一种燃料电池系统、控制方法、车载供电系统及车辆与流程

本发明属于燃料电池系统技术领域，特别涉及一种燃料电池系统、控制方法、车载供电系统及车辆。

背景技术：

在能源与环境的双重压力下，燃料电池汽车成为未来汽车工业发展的方向，也是汽车领域研究的重点。燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较，其动力方面的不同在于燃料电池汽车用的电力来自车载燃料电池装置，电动汽车所用的电力来自电网充电的蓄电池。燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置，这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。因而，燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点，这确保了燃料电池汽车成为真正意义上的高效、清洁汽车。

车用燃料电池不同于固定发电类的燃料电池，需要承受车辆复杂工况下频繁变载的功率需求，尤其是车辆在低速或临时停车时，车辆需求的功率较小，电机运行在发电状态，会产生很大的电流，此时燃料电池的输出功率将会变小，燃料电池系统处于怠速状态，将使得燃料电池工作在电化学极化区域，对燃料电池的使用寿命和性能衰减影响较大。为了解决上述问题，目前车辆普遍采用燃料电池与动力电池或超级电容等储能元件并联，在车辆处于怠速时通过给储能元件充电，来提高燃料电池的输出效率，避免燃料电池工作在电化学极化区域，为了解决上述问题，如公告号为“cn205632147u”，名称为“一种带超级电容的燃料电池电动汽车动力装置”的中国专利，该专利的燃料电池与超级电容并联，当制动踏板被踩下时，电动汽车运行在怠速状态，电控单元控制驱动电机运行在发电模式，电能经过功率变换器整流后，给超级电容器充电，提高了燃料电池的输出功率，但是如果车辆怠速时间过长或者处于下坡工况下，且此时超级电容荷电状态较高，无法接受充电时，则采用该专利的方案不能解决燃料电池的输出功率较小的问题，以至于造成燃料电池的寿命衰减和性能下降，而如果频繁启停燃料电池系统，将使燃料电池工作在更为不利的工况，对燃料电池的寿命影响更大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统、控制方法、车载供电系统及车辆，用于解决现有技术中燃料电池处于怠速工况而储能元件荷电状态较高时造成燃料电池系统的寿命衰减和性能下降的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统，包括以下技术方案：

电池系统方案一，一种燃料电池系统，包括储氢装置、空气供给装置、并联的至少两个燃料电池电堆，各燃料电池电堆包括氢气进气口、空气进气口、氢气出气口及空气出气口，所述储氢装置通过对应的氢气进气口、空气进气口与各燃料电池电堆连接，各燃料电池电堆的输出端分别用于通过对应的控制开关与dc/dc变换器的低压端连接，当动力电池荷电状态值大于第一设定值，且负载需求功率小于第二设定值时，根据负载需求功率的大小控制并联的燃料电池电堆中的至少一个燃料电池电堆停机。

电池系统方案二，在电池系统方案一的基础上，所述储氢装置与对应的氢气进气口之间设置有氢气进气电磁阀，所述空气供给装置与对应的空气进气口之间设置有空气进气电磁阀。

电池系统方案三，在电池系统方案二的基础上，氢气出气口连接有氢气循环装置，所述氢气循环装置与所述储氢装置连接。

电池系统方案四，在电池系统方案一的基础上，所述控制开关为继电器。

电池系统方案五，在电池系统方案四的基础上，还包括控制器，所述控制器控制连接所述继电器。

本发明还提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括以下技术方案：

一种燃料电池系统的控制方法，包括如下步骤：

当动力电池荷电状态值大于第一设定值，且负载需求功率小于第二设定值时，根据负载需求功率的大小控制并联的燃料电池电堆中的至少一个燃料电池电堆停机。

本发明还提供了一种车载供电系统，包括以下技术方案：

供电系统方案一，一种车载供电系统，包括燃料电池系统、dc/dc变换器及动力电池，所述燃料电池系统包括储氢装置、空气供给装置及并联的至少两个燃料电池电堆，各燃料电池电堆包括氢气进气口、空气进气口、氢气出气口及空气出气口，所述储氢装置通过对应的氢气进气口、空气进气口与各燃料电池电堆连接，各燃料电池电堆的输出端分别通过对应的控制开关与dc/dc变换器的低压端连接，dc/dc变换器的高压端与动力电池连接，dc/dc变换器的高压端还用于与负载连接；当动力电池荷电状态值大于第一设定值，且负载需求功率小于第二设定值时，根据负载需求功率的大小控制并联的燃料电池电堆中的至少一个燃料电池电堆停机。

供电系统方案二，在供电系统方案一的基础上，所述储氢装置与对应的氢气进气口之间设置有氢气进气电磁阀，所述空气供给装置与对应的空气进气口之间设置有空气进气电磁阀。

供电系统方案三，在供电系统方案二的基础上，氢气出气口连接有氢气循环装置，所述氢气循环装置与所述储氢装置连接。

供电系统方案四，在供电系统方案一的基础上，所述控制开关为继电器。

供电系统方案五，在供电系统方案四的基础上，还包括控制器，所述控制器控制连接所述继电器。

本发明还提供了一种车辆，包括以下技术方案：

车辆方案一，一种车辆，包括车载供电系统及负载，所述车载供电系统包括储氢装置、空气供给装置、dc/dc变换器、动力电池及并联的至少两个燃料电池电堆，各燃料电池电堆包括氢气进气口、空气进气口、氢气出气口及空气出气口，所述储氢装置通过对应的氢气进气口、空气进气口与各燃料电池电堆连接，各燃料电池电堆的输出端分别通过对应的控制开关与dc/dc变换器的低压端连接，dc/dc变换器的高压端与动力电池连接，dc/dc变换器的高压端还与负载连接；当动力电池荷电状态值大于第一设定值，且负载需求功率小于第二设定值时，根据负载需求功率的大小控制并联的燃料电池电堆中的至少一个燃料电池电堆停机。

车辆方案二，在车辆方案一的基础上，所述储氢装置与对应的氢气进气口之间设置有氢气进气电磁阀，所述空气供给装置与对应的空气进气口之间设置有空气进气电磁阀。

车辆方案三，在车辆方案二的基础上，氢气出气口连接有氢气循环装置，所述氢气循环装置与所述储氢装置连接。

车辆方案四，在车辆方案一的基础上，所述控制开关为继电器。

车辆方案五，在车辆方案四的基础上，还包括控制器，所述控制器控制连接所述继电器。

车辆方案六，在车辆方案五的基础上，所述控制器为整车控制器。

车辆方案七，在车辆方案一的基础上，所述负载包括燃料电池附件耗能元件、整车附件耗能元件及驱动电机。

本发明的有益效果是：

本发明在燃料电池内部集成了多个燃料电池电堆，各燃料电池电堆之间并联，各燃料电池电堆的输出端分别通过对应的控制开关与dc/dc变换器的低压端连接，dc/dc变换器的高压端与负载连接，正常工作模式下，由并联的燃料电池电堆共同工作，一起发电；当燃料电池系统处于怠速工况，而动力电池的荷电状态又比较高时，根据负载需求功率的大小，由控制器控制相应的燃料电池电堆停机，切断其电流输出，使处于工作状态的燃料电池电堆以高于电化学极化曲线的功率进行发电，发电功率用于燃料电池自身附件消耗及整车附件消耗。本发明通过对燃料电池电堆的优化配置，实现了燃料电池系统在怠速工况下有效避开燃料电池电堆工作在电化学极化区域，提升了燃料电池的寿命，降低了燃料电池系统性能衰减速率。

附图说明

图1为燃料电池系统怠速工况下的控制装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明提供了一种车辆，该车辆包括车载供电系统及负载，其中，车载供电系统包括燃料电池系统、dc/dc变换器及动力电池。在这里，燃料电池系统包括储氢装置、空气供给装置及并联的至少两个燃料电池电堆，各燃料电池电堆包括氢气进气口、空气进气口、氢气出气口及空气出气口，储氢装置通过对应的氢气进气口、空气进气口与各燃料电池电堆连接，各燃料电池电堆的输出端分别用于通过对应的控制开关与dc/dc变换器的低压端连接，dc/dc变换器的高压端与动力电池连接，dc/dc变换器的高压端还用于与负载连接；当动力电池荷电状态值大于第一设定值，且负载需求功率小于第二设定值时，根据负载需求功率的大小控制并联的燃料电池电堆中的至少一个燃料电池电堆停机，防止燃料电池系统发生电化学极化反应，电化学极化反应指当有电流通过时，由于电化学反应进行的迟缓性造成电极带电程度与可逆情况时不同，从而导致电极电势偏离的现象，称为电化学极化(electro-chemicalpolarization)。其特点是；在电流流出端的电极表面积累过量的电子，即电极电位趋负值，电流流入端则相反。由电化学极化作用引起的电动势叫做活化过电势。

本实施例中的负载包括燃料电池附件耗能元件、整车附件耗能元件和驱动电机等所有耗能元件。

本实施例中的控制开关可以为手动开关或继电器，当控制开关为继电器时，由控制器控制继电器的吸合与关断，该控制器可以为整车控制器，也可以为单独设置的控制器，只要实现对继电器的控制功能即可。

本实施例以两个并联的燃料电池电堆为例，如图1所示，第一燃料电池电堆7和第二燃料电池电堆8并联，车载储氢装置1通过氢气进气电磁阀3与第一燃料电池电堆7的氢气进气口连接，空气供给装置即空压机2通过空气进气电磁阀4与第一燃料电池电堆7的空气进气口连接，第一燃料电池电堆7的输出端通过第一燃料电池电堆电压输出正极端继电器10与dc/dc变换器11的低压端连接，dc/dc变换器11的高压端通过动力电池电压输出正极端继电器12与动力电池18连接，并通过负载继电器17与负载19连接，第一燃料电池电堆7的通过氢气出气口单向阀16与氢气循环装置连接，本实施例中的氢气循环装置为氢气循环泵13，氢气循环泵的输出端通过氢气进气电磁阀与储氢装置连接，而且氢气循环泵13上还设置有氢气尾排阀14，用于排出氢气。

同时，车载储氢装置1通过氢气进气电磁阀5与第二燃料电池电堆8的氢气进气口连接，空气供给装置即空压机2通过空气进气阀6与第二燃料电池电堆8的空气进气口连接，第二燃料电池电堆8的输出端通过第二燃料电池电堆电压输出正极端继电器9与dc/dc变换器11的低压端连接，dc/dc变换器11的高压端通过动力电池电压输出正极端继电器12与动力电池18连接，并通过负载继电器17与负载19连接，第二燃料电池电堆8通过氢气出气口单向阀15与氢气循环泵13连接，氢气循环泵的输出端通过氢气进气电磁阀与储氢装置连接，而且氢气循环泵13上还设置有氢气尾排阀14，用于排出氢气。

本实施例的燃料电池怠速工况控制方法包括以下步骤：

车辆启动后，动力电池电压输出正极端继电器12和负载继电器17吸合，动力电池先向车辆提供所需电源。

当燃料电池发动机收到启动请求后，第一燃料电池电堆7的氢气进气电磁阀3以及空气进气电磁阀4打开，氢气和空气在第一燃料电池电堆内部反应产生电能，第一燃料电池电堆开始发电，空压机2和氢气循环泵13开始工作，同时尾排阀14按照设定的频率进行排气；当电堆电压达到一定值时，第一燃料电池电堆电压输出正极端继电器10吸合，第一燃料电池电堆发电通过dc/dc变换器11升压后为负载提供所需的电流。

当负载需求功率大于第一燃料电池电堆7的额定输出功率时，第二燃料电池电堆8的氢气进气电磁阀5、空气进气电磁阀6打开，氢气和空气在第二燃料电池电堆内部反应产生电能，第二燃料电池电堆开始发电，当第二燃料电池电堆电压接近第一燃料电池电堆电压时，第二燃料电池电堆电压输出正极端继电器9吸合，此时第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆并联发电，共同提供负载用电需求。

如果负载需求功率大于第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的额定功率总和时，所差的电量由动力电池提供。

如果负载需求功率小于第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的额定功率总和，且大于第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆怠速功率总和时，由燃料电池系统提供负载所需功率；同时根据动力电池的荷电量情况判断是否需要对动力电池进行补电。

当动力电池的荷电量较高，而负载需求功率较小时，燃料电池系统进入怠速状态，此时如果第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆继续并联工作，将使得两个燃料电池电堆都进入电化学极化反应区，对燃料电池电堆带来不利的影响。采用本发明的方法关闭第二燃料电池电堆的氢气进气电磁阀5、空气进气电磁阀6，同时控制器控制断开第二燃料电池电堆电压输出正极端继电器9，也就是说控制燃料电池电堆停机，但燃料电池电堆继续工作。由于最初由两个燃料电池电堆共同为负载提供供电需求，但是目前有一个燃料电池电堆处于停机状态，那么第一燃料电池电堆为了满足负载需求，需要提高电流输出，从而避开了电化学极化区域，提升了燃料电池的寿命，降低了燃料电池系统性能衰减速率。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。