一种燃料电池热电联供电气系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池热电联供电气技术领域，具体为一种燃料电池热电联供电气系统。


背景技术：

2.近年来国家提出“碳达峰，碳中和”的战略目标，我国逐渐在能源使用方面向着低碳和无碳的方面发展，然而在传统能源单独发电或者单独用热存在着能源效率使用低的问题，燃料电池热电联系统运行的综合效率高，且运行过程中不产生二氧化碳，氢能被公认为清洁高效的未来能源。
3.现有的燃料电池系统所需的电气部件电压等级主要面向乘用车和商用车的电压平台，小功率的燃料电池部分没有现成的统一的电气零部件可供燃料电池部分直接使用，为了满足燃料电池热电联供系统运行需求，燃料电池部分所需的电气件需要多种不同电压来满足系统运行需要。
4.现有的燃料电池热电联供系统存在着输出电能单一、功率不能持续稳定、不能单独输出离网或者并网电能的问题，无法满足实际使用中的需求，所以市面上迫切需要能改进的技术，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种燃料电池热电联供电气系统，通过电气系统的设计可以满足燃料电池部分电气件不同电压等级的供电需求，使系统快速稳定的响应外部功率需求，使系统随时满足热水需求，能够在只供应氢气的无外部启动电源情况下一键启动系统，在燃料电池不启动的情况下单独给设备供电或者单独发电给电网，可以有效解决背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池热电联供电气系统，该电气系统包括：锂电池组、燃料电池系统部分、离网部分、并网部分和配电柜。通过锂电池组上连接器与燃料电池系统部分、离网部分和并网部分连接，燃料电池部分输出直流电能和热能，离网部分输出ac220v电能给设备使用，并网部分可以把燃料电池和锂电池组的直流电转换成交流电输送给电网，或把电网的电能转换为直流电给锂电池组充电。通过配电柜可以给燃料电池热电联供系统提供工作电能。
7.进一步的，锂电池组部件包括：bms、预充电路、连接器、熔断器、电流传感器、手动维修开关(msd)和透气阀。
8.进一步的，燃料电池部分部件包括：燃料电池、dcf、dc1、水泵、氢泵、散热水泵、鼓风机、ptc。
9.进一步的，离网部分部件包括：dc2、铅酸电池、离网逆变器、断路器、燃料电池系统部分和热电联供系统内的低压控制部分的电气件（燃料电池部分内的执行器和传感器、锂电池组、逆变器和dc控制电）。
10.进一步的，并网部分部件包括：并网逆变器、断路器。
11.进一步的，配电柜是通过内部电路设计实现热电联供系统内部供电或外部供电的双电源供电模式。
12.进一步的，锂电池组具有绝缘监测功能，输出主电路具备预充功能，输出三路接口通过连接器与外部连接，且具备短路和过流保护，锂电池组配备手动维修开关（msd）和透气阀。
13.进一步的，绝缘监测功能需要先监测燃料电池冷却路的电导率，燃料电池水路的电导率过高会影响绝缘检测的准确性，绝缘检测的位置为所有与电池母线连接的器件对热电联供系统的外壳和接地的绝缘。
14.进一步的，预充功能是了给后端燃料电池部分、离网部分、并网部分的电容性负载的上电提供一个缓冲电流，防止瞬间上电损坏电气件，输出主电路的预充功能是在电池正极输出的继电器上并联电阻和开关。
15.进一步的，短路和过流保护及连接器为锂电池组主回路上安装电流监测装置，电流超过iz时bms断开输出主继电器达到过流保护的目的，iz值可以修改，锂电池组输出点分三路输出，三路输出回路上串联熔断器fu1/fu2/fu3，通过熔断器对三路的短路进行保护，且三路输出使用连接器进行对接可方便维护时断开回路。
16.进一步的，锂电池组手动维修开关（msd）和透气阀，msd 串联在锂电池组中间并集成有熔断器，可以在输出整体短路时熔断保护锂电池组和后端负载，同时在需要维护系统或者系统运输长期不用时可以拔掉msd，断开锂电池组，从而提高安全性，透气阀可以在锂电池组内部和外部压力不平衡时保持压力一致，同时透气阀有单向导通的特性外部的水无法进入锂电池组内部，从而保护锂电池组。
17.进一步的，燃料电池系统部分包括：氢泵为燃料电池提高氢气使用率，鼓风机为燃料电池提供空气，水泵和氢泵为燃料电池冷却和ptc为燃料电池产生的热能通过冷却水路带出到储水箱；冷却水路串联ptc加热器，ptc的供电可以由热电联供系统离网或电网供电，在燃料电池发热量不足或者不启动时可以启动ptc对水路加热，以此实现在没有氢气的情况满足单独的热水需求；dcf可以把燃料电池电压转换到锂电池组所需的电压平台并能控制电流，从而满足功率需求。dcf内集成有降压模块可以为水泵、氢泵、散热风扇直接提供电能。dcf的辅助高压输出口连接dc1，通过dc1转换电压为鼓风机提供电能，若鼓风机供电电压与锂电池组电压范围一直可以直接通过此端口给鼓风机供电。
18.进一步的，dcf的输入端有预充电路，为后端升压模块、降压模块、dc1、鼓风机内的电容充电，防止上电瞬间电压对容性器件充电造成大电流冲击，dcf与燃料电池连接电路有预充电路，防止燃料电池运行后的开路电压对dcf升压模块产生大电流冲击造成损坏。
19.进一步的，dcf、dc1为非隔离型，水泵、氢泵、散热风扇和鼓风机电气件负极与外壳直接连通，会导致高压负极与外壳导通存在一定的隐患，因此水泵、氢泵、散热风扇和鼓风机电气件安装通过绝缘块与框架固定从而使金属件与外壳绝缘隔离，提供燃料电池热电联供系统的安全性。
20.进一步的，dc2输入端连接锂电池组，把锂电池组电转换为后端所需的电压等级，
输出端与铅酸电池、离网逆变器、和燃料电池低压控制部分的电气件并联，铅酸电池可以为离网逆变器提供电量输出ac220v电能，或给燃料电池部分和热电联供系统内的低压控制部分的电气件供电，当铅酸电池电压变低时dc2根据铅酸电池电压调整输出电流用来满足逆变器和燃料电池低压控制部分的电气件用电需求。
21.进一步的，铅酸电池可以为燃料电池系统部分和热电联供系统内的低压控制部分的电气件供电用来启动系统，电气件包括燃料电池部分内的执行器和传感器、锂电池组、逆变器和dc控制电，或对离网逆变器后端的设备用电进行功率补偿，后端的逆变器和负载功率增大会导致铅酸电池电压下降因此可以根据电池电压判断功率和电池剩余电量。
22.进一步的，并网逆变器输入端连接锂电池组，输出端通过断路器连接到电网，可以把锂电池组和燃料电池部分的直流电转换为ac380v到电网，或把电网的电转换为直流电给锂电池组充电；当外部需求并网功率变化时燃料电池的功率相应会延后或者外部需要的功率大于燃料电池发出的功率时，此时不足的功率可以由锂电池组进行补偿，当外部所需要的功率小于燃料电池发出的最大功率时，可以根据锂电池组的剩余容量对锂电池组进行充电或者降低燃料电池发电功率，当锂电池组容量低且没氢气时可以通过并网逆变器给锂电池组进行充电，通过软件设点可以在电价低谷时通过离网逆变器给锂电池组进行充电，电价高峰时通过锂电池组放电到电网从而套取电价差，从而使效益最大化。
23.进一步的，配电柜内通过开关电源把ac220v的电变送为给燃料电池部分和热电联供系统内的低压控制部分的电气件（燃料电池部分内的执行器和传感器、锂电池组、逆变器和dc控制电），配电柜内的电路设计主要通过继电器把铅酸电池和ac220v供电隔离开，使其成为双电源供电，既可以提高系统供电稳定性，或在热电联供系统长时间不使用导致铅酸电池馈电的情况下用外部ac220v启动。
24.进一步的，铅酸电池既可以为用电设备的功率变化提供功率补偿，又可以为本发明的装置内部电气件提供电能，可以达到不借助外界供电自启动。
25.进一步的，dc2输入端为锂电池组，因此在燃料电池不运行时，锂电池组存储的电能可以长时间提供离网的电能给设备供电，当锂电池组soc低时可以通过燃料电池发电给离网用电器或给锂电池组进行充电。
26.进一步的，锂电池组，1、可以把燃料电池发出的电储存起来；2、可以在燃料电池并网发电时作为功率补偿；3、可以单独给电网供电；4、离网设备供电时做为提供电能；5、在燃料电池热电联供系统通过dc2电压转换为设备运行的电气件提供电能；6、在dcf 和并网逆变器之间作为电压支撑；铅酸电池可以直接为系统部件供电，配电柜内的电路设计可以在铅酸电池亏电时使用外部ac220v启动设备，在铅酸电池电量充足时直接使用铅酸电池供电；设备内有一键启停功能和自启动功能，或作为移动的供电供热装置为野外、临时场所提供电能和热能使用。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的电气系统可以使燃料电池热电联供系统的安全性稳定性得到提高，可以使热电联供系统单独供热和供电，或协同供热供电，既可以发电到电网或单独给设备供电极大的拓展了应用领域。可以在无外界电时启动运行，或在外部供电的情况下启动运行，极
大的拓展了设备的适应性。
28.产生的电能直接给电网或者ac220v设备使用，使系统内的综合使用效率高，且在运行过程中环保无污染没有碳排放。
29.设备可以作为备用电源在电网停电时通过锂电池组和燃料电池发出的电能转换民用ac380v和ac220v电为建筑供电。
附图说明
30.图1为本发明燃料电池热电联供电气系统电气图；图2为本发明燃料电池热电联供电气系统电气上电流程图；图3为本发明燃料电池热电联供电气系统电气运行流程图；图4为本发明预充电路电气原理图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例一参照图1，给出了本发明中燃料电池热电联供电气系统电气图，该电气系统包括：锂电池组、燃料电池部分、离网部分、并网部分和配电柜。
33.在该实施例中，锂电池组具有绝缘监测功能，输出主电路具备预充功能，输出三路接口通过连接器与外部连接，且具备短路和过流保护，锂电池组配备手动维修开关msd和透气阀。
34.绝缘监测功能可以检测锂电池组正极和负极对外壳的阻抗值判断绝缘是否正常，所述的绝缘部分包括所有与燃料电池热电联供连接的锂电池组正负极母线连接的电气部分，绝缘检测流程如下：燃料电池热电联供系统上电
→
先监测电导率值c
→
电导率小于c时
→
bms启动绝缘监测功能
→
绝缘值大于500ω/v
→
启动燃料电池热电联供系统。
35.锂电池组预充功能，是通过预充电路对锂电池组后端的容性负载进行充电，防止锂电池组电压对后端容性负载造成损坏，预充过程如下：闭合预充继电器
→
监测电池后端电压
→
500ms之后后端电压为电池电压的80％
→
闭合主继电器
→
断开预充继电器
→
预充完成。
36.短路保护功能是通过锂电池组输出的三路熔断器fu1/fu2/fu3分别对应输出的燃料电池系统部分、离网部分、并网部分进行短路保护，过流保护是通过电流传感器010对输出总电流进行检测反馈给bms，当电流值超iz时bms断开输出主继电器达到过流保护的目的，iz值可以修改，锂电池组的三路输出通过连接器002与燃料电池部分、离网部分、并网部分进行连接，通过连接器002连接可以方便维护时断开。
37.锂电池组手动维修开关msd 011和透气阀，msd 011串联在锂电池组中间并集成有熔断器，可以在输出整体短路时熔断保护锂电池组和后端负载，同时在需要维护系统或者系统运输长期不用时可以拔掉msd 011，断开锂电池组，从而提高安全性，透气阀可以在锂
电池组内部和外部压力不平衡时保持压力一致，同时透气阀有单向导通的特性外部的水无法进入锂电池组内部，从而保护锂电池组。
38.在该实施例中，可选地的燃料电池部分是通过dcf与锂电池组连接，输出端与燃料电池连接，dcf内部集成有降压模块为燃料电池部分的辅助电气件供电，辅助电气件包括散热风扇、水泵、氢泵、循环泵和鼓风机，dcf有辅助输出口012，辅助输出口012连接dc1经过电压转换对鼓风机进行供电，若鼓风机工作电压与锂电池组电压一致可以直接通过辅助输出口012进行供电。
39.dcf可以把燃料电池电压转换到锂电池组所需的电压平台并能控制电流，从而满足功率需求。dcf的输入端有预充电路003，为后端升压模块004、降压模块、dc1、鼓风机内的电容充电，防止上电瞬间电压对容性器件充电造成大电流冲击，预充电路运行方法：闭合输入端预充继电器
→
监测后端电压
→
500ms之后后端电压为前端电压的80％
→
闭合主继电器
→
断开预充继电器
→
预充完成。升压模块004与燃料电池连接电路有预充电路005，防止燃料电池运行后的开路电压对升压模块004产生大电流冲击造成损坏，预充电路运行方法：闭合输入端预充继电器
→
给升压模块004端电压充电
→
500ms之后升压模块004端电压到燃电池端电压的80％
→
闭合主继电器
→
断开预充继电器
→
预充完成。
40.在该实施例中，燃料电池产生的热能通过冷却水路带出到储水箱，冷却水路串联ptc加热器，ptc的供电可以由热电联供系统离网或电网供电，通过接触器009可以控制ptc的启动和停止，在燃料电池发热量不足或者不启动时可以吸合接触器009启动ptc对水路加热，以此实现在没有氢气的情况满足单独的热水需求；在该实施例中，dcf、dc1为非隔离型，水泵、氢泵、散热风扇和鼓风机电气件负极与外壳直接连通，会导致高压负极与外壳导通存在一定的隐患，因此水泵、氢泵、散热风扇和鼓风机电气件安装通过绝缘块与框架固定从而使金属件与外壳绝缘隔离，提供燃料电池热电联供系统的电气安全性。
41.在该实施例中，离网部分通过dc2输入端连接锂电池组，把锂电池组电转换为后端所需的电压等级，输出端和铅酸电池、离网逆变器、和燃料电池低压控制部分的燃料电池电气件013并联，铅酸电池可以为离网逆变器提供电量输出ac220v电能，或给燃料电池部分和热电联供系统内的低压控制部分的电气件供电，当铅酸电池电压变低时dc2根据铅酸电池电压调整输出电流用来满足离网逆变器和燃料电池低压控制部分的燃料电池电气件013用电需求。
42.由于交流用电设备功率非恒定的，通过dc2在给离网逆变器直接供电会导致动态响应不足，因此并联的铅酸电池可以用于功率补偿，快速响应用电器的用电需要，dc2可以通过铅酸电池的电压变压控制输出电流响应用电器的功率需求和判断剩余电量，控制方法如下：通过dc2后端的并联点监测铅酸电池电压
→
根据铅酸电池电压u1＞u2＞u3，dc2控制输出电流i1＞i2＞i3相应设备用电需求
→
当铅酸电池电压为u1时dc2输出电流i3
→
当铅酸电池电压为u2时dc2输出电流i2
→
当铅酸电池电压为u3时dc2输出电流i1。
43.dc2既可以用来给用电设备提供主功率支撑，又可以为铅酸电池进行充电。铅酸电池既可以为用电设备的功率变化提供功率补偿，又可以为燃料电池电气件013提供电能，可以达到不借助外界供电自启动，启动流程：按下按钮006
→
中间继电器ka1吸合
→
ka1触点控制接触器km1吸合
→
燃料电池电气件件013上电
→
系统处于待机状态。
44.在该实施例中，并网逆变器输入端连接锂电池组，输出端通过断路器qf3连接到电网，可以把锂电池组和燃料电池部分的直流电转换为ac380v到电网，或把电网的电转换为直流电给锂电池组充电；并网流程为：当外部需求功率大于燃料电池功率
→
锂电池组补偿燃料电池不足功率；当外部需求功率小于燃料电池功率
→
燃料电池给锂电池组充电或减小功率；当外部没有氢气时
→
锂电池组单独放电相应外部功率需求直至电量不足。
45.通过软件设定可以在电价低谷时通过离网逆变器给锂电池组进行充电，电价高峰时通过锂电池组放电到电网从而套取电价差，从而使效益最大化。
46.在该实施例中，配电柜内通过开关电源007把ac220v的电变送为给燃料电池部分和热电联供系统内的低压控制部分的燃料电池电气件013供电，主要通过接触器km2把常闭触点连接铅酸电池常开触点连接开关电源007，使其成为双电源供电，当ac220v电源通电时由此供电，当无ac220v电源时由铅酸电池供电，既可以提高系统供电稳定性，或在热电联供系统长时间不使用导致铅酸电池馈电的情况下用外部ac220v启动。
47.在该实施例中，参照图2 ，燃料电池热电联供电气系统电气上电流程图，包括：s001，按下启动按钮006，中间继电器ka1吸合，ka1有两个触点，ka1的两个触点分别接通接触器km1和km2的线圈；s002，当ac220v供电接通，接触器km2线圈吸合，常开触点闭合常闭触点断开，s003，燃料电池电气件013供电由开关电源007提供，并与铅酸电池供电断开。
48.s002，当ac220v供电未接通，接触器km2线圈不吸合，常开触点断开常闭触点闭合，s003，燃料电池电气件013供电由铅酸电池提供，并与开关电源007供电断开。
49.s005，系统上电，开始自检。
50.s007， 电导率值大于c系统进入s006、系统故障，电导率小于c进入s008，由bms进行绝缘故障监测，绝缘值小于500ω/v进入s006，系统故障，绝缘值大于500ω/v进入s009、锂电池组预充，由001预充电路对后端负载进行预充。
51.预充完成后，s010，进入待机状态，进入此状态后根据输入指令燃料电池热电联供进入工作状态。
52.在该实施例中，参照图3 ，燃料电池热电联供电气系统电气运行流程图，根据外界输入的指令进入工作状态：s010，燃料电池热电联供系统完成上电和自检进入待机状态根据指令输出热能、并网电能、离网电能，此三种状态可以单独运行或任意状态同时工作，下面对三种流程进行介绍。
53.s012，设定热水温度。
54.当s013，燃料电池热电联供系统不运行，进入s014，由控制器控制接触器009吸合，ptc得电，ptc开始运行加热。
55.当s013，燃料电池热电联供系统运行，进入燃料电池系统运行流程：s015，由预充电路003对dcf输入端进行预充，预充完成后s016，燃料电池辅助电气件供电，包括：水泵、氢泵、散热风扇、循环泵和鼓风机，s017，燃料电池系统开始运行当燃料电池到达开路电压，s018，预充电路005对升压模块004进行预充，此时燃电池系统开始工作。
56.s019，燃料电池发热量不满足需求，进入s014，由控制器控制接触器009 ptc运行
加热。
57.当s019，燃料电池发热量满足需求，判断s020、燃料电池发热量大于需求时，进入s021，散热风扇运行带出多余的热量，s020、燃料电池发热量等于需求时，进入s022，水箱温度达到设定值，进入s023满足热水需求。
58.s024，设定并网功率。
59.当s025，燃料电池热电联供系统不运行，进入s026，由锂电池组输出电能。
60.当s025，燃料电池热电联供系统运行，进入燃料电池系统运行流程：s027，由预充电路003对dcf输入端进行预充，预充完成后s028，燃料电池辅助电气件供电，包括：水泵、氢泵、散热风扇、循环泵和鼓风机，s029，燃料电池系统开始运行当燃料电池到达开路电压，s030，预充电路005对升压模块004进行预充，此时燃电池系统开始工作。
61.s031，燃料电池功率不满足需求，进入s026，由锂电池组进行功率补偿。
62.当s031，燃料电池发电功率满足需求，判断s032、燃料电池功率大于需求功率时，判断s033，锂电池组电量不足，进入s034，燃料电池给锂电池组充电，当s033锂电池组电量充足，s035降低燃料电池功率，满足s036并网逆变器达到功率需求。
63.判断s032、燃料电池功率等于需求功率，满足s036并网逆变器达到功率需求，进入s037，满足并网需求。
64.s038，离网功率变化，离网部分用电器包括：离网设备用电和燃料电池电气件013。
65.s039，根据铅酸电池电压调整dc2输出电流，s040，铅酸电池电压为u3，dc2输出电流为i1，s041，铅酸电池电压为u2,dc2输出电流为i2，s042铅酸电池电压为u1，dc2输出电流为i3，s043，满足离网设备功率需求，通过dc2的输出电流和铅酸电池的功率补偿来满足离网设备的功率需求。
66.如图4所示，预充电路由主继电器、预充继电器和预充电阻组成，预充继电器和预充电阻串联，预充继电器与主继电器并联，且预充电路001、预充电路003、预充电路005电气原理图一致。
67.本发明针对一种燃料电池热电联供电气系统，公布其电气部分的组成、电气的安装、供电和配电方式以及具体电气部分上电运行方法和流程。
68.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。