燃料电池系统及其控制方法与流程

本发明涉及电路系统领域，更具体地涉及一种燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。

背景技术：

1、当今社会，由于使用化石燃料导致的环境污染问题日益严重，温室效应带来的全球温度变暖问题已经到了不解决就要威胁人类生存的地步。节能减排已经成为了各国的共同认识并得到了高度重视。其中，燃料电池作为一种高效无污染的先进能量转换设备得到了快速发展。然而使用寿命达不到预期目标极大地阻碍了燃料电池的大规模运用。

2、造成燃料电池寿命衰减的重要原因是启动、怠速运行和关停后出现的高电势现象。电势过高会抑制电子活性，加快氧化反应速率，从而导致燃料电池处于在高电势工况下的寿命衰减速率要远大于在低电势工况下的寿命衰减速率。故而避免燃料电池在上述三个工况下产生的高电势工况是提升燃料电池使用寿命的关键。

3、目前与燃料电池寿命相关的专利主要包括如下三个方面:寿命预测的专利、寿命测试方法和测试装备的专利以及可以提升燃料电池寿命的专利。前两种专利在已申请授权的与燃料电池寿命相关的专利中占据大多数，而直接提升燃料电池寿命的专利由于覆盖学科广，专业难度大而鲜有发表。

4、公开号为cn114420967a的中国专利通过减小第一冷却腔的容积，减小第一冷却腔内冷却液的量，降低第一端部双极板的冷却能力，进而减少通过第一冷却腔的冷却液带走的单体热量，保证单体在适宜的温度下反应，防止单体出现温度不正常而导致的寿命衰减加快问题。该专利仅考虑并解决了局部端板的寿命快速衰减问题，未从整个系统考虑燃料电池的寿命衰减问题。

5、公开号为cn110061247a的中国专利对作为燃料电池催化剂原料的载铂碳材料进行创新性处理，提出的方法能够自动选择性包覆、有效地覆盖碳粉表面容易被氧化的缺陷处，但不包覆pt表面，在防止催化剂腐蚀的同时不影响催化剂的催化性能，显著地提升燃料电池的寿命。该专利仅从膜电极的制备层面考虑了提升燃料电池寿命的方法，未考虑如何避免燃料电池运行过程中发生的不当工况导致的寿命衰减问题。

6、公开号为cn114665130a的中国专利提出了一种长寿命氢燃料电池电堆装置及其控制方法。该方法在电堆启动时，控制器控制阳极单元通入氢气，并根据电堆的待机时长调控通入氢气的流量，冷却单元内的冷却液流量和温度，直到识别阳极渗透氧气消耗完毕再正常启动，从而避免反向电流效应，延长电堆寿命。该专利仅考虑了电堆启动时形成的氢氧界面导致的电池性能寿命快速衰减问题，未考虑燃料电池启动、运行和关停时出现的高电位导致的寿命衰减加快的问题。

7、公开号为cn102024968a的中国专利提出了一种提高燃料电池寿命的模块及使用方法。该模块通过惰性电阻实时限制燃料电池的平均工作电压不超过0.85v，从而降低燃料电池运行过程中产生的高电势对其寿命的影响。该专利引入的外部电阻极大地增加了燃料电池的运行损耗，并且该控压电阻还需要冷却回路进行冷却，增加了系统复杂性和运行成本。

8、因此，现有技术需要一种能够有效提升燃料电池系统寿命的解决方案。

9、上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明提供了一种燃料电池系统及其控制方法。通过本发明的方案，针对不同的功率需求，合理分配燃料电池和锂电池的输出功率，从而能够避免燃料电池在启动和怠速运行过程中出现的高电位导致的寿命衰减速度加快的现象；本发明的方案针对燃料电池关机自放电过程中电压波动大，放电不充分的现象，添加了基于可控电阻调节模块的关停电压控制模块，避免了燃料电池关机后长时间处于高电位导致的寿命衰减速度加快的现象。

2、本发明的第一方面提供了一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：用于为负载供电的燃料电池电堆和锂电池组、第一开关、第二开关、单向dc/dc、总控单元和关停电压控制模块，其中，燃料电池电堆通过单向dc/dc调节输出电压后与母线相连，锂电池组直接与母线相连释放或获取能量，负载与母线连接获取能量；其中第一开关连接在锂电池组和单向dc/dc之间用于控制锂电池组与负载的连接，关停电压控制模块通过第二开关与燃料电池电堆连接；以及其中所述总控单元控制燃料电池系统的第一开关和第二开关的闭合以及负载供电功率的调整。

3、根据本发明的一个实施例，其中，所述燃料电池系统还包括连接在所述总控单元和单向dc/dc之间的pid调节器，所述pi d调节器与向dc/dc的输入输出相耦接，与单向dc/dc构成控制回路以调节单向dc/dc的输出电压。

4、根据本发明的一个实施例，所述燃料电池系统还包括与关停电压控制模块相连接的可变电阻调节模块，当负载的功率需求为零时，总控单元闭合第二开关，打开第一开关，使得燃料电池电堆进入自放电状态，可变电阻模块通过调节自身电阻使得关停电压控制模块的电流保持在预定参考值以执行关机保护。

5、根据本发明的一个实施例，负载将功率需求p1发给总控单元后，总控单元闭合第一开关使得负载所需能量由锂电池组供给，并且调节燃料电池电堆的开启，获取燃料电池电堆在预设电压时的输出功率p2，并比较p2与p1的大小关系，根据所述大小关系来调节单向dc/dc的电压。

6、根据本发明的一个实施例，所述通过控制回路来调节单向dc/dc的电压包括：

7、如果p1＜p2，说明燃料电池此时的平均工作电压高于所述预设电压，需要调高单向dc/dc的输出电压，以满足给锂电池组的最小充电功率为p2-p1。

8、根据本发明的一个实施例，所述调高单向dc/dc的输出电压，以满足给锂电池组的最小充电功率为p2-p1包括：

9、所述总控单元将母线电压的目标值与采集到的母线电压的进行比较获得误差信号，将所述误差信号送入所述pid调节器，pid调节器通过调节单向dc/dc中i gbt的占空比将单向dc/dc输出电压调节至母线电压的目标值，燃料电池系统中燃料电池电堆给锂电池的充电功率为p3，p2≤p1+p3。

10、根据本发明的一个实施例，如果p1＞p2并且锂电池组的soc≤预设的供电阈值时，所述系统由燃料电池电堆单独供电。

11、根据本发明的一个实施例，如果p1＞p2并且锂电池组的soc＞预设的供电阈值时，所述系统由燃料电池电堆和锂电池组共同供电，所述总控单元确定锂电池组此时的供电功率p4并根据p4计算出目标母线电压，通过所述控制回路将母线电压调节所述目标母线电压，此时燃料电池电堆的输出功率为p5，其中，p5＝p1-p4＞p2。

12、根据本发明的一个实施例，当燃料电池电堆进入自放电状态时，总控单元将采集到的关停电压控制模块内的电流值与通过实验确定的电流值进行比较以获取误差信号，将该误差信号送入可变电阻调节模块，可变电阻调节模块通过调节自身电阻使关停电压控制模块内的电流维持在通过实验确定的电流值，并将关停电压控制模块持续运行预定时间后，总控单元断开第二电子开关，完成关机保护。

13、根据本发明的一个实施例，其中，所述燃料电池的所述预设电压为0.8v，所述锂电池组的预设供电阈值为0.6。

14、本发明的第二方面提供了一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括：用于为负载供电的燃料电池电堆和锂电池组、第一开关、第二开关、单向dc/dc、总控单元和关停电压控制模块，所述方法包括：燃料电池电堆通过单向dc/dc调节输出电压后与母线相连，锂电池组直接与母线相连释放或获取能量，负载与母线连接获取能量；所述第一开关连接在锂电池组和单向dc/dc之间用于控制锂电池组与负载的连接，关停电压控制模块通过第二开关与燃料电池电堆连接；所述总控单元控制燃料电池系统的第一开关和第二开关的闭合以及负载供电功率的调整；其中，所述燃料电池系统还包括pid调节器，所述pid调节器连接在单向dc/dc的输入输出之间，与单向dc/dc构成控制回路以调节单向dc/dc的输出电压；以及其中，所述燃料电池系统还包括与关停电压控制模块相连接的可变电阻调节模块，当负载的功率需求为零时，总控单元闭合第二开关，打开第一开关，使得燃料电池电堆进入自放电状态，可变电阻模块通过调节自身电阻使得关停电压控制模块的电流保持在预定参考值以执行关机保护。

15、本发明的方案提供了一种能提升燃料电池使用寿命的系统及其控制方案。通过采用本发明提供的燃料电池系统及其控制方法，能够确保燃料电池在整个运行周期内的平均电压不超过0.8v，避免了高电势给燃料电池系统带来的寿命衰减加快的不利现象。通过采用本系统，能够将燃料电池系统寿命提升6％-12％。