CN117219826A - 并联燃料电池系统的动态控制 - Google Patents

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Abstract

本公开广泛涉及用于操作包含至少两个或更多按并联配置连接的燃料电池系统的系统和方法。

Description

并联燃料电池系统的动态控制
相关申请的交叉引用
本非临时申请根据35U.S.C.§119(e)和任何其他适用的法律或法规，要求获得2022年6月10日提交的美国临时专利申请序列第63/351,094号的权益和优先权，该申请的全部内容通过援引在此明确并入本文中。
技术领域
本公开广泛涉及利用至少两个或更多按并联配置连接的燃料电池系统为负载供电的系统和方法。
背景技术
车辆和/或动力总成利用燃料电池或燃料电池堆来满足其功率需求。燃料电池和燃料电池堆可以包括但不限于：磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(也称为聚合物交换膜燃料电池，PEMFC)或固态氧化物燃料电池(SOFC)。
燃料电池或燃料电池堆可以从燃料电池或燃料电池堆中发生的电化学反应产生直流(DC)形式的电力，以便为各种应用供电。
优化使用多个包括一个或以上燃料电池堆的燃料电池系统，可以提高效率和可用于各种应用的功率。多个燃料电池系统在为各种应用供电时，可以采用串联、并联或混合配置。本公开提供的系统和方法适用于优化采用并联配置的多个燃料电池系统的操作。本公开提供的系统和方法用于根据各种应用所需的负载功率(Pload)，确定何时启动采用并联配置的多个燃料电池系统中的每一个系统的操作。
概述
为了满足这些以及其他需求，本文包括了本公开的实施例。
在本文介绍的一个方面，并联配置系统包括多个燃料电池系统、开关装置、能量转换装置、负载和控制单元。多个燃料电池系统按并联配置进行电连接。开关装置以串联方式连接到多个燃料电池系统中的每一个系统。能量转换装置以串联方式连接到每个开关装置。负载连接到每个能量转换装置。控制单元配置为确定多个燃料电池系统的操作。多个燃料电池系统的电输出以并联方式通过开关装置和能量转换装置连接到负载。
在一些实施例中，负载可以是用于电动车辆的电机控制器，或用于固定式动力应用的逆变器。在一些实施例中，开关装置可以是接触器、MOSFET、IGBT或双极结型晶体管。在一些实施例中，能量转换装置可以是DC-DC转换器。
在一些实施例中，当多个燃料电池系统中的每一个系统都不提供功率时，可以确定一个用于多个燃料电池系统中每一个系统的排名系统，该排名系统可以用来根据一个或多个因素的加权平均方案，确定多个燃料电池系统中每一个系统的优选连接和断开顺序。在一些实施例中，该一个或多个因素可以包括：多个燃料电池系统中每一个系统的可用性，控制单元在多个燃料电池系统中的每一个系统中已经识别的故障、警报或恢复的频率，或者多个燃料电池系统中每一个系统的工作小时数。
在一些实施例中，可以根据负载所需的功率，确定用于开启和关闭多个燃料电池系统中的每一个系统的预定功率水平。在一些实施例中，所确定的用于开启和关闭多个燃料电池系统中每一个系统的预定功率水平，可以基于多个燃料电池系统中每一个系统的历史操作数据进行动态调整。
在一些实施例中，并联配置系统可以具有最小功率设置和最大功率设置，并且多个燃料电池系统中每一个系统的操作都可以基于最小功率设置和最大功率设置之间的一个范围。在一些实施例中，并联配置系统可以进一步包括实施一个端系统积分器，以确定多个燃料电池系统中应当开启的系统。在一些实施例中，端系统积分器可以模拟在开启多个燃料电池系统中的每一个系统时发生的任何时间延迟。
根据本文介绍的第二个方面，一种用于为负载供电的方法包括：实施采用并联配置进行电连接的多个燃料电池系统，以串联方式将多个燃料电池系统中的每一个系统连接到开关装置，以串联方式将每一个开关装置连接到能量转换装置，将负载连接到每一个能量转换装置，以及实施一个控制单元来确定多个燃料电池系统的操作。多个燃料电池系统的电输出以并联方式通过开关装置和能量转换装置连接到负载。
在一些实施例中，负载可以是用于电动车辆的电机控制器，或用于固定式动力应用的逆变器。在一些实施例中，开关装置可以是接触器、MOSFET、IGBT或双极结型晶体管。在一些实施例中，能量转换装置可以是DC-DC转换器。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：当多个燃料电池系统中的每一个系统都不提供功率时，确定一个用于多个燃料电池系统中每一个系统的排名系统；以及使用该排名系统来根据一个或多个因素的加权平均方案，确定多个燃料电池系统中每一个系统的优选连接和断开顺序。在一些实施例中，该一个或多个因素可以包括：多个燃料电池系统中每一个系统的可用性，控制单元在多个燃料电池系统中的每一个系统中已经识别的故障、警报或恢复的频率，或者多个燃料电池系统中每一个系统的工作小时数。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：根据负载所需的功率，确定用于开启和关闭多个燃料电池系统中的每一个系统的预定功率水平。在一些实施例中，该方法可以进一步包括：实施一个端系统积分器，以确定多个燃料电池系统中应当开启的系统。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：使用端系统积分器来模拟在开启多个燃料电池系统中的每一个系统时发生的任何时间延迟。
附图简要说明
当参照附图阅读以下详细说明时，可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，相应字符代表整个附图中的相应部分，其中：
图1A是一个示例性燃料电池系统的示意图，其中包括一个空气输送系统、一个氢气输送系统和一个包含多个燃料电池的燃料电池模块；
图1B是一个示例性燃料电池系统的剖面图，其中包括一个空气输送系统、多个氢气输送系统，以及多个燃料电池模块，每个模块均包含多个燃料电池堆；
图1C是图1A所示的燃料电池系统中，燃料电池堆的一个示例性重复单元的透视图；
图1D是图1C所示燃料电池堆的一个示例性重复单元的剖面图；
图2展示了N个相连的燃料电池系统，每个燃料电池系统都有自己的接触器和DC-DC转换器，并且这些燃料电池系统以并联配置连接；
图3展示了在操作图2所示每个燃料电池系统时实施的“开启”功率转换点(Pon)和“关闭”功率转换点(Poff)；以及
图4展示了用于确定图2所示燃料电池系统操作的方法的实施例。
详细说明
如图1A所示，燃料电池系统10通常包含一个或多个燃料电池堆12或燃料电池模块14，其与核电厂配套设施(BOP)16包括各种组件相连接，用以支持电化学转换、发电和/或配电，进而以环保的方式帮助满足现代工业和商业需求。如图1B和1C所示，燃料电池系统10可以包括由多个单片燃料电池20组成的燃料电池堆12。每个燃料电池堆12均可容纳串联和/或并联组装在一起的多个燃料电池20。燃料电池系统(10)可以包含如图1A和1B所示的一个或多个燃料电池模块(14)。
每个燃料电池模块14均可包含多个燃料电池堆12和/或多个燃料电池20。燃料电池模块14还可以包含相关结构元件、机械系统、硬件、固件和/或软件的适当组合，用于支持燃料电池模块14的功能和操作。这类项目包括但不限于管道、传感器、调节器、电流收集器、密封件和绝缘体。
燃料电池堆12中的燃料电池20可以堆叠在一起，以倍增和增加单个燃料电池堆12的电压输出。燃料电池系统10中燃料电池堆12的数量可以根据燃料电池系统10运行和满足任何负载的电力需求所需的功率量而变化。燃料电池堆12中燃料电池20的数量可以根据燃料电池堆12(包括燃料电池系统10)运行所需的功率量而变化。
每个燃料电池堆12或燃料电池系统10均可以使用任意数量的燃料电池20。例如，每个燃料电池堆12中可以包含大约100个至1000个燃料电池20，包括其中所包含的任何具体数量或数量范围(例如大约200至800)的燃料电池20。在实施例中，燃料电池系统10可以包含大约20至1000个燃料电池堆12，包括其中所包含的任何具体数量或数量范围(例如大约200至800)的燃料电池堆12。燃料电池堆12中，燃料电池模块14内的燃料电池20可以朝向任何方向，以优化燃料电池系统10的运行效率和功能。
燃料电池堆12中的燃料电池20可以是任何类型的燃料电池20。燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)燃料电池、阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、再生燃料电池(RFC)、磷酸燃料电池(PAFC)或固态氧化物燃料电池(SOFC)。在示例性实施例中，燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)燃料电池或固态氧化物燃料电池(SOFC)。
在图1C所示的一个实施例中，燃料电池堆12包含多个质子交换膜(PEM)燃料电池20。每个燃料电池20包含一个单膜电极组件(MEA)22，并在膜电极组件(MEA)22的一侧或两侧具有气体扩散层(GDL)24、26(见图1C)。燃料电池20还包含一个双极板(BPP)28、30，位于各个气体扩散层(GDL)24、26外侧，如图1C所示。上述组件，特别是双极板30、气体扩散层(GDL)26、膜电极组件(MEA)22和气体扩散层(GDL)24，都包含一个重复单元50。
双极板(BPP)28、30负责运输反应物，例如燃料32(如氢气)或氧化剂34(如氧气、空气)，以及燃料电池20中的冷却流体36(如冷却剂和/或水)。双极板(BPP)28、30可以通过在双极板(BPP)28、30的外表面上形成的氧化剂流场42和/或燃料流场44，将反应物32、34均匀地分配到每个燃料电池20的活性区域40。活性区域40是指发生电化学反应以驱动燃料电池20产生电力的地方，以自上而下的角度观察电池堆12时，它位于膜电极组件(MEA)22、气体扩散层(GDL)24、26和双极板(BPP)28、30的中心。
双极板(BPP)28、30可以分别成形，以便在双极板(BPP)28、30的相反外表面上形成反应物流场42、44，并在双极板(BPP)28、30内部形成冷却剂流场52，如图1D所示。例如，双极板(BPP)28、30可能包括：燃料流场44，用于在板28、30的一侧转移燃料32，以便与气体扩散层(GDL)26相互作用；以及氧化剂流场42，用于在板28、30的第二个相反侧上转移氧化剂34，以便与气体扩散层(GDL)24相互作用。如图1D所示，双极板(BPP)28、30可能还包括在板(BPP)28、30内形成的冷却剂流场52，这些流场通常在板(BPP)28、30的相反外表面之间居中。冷却剂流场52有利于冷却流体36流经双极板(BPP)28、30，以调节板(BPP)28、30材料和反应物的温度。双极板(BPP)28、30压在相邻的气体扩散层(GDL)24、26上，以便将一种或多种反应物32、34隔离和/或密封在其各自的通道44、42内，从而保持导电性，这是燃料电池20稳健运行所必需的(见图1C和1D)。
本文所述的燃料电池系统10可用于固定和/或不可移动的电力系统，诸如工业应用和发电厂。燃料电池系统10也可以与空气输送系统18联合实施。此外，燃料电池系统10也可以与氢气输送系统和/或氢气来源19联合实施，例如加压罐，包括气态加压罐、低温液体储存罐、化学储存件、物理储存件、固定储存件、电解系统或电解槽。在一个实施例中，燃料电池系统10以串联或并联方式连接到氢气输送系统和/或氢气源19，例如BOP 16中的一个或多个氢气输送系统和/或氢气源19(见图1A)。在另一个实施例中，燃料电池系统10没有串联和/或并联连接和/或附接到氢气输送系统和/或氢气源19。
本燃料电池系统10也可以包括在移动应用中。在示例性实施例中，燃料电池系统10是用于车辆和/或动力总成100。包括本燃料电池系统10的车辆100可以是汽车、通行车、公共汽车、卡车、火车、机车、飞行器、轻型车辆、中型车辆或重型车辆。车辆100的类型还可以包括但不限于：商业车辆和发动机、火车、无轨电车、有轨电车、飞机、公共汽车、船舶、船只和其他已知车辆，以及其他机械和/或制造设备、装备、设施等等。
车辆和/或动力总成100可以在公路、高速公路、铁路、空中航线和/或水路上使用。车辆100可用于包括但不限于非公路运输、小车和/或采矿装备的应用。例如，采矿装备车辆100的示例性实施例是采矿卡车或矿石运输卡车。
此外，本领域的普通技术人员可以理解，本公开中描述的燃料电池系统10、燃料电池堆12和/或燃料电池20可以分别替代任何电化学系统，包括电解系统(例如电解槽)、电解槽组和/或电解槽电池(EC)。因此，在一些实施例中，本公开中所描述和教导的关于燃料电池系统10、电池堆12或电池20的特征和方面，也涉及电解槽、电解槽组和/或电解槽电池(EC)。在其他实施例中，本公开中所述的特征和方面与电解槽、电解槽组和/或电解槽电池(EC)的特征和方面无关，因此可与之区分开来。
如图1C所示，燃料电池20通过让氢气32和氧气34穿过催化剂层21发生电化学结合来产生电力。如图2所示，一个或多个燃料电池系统10、110、210包括一个或多个燃料电池20或燃料电池堆12，这些燃料电池系统在并联配置系统101中互连。多个元件(如燃料电池20、燃料电池模块14或燃料电池堆12)以串联方式连接，形成每个燃料电池系统10、110、210。燃料电池20、燃料电池模块14或燃料电池堆12按串联配置互连可提高输出电压，而燃料电池20、燃料电池模块14或燃料电池堆12按并联配置互连可提高输出电流。在其他实施例中，多个燃料电池20、燃料电池模块14或燃料电池堆12可以并联方式连接，形成燃料电池系统10、110、210。
通过纳入开关装置111(如接触器13、113、213)和能量转换装置112(如DC-DC转换器18、118、218)并将它们与负载120并联，可以控制燃料电池系统10、110、210中每个燃料电池20或燃料电池堆12的操作。每个开关装置111以串联方式与每个燃料电池系统10、110、210连接。每个能量转换装置112以串联方式与每个开关装置111连接。每个燃料电池20或燃料电池堆12的操作均基于可能随时间和/或应用而变化的负载120。
氢气32转换为电力的过程产生直流电(DC)。如图2所示，并联配置系统101包含用来产生直流电102的燃料电池系统10、110、210。燃料电池系统10、110、210在没有任何进一步功率调节的情况下，产生受极化曲线控制的DC能量。燃料电池系统10、110、210利用能量转换装置112，如DC-DC转换器18、118、218，将燃料电池20产生的电流102转换成可以供应给负载120的电压107和电流103。负载120利用来自每个DC-DC转换器18、118、218的电流103产生交流(AC)电压107。因此，来自每个DC-DC转换器18、118、218的电流103合并驱动负载120。
在一些实施例中，如图2所示，每个燃料电池系统10、110、210产生相同数量的电流103。在其他实施例中，每个燃料电池系统10、110、210产生的电流103可能不同。在一些实施例中，电流103可以在到达负载120之前转换为交流电压107。每个燃料电池系统10、110、210可以具有允许的功率输出范围。燃料电池系统10、110、210的功率输出范围可以由系统10、110、210的制造商确定。燃料电池系统10、110、210的功率输出范围可以彼此相似或不同。燃料电池系统10、110、210的组件旨在优化并联配置系统101的运行效率和性能。
负载120的显著性分析通常在确定燃料电池系统10、110、210或其中多个燃料电池系统的确切配置之前进行。本公开提供的系统和方法用于根据负载120所需的负载功率(Pload)，确定并联配置系统101中的燃料电池系统10、110、210中每个燃料电池20或燃料电池堆12的启动和/或操作。更具体地说，本公开涉及确定燃料电池系统10、110、210每个组件的操作是否随时间而变化和/或是否是动态的。在并联配置系统101中，何时启动燃料电池系统10、110、210中每个燃料电池20或燃料电池堆12的操作的决定，可以基于燃料电池20或燃料电池堆12的可用性、效率、性能和/或寿命进行优化。
燃料电池系统10、110、210的尺寸可以根据负载120的功率、电压和/或电流考虑来确定。负载120可以是用于电动车辆100的电机控制器150，或用于固定式动力总成100的逆变器152。或者，负载120也可以是任何其他需要电力的应用。在图2说明的实施例中，有任意数量(N)的相连燃料电池系统10、110、210。
燃料电池系统10、110、210的数量可以在大约1至200的范围以内，包括其中包含的任意数量或范围。例如，相连燃料电池系统10、110、210的数量(N)可以在1至5、5至10、10至20、20至50、50至100或100至200的范围内，包括其中包含的任意数量或范围。在一些实施例中，并联配置系统101中的相连燃料电池系统10、110、210的数量(N)可以超过200个。
电流和电压的乘积决定燃料电池系统10、110、210可提供的功率。因此，可用于操作负载120的功率取决于并联配置系统101中使用的燃料电池系统10、110、210的数量(N)。另外，并联配置系统101可以设计为即使一个或多个燃料电池系统10、110、210出现故障和/或无法运行，也能确保负载120继续工作。
每个燃料电池系统10、110、210与其自己的开关装置111和能量转换装置112相关联。开关装置111和能量转换装置112也按并联配置连接。开关装置111可以是MOSFET、IGBT、双极结型晶体管或专用接触器13、113、213。能量转换装置112可以是DC-DC转换器18、118、218。
如图2所示，并联配置系统101包含在燃料电池发动机201中，并且包括控制器133。接触器13、113、213以电气方式联接，允许旁通或连接每个燃料电池系统10、110、210。每个燃料电池系统10、110、210是否旁通、断开和/或接通，均基于传感反馈回路140来决定。传感反馈回路140是燃料电池控制器133内嵌的有限状态机和故障管理过程131(如算法)的输入。每个燃料电池系统10、110、210是否旁通，是根据并联配置系统101中的其余燃料电池系统10、110、210能否向负载120提供连续、不间断的电流来决定。
从1到N的燃料电池系统10、110、210中，任一系统的允许功率输出可以在大约Pmini至Pmaxi的范围内，其中i的范围为1至N。燃料电池系统10、110、210的最大功率输出为Pmaxi。燃料电池系统10、110、210的最小功率输出为Pmini。并联配置系统101的最大可用功率输出为每个燃料电池系统10、110、210可提供的最大功率(Pmaxis)之和。并联配置系统101的最小可用功率为每个燃料电池系统10、110、210可提供的最小功率(Pminis)中的最小值。因此，并联配置系统101的最大和最小可用功率取决于处于运行状态的燃料电池系统10、110、210的数量。
并联配置系统101的允许工作范围是：
MIN(Pmin1，Pmin2，PminN)≤Poutl+Pout2+Pout3≤Pmax1+Pmax2+PmaxN
DC-DC转换器18、118、218将并联配置系统101中每个燃料电池系统10、110、210的输出(如电流103)加以合并。由于能够合并每个燃料电池系统10、110、210的输出(如电流103)，这使得并联燃料电池系统配置101能产生比没有DC-DC转换器18、118、218的实施方式更多的功率。由于燃料电池系统10、110、210采用并联配置，所以在没有DC-DC转换器18、118、218的情况下输送功率时，燃料电池系统10、110、210的输出电压104必须一致。因此，在没有DC-DC转换器18、118、218的情况下，可能无法实现所有N个燃料电池系统10、110、210的最大功率输出，除非每个系统10、110、210都具有相同的电压。
此外，如果并联配置系统101中并联连接的燃料电池系统10、110、210之一发生故障，DC-DC 18、118、218将位于有故障的燃料电池系统10、110、210和其他运行中的燃料电池系统10、110、210之间，使得并联配置系统101可以继续向负载120输送功率。系统控制架构130嵌入到并联配置系统101中的燃料电池主控单元132内部，或作为外部监视控制系统134的一部分，或作为数据库主机136，以确保向负载120持续供电。
另外，关于何时启用哪些燃料电池系统10、110、210的决定，是基于随时间变化的负载要求进行优化的。表1展示了按系统控制架构130实施的分析过程的实施例。系统控制架构130嵌入到燃料电池主控单元132内部，或作为外部监视控制系统134的一部分，或作为能够与并联配置系统101进行双向通信的数据库主机136。
控制单元132跟踪若干因素，以确定操作一个或多个燃料电池系统10、110、210的顺序。这些因素可以包括但不限于：每个燃料电池系统10、110、210的任何普遍条件的确定，这些条件可能会限制燃料电池系统10、110、210提供功率的能力(例如，燃料电池系统10、110、210的可用性)；控制单元132在燃料电池系统10、110、210中识别的故障、警报或恢复的频率；以及/或者每个燃料电池系统10、110、210的工作小时数。控制单元132可以实施一个算法来权衡每个因素，并确定用于操作并联配置系统101中的燃料电池系统10、110、210的选择顺序。
表1
WA是应用于每个燃料电池系统1至N中每个元件(如燃料电池堆12)的可用性的权重。WR是应用于每个燃料电池系统1至N中每个元件(如燃料电池堆12)的恢复或性能的权重。WH是应用于每个燃料电池系统1至N中每个元件(如燃料电池堆12)的工作小时数的权重。
用于操作燃料电池系统10、110、210的选择顺序发生任何变化，都会导致接触器13、113、213开关事件。为了限制燃料电池系统10、110、210供电期间发生的接触器13、113、213开关事件的次数，选择顺序的确定可以仅在并联配置系统101没有向负载120供电时发生。当并联配置系统101开始向负载120供电时，根据既定的选择顺序确定开启或上线的燃料电池系统10、110、210以及关闭或离线的燃料电池系统10、110、210。
可以针对每个负载120定义或确定功率转换点。如图3所示，功率转换点是在向负载120供电期间，并联配置系统101从操作一组燃料电池系统10、110、210过渡到操作另一组燃料电池系统10、110、210的转换点。每个负载120可以有一个或多个与之关联的转换点。在一些实施例中，根据燃料电池系统10、110、210的数量(N)，可能存在N-1个功率转换点(PON(N-1))或“开启”功率转换点，以使其他燃料电池系统10、110、210上线。此外/或者，可能还适宜定义不同的功率转换点，以使一个或多个燃料电池系统10、110、210离线。因此，可能还存在与关闭燃料电池系统10、110、210相关联的N-1个功率转换点(POFF(N-1))或“关闭”功率转换点。
每个燃料电池系统10、110、210的“关闭”功率转换点(POFF(N-1))的功率水平可以比对应的“开启”功率转换点(PON(N-1))要低，这使得每个燃料电池系统10、110、210的启用和禁用内嵌滞后。在开启到关闭和关闭到开启的转换过程中，可能不会出现任何有害的感应开关。表2展示了用于确定或定义“开启”功率转换点以使一个或多个燃料电池系统1-N(如燃料电池系统10、110、210)上线的实施例。
表2
PON1是针对并联配置系统101从操作一(1)个燃料电池系统过渡到操作两(2)个燃料电池系统的情况而定义的功率转换点。POFF1是针对并联配置系统101从操作两(2)个燃料电池系统过渡到操作一(1)个燃料电池系统的情况而定义的功率转换点。PON2是针对并联配置系统101从操作两(2)个燃料电池系统过渡到操作三(3)个燃料电池系统的情况而定义的功率转换点。POFF2是针对并联配置系统101从操作三(3)个燃料电池系统过渡到操作两(2)个燃料电池系统的情况而定义的功率转换点。PON(N-1)是针对并联配置系统101从操作N-1个燃料电池系统过渡到操作N个燃料电池系统的情况而定义的功率转换点。POFF(N-1)是针对并联配置系统101从操作N个燃料电池系统过渡到操作N-1个燃料电池系统的情况而定义的功率转换点。
图3展示了一种方法301，用于操作并联配置系统101中的不同燃料电池系统10、110、210。如图3所示，“开启”功率转换点(Pon)320、322、324和“关闭”功率转换点(Poff)310、312、314的确定可以针对每个负载120进行调整。当“开启”功率转换点(Pon)320、322、324或“关闭”功率转换点(Poff)310、312、314为零时，其对燃料电池系统10、110、210的开关行为的影响消失。因此，燃料电池系统10、110、210仅遵守由并联配置系统101的最小功率设置Pmin330和最大功率设置Pmax340所确定的运行限值。
通过增大最小功率设置Pmin 330和最大功率设置Pmax 340之间的范围360，可以实施端系统积分器350来确定开启哪些燃料电池系统10、110、210。此外，对于高动态的负载120，积分器350还可以模拟每个燃料电池系统10、110、210的开启时间延迟。
图4展示了用来确定图2所示并联配置系统101中的燃料电池系统10、110、210操作的方法的实施例。该方法包括确定是否所有燃料电池系统10、110、210都已关闭(步骤410)。当确定所有燃料电池系统10、110、210都已关闭时，根据排名表评估负载120的功率请求(步骤420)。基于对负载120的功率请求的评估，确定并启用排名最高的燃料电池系统10、110、210(步骤430)。排名表可以基于预定的负载120和/或功率水平(例如，图3所示的“开启”和“关闭”功率转换点)。这种预定的负载120和/或功率水平可以由控制器133用来启动一个或多个燃料电池系统10、110、210的操作。预定的负载120和/或功率水平可以基于数据库、地图、预测算法等来确定。预定的负载120和/或功率水平可以基于燃料电池系统10、110、210的历史运行数据进行动态调整。历史运行数据可以包括但不限于：与燃料电池系统10、110、210中每个燃料电池堆12或燃料电池20关联的运行限值；燃料电池系统10、110、210的故障、警报或恢复的频率；以及/或者与燃料电池系统10、110、210关联的最大和最小功率。
本发明的以下描述方面是可以考虑且非限制性的：
本发明的第一个方面涉及一种并联配置系统。并联配置系统包括多个燃料电池系统、开关装置、能量转换装置、负载和系统控制器。多个燃料电池系统按并联配置进行电连接。开关装置以串联方式连接到多个燃料电池系统中的每一个系统。能量转换装置以串联方式连接到每个开关装置。负载连接到每个能量转换装置。系统控制器配置为确定多个燃料电池系统的操作。多个燃料电池系统的电输出以并联方式通过开关装置和能量转换装置连接到负载。
本发明的第二个方面涉及一种用于为负载供电的方法。该方法包括：实施采用并联配置进行电连接的多个燃料电池系统，以串联方式将多个燃料电池系统中的每一个系统连接到开关装置，以串联方式将每一个开关装置连接到能量转换装置，将负载连接到每一个能量转换装置，以及实施一个系统控制器来确定多个燃料电池系统的操作。多个燃料电池系统的电输出以并联方式通过开关装置和能量转换装置连接到负载。
在本发明的第一方面，负载可以是用于电动车辆的电机控制器或用于固定式动力应用的逆变器。在本发明的第一方面，开关装置可以是接触器、MOSFET、IGBT或双极结型晶体管。在本发明的第一方面，能量转换装置可以是DC-DC转换器。
在本发明的第一方面，当多个燃料电池系统中的每一个系统都不提供功率时，可以确定一个用于多个燃料电池系统中每一个系统的排名系统，该排名系统可以用来根据一个或多个因素的加权平均方案，确定多个燃料电池系统中每一个系统的优选连接和断开顺序。在本发明的第一方面，该一个或多个因素可以包括：多个燃料电池系统中每一个系统的可用性，控制单元在多个燃料电池系统中的每一个系统中已经识别的故障、警报或恢复的频率，或者多个燃料电池系统中每一个系统的工作小时数。
在本发明的第一方面，可以根据负载所需的功率确定用于开启和关闭多个燃料电池系统中的每一个系统的预定功率水平。在本发明的第一方面，所确定的用于开启和关闭多个燃料电池系统中每一个系统的预定功率水平，可以基于多个燃料电池系统中每一个系统的历史操作数据进行动态调整。
在本发明的第一方面，并联配置系统可以具有最小功率设置和最大功率设置，并且多个燃料电池系统中每一个系统的操作都可以基于最小功率设置和最大功率设置之间的一个范围。在本发明的第一方面，并联配置系统可以进一步包括实施一个端系统积分器，以确定多个燃料电池系统中应当开启的系统。在本发明的第一方面，端系统积分器可以模拟在开启多个燃料电池系统中的每一个系统时发生的任何时间延迟。
在本发明的第二方面，负载可以是用于电动车辆的电机控制器或用于固定式动力应用的逆变器。在本发明的第二方面，开关装置可以是接触器、MOSFET、IGBT或双极结型晶体管。在本发明的第二方面，能量转换装置可以是DC-DC转换器。
在本发明的第二方面，该方法可以进一步包括：当多个燃料电池系统中的每一个系统都不提供功率时，确定一个用于多个燃料电池系统中每一个系统的排名系统；以及使用该排名系统来根据一个或多个因素的加权平均方案，确定多个燃料电池系统中每一个系统的优选连接和断开顺序。在本发明的第二方面，该一个或多个因素可以包括：多个燃料电池系统中每一个系统的可用性，控制单元在多个燃料电池系统中的每一个系统中已经识别的故障、警报或恢复的频率，或者多个燃料电池系统中每一个系统的工作小时数。
在本发明的第二方面，该方法可以进一步包括：根据负载所需的功率，确定用于开启和关闭多个燃料电池系统中的每一个系统的预定功率水平。在本发明的第二方面，该方法可以进一步包括：实施一个端系统积分器，以确定多个燃料电池系统中应当开启的系统。
在本发明的第二方面，该方法可以进一步包括：使用端系统积分器来模拟在开启多个燃料电池系统中的每一个系统时发生的任何时间延迟。
结合一个示例性实施例图示或描述的特征可以与本文描述的任何其他实施例的任何其他特征或元件相组合。这种修改和变更旨在包括在本公开的范围内。此外，本领域技术人员将认识到，本领域技术人员公知的术语可以在此互换使用。
上述实施例的描述足够详细，以使本领域的技术人员能够实施权利要求书，而且应该理解，在不偏离权利要求的精神和范围的情况下，可以进行逻辑、机械和电气方面的变化。因此，详细的描述不应认为具有限制性意义。
如本文所用，以单数形式列举并以词汇“一个”或“一种”(a/an)开头的元件或步骤应理解为不排除所述元件或步骤的复数形式，除非明确说明了这种排除。此外，对本文所述主题的“一个实施例”的引用并不意味着解释为排除也包含所列举特征的其他实施例的存在。单位、测量和/或值的指定数值范围包括、基本上由所有数值、单位、测量和/或范围组成或由所有数值、单位、测量和/或范围组成，所有数值、单位、测量和/或范围包括这些范围和/或端点或在这些范围和/或端点内，无论这些数值、单位、测量和/或范围是否在本公开中明确规定。
除非另有定义，本文所用技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。本文所用的术语“第一”、“第二”、“第三”等并不表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开来。术语“或”是指包含并意指所列项目中的任何一个或所有项目。此外，术语“连接”和“联接”并不只限于物理或机械连接或联接，也可以包括直接或间接的电气连接或联接。
此外，除非明确说明相反，否则“包括”、“包含”或“具有”具有特定属性的一个元件或多个元件的实施例可以包括不具有该属性的其他这样的元件。术语“包括”或“包含”(comprising/comprises)是指包含但不排除其他元件、组分和/或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。术语“包括”也可以指本公开中包含但不排除其他元件、组分和/或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法实施例。
短语“由...组成”或“由...构成”(consisting of/consists of)是指排除任何其他元件、组分或方法步骤存在的混合物、组合物、制剂或方法。短语“由...组成”是指本公开中排除任何附加元件、组分或方法步骤存在的化合物、组合物、制剂或方法。
短语“主要由...组成”或“主要由...构成”(consisting essentially of/consists essentially of)是指包含对组合物、化合物、制剂或方法的特性没有实质性影响的其他元件、组分或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。短语“主要由...组成”也指本公开中包含对组合物、化合物、制剂或方法的特性没有实质性影响的其他元件、组分或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。
在本文说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修改可允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生变化的任何定量表示。因此，由一个或多个术语(如“大约”(about)和“基本上”(substantially))修饰的数值不应局限于指定的精确数值。在一些情况下，近似语言可能对应于用于测量数值的仪器的精度。在本说明书和权利要求书中，范围限制可以合并和/或互换。除非上下文或语言另有说明，这种范围被识别并包括其中所含的所有子范围。
如本文所用，术语“可以”(may)和“可能是”(may be)表示在一系列情况下发生的可能性；拥有特定的属性、特征或功能；和/或通过表达与限定动词相关的一个或多个能力或可能性来限定另一个动词。因此，“可以”和“可能是”的用法表明修改后的术语显然是适当的、能够的或适合于指示的能力、功能或用法，同时考虑到在一些情况下，修改后的术语有时可能不合适、不能够或不恰当。
应当理解，上述描述是说明性的，而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其各方面)可以单独使用、一起使用或彼此配合使用。此外，可以进行许多修改，以使特定情况或材料适应本文所述主题的教导，而不会偏离其范围。尽管本文所述材料的尺寸和类型旨在限定所公开主题的参数，但它们绝不是限制性的，而是示例性实施例。在回顾上文描述后，本领域技术人员将明白许多其他实施例。因此，本文所述主题的范围应参照所附权利要求书以及这样的权利要求书有权享有的全部等同物范围来确定。
本书面说明书使用示例来公开本文所述主题的几个实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域普通技术人员能够实践所公开主题的实施例，包括制造和使用设备或系统以及执行方法。本文所述主题的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包含本领域普通技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例的结构元件与权利要求书的字面语言没有区别，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其它示例旨在在权利要求书的范围之内。
尽管本文只图示和描述了本发明的某些特征，但对于本领域的技术人员来说，会有许多修改和变化。因此，应当理解，所附的权利要求书旨在涵盖属于本发明真正精神范围的所有这样的修改和变化。

Claims (15)

1.一种并联配置系统，包括：
多个按并联配置进行电连接的燃料电池系统，
以串联方式连接到多个燃料电池系统中的每一个系统的开关装置，
以串联方式连接到每个开关装置的能量转换装置，
连接到每个能量转换装置的负载，以及
配置为确定多个燃料电池系统的操作的控制单元，
其中，多个燃料电池系统的电输出以并联方式通过开关装置和能量转换装置连接到负载。
2.权利要求1所述的并联配置系统，其中，负载是用于电动车辆的电机控制器或用于固定式动力应用的逆变器。
3.权利要求1所述的并联配置系统，其中，能量转换装置是DC-DC转换器。
4.权利要求1所述的并联配置系统，其中，当多个燃料电池系统中的每一个系统都不提供功率时，确定一个用于多个燃料电池系统中每一个系统的排名系统，该排名系统将用来根据一个或多个因素的加权平均方案，确定多个燃料电池系统中每一个系统的优选连接和断开顺序。
5.权利要求4所述的并联配置系统，其中，该一个或多个因素包括：多个燃料电池系统中每一个系统的可用性，控制单元在多个燃料电池系统中的每一个系统中已经识别的故障、警报或恢复的频率，或者多个燃料电池系统中每一个系统的工作小时数。
6.权利要求1所述的并联配置系统，其中，根据负载所需的功率确定用于开启和关闭多个燃料电池系统中的每一个系统的预定功率水平。
7.权利要求1所述的并联配置系统，其中，并联配置系统具有最小功率设置和最大功率设置，并且多个燃料电池系统中每一个系统的操作均基于最小功率设置和最大功率设置之间的一个范围。
8.权利要求1所述的并联配置系统，其中，并联配置系统进一步包括一个端系统积分器，以确定多个燃料电池系统中应当开启的系统。
9.一种用于为负载供电的方法，包括：
实施多个按并联配置进行电连接的燃料电池系统，
以串联方式将多个燃料电池系统中的每一个系统连接到开关装置，
以串联方式将每个开关装置连接到能量转换装置，
将负载连接到每个能量转换装置，以及
实施控制单元来确定多个燃料电池系统的操作，
其中，多个燃料电池系统的电输出以并联方式通过开关装置和能量转换装置连接到负载。
10.权利要求9所述的方法，其中，负载是用于电动车辆的电机控制器或用于固定式动力应用的逆变器。
11.权利要求9所述的方法，进一步包括：当多个燃料电池系统中的每一个系统都不提供功率时，确定一个用于多个燃料电池系统中每一个系统的排名系统；以及使用该排名系统来根据一个或多个因素的加权平均方案，确定多个燃料电池系统中每一个系统的优选连接和断开顺序。
12.权利要求11所述的方法，其中，该一个或多个因素包括：多个燃料电池系统中每一个系统的可用性，控制单元在多个燃料电池系统中的每一个系统中已经识别的故障、警报或恢复的频率，或者多个燃料电池系统中每一个系统的工作小时数。
13.权利要求9所述的方法，进一步包括：根据负载所需的功率，确定用于开启和关闭多个燃料电池系统中的每一个系统的预定功率水平。
14.权利要求9所述的方法，进一步包括：实施一个端系统积分器，以确定多个燃料电池系统中应当开启的系统。
15.权利要求14所述的方法，进一步包括：使用端系统积分器来模拟在开启多个燃料电池系统中的每一个系统时发生的任何时间延迟。
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