CN115104246A - 燃料电池电力系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池电力系统以及启动燃料电池电力系统的方法。该燃料电池电力系统包括：燃料电池系统，其具有一个或更多个电压输出端；一个或更多个DC/DC转换器，各自具有输出端和输入端，所述输入端可连接至燃料电池系统的电压输出端；DC电压链路，其可连接至一个或更多个DC/DC转换器的输出端；以及局部负载，其可连接至DC电压链路。在该系统中，局部负载适于从燃料电池系统中汲取电力以降低燃料电池系统的电压。

Description

燃料电池电力系统
技术领域
本发明涉及燃料电池电力系统，并且更具体地，涉及具有DC链路的燃料电池电力系统。
背景技术
燃料电池越来越多地用于为各种负载产生电力。在燃料电池的一种应用中，来自燃料电池系统的输出电压被馈送至DC链路，并且DC链路的电压被调节至一定的范围内。DC链路的电压通常由多种负载通过使用转换器进一步消耗。转换器针对特定负载转换DC链路的电压。
DC链路的电压通常由连接在燃料电池的输出端与DC链路之间的升压型DC/DC转换器调节。燃料电池堆必须被设计成在低于额定系统电压下操作，使得DC/DC转换器可以通过提高燃料电池的输出电压来调节DC链路电压。燃料电池的输出电压在开路条件下处于最高，并且随着负载的增加而降低。因此，DC/DC转换器必须针对开路电压和满负载电流两者被设计，这导致电力转换容量的不良利用率。因此，当系统的负载增加时，燃料电池的输出电压降低。DC/DC转换器被操作成将DC链路电压保持在一定限度内。
在具有若干兆瓦的功率范围的大型燃料电池系统的情况下，燃料电池堆被一起分组在特定的燃料电池空间中。输出电压通过将燃料电池串联堆叠并且特别地将燃料电池堆叠在彼此的顶部来确定。通常，将存在空间以使更多堆串联，但是电压限度阻止了充分利用空间高度并且需要更多的占地面积。
上面的问题可以通过使用降压-升压转换器而不是升压转换器来部分地解决，但这也需要更多的转换器硬件或特定的驱动部件。升压型转换器可以由常规的6脉冲IGBT转换器进行配置，但是降压-升压转换器需要修改的硬件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法以及用于实现该方法的系统以解决上面的问题。本发明的目的通过下述方法和系统来实现，所述方法和系统的特征在于独立权利要求中所述的内容。本发明的优选实施方式在从属权利要求中公开。
本发明基于以下构想：在燃料电池电力系统的启动阶段期间利用局部负载。本发明能够将更多个燃料电池堆串联连接并且允许在启动期间在更高的电压下操作燃料电池。当启动燃料电池系统时，燃料电池系统的输出电压首先被定向至局部负载。当负载增加到输出电压低于额定系统电压的水平时，燃料电池通过DC/DC转换器连接至主电气系统。当电压低于DC/DC转换器的额定电压时，可以启动DC/DC转换器。
通过使用本发明，可以减少大型燃料电池系统中电力转换器和线缆的数量。本发明还将能够以更有效的方式包装燃料电池堆，并且更好地利用可用空间。
附图说明
在下文中，将参照附图借助于优选实施方式对本发明进行更详细地描述，在附图中：
图1示出了本发明的实施方式的简化结构；
图2和图3示出了燃料电池堆的极化曲线；
图4和图5示出了图2和图3的具有操作范围的极化曲线；以及
图6示出了本发明的系统的实施方式。
具体实施方式
图1示出了本发明的实施方式的简化电路。图1示出了燃料电池堆11，该燃料电池堆11的输出端连接至DC/DC转换器12。该转换器被示出为包括电感器L、二极管D、可控开关S和电容器C。转换器12为升压型转换器，该升压型转换器可以被操作成将输入端的电压增加至输出端处的较高电压。DC/DC转换器的输出端连接至主开关13，以将转换器的输出电压连接至主负载15。转换器12的输出端还包括辅助开关，该辅助开关可以用于将该转换器的输出电压连接至局部负载。
默认情况下，主开关和辅助开关被操作成使得主开关或辅助开关择一地导通，也就是说，当开关中的一者被控制为导通时，另一者同时被控制为阻断状态。在处理中需要和使用辅助负载及其能量的情况下，可以保持辅助开关闭合。
根据本发明，燃料电池电力系统包括具有一个或更多个电压输出端的燃料电池系统11。在图1的示例中，燃料电池系统具有一个电压输出端。对于燃料电池系统，它是指具有多个串联连接的燃料电池的燃料电池系统。燃料电池系统还可以包括可能需要以从燃料电池获得电能的方式来操作燃料电池的任何辅助设备。
本发明的燃料电池电力系统还包括一个或更多个DC-DC转换器。每个DC/DC转换器均具有输出端和输入端，并且输入端可连接至燃料电池系统的电压输出端。燃料电池系统可以包括多个电压输出端。所述输出端由独立的燃料电池堆形成。各个DC/DC转换器分别连接至燃料电池系统的电压输出端。因此，并联的DC/DC转换器可以被从并联的燃料电池堆馈电。在图1的实施方式中，DC/DC转换器12连接至燃料电池堆11，使得燃料电池系统的电压输出端连接至DC/DC转换器的输入端。
根据本发明，电力系统包括DC电压链路，该DC电压链路可连接至一个或更多个DC/DC转换器的输出端。在图1的实施方式中，DC电压链路17被示出为连接至DC/DC转换器的输出端。转换器12的电容器C支持DC电压链路的电压。在电力系统包括多个DC/DC转换器的情况下，这些DC/DC转换器的输出端优选地连接至相同的DC电压链路。在这样的情况下，多个转换器将电力从单独的燃料电池堆馈送至公共DC链路。
此外，本发明包括可连接至DC电压链路的局部负载。图1示出了局部负载可以使用辅助开关14连接至DC电压链路的实施方式。该局部负载适于从燃料电池系统中汲取电力以降低燃料电池系统的电压。在本发明中，局部负载可以用于对燃料电池系统加负载以降低燃料电池系统的输出电压。当从燃料电池汲取的电流增加时，燃料电池的电压输出端的电压降低。
在本发明的系统中，一个或更多个DC/DC转换器在燃料电池系统的启动期间不操作。众所周知，在零电流的情况下，燃料电池系统的输出电压处于最高。也就是说，燃料电池的开路电压是可以从燃料电池获得的最高电压。当对燃料电池加负载时，即从燃料电池中汲取电流时，电压相当迅速地降低。当转换器12在启动期间不操作时，转换器的开关S不被调制。当启动图1中的燃料电池系统时，向DC/DC转换器的输入端产生高电压。在已知结构中，燃料电池在没有负载的情况下启动，达到开路电压，并且一旦达到OC电压，就通过附加开关形成电流路径。这种在已知结构中的操作需要附加开关部件。然而，在本发明中，电流开始流过电感器L和二极管D并且对电容器C充电，并且不会使电压达到开路电压值。当电容器的电压接近燃料电池堆的输出电压时，来自燃料电池堆的电流降低增加了燃料电池堆的输出电压。一旦电容器的电压接近转换器的开关S的额定电压，辅助负载就连接至所述系统。辅助负载从燃料电池系统汲取电流并且因此燃料电池堆的输出电压降低。辅助负载可以是简单的电阻器，该简单的电阻器被定尺寸成使得当来自燃料电池系统的电流流过电阻器时，电容器的电压以及因此DC链路的电压不超过所述系统的额定电压并且尤其地不超过可控开关S的额定电压。
当来自燃料电池系统的电力被馈送至局部负载并且DC电压低于所述系统的额定电压时，DC/DC转换器可以被操作成提高DC链路电压并且将该DC链路电压控制至所期望的水平。一旦DC链路电压由一个或更多个DC/DC转换器调节，主开关15和辅助开关16就可以被操作成将DC链路电压从局部负载连接至主负载。
通过本发明，来自燃料电池系统的输出电压可以被设计成高于连接至燃料电池系统的一个或更多个转换器的额定电压。
与常规系统相比，更多个燃料电池堆可以串联连接，也产生了更高的电压。当燃料电池系统启动时，燃料电池输出电压立即增加至开路电压(OCV)，该OCV可以高于额定系统电压。例如，系统电压可以为1000VDC，而燃料电池的开路电压可以为1200VDC。此时，输出电压连接至能够在高达OCV水平的可变电压下操作的局部负载。该局部负载可以是简单的电阻器组、发电厂的平衡部件、或者直接提供或通过电力转换器提供的一些其他负载。
当局部负载开始从燃料电池汲取电流时，燃料电池的输出电压根据已知的极化曲线降低。电压和负载电流彼此相关，使得在特定负载下，输出电压已经降低至低于额定系统电压的水平。该负载点被设计成处于燃料电池系统的最大负载的10％至30％处。此时，燃料电池通过DC/DC转换器连接至主电气系统，并且断开局部负载。
图2表示了与其中系统的额定电压21高于燃料电池的开路电压OCV的常规系统相关的典型极化曲线。在图2中，燃料电池堆的开路电压被示出为约950伏。如所见，当从燃料电池中汲取电流时，燃料电池堆的输出电压迅速降低。通常，用于燃料电池的连续操作的最小负载为约额定负载的20％至30％。此时，燃料电池输出电压已经下降至开路电压的约80％。此外，在满负载下，输出电压被示出为设备的开路电压和额定电压的约65％。如所提及的，在已知设计中，电气系统已经被设计成也在等于开路电压的电压下操作。
图3示出了可通过本发明实现的设计以及极化曲线。燃料电池堆具有比图2的示例中所示的开路电压OCV高的开路电压OCV。然而，系统部件的额定电压31并且特别是一个或更多个转换器的额定电压与图2的示例中的额定电压相同。因此，在图3的示例中，燃料电池堆的开路电压高于连接至燃料电池堆的输出端的一个或更多个转换器的额定电压。由于当来自燃料电池堆的电压高于所述系统的额定电压时，来自燃料电池堆的电力连接至局部负载，因此，通过本发明，这样的设计是可行的。
在可通过本发明获得的设计中，最小负载下的电压与图2的示例中的开路电压处于相同水平。此外，在满负载下，燃料电池输出电压为一个或更多个转换器的额定电压的约80％。燃料电池系统的额定功率可以随着设计规格而增加。当使用类似的转换器增加额定功率时，可以大大降低所述系统的损耗。
图4和图5示出了图2和图3的极化曲线。在图4和图5中，附加的竖直线示出了正常操作的限度，该限度为额定负载的约20％。当使用燃料电池时，燃料电池的负载保持在额定负载的20％以上。当燃料电池的负载低于20％时，燃料电池处于启动区域。在该区域中使用燃料电池是不可行的，并且操作主要在超过20％的负载的情况下进行。
图4还示出了表示系统的额定电压并且尤其地表示一个或更多个DC/DC转换器的额定电压的水平线。从图4中可以看出，由于燃料电池系统的负载影响燃料电池的输出电压，因此一个或更多个DC/DC转换器不接近额定电压操作。
图5示出了也如图4中所示的对应的水平线和竖直线。可以看出，当系统如本发明所允许的被设计时，额定电压与操作电压之间的差距小得多。当接近额定电压操作时，可从系统获得更多电力，并且操作可以在损耗降低的情况下进行。
图6示出了本发明的系统的实施方式。在该实施方式中，采用了两个燃料电池系统51A、51B。两个燃料电池系统均被示出为由三个燃料电池堆42、43、44组成。燃料电池系统51A和51B是并联系统并且具有类似的结构和部件。因此，此处仅考虑该并联系统中的一个A。
燃料电池堆的电压输出端连接至DC/DC转换器41A。在该示例中，升压型DC/DC转换器由具有六个可控开关部件及其反并联二极管的三相逆变桥形成。此处选择三相逆变桥作为示例，这是因为它们通常在单个模块中可用。然而，如果需要，本发明中使用的DC/DC转换器也可以由分立部件形成。
当图6中的燃料电池电力系统启动时，燃料电池开始产生电压。启动燃料电池及其相关联的支持设备，并且使用充电电阻器CR1(即DC充电电阻器)闭合电流路径。如上面所提及的，在已知系统中，所述系统的电压在闭合电流路径之前达到开路电压。一旦闭合充电电阻器，电流就开始在电路中流动。由于并联电流路径是类似的，因此此处主要参照单个燃料电池堆42来描述所述操作。充电电阻器的电气参数和电力设计与系统中安装的并联DC/DC转换器的数目有关。
电流从燃料电池堆42通过电感HDCL流向DC/DC转换器41A。从图6可以看出，一个燃料电池系统51A中的燃料电池堆的正极输出端在电感HDCL之前连接在一起。来自燃料电池的电流流过电感器和上部开关的反并联二极管。例如，开关部件45的反并联二极管被正向偏置，并且电流能够流过二极管。DC电压链路47的正轨47+位于二极管之后的电流路径中。电流进一步通过电容器组46流向DC电压链路的负轨47-。电容器组由该电流充电并且电容器组上的电压为DC链路的电压。当连接充电电阻器时，电流通过充电电阻器和回流线进一步流回燃料电池的负极。充电电阻器被设计成使得电流值保持在可接受范围内，从而不触发过电流保护。
电容器组46和DC链路被充电趋向燃料电池堆的输出电压，并且不操作DC/DC转换器的可控开关。当DC链路电压接近燃料电池堆的输出电压时，充电电流减小。减小电流还意指燃料电池输出电压增加。当DC链路电压达到特定预设值时，局部负载被连接，使得增加燃料电池堆的负载并且降低来自燃料电池的输出电压。
图6包括负载电阻器LR1，该负载电阻器LR1可以连接在DC电压链路两端以产生附加负载，使得燃料电池堆的输出电压降低至所期望的限度以下。负载电阻器LR1被用作局部负载并且对燃料电池加负载，使得可以安全地启动DC/DC转换器。当负载电阻器在电路中短暂时间后，电压已经降低至安全水平，并且可以启动DC/DC转换器。同时，通过打开电流路径并且闭合形成较低欧姆电流路径的另一开关，可以将充电电阻器从电流路径中移除。此外，当DC/DC转换器被操作成控制DC链路电压时，可以向主负载49馈送电力，并且可以通过打开相应的接触器或开关来移除负载电阻器。这样的主负载未在附图中示出。然而，明显的是，来自燃料电池电力系统的电力被馈送至消费者。在该示例中，DC链路通过接触器延伸至主负载。
图6示出了另一局部负载48，所述另一局部负载48由转换器形成并且尤其地由逆变桥形成。逆变桥的输出端被示出为连接至电阻器BR。逆变桥连接至DC电压链路并且其可以用于通过向电阻器BR馈送电力来降低燃料电池堆的电压。因此，替代或除了负载电阻器以外，逆变桥还用于降低燃料电池堆的电压，使得可以启动DC/DC转换器。
根据实施方式，用作局部负载的逆变桥的额定电压高于DC/DC转换器的额定电压。当额定电压高于燃料电池堆的开路电压时，则DC链路电压最初可能被充电至更高的水平。然后，当启动逆变桥时，逆变桥汲取电力，使得可以安全地启动DC/DC转换器。
作为局部负载的逆变桥的优点在于，即使当电力被馈送至主负载49时，该逆变桥也可以用于降低DC链路的电压。这在系统的负载发生突然变化的情况下可能是有利的。此外，例如，当将燃料电池电力系统连接至主负载时，作为局部负载的逆变桥可以在控制DC链路电压水平中使用以匹配主负载的电压。此外，当增加并联燃料电池的数目时，逆变桥可以用于吸收由于突然变化引起的电压波动并且将电压控制在所期望的水平处。还可以用功率参考来控制逆变桥，即可以将功率值作为参考值给予逆变桥。例如，当功率参考为额定功率的20％时，系统的操作在如上面参照图5所描述的正常操作范围内。
在图6的示例中，用作局部负载的逆变器的输出端被示出为电阻器组。然而，明显的是，例如，可以向电机或并网/离网转换器而不是向电阻器馈送电力。
在图6的示例中，一个或更多个DC/DC转换器由电感HDCL、上部开关部件的反并联二极管、下部开关部件和电容器形成。所形成的电路对应于图1的简化结构中所示的电路。上部开关部件是指连接至DC链路的正轨47+的开关部件，并且相应地下部开关部件是指连接至负轨47-的开关部件。DC/DC转换器的拓扑结构是典型的升压转换器。图6示出了并联连接并且向同一DC链路馈送电力的六个升压转换器。
对于本领域技术人员而言，将明显的是，随着技术进步，本发明构思可以以多种方式来实现。本发明及其实施方式不限于上面所描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (13)

1.一种燃料电池电力系统，包括：燃料电池系统，其具有一个或更多个电压输出端；一个或更多个DC/DC转换器，其各自具有输出端和输入端，所述输入端能够连接至所述燃料电池系统的电压输出端；
DC电压链路，其能够连接至所述一个或更多个DC/DC转换器的输出端；以及
局部负载，其能够连接至所述DC电压链路，其中，
所述局部负载适于从所述燃料电池系统中汲取电力以降低所述燃料电池系统的电压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电力系统，其中，所述燃料电池系统的开路电压高于所述一个或更多个DC/DC转换器的额定电压。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池电力系统，其中，所述局部负载适于在启动所述一个或更多个DC/DC转换器之前从所述燃料电池系统中汲取电力。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的燃料电池电力系统，其中，所述局部负载是能够连接在所述DC链路的正轨与负轨之间的电阻器。
5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的燃料电池电力系统，其中，所述局部负载是转换器电路，所述转换器电路的输入端连接在所述DC链路的正轨与负轨之间。
6.根据前述权利要求1至3中任一项所述的燃料电池电力系统，其中，所述局部负载是连接在所述DC链路的正轨与负轨之间的转换器电路和负载电阻器的组合。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池电力系统，其中，所述转换器电路是逆变器。
8.根据权利要求7所述的燃料电池电力系统，其中，所述转换器适于向负载馈送电力。
9.根据前述权利要求5至8中任一项所述的燃料电池电力系统，其中，所述转换器电路的额定电压高于所述燃料电池系统的开路电压。
10.一种启动燃料电池电力系统的方法，所述燃料电池电力系统包括：燃料电池系统，其具有一个或更多个电压输出端；
一个或更多个DC/DC转换器，各自具有输出端和输入端，每个输入端能够连接至所述燃料电池系统的电压输出端；
DC电压链路，其能够连接至所述一个或更多个DC/DC转换器的输出端；以及
局部负载，其能够连接至所述DC电压链路，所述方法包括：
通过所述一个或更多个DC/DC转换器的充电电阻器和二极管从所述燃料电池系统向所述DC电压链路进行充电；
确定所述DC电压链路的电压；
当所述DC电压链路的电压超过设定限度时将局部负载连接至所述DC电压链路以降低所述燃料电池系统的输出电压；以及
启动所述DC/DC转换器的操作。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将局部负载连接至所述DC电压链路包括：
将负载电阻器连接在所述DC链路的正轨与负轨之间。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，将局部负载连接至所述DC电压链路包括：
对转换器电路进行操作，所述转换器电路的输入端连接至所述DC链路的正轨和负轨。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，对转换器电路进行操作包括：
为所述转换器提供功率参考；
对所述转换器进行操作以根据所述功率参考向连接至所述转换器的输出端的负载馈送电力。
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