一种燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统的制作方法

本实用新型涉及燃料电池测试技术领域，具体涉及一种燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统。

背景技术：

燃料电池电堆、燃料电池系统以及燃料电池发动机的大规模研究、验证及测试是燃料电池应用前必不可少的步骤。由于燃料电池自身是一个持续消耗氢的发电装置，在传统的性能测试过程中第一种方案是使用电阻型负载将燃料电池系统产生的电能通过热能消耗掉，造成了资源的浪费和成本的增加。另外，通常所使用的电子负载在释放热能的过程中还需要诸如冷水塔、大型风机甚至空调等对其进行散热以保障电子负载的正常工作，因而还需要额外的电能。而对于新能源汽车用燃料电池动力系统，其功率超过30kW甚至高达100kW，则采用电子负载的测试方式将会产生极大的电能浪费，测试成本攀升。

第二种方案是采用馈网型电子负载将燃料电池测试过程中输出的电能回馈给电网。虽然该种方案可以有效避免燃料电池在测试放电过程中的热消耗，但是由于测试流程的复杂多样性(如频繁启停加载、加速以及测试极化曲线等)加之多堆并行测试等，在此情况下向电网馈电时，将会造成对电网的高频谐波干扰严重，处理起来也比较困难，严重影响着电网的电能质量，甚至会对电网造成冲击。

第三种方案是将燃料电池测试过程中输出的电能通过电解水制氢的方式获得氢气通入燃料电池进行循环利用。但是，在燃料电池运行过程中氢气转换为电的效率一般为50％(基于氢气的低热值LHV)，而产生的电再次通过电解水制氢的理论电解效率虽然很高(表观转换效率甚至可达100％～122％)，但在工业上为提升产氢速率需要加热升温以及产生的极化过电位等因素电能转换效率仅为50～70％。则完成氢气→燃料电池→电解槽→氢气的一个完整循环效率仅为30％，能量损失超过70％，而且电解水制氢系统成本(特别是以贵金属铂或铱作为催化剂的固体电解质膜电解水制氢系统)较高，寿命较短。因此该种方案并不经济，且存在着系统复杂、维护繁复的问题。

另一方面，当前基于充电桩的电动汽车的充电技术尚存在以下问题：第一，充电能量来源于电网，而目前我国至少70％的电力来自煤炭，因而电动汽车的应用并没能改变对常规能源的消耗和对环境污染的影响，只是将污染源集中在了火电厂；第二，由于电动汽车充电为非线性负载，在充电过程中将同时向电网注入谐波电流导致电网电能质量下降、电网损耗增加及输变电设备正常容量占用，还需要增加无功补偿设备以稳定节点电压，致使控制复杂、设备造价攀升；第三，当采用大电流的直流快充方式时还会给电网负荷带来大量的波动，电网供电稳定性变差。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型实施例提供一种燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统，包括燃料电池测试单元、储能单元、充电单元、储能双向变流器和能量管理单元，所述能量管理单元分别与燃料电池测试单元、储能单元、充电单元和储能双向变流器通讯连接，所述储能单元分别与燃料电池测试单元、充电单元和储能双向变流器的直流端电连接，所述储能双向变流器的交流端与外电网电连接。

上述方案中，所述燃料电池测试单元包括至少一组燃料电池测试台和单向DC/DC变换器，所述燃料电池测试台中的待测燃料电池的直流输出端与其相对应的单向DC/DC变换器的输入端电连接，所述单向DC/DC变换器的输出端经由断路器与储能单元连接。

上述方案中，所述储能单元包括储能电池组和电池管理单元，所述储能电池组的一个输入端与燃料电池测试单元电连接，所述储能电池组的另一个输出端与充电单元电连接，所述储能电池组还与储能双向变流器的直流端电连接；所述电池管理单元通过低压信号线与所述储能电池组连接。

上述方案中，所述储能电池组采用铅酸电池、铅炭电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池、超级电容器、钛酸锂电池、全钒液流电池中的一种或多种。

上述方案中，所述充电单元包括快充配电柜和/或慢充配电柜；所述快充配电柜和/或慢充配电柜的输入端经由内部断路器与储能单元电连接，所述快充配电柜和/或慢充配电柜的输出端分别与至少一个快充充电桩和/或慢充充电桩的输入端连接，将从所述储能单元传递过来的电能分配至各个所述快充充电桩和/或慢充充电桩；所述快充充电桩和/或慢充充电桩为电动汽车快充和/或慢充提供指定的直流电压输出端口。

上述方案中，所述能量管理单元分别通过通讯线与燃料电池测试单元中的燃料电池测试台和单向DC/DC变换器、储能单元中的电池管理单元、充电单元中的快充充电桩和/或慢充充电桩以及储能双向变流器连接，分别通过低压信号线与燃料电池测试单元中单向DC/DC变换器的断路器、储能单元中的断路器、充电单元中快充配电柜和/或慢充配电柜的断路器和储能双向变流器中的隔离开关连接。

与现有技术相比，本实用新型将燃料电池电化学测试过程中产生的电能输出至充电桩用于电动汽车充电，一方面避免了常规电阻型负载将燃料电池系统产生的电能通过热能消耗掉的能量浪费，同时还节省了为给电阻型负载降温设备的额外电能消耗；另一方面，本实用新型在燃料电池测试与电动汽车耦合系统中配置的储能单元缓解了电动汽车充电对外电网的高度依赖，可确保在市电停电或用电高峰时电动汽车仍可正常充电；而且，将充电桩直接与输出直流电的储能单元连接则可以省去传统充电桩中的AC/DC开关电源部件，提升了充电利用率和效率，从而节省了用电成本。

附图说明

图1为根据本实用新型的实施例的一种燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统的结构示意图。

图2为根据本实用新型的实施例的一种燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统的控制流程图。

具体实施方式

下面参考附图进一步描述本实用新型的实施方式，本实用新型的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施方式仅是范例性的，并不对本实用新型的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本实用新型的精神和范围下可以对本实用新型技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本实用新型的保护范围内。

另外，为了更好的说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本实用新型同样可以实施。在另外一些实施例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。

本实用新型实施例提供一种燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统，如图1所示，其包括燃料电池测试单元1、储能单元2、充电单元3、储能双向变流器(PCS)4和能量管理单元(EMS)5，所述能量管理单元5分别与燃料电池测试单元1、储能单元2、充电单元3和储能双向变流器4通讯连接，所述储能单元2分别与燃料电池测试单元1、充电单元3和储能双向变流器4的直流端电连接，所述储能双向变流器PCS4的交流端与外电网电连接。其中，

具体的，所述燃料电池测试单元1包括燃料电池测试台11和单向DC/DC变换器12，所述燃料电池测试台11中的待测燃料电池的直流输出端与其相对应的单向DC/DC变换器12的输入端电连接，所述单向DC/DC变换器12的输出端经由断路器与储能单元2连接。

所述燃料电池测试单元1中燃料电池测试台11用于对燃料电池进行极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)以及各种模拟工况条件下的电化学性能测试与评估，而所述单向DC/DC变换器12则将燃料电池在测试过程中所产生的电能经过电压的变换后输出至储能单元2。

进一步地，所述燃料电池测试单元1中的燃料电池测试台11可以是单台，也可以是多台从而形成燃料电池测试台阵列，而且，燃料电池测试台阵列中的各个所述燃料电池测试台11之间独立工作，互不干扰；并且，所述单向DC/DC变换器12的个数与所述燃料电池测试台11的个数保持一致并形成一一对应关系。

可选的，所述燃料电池测试台11包括但不限于氢气流量测试单元、空气流量测试单元、水管理单元、热管理单元及控制单元，所测试的燃料电池包括但不限于燃料电池单电池、燃料电池电堆、燃料电池系统、燃料电池发动机等；而且，不同的燃料电池，其所对应的燃料电池测试台的配置也不尽相同，只要所测试的燃料电池类型及测试参数与燃料电池测试台相匹配即可。同样，与所述燃料电池测试台11所对应的单向DC/DC变换器12也会因待测燃料电池的电压、电流的不同其配置参数也不同，只要其能转换的电压、电流区间同燃料电池输出的电压、电流相匹配即可。换言之，在上述燃料电池测试台阵列中所述燃料电池测试台11可以是同类型的，也可以是不同类型；相应的，所述单向DC/DC变换器12也可以是同类型的，也可以是不同类型的，但是每个单向DC/DC变换器12的输入端配置参数必须与其所连接的燃料电池测试台11的电输出参数相匹配，而且其输出端配置参数还要与所述储能单元2的充电电压、充电电流等参数相匹配。

具体的，所述储能单元2包括储能电池组21和电池管理单元(BMS)22，所述储能电池组21的一个输入端与所述燃料电池测试单元1中单向DC/DC变换器12的输出端经由断路器电连接，所述储能电池组21的一个输出端与所述充电单元3电连接，所述储能电池组21还与所述储能双向变流器4的直流端电连接；所述电池管理单元22通过低压信号线与所述储能电池组21连接。

所述储能电池组21一方面接收所述燃料电池测试单元1中燃料电池在测试过程中产生的直流电能和外电网经由所述储能双向变流器4传递过来的谷电，另一方面为所述充电单元3提供直流电能和经由所述储能双向变流器4向外电网馈电及为外电网提供调峰调频及无功补偿的电力辅助服务；

可选的，所述储能电池组21采用铅酸电池、铅炭电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池、超级电容器中的一种或多种；

优选的，所述储能电池组21优先采用钛酸锂电池或全钒液流电池。

所述电池管理单元22，用于监测所述储能电池组21的电压、电流和温度，准确估测所述储能电池组21的荷电状态SOC并将实时采集到的数据信息通过CAN线传输给所述能量管理单元5，同时对所述储能电池组21的单体电池间进行能量均衡。

具体的，所述充电单元3包括快充配电柜31、快充充电桩33和/或慢充配电柜32、慢充充电桩34；所述快充配电柜31和/或慢充配电柜32的输入端经由内部断路器与所述储能单元2的储能电池组21的一个输出端电连接，所述快充配电柜31和/或慢充配电柜32的输出端分别与至少一个所述快充充电桩33和/慢充充电桩34的输入端连接，将从所述储能单元2传递过来的电能分配至各个所述快充充电桩33和/或慢充充电桩34；所述快充充电桩33和/或慢充充电桩34为电动汽车快充和/或慢充提供指定的直流电压输出端口。

具体的，所述储能双向变流器PCS4的直流端通过隔离开关与所述储能单元2的储能电池组21电连接，所述储能双向变流器PCS4的交流端通过隔离开关与外电网电连接，用于在特定情况下通过交直流的变换实现所述储能单元2与外电网之间的双向能量传递。

具体的，所述能量管理单元5分别通过通讯线与所述燃料电池测试单元1中的燃料电池测试台11和单向DC/DC变换器12、储能单元2中的电池管理单元22、充电单元3中的快充充电桩33和/或慢充充电桩34以及储能双向变流器4连接，分别通过低压信号线与所述燃料电池测试单元1中单向DC/DC变换器12的断路器、储能单元2中的断路器、充电单元3中快充配电柜31和/或慢充配电柜32的断路器和储能双向变流器4中的隔离开关连接，用于接收所述燃料电池测试单元1、储能单元2和充电单元3的实时参数信息并按照预设的命令向所述燃料电池测试单元1的燃料电池测试台11和单向DC/DC变换器12、储能单元2的电池管理单元22、充电单元3的快充配电柜31和/或慢充配电柜32及快充充电桩33和/或慢充充电桩34、储能双向变流器4的控制元件下发操作指令，对整个燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统的能量进行管理调度以维系整个系统的正常运转。

所述一种燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统工作在稳态离网工作模式和暂态并网工作模式：

在稳态离网工作模式下，所述能量管理单元5给所述燃料电池测试单元1中的燃料电池测试台11发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，其间所产生的电能经过单向DC/DC变换器12转换为与所述储能单元2中储能电池组21的充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组21中；需要对电动汽车进行快充和/或慢充时，所述能量管理单元5给所述充电单元3中快充配电柜31和/或慢充配电柜32连接储能电池组21的断路器发送闭合信号，将所述储能电池组21中存储的电能经由快充配电柜31和/或慢充配电柜32输送至电动汽车对应的快充充电桩33和/或慢充充电桩34为电动汽车进行快速充电和/或慢速充电。在燃料电池测试和电动汽车充电的全过程中，燃料电池所产生的电能只在燃料电池测试单元1、储能单元2、充电单元3之间进行传递，所述储能双向变流器4与所述储能电池组21及外电网始终处于断开状态，整个系统孤岛运行。

在暂态并网工作模式下，所述能量管理单元5给所述燃料电池测试单元1中的燃料电池测试台11发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，其间所产生的电能经过单向DC/DC变换器12转换为与所述储能单元2中储能电池组21的充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组21中；需要对电动汽车进行快充和/或慢充时，所述能量管单元5给所述充电单元3中快充配电柜31和/或慢充配电柜32连接储能电池组21的断路器发送闭合信号，将所述储能电池组21中存储的电能经由快充配电柜31和/或慢充配电柜32输送至电动汽车对应的快充充电桩33和/或慢充充电桩34为电动汽车进行快速充电和/或慢速充电。

在充电过程中，所述能量管理单元5实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF、储能单元2中储能电池组21的荷电状态SOC和电动汽车充电所需要的总电量QC：当检测到QF＜QC且储能电池组21的荷电状态SOC已降至设定的下限而电动汽车充电并未完成时，所述能量管理单元5给所述储能双向变流器PCS4的隔离开关发送闭合信号将外电网的电能经由储能双向变流器4逆变成与所述储能电池组21的充电电压相匹配的直流电压后输出至储能电池组21以保障电动汽车充电的平稳进行；当检测到QF≥QC或没有电动汽车需要充电即QC＝0且储能电池组21的荷电状态SOC已升至设定的上限而燃料电池测试仍在进行时，所述能量管理单元5给所述储能双向变流器4的隔离开关发送闭合信号将储能电池组21存储的电能经由储能双向变流器4逆变成与外电网相匹配的电压后输出至外电网。从而确保燃料电池测试和电动汽车充电的有序平稳运行。

本实用新型将燃料电池电化学测试过程中产生的电能输出至充电桩用于电动汽车充电，一方面避免了常规电阻型负载将燃料电池系统产生的电能通过热能消耗掉的能量浪费，同时还节省了为给电阻型负载降温设备的额外电能消耗；另一方面，本实用新型在燃料电池测试与电动汽车耦合系统中配置的储能单元缓解了电动汽车充电对外电网的高度依赖，可确保在市电停电或用电高峰时电动汽车仍可正常充电；而且，将充电桩直接与输出直流电的储能单元连接则可以省去传统充电桩中的AC/DC开关电源部件，提升了充电利用率和效率，从而节省了用电成本。

此外，本实用新型储能单元的采用则可避免通常馈网型电子负载对电网的高频谐波的严重干扰并有效抑制了电动汽车充电过程中产生的谐波对外电网电能质量的影响以及大电流快充时对电网的冲击，有效提高了外电网的功率因数；另一方面又可实现对外电网的削峰填谷、谐波治理及无功补偿，改善电网的电能质量；同时采用储能电池组还可通过谷电峰用、调峰调频等电力辅助服务为企业带来额外收益。

本实用新型的控制流程，如图2所示，通过如下步骤实现：

在步骤200中，所述能量管理单元5启动自检，并确认所述储能双向变流器4的并网隔离开关处于断开状态，使燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统进入初始离网控制模式。然后进入步骤201。

在步骤201中，所述能量管理单元5获取燃料电池测试单元1中待测燃料电池的个数及测试参数从而计算出燃料电池在整个测试过程中所产生的总电量Q1，通过储能单元2中电池管理单元22获取储能电池组21的SOC从而计算出储能电池组21由当前SOC放电至设定的SOC下限时可放电量Q2和由当前SOC充电至设定的SOC上限时需充电量Q′2，获取待充电电动汽车需要充电的总电量Q3；然后比较Q1、Q2、Q′2和Q3之间的大小并进入步骤202。

在步骤202中，当所述能量管理单元5检测到Q1≤Q′2+Q3且Q3≤Q1+Q2时，则进入步骤210，即进入稳态离网工作模式；当检测到Q1＞Q′2+Q3或Q3＞Q1+Q2时，则进入步骤220，即进入暂态并网工作模式。

在步骤210中，所述能量管理单元5给燃料电池测试单元1中的燃料电池测试台11发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，同时给燃料电池测试台11所对应的单向DC/DC变换器12发送接通指令将燃料电池测试台11上在线测试的燃料电池所产生的电能经过单向DC/DC变换器12转换为与所述储能单元2中储能电池组21的充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组21中；需要对电动汽车进行快充和/或慢充时，所述能量管理单元5给所述充电单元3中快充配电柜31和/或慢充配电柜32连接储能电池组21的断路器发送闭合信号，将所述储能电池组21中存储的电能经由快充配电柜31和/或慢充配电柜32输送至电动汽车对应的快充充电桩33和/或慢充充电桩34为电动汽车进行快速充电和/或慢速充电。在燃料电池测试和电动汽车充电的全过程中，燃料电池所产生的电能只在燃料电池测试单元1、储能单元2、充电单元3之间进行传递，所述储能双向变流器4的并网隔离开关始终处于断开状态，整个系统孤岛运行。

其间，所述能量管理单元5在Q1≤Q′2+Q3且Q3≤Q1+Q2的前提下实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF、储能单元2中储能电池组21的荷电状态SOC和电动汽车充电所需要的总电量QC并进一步比较Q1、Q2、Q′2和Q3之间及QF与QC之间存在的大小关系和存在的排列组合情况，然后进入步骤211。

在步骤211中，所述能量管理单元5开始检测是否存在Q1＜Q′2且Q3＜Q2的情况：如果存在则进入步骤212，如果不存在则进入步骤213。

在步骤212中，燃料电池的测试与电动汽车充电处于解耦状态，既可同步进行，也可分时进行，互不干扰。

在步骤213中，所述能量管理单元5开始检测是否存在Q′2≤Q1≤Q′2+Q3且QF≥QC或QC＝0的情况：如果存在则进入步骤214，如果不存在则进入步骤215。

在步骤214中，所述能量管理单元5根据实时监测到的所述储能电池组21的荷电状态SOC采取燃料电池测试工步适时延迟进行的调度优化策略以实现燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统的正常能量传递。

在步骤215中，所述能量管理单元5开始检测是否存在Q2≤Q3≤Q1+Q2且QF＜QC的情况：如果存在则进入步骤216，如果不存在则返回步骤211。

在步骤216中，所述能量管理单元5根据实时监测到的所述储能电池组21的荷电状态SOC采取电动汽车充电适时延迟进行的调度优化策略以实现燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统的正常能量传递，而且采用优先延迟慢充极端情况下再延迟快充的充电策略以确保电动汽车快充的正常进行。

在步骤220中，所述能量管理单元5给燃料电池测试单元1中的燃料电池测试台11发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，同时给燃料电池测试台11所对应的单向DC/DC变换器12发送接通指令将燃料电池测试台11上在线测试的燃料电池所产生的电能经过单向DC/DC变换器12转换为与所述储能单元2中储能电池组21的充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组21中；需要对电动汽车进行快充和/或慢充时，所述能量管理单元5给所述充电单元3中快充配电柜31和/或慢充配电柜32连接储能电池组21的断路器发送闭合信号，将所述储能电池组21中存储的电能经由快充配电柜31和/或慢充配电柜32输送至电动汽车对应的快充充电桩33和/或慢充充电桩34为电动汽车进行快速充电和/或慢速充电。

同时，所述能量管理单元5在Q1＞Q′2+Q3或Q3＞Q1+Q2前提下实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF、储能单元2中储能电池组21的荷电状态SOC和电动汽车充电所需要的总电量QC并进一步比较QF与QC之间存在的大小关系及与Q1＞Q′2+Q3或Q3＞Q1+Q2存在的排列组合情况，然后进入步骤221。

在步骤221中，所述能量管理单元5开始检测是否存在Q3＞Q1+Q2且QF＜QC的情况：如果存在则进入步骤222，如果不存在则进入步骤225。

在步骤222中，所述能量管理单元5继续检测是否存在储能电池组21的荷电状态SOC降至设定的下限的情况：如果不存在则进入步骤223，如果存在则进入步骤224。

在步骤223中，所述储能双向变流器4的并网隔离开关继续保持断开状态，所述能量管理单元5根据实时监测到的所述储能电池组21的荷电状态SOC采取电动汽车充电适时延迟进行的调度优化策略以实现燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统的正常能量传递，而且采用优先延迟慢充极端情况下再延迟快充的充电策略以确保电动汽车快充的正常进行。

在步骤224中，如果电动汽车充电并未完成，所述能量管理单元5给所述储能双向变流器4的隔离开关发送闭合信号将外电网的电能经由储能双向变流器4逆变成与所述储能电池组21的充电电压相匹配的直流电压后输出至储能电池组21以保障电动汽车充电的平稳进行。

在步骤225中，所述能量管理单元5开始检测是否存在Q1＞Q′2+Q3且QF≥QC或QC＝0的情况：如果存在则进入步骤226，如果不存在则返回步骤221。

在步骤226中，所述能量管理单元5继续检测是否存在储能电池组21的荷电状态SOC升至设定的上限的情况：如果不存在则进入步骤227，如果存在则进入步骤228。

在步骤227中，所述储能双向变流器4的并网隔离开关继续保持断开状态，所述能量管理单元5根据实时监测到的所述储能电池组21的荷电状态SOC采取燃料电池测试工步适时延迟进行的调度优化策略以实现燃料电池测试与电动汽车充电耦合系统的正常能量传递。

在步骤228中，如果燃料电池测试仍在进行，所述能量管理单元5给所述储能双向变流器4的隔离开关发送闭合信号将储能电池组21存储的电能经由储能双向变流器4逆变成与外电网相匹配的电压后输出至外电网，从而确保燃料电池测试和电动汽车充电的有序平稳运行。

本实用新型的实施例内容揭露如上，然而本实施例并非用以限定本实用新型实施的范围，依据本实用新型的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本实用新型技术方案的范围内。