CN209217121U - 一种燃料电池低温保护控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种燃料电池低温保护控制系统，其特征在于，包括：防冻系统控制模块，用于接收、处理和发送控制信息和指令；加热模块，包括继电单元和加热单元，所述加热单元对冷却液加热，继电单元由防冻系统控制模块进行控制；水冷模块，包括预充电单元、冷却水泵控制器和水泵，所述冷却水泵控制器分别与预充电单元、水泵连接，预充电单元由防冻系统控制模块进行控制；水冷模块外接交流三相电源，经整流桥将交流电源转化为高压直流电源。本实用新型实现燃料电池温度系统自动管理，智能化程度高、控温效果好。

Description

一种燃料电池低温保护控制系统

技术领域

本实用新型是属于燃料电池低温保护技术领域，尤其是一种燃料电池低温保护控制系统。

背景技术

燃料电池是一种电化学的发电装置，等温的按电化学方式,直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程,不受卡诺循环限制,因而能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式。同时, 随着燃料电池技术不断成熟,以及页岩气能源革命提供了充足天然气源,燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景。而燃料电池工作寿命、安全性和发电效率等受温度、水质影响较大。

基于燃料电池反应原理特性，燃料电池系统停止工作后，电堆内部流场和管道中会有残留的液态水，当环境温度足够低时，液态水结冰固化，会对电堆和系统零部件造成物理损坏，所以，在低温环境时，需对电堆进行保温。现有的保温多采用在管道中串联加热器的方式，电源通过外接380VAC市电、220VAC或者引入高压蓄电池的电来提供，通过水泵使冷却液流经电堆和关键的管道从而达到保温的作用，但针对防冻系统的控制方式却很少有人研究。现有技术只是强调需要通过加热来保温，如图1所示。目前，针对防冻系统仍缺乏稳定可靠的控制系统和控制方法。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的问题，旨在提供为燃料电池防冻系统提供一套稳定可靠的控制系统，同时提供一种基于该燃料电池防冻系统的控制方法。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：

一种燃料电池低温保护控制系统，其特征在于，包括：

防冻系统控制模块，用于接收、处理和发送控制信息和指令；

加热模块，包括继电单元和加热单元，所述加热单元对冷却液加热，继电单元由防冻系统控制模块进行控制；

水冷模块，包括预充电单元、冷却水泵控制器和水泵，所述冷却水泵控制器分别与预充电单元、水泵连接，预充电单元由防冻系统控制模块进行控制；水冷模块外接交流三相电源，经整流桥将交流电源转化为高压直流电源；

其中，所述冷却水泵控制器还分别与燃料电池系统控制器、防冻系统控制模块相连接，由燃料电池系统控制器控制冷却液低速循环流动。

进一步的，所述防冻系统控制模块包括防冻系统控制器、开关电源、系统状态指示灯和温度传感器，温度传感器与防冻系统控制器相连，外接交流电源经开关电源转换成直流电源接入防冻系统控制器。

进一步的，所述外接交流电源经开关电源，将高压交流电源转换成低压直流电源为其他低压器件供电。

进一步的，所述水冷模块其特征在于，预充电单元包括高压正接触器、预充电接触器、高压负接触器、预充电电阻；其中，

所述高压负接触器接入高压直流电源负极；

所述预充电接触器与预充电电阻串联后，再与高压正接触器并联，接入高压直流电源正极。

进一步的，所述加热模块其特征在于，继电单元包括过温继电器、防冻电源来电指示继电器、温控开关一、温控开关二、防冻电源启动继电器；其中，所述温控开关一在加热器加热温度达到60℃时断开，所述温控开关二在加热器加热温度达到70℃时断开。

一种燃料电池低温保护控制方法，其特征在于，步骤包括：

S10、系统接入交流电源，过温继电器K2、超过温继电器K3、防冻电源来电指示继电器K4检测到220V AC电源自动关闭，处于常闭状态；

S20、防冻系统控制器启动，检测温度传感器TT1、过温继电器 K2、超过温继电器K3、防冻电源来电指示继电器K4的状态

S30、判断防冻系统是否进入加热状态，若是，进入步骤S40,若否，进入步骤S70；

S40、控制冷却水泵控制器供电正常后，控制控制防冻电源启动继电器K5闭合，加热器开始工作；

S50、通过通信向燃料电池系统控制发送请求水泵转动需求，燃料电池系统控制器控制水泵转动；

S60、控制冷却液低速循环流动并使加热器壳体温度达到加热温度上限范围；

S70、系统进入正常保温状态。

进一步的，所述使加热器壳体温度达到加热温度上限范围，其特征在于，当温控开关一WK1未失效时，具体包括：

加热器壳体温度达到30～35℃，温控开关一WK1断开，过温继电器K2断开，防冻电源启动继电器K5断开，加热器停止工作；

当壳体温度将至10～15℃，温控开关一WK1闭合，加热器重新开始工作。

进一步的，所述使加热器壳体温度达到加热温度上限范围，其特征在于，当温控开关WK1失效时，具体包括：

加热器壳体温度达到60～65℃，温控开关WK2断开，K3断开，防冻系统控制器控制K5断开，加热器停止工作，同时向燃料电池系统控制器发送报警信号，断开；

壳体温度将至50～55℃，温控开关WK2闭合，加热器重新开始工作。

进一步的，可通过观测系统状态显示灯信号判断系统的工作状态，也可将L1信号引出至外部。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1)、本实用新型设计一种稳定可靠的燃料电池防冻系统并且提出一套控制策略；

2)、可以在本实用新型的基础上进行修改，适应更多的外部电源和冷却水系统工作电源，可根据实际需求调整加热功率。

3)、具体安全报警方式可以根据实际情况进行修改。

4)、防冻系统控制器可以单独选型，也可以将IO接口信号接至燃料电池系统控制器，将控制策略在燃料电池系统控制器中实现。

附图说明

图1是燃料电池冷却系统一般结构图；

图2为燃料电池防冻控制系统原理图；

图3为燃料电池防冻控制方法流程示意图。

其中：

Rec1-整流桥；R1-预充电电阻；KM1-高压正接触器；KM2-预充电接触器；KM3-高压负接触器；D1-水泵；K2-过温继电器；K3-超过温继电器；K4-防冻电源来电指示继电器；WK1-温控开关一(60℃断开)；WK2-温控开关二(70℃断开)；K5-防冻电源启动继电器；SSR- 固态继电器；TT1-温度传感器；H1-加热板；Rec2-开关电源；L1-系统状态显示灯

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1：

一种燃料电池低温保护控制系统，其特征在于，包括：

防冻系统控制模块，用于接收、处理和发送控制信息和指令；

加热模块，包括继电单元和加热单元，所述加热单元对冷却液加热，继电单元由防冻系统控制模块进行控制；

水冷模块，包括预充电单元、冷却水泵控制器和水泵，所述冷却水泵控制器分别与预充电单元、水泵连接，预充电单元由防冻系统控制模块进行控制；水冷模块外接交流三相电源，经整流桥将交流电源转化为高压直流电源；

其中，所述冷却水泵控制器还分别与燃料电池系统控制器、防冻系统控制模块相连接，由燃料电池系统控制器控制冷却液低速循环流动。

进一步的，所述防冻系统控制模块包括防冻系统控制器、开关电源、系统状态指示灯和温度传感器，温度传感器与防冻系统控制器相连，外接交流电源经开关电源转换成直流电源接入防冻系统控制器。

进一步的，所述外接交流电源经开关电源，将高压交流电源转换成低压直流电源为其他低压器件供电。

进一步的，所述水冷模块其特征在于，预充电单元包括高压正接触器、预充电接触器、高压负接触器、预充电电阻；其中，

所述高压负接触器接入高压直流电源负极；

所述预充电接触器与预充电电阻串联后，再与高压正接触器并联，接入高压直流电源正极。

进一步的，所述加热模块其特征在于，继电单元包括过温继电器、防冻电源来电指示继电器、温控开关一、温控开关二、防冻电源启动继电器；其中，所述温控开关一在加热器加热温度达到60℃时断开，所述温控开关二在加热器加热温度达到70℃时断开。

在本实施例中，本系统应用场合主要由三个部分组成，一是被保护装置-燃料电池电堆，二是冷却液流动动力源-水泵，三是加热器。

本系统对外连接的接口为外部AC380V供电，对外24V供电，高压直流输出接水泵控制器，连接加热器接口，通信接口，连接温度传感器接口、温控开关接口。

具体控制方法：

1、当环境温度过低时，外部提供AC380V市电，先经过整流桥将市电转换为高压直流电源，通过由KM1、KM2、KM3、R1组成的预充电电路连接至冷却水泵控制器(冷却水泵控制器工作电源为高压直流)，预充电电路由防冻系统控制器对其进行控制；

2、取三相交流电中的一相经过变换成24V电源，用来给防冻系统其它低压器件供电，同时将该24V电源引出至燃料电池正常工作电源中，用于除本专利防冻系统以外其它所需的零部件供电，比如燃料电池系统控制器，由该控制器控制冷却液低速循环流动。

3、系统供电以后，K2、K3、K4检测到220V AC电源自动关闭，处于常闭状态，当温控开关WK1跳变时，K2断开；当温控开关WK2 跳变时，K3断开。

4、防冻系统控制器被唤醒(收到工作电源)之后，首先检测TT1、 K2、K3、K4的状态，如果K2、K3、K4均闭合且冷却液回路温度过低，则先控制KM1、KM2、KM3完成预充并正常供电保证冷却水泵控制器供电正常；然后控制K5闭合，加热器进入加热状态；然后通过通信向燃料电池系统控制发送请求水泵转动需求，燃料电池系统控制器控制水泵转动，系统进入正常保温状态。

5、启动加热器供电，加热器开始工作，冷却液水温上升，当加热器壳体温度达到30℃时，温控开关WK1断开，K2断开，K5断开，加热器停止工作，当壳体温度将至10℃左右，温控开关1闭合，加热器重新开始工作，如此往复循环，使冷却液温度保持在一定温度区间，从而对燃料电池系统起到保温作用。

6、当加热器壳体温度达到60℃时(温控开关WK1失效)，温控开关WK2断开，K3断开，防冻系统控制器控制K5断开，加热器停止工作，同时向燃料电池系统控制器发送报警信号；当壳体温度将至 50℃左右，温控开关WK2闭合，加热器重新开始工作，如此往复循环。

7、可以通过观测L1信号来判断系统的工作状态，也可以将L1信号引出至外部。

Claims (6)

1.一种燃料电池低温保护控制系统，其特征在于，包括防冻系统控制模块，加热模块，水冷模块；其中，

加热模块，包括继电单元和加热单元，所述加热单元对冷却液加热，继电单元与防冻系统控制模块进行连接；

水冷模块，包括预充电单元、冷却水泵控制器和水泵，所述冷却水泵控制器分别与预充电单元、水泵连接，水冷模块外接交流三相电源；

所述冷却水泵控制器还分别通过CAN通信线缆与燃料电池系统控制器、防冻系统控制模块相连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池低温保护控制系统，其特征在于，所述防冻系统控制模块包括防冻系统控制器、开关电源、系统状态指示灯和温度传感器，温度传感器与防冻系统控制器相连，外接交流电源经开关电源转换成直流电源接入防冻系统控制器。

3.根据权利要求2所述的燃料电池低温保护控制系统，其特征在于，所述外接交流电源经开关电源，将高压交流电源转换成低压直流电源为其他低压器件供电。

4.根据权利要求1所述的燃料电池低温保护控制系统，其特征在于，所述预充电单元包括高压正接触器、预充电接触器、高压负接触器、预充电电阻；其中，

所述高压负接触器接入高压直流电源负极；

所述预充电接触器与预充电电阻串联后，再与高压正接触器并联，接入高压直流电源正极。

5.根据权利要求1所述的燃料电池低温保护控制系统，其特征在于，所述继电单元包括过温继电器、防冻电源来电指示继电器、温控开关一、温控开关二、防冻电源启动继电器；其中，所述温控开关一在加热器加热温度达到60℃时断开，所述温控开关二在加热器加热温度达到70℃时断开。

6.根据权利要求2所述的燃料电池低温保护控制系统，其特征在于，所述系统状态显示灯信号可显示系统的工作状态，也可将系统状态显示灯信号引出至外部。