重置其参数值(一个或多个)时更热)。
处理器30可从电子存储装置22加载值，处理器30可学习最佳值，然后将这些新值存储到电子存储装置22。这些值可包括热功率、用于控制功率转换器20的参数值、用于控制冷却装备60的值、来自传感器55、56、40、41、50、51和/或一个或多个其他设备的值、通电后的总通电时间、生成的总能量和/或其他合适的值。这些值中的一个或多个可在启动时从电子存储装置22中读取。一旦运行，处理器30可将这些值记录到电子存储装置22或另一个目的地。
在一些实施例中，冷却控制组件36可向一组风扇、叶轮和/或泵中的每一个发送控制信号。在一些实施例中，冷却控制部件36可使用热敏电阻55-56的输出值来控制冷却装备60。因此，风扇的控制可能严重依赖于热功率，这是风扇冷却所需的热量。例如，通过功率控制组件32和热量估计组件34一起用于匹配主堆栈10的热功率，冷却控制组件36可使用温度传感器55-56有效地匹配气流和风扇控件。由于风扇功率与气流成平方关系，最有效(和最安静)的点可能是气流匹配的时候。热敏电阻55(例如55-1、55-2、…55-n)中的每一个可放置在堆栈10之前，例如在气流导管处或附近。并且每个热敏电阻56(例如，56-1、56-2、…56-n)可放置在堆栈10之后，例如，在气流导管的另一端处。在一些实施例中，冷却装备60可耦合到堆栈10。例如，冷却装备60可包括一组风扇、叶轮和/或泵，这些风扇、叶轮和/或泵位于堆栈10或其附近，例如位于系统5的后部(或前部)处。冷却装备60(例如，60-1、60-2、…60-n)可排出空气、氢气和/或水蒸气。系统5的一些实施例可通过将堆栈10放入一个气流中、一个盒子中和/或进入其的一个氢气进料来降低生产成本。
已知的燃料电池堆冷却系统包括针对每个堆栈的固定最大气流。因此，如果一个系统有多个单元，每个单元具有相同的气流并以最大功率运行，那么每个堆栈均必须承受相同的热量。超过该最大值的负载的任何功率需求均可能导致堆栈运行得更热，但这些堆栈无法分散多余的热量，从而使它们面临更大的损坏风险和更短的寿命。在一些实施例中，功率控制组件32控制功率转换器20，使得每个堆栈10所需的冷却量平衡。因此，一些实施例可具有均匀运行的冷却装备60(例如，当使用风扇时，通过大致相同量的气流)，相比于一件较高运行的冷却装备和其它件较低运行的冷却装备的消耗，这导致更低的寄生功率消耗(即，由于控制方程中的非线性项的工作方式)。因此，即使在非最大功率下，系统5的一些实施例也可具有相同的冷却(例如，以相同或类似的风扇速度运行)，这是因为由堆栈10中的每一个生成的热量相同，使得寄生功耗最低。因此，系统5的一些实施例可平衡风扇的速度。
在一些实施例中，功率控制组件32可控制每个功率转换器20，并且热量估计组件34可监测每个堆栈10的温度。通过这种组合方法，如果一个堆栈10变得太热，则功率控制组件32可减少该堆栈10的热生成。例如，功率控制组件32可通过控制来自一个或多个其他堆栈10的热生成的增加来引起来自一个堆栈的这种减少，从而有效地平衡热功率。在这个或另一个示例中，功率控制组件32和热量估计组件34可通过将一个堆栈10与另一个堆栈10交换为主堆栈或作为为寄生负载供电的堆栈来平衡从堆栈10生成的热量。热堆栈10承受或运行的温度可能与其退化成正比，使得堆栈越热，其可能经历的退化越严重。功率控制组件32和热量估计组件34的一些实施例因此可通过动态平衡堆栈10之间的热量来控制和减少退化。
处理器(一个或多个)30的一些实施例可包括平衡算法，该算法需要功率来实现。例如，在启动阶段，处理器30可通过闭合的开关从电池16获得功率。也就是说，在接通时，负载和/或处理器30可消耗来自电池16的功率。例如，系统5可包括由开关控制组件38控制的开关，使得处理器30在通电阶段结束时通过打开开关停止从电池接收功率。也就是说，在这个或另一个示例中，系统5可包括由开关控制组件38控制的多个其他开关，使得处理器30在通电阶段结束时通过闭合其他开关而开始从堆栈10-1、10-2、…10-n中的一个或多个获得功率。这些其他开关中的每一个均可连接在二极管45之一和处理器30之间。在一些实施例中，开关控制组件38可配置其他开关，使得堆栈10分担寄生负载。在其他实施例中，开关控制组件38可配置其他开关，使得堆栈10中的一个为寄生负载供电。在这些其他实施例中，开关控制组件38可配置其他开关，使得堆栈和功率转换器组合用于为寄生负载交替供电。
系统5的一些实施例可包括用于交替堆栈的开关，这些堆栈将这些电压电平递送到冷却装备60。因此，由于一个堆栈(例如10-1)可用于为此类装备供电，这类设备可能例如消耗200瓦(W)，因此这一个堆栈的退化速度可能比其他堆栈10快。在一些实施例中，冷却控制组件36、开关控制组件38和/或功率控制组件32(即，经由功率转换器20的参数设置)因此可围绕从堆栈10中向冷却装备60供电的来源进行转移(例如，另一个堆栈10-2随后可从堆栈10-1接管以向该寄生负载供电)。对于系统5来说，每个堆栈10具有至少一个功率转换器20以更好地控制来自每个堆栈的功率是本公开的一个重要方面。
堆栈10的数量和特定堆栈可由处理器30控制。在一些实施例中，功率控制组件32可通过接通和/或断开开关来从该数量和这些堆栈来确定，使得在向处理器30馈送功率时利用堆栈10的各种不同组合。在一些实施方式中，功率线可从二极管45的输出端经由一组开关延伸到处理器30。在这个或另一个示例中，功率线可从功率转换器20的输出端(或从电流传感器51的输出端)通过开关延伸到处理器30。在一些实施例中，功率控制组件32确定寄生负载的分担(例如，处理器30和其他组件，诸如冷却装备60、传感器55、56、40、41、50、51和/或一个或多个其他设备处的功耗)。
在一些实施例中，多个二极管(例如，45-1、45-2、…45-n)中的每一个可位于每个功率转换器20的输入端处或其附近。
在一些实施例中，系统5可包括一组电流传感器(例如，50-1、50-2、…50-n)，每个电流传感器位于每个功率转换器20的输入端处，每个电流传感器50被配置为确定通过相应传感器的电流。在一些实施例中，系统5可包括另一组电流检测器(例如，51-1、51-2、…51-n)，每个电流检测器位于每个功率转换器20的输出端处，每个电流传感器51被配置为确定通过相应传感器的电流。在一些实施例中，系统5可包括位于每个燃料堆栈10的输出端处或其附近的一组电压传感器(例如，40-1、40-2、…40-n)，每个电压传感器40被配置为确定相对于其各自安装位置的电压。在一些实施例中，系统5可包括位于功率转换器20的共享、并联输出端处的另一个电压传感器41，电压传感器41被配置为确定相对于其安装位置的电压。电压感测设备40-41中的每一个可为电压表、模拟万用表、数字万用表，或者被配置为测量电压(即电势)并将其读数传输到处理器30的另一个设备。
在一些实施例中，当由主堆栈10生成的热量满足标准时，功率控制组件32可提高一个或多个功率转换器20的电流限制和电压设定点中的一个或多个。在这些或其他实施例中，当由主堆栈生成的热量满足标准时，功率控制组件32可降低一个或多个功率转换器20的电流限制和电压设定点中的一个或多个。在一些实施例中，燃料电池堆10的热功率可通过平衡功率转换器20之间的功率设置(例如，电流、电压等)来匹配。
在一些实施例中，当使用多个堆栈10时，一些实施例可配置一些堆栈10以优先向负载馈送功率，例如，当一个(或多个)其他堆栈10不工作时。例如，功率控制组件32可增加来自一个或多个堆栈10-2至10-n的发电。在这个或另一个示例中，功率控制组件32可减少来自一个或多个堆栈10-2至10-n的发电。也就是说，通过优先通过堆栈10-2至10-n和功率转换器20-2至20-n馈送功率，可导致经由主堆栈10-1和功率转换器20-1馈送的功率减少。在一些实施方式中，可调节使用功率转换器20-2至20-n汲取的功率，使得在分别与功率转换器20-2至20-n中的每一个相关联的堆栈10-2至10-n中的每一个处生成的热量更接近或变得与在和功率转换器20-1相关联的堆栈10-1处生成的热量相同。例如，功率控制组件32可设置功率转换器20-2至20-n的一个或多个参数值，使得堆栈10-2至10-n的热量上升以平衡或匹配堆栈10-1的热量。在另一个示例中，功率控制组件32可设置功率转换器20-2至20-n的一个或多个参数值，使得堆栈10-2至10-n的热量降低，以平衡或匹配堆栈10-1的热量。
在一些实施例中，热量估计组件34可确定每个燃料电池堆10正在递送的热量。当堆栈10-1被指定为主堆栈时，功率控制组件32可基于热量估计组件34的确定从一个或多个其他堆栈10-2至10-n吸取至少标称量的热量。例如，为了实现这一点，功率控制组件32可导致关于一个或多个功率转换器20-2至20-n的最大电流消耗限制增加。
在一些实施例中，热跟随堆栈10不一定是与主堆栈相同的系统的一部分。在一些实施方式中，可能会有一个或多个堆栈系统彼此相邻安装。在这个实施方式中，一个堆栈系统可充当主堆栈，并且其余的堆栈系统(一个或多个)可跟随。这是有益的，例如，当所有堆栈系统经历的冷却流量相同时，例如当单个冷却风扇/泵控制到多个堆栈的冷却流量时。在一些实施例中，冷却控制组件36可通过自然平衡冷却中的任何差异，经由冷却活动发生在其中或与之相关的导管来实施基于温度的控制策略。
在一些实施例中，控制策略可使得所有热跟随堆栈10达到相同的热点，该点可能等于由主堆栈产生的热量。在一些实施方式中，经过长时间的操作后，这种方法可能不可取。例如，热跟随堆栈10可能会经历不同的条件，导致不同水平的(例如可逆的)临时或永久性能损失(例如，由于干燥或另一个故障状态)。在这个或另一个示例中，针对至少一个热跟随堆栈10的热设定点偏移或缩放可使堆栈能够从性能损失中恢复。
由于主堆栈比热跟随堆栈10承受更高的瞬时负载，因此它可能退化得更快或调节得更好。为了确保磨损/状况均衡，功率控制组件32和/或热量估计组件34可定期重新分配哪个堆栈是主堆栈。这些重新分配可基于经过的时间或者根据其他度量，诸如当前主堆栈在标准化测试中的性能。
在一些实施例中，来自每个堆栈10的电压输出可能会取决于电流消耗而改变。例如，基于极化图，当没有负载时，堆栈的电池可在1.0伏(V)下操作。并且，当存在负载消耗时，例如数安培(A)，堆栈10的每个电池的电压可能为0.65V。例如，燃料电池的每个堆栈10可输出48V(或24V或另一适当电压，即，取决于当前应用)的空载电压。
在一些实施例中，电流传感器51可用于确认功率转换器20正常起作用。在这些或其他实施例中，电流传感器51可用于计算输出功率和/或功率转换器损耗。在一些实施例中，电流传感器51可不用于所公开的热跟随方法，除非在不存在电流传感器50的系统中。在这些后面的实施例中，功率转换器20的输出功率可通过将电压传感器41处测量的电压乘以电流传感器51处测量的输出电流来确定。假定特定的功率转换器效率，在电压传感器40处测量的该输出功率和输入电压可用于估计堆栈10的电流。
在一些实施例中，系统5可包括基于软件的观测器(SBO)或基于硬件的观测器(HBO)安全电路(未示出)。该电路可为处理器或微控制器，用于监测信号并检测这些信号是否存在任何安全相关故障。例如，整个控制软件可能不需要证明、记录或编写成相同的质量。监测信号可能包括燃料/氢气入口压力、印刷电路板(PCB)温度和/或用于指示气流的堆栈10上的压差。当阀关闭时，除其他功能性以外，这些可捕获过热、欠温、低气流、过压和压力上升。
在一些实施例中，功率转换器20可支持任何输入电压(例如，范围为20至60V、9至60V或另一适当范围)。在一些实施例中，功率转换器20可支持任何输出电压(例如，约48V、约24V或另一适当电压)。在一些实施例中，功率转换器20可支持任何电流消耗(例如，约40A或另一合适的安培数)。在一些实施例中，另一个功率转换器(未示出)可支持不同的输出电压(例如，5.0V和3.3V)，用于为进气阀、净化阀、百叶窗电机、本文所公开的各种传感器、处理器30和SBO电路供电。在一些实施例中，阀控制组件39可被配置为控制这些阀中的一个或多个(未示出)。因此，处理器30可配置为控制或以其他方式与电厂辅助设施(BOP)对接，BOP指的是系统5的向负载递送能量所需的所有支持组件和辅助系统(例如，除堆栈10和功率转换器20以外)。
在一些实施例中，功率转换器20-1与系统5中的每个其他功率转换器(例如，20-2至20-n)完全相同。在这些或其他实施例中，功率转换器20-1不同于系统中的其他功率转换器20中的至少一个。
在一些实施例中，外部资源24和/或用户接口设备18可进一步包括用于通信的接口(未示出)，例如用于用户通信、系统间通信和诊断的控制器区域网(CAN)和用于内部通信以提供电池电压信息和温度测量的堆栈接口板(SIB)。
图2示出了根据一个或多个实施例的基于热量管理的多个燃料电池的负载平衡方法100。方法100可通过包括一个或多个计算机处理器和/或其他组件的计算机系统来执行。处理器由机器可读指令配置，以执行计算机程序组件。下面给出的方法100的操作是说明性的。在一些实施例中，方法100可通过一个或多个未描述的附加操作来实现，和/或不需要一个或多个论述的操作来实现。此外，方法100的操作在图2中示出并在下面描述的顺序并不是限制性的。在一些实施例中，方法100可在一个或多个处理设备(例如，数字处理器、模拟处理器、设计用于处理信息的数字电路、设计用于处理信息的模拟电路、状态机和/或用于电子处理信息的其他机构)中实施。处理设备可包括一个或多个设备，其响应于以电子方式存储在电子存储介质上的指令来执行方法100的操作中的一些或全部。处理设备可包括通过硬件、固件和/或软件配置的一个或多个设备，其被专门设计用于执行方法100的一个或多个操作。
在方法100的操作102中，位于多个燃料电池堆中的一个堆栈的输出端处的一个功率转换器的参数值(一个或多个)可被设置成使得该堆栈优先向负载提供功率。例如，功率控制组件32(如图1所示并在本文中描述)可设置电压电平、电流限制和/或开启一个功率转换器(例如20-1)，使得与该功率转换器相关联的一个堆栈(例如10-1)作为主堆栈操作。在这个或另一个示例中，功率控制组件32(如图1所示并在本文中描述)可设置电压电平、电流限制和/或接通彼此的功率转换器(例如，20-2至20-n)。在一些实施例中，操作102由与功率控制组件32相同或类似的另一处理器组件执行。
在方法100的操作104中，可基于电压和电流来确定多个堆栈中的一个堆栈以及一个或多个其他堆栈的热功率，电压和电流可在相应功率转换器的输入端处确定。例如，可使用等式1或等式2(如上所述)确定堆栈10的热功率。在该示例中，每个堆栈10可在其输出端处具有一个功率转换器20。在一些实施例中，操作104由与热量估计组件34(如图1所示并在本文中描述)相同或类似的处理器组件执行。
在方法100的操作106中，可确定一个堆栈的热功率是否满足一个或多个标准。例如，可将堆栈10-1的热功率与阈值进行比较。如果该热功率超过阈值，则可执行操作108。否则，如果该热功率小于或等于阈值，则可再次执行操作104。在一些实施例中，操作106由与热量估计组件34(如图1所示并在本文中描述)相同或类似的处理器组件执行。
在方法100的操作108中，位于一个或多个其他堆栈的输出端处的每个功率转换器的参数值(一个或多个)可被设置成使得一个或多个其他堆栈中的每一个的确定热功率更接近地匹配一个堆栈的确定热功率。例如，功率控制组件32(如图1所示并在本文中描述)可为每个其他功率转换器(例如，20-2至20-n)设置电压电平和电流限制，使得相关联的堆栈(例如，10-2到10-n)跟随一个主堆栈的热生成。在一些实施例中，操作108由与功率控制组件32相同或类似的另一处理器组件执行。
本文所描述的技术可在数字电子电路中实施，或者在计算机硬件、固件、软件或它们的组合中实施。这些技术可被实施为计算机程序产品，即可有形地体现在信息载体中的计算机程序，例如体现在机器可读存储设备、机器可读存储介质、计算机可读存储设备或计算机可读存储介质中，用于由数据处理设备(例如，可编程处理器、计算机或多个计算机)执行或控制其操作。计算机程序可用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，也可按任何形式部署，包括作为独立程序或模块、组件、子程序或适合在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可被部署为在一个地点的一台计算机或多台计算机上执行，也可分布在多个地点上并通过通信网络互连。
这些技术的方法步骤可由一个或多个可编程处理器来执行，这些处理器执行计算机程序以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行这些技术的功能。方法步骤也可由专用逻辑电路执行，并且技术的装置可被实施为专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。
举例来说，适合执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储设备。通常，计算机还将包括或可操作地耦合到一个或多个用于存储数据的大容量存储设备，诸如磁盘、磁光盘或光盘，以从该大容量存储设备接收数据或向其传送数据，或两者兼有。适于体现计算机程序指令和数据的信息载体包括所有形式的非易失性存储器，包括例如半导体存储器设备，诸如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，诸如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM光盘。处理器和存储器可由专用逻辑电路来补充或并入专用逻辑电路中。
机器可读介质可携带代码形式的机器可读指令，这些指令可由机器的一个或多个处理器执行。机器可读介质可包括存储指令的存储介质，诸如硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM光盘。替代地，机器可读介质可包括瞬态介质，诸如信号，例如传输信号、电信号、电磁信号、光信号或声信号。这些指令可控制一个或多个处理器来执行本文所描述的和所附权利要求书中定义的过程和步骤，以设置每个功率转换器的参数值。
本文具体说明和/或描述了本发明的若干个实施例。然而，应当理解，修改和变化是预期的，并且在所附权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种燃料电池电源系统，其包括：
多个燃料电池堆栈；
多个功率转换器，每个功率转换器位于所述堆栈中每一个的不同的一个输出端处；
多个电流传感器，每个电流传感器位于所述功率转换器中每一个的输入端处，所述电流传感器中的每一个被配置为确定电流；
多个电压传感器，每个电压传感器位于所述每一个功率转换器的输入端处，所述电压传感器中的每一个被配置为确定电压；以及
计算设备，其被配置为：
设置位于所述多个堆栈中一个的所述输出端处的所述功率转换器中一个的一个或更多个参数值，使得所述一个堆栈优先向负载提供功率；
确定所述一个堆栈和所述多个堆栈中的一个或更多个其他堆栈的热功率，所述热功率中的每一个基于在相应功率转换器的所述输入端处确定的所述电压和所述电流来确定；
确定所述一个堆栈的所述热功率是否满足标准；以及
响应于确定所述一个堆栈的所述热功率满足所述标准，设置位于所述一个或更多个其他堆栈的所述输出端处的所述功率转换器中每一个的一个或更多个参数值，使得所述一个或更多个其他堆栈中每一个的所确定的热功率更接近地匹配所述一个堆栈的所确定的热功率。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电源系统，其中位于所述一个或更多个其他堆栈的所述输出端处的所述功率转换器中每一个的所述一个或更多个参数值的所述设置使得所述每个功率转换器的输出电压大于所述一个功率转换器的输出电压。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电源系统，其中每个功率转换器的所述输出电压大于所述一个功率转换器的所述输出电压，使得到所述负载的功率优先由所述一个或更多个其他堆栈提供。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池电源系统，其中当由所述负载消耗的功率量满足标准时，所述一个功率转换器的所述一个或更多个参数值的所述设置使得所述一个堆栈优先向所述负载提供功率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池电源系统，其中所述功率转换器的输出端连接在一起，使得经由所述功率转换器的并联配置向所述负载提供功率。
6.根据权利要求2所述的燃料电池电源系统，其中所述一个功率转换器的所述输出电压基于用户经由所述燃料电池电源系统的接口输入的电压电平。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池电源系统，其中所述计算设备进一步被配置为：
存储所述堆栈中的每一个的先前确定的热功率；以及
基于每个堆栈的所存储的热功率确定所述堆栈中的每一个的健康水平。
8.根据权利要求7所述的燃料电池电源系统，其中基于所述一个堆栈的所确定的健康水平大于所述一个或更多个其他堆栈的所确定的健康水平，所述一个堆栈优先向所述负载提供功率。
9.根据权利要求7或8所述的燃料电池电源系统，其中所述计算设备进一步被配置为：
基于相应的确定的健康水平重置所述一个堆栈的所述一个或更多个参数值，使得所述一个或更多个其他堆栈中的一个优先向所述负载提供功率。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池电源系统，其中所述一个或更多个参数值包括电流限制、电压设定点和开/关设定中的至少一个。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的燃料电池电源系统，其中每个热功率进一步基于所述相应堆栈中的电池数量确定。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池电源系统，其进一步包括：
电池，其被配置为当所述堆栈和功率转换器通电时为所述计算设备供电。
13.根据权利要求12所述的燃料电池电源系统，其进一步包括：
多个二极管，每个二极管位于所述功率转换器中的每一个的输入端处；
开关，其中所述计算设备进一步被配置为控制所述开关，使得所述计算设备在所述通电结束时停止从所述电池接收功率；以及
多个其他开关，其中的每一个连接在所述二极管中的一个和所述计算设备之间，其中所述计算设备进一步被配置为控制所述其他开关，使得所述计算设备开始从所述堆栈中的一个或更多个接收功率。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的燃料电池电源系统，其中所述功率转换器为降压-升压转换器。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的燃料电池电源系统，其进一步包括：
多个风扇，每个风扇位于所述堆栈中每一个的不同一个附近；以及
多个温度传感器，其位于所述堆栈中每一个的输入端和输出端处，并且对应于通过所述堆栈或每个堆栈的气流，
其中所述计算设备进一步被配置为基于来自所述温度传感器的温度读数来确定所述风扇中每一个的速度，以及
其中当所述每个其他堆栈的所确定的热功率更接近地匹配所述一个堆栈的所述确定的热功率时，所述风扇的所述速度基本上相同。
16.一种计算设备，其和多个燃料电池堆栈、多个功率转换器、多个电流传感器以及多个电压传感器一起使用，每个功率转换器位于所述堆栈中每一个中的不同一个的输出端处，每个电流传感器位于所述功率转换器中的每一个的输入端处，所述电流传感器中的每一个被配置为确定电流，每个电压传感器位于所述每个功率转换器的所述输入端处，所述电压传感器中的每一个被配置为确定电压；所述计算设备被配置为：
设置位于所述多个堆栈中一个的所述输出端处的所述功率转换器中一个的一个或更多个参数值，使得所述一个堆栈优先向负载提供功率；
确定所述一个堆栈和所述多个堆栈中的一个或更多个其他堆栈的热功率，所述热功率中的每一个基于在相应功率转换器的所述输入端处确定的所述电压和所述电流来确定；
确定所述一个堆栈的所述热功率是否满足标准；以及
响应于确定所述一个堆栈的所述热功率满足所述标准，设置位于所述一个或更多个其他堆栈的所述输出端处的所述功率转换器中每一个的一个或更多个参数值，使得所述一个或更多个其他堆栈中每一个的所确定的热功率更接近地匹配所述一个堆栈的所确定的热功率。
17.一种方法，其和多个燃料电池堆栈、多个功率转换器、多个电流传感器以及多个电压传感器一起使用，每个功率转换器位于所述堆栈中每一个中的不同一个的输出端处，每个电流传感器位于所述功率转换器中每一个的输入端处，所述电流传感器中的每一个被配置为确定电流，每个电压传感器位于所述每个功率转换器的所述输入端处，所述电压传感器中的每一个被配置为确定电压；所述方法包括：
设置位于所述多个堆栈中一个的所述输出端处的所述功率转换器中一个的一个或更多个参数值，使得所述一个堆栈优先向负载提供功率；
确定所述一个堆栈和所述多个堆栈中的一个或更多个其他堆栈的热功率，所述热功率中的每一个基于在相应功率转换器的所述输入端处确定的所述电压和所述电流来确定；
确定所述一个堆栈的所述热功率是否满足标准；以及
响应于确定所述一个堆栈的所述热功率满足所述标准，设置位于所述一个或更多个其他堆栈的所述输出端处的所述功率转换器中每一个的一个或更多个参数值，使得所述一个或更多个其他堆栈中每一个的所确定的热功率更接近地匹配所述一个堆栈的所确定的热功率。
18.一种携带机器可读代码的机器可读介质，当由机器的至少一个处理器执行时，使得所述机器执行权利要求17所述的方法。
CN202080083130.XA 2019-10-11 2020-10-08 用于在多堆栈燃料电池系统中提供热量控制的系统和方法 Pending CN114747053A (zh)

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