專利名稱：燃料電池備用電源控制系統(tǒng)及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電源控制裝置和控制方法，特別涉及一種燃料電池備用電源控制系 統(tǒng)及其控制方法。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將燃料及氧化劑轉化成電能及反應產(chǎn)物的裝置。一 個典型的燃料電池電堆通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃 料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要 是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的 進出口與導流通道，將冷卻液流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內 氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組后進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體 的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排除時，可攜帶出燃料電池中生成 的液、氣態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的 一個端板上或者兩個端板上。燃料電池系統(tǒng)主要包括燃料電池電堆，為電堆提供氫氣、空氣以及冷卻劑的輔 機系統(tǒng)，為了滿足用戶基本需求而必須配置的能量管理系統(tǒng)。燃料電池由于自身的能量 物質氫氣在燃料電池電堆外部，不能在第一時間為用戶提供足夠的電力供應，一股需要 在系統(tǒng)中增加儲能裝置。燃料電池的壽命與諸多因素有關，其中比較重要的因素有，氫氣和氧化劑進氣 加濕程度、電堆的工作溫度、啟動和停機的控制方法等。而其中啟動和停機控制方法目 前有很多種，但大多沒有解決，系統(tǒng)在啟動過程中，燃料電池輸出的平穩(wěn)運行問題。由 于缺乏對電源系統(tǒng)的能量管理措施，導致電堆的輸出電壓經(jīng)常在短時間內發(fā)生大幅度波 動，嚴重影響電堆的壽命，并經(jīng)常導致系統(tǒng)當機，嚴重的時候會導致電堆燒壞；另一方 面電堆停止工作以后，電堆內部殘余很多氫氣和空氣。這些沒有被利用的氫氣和空氣同 樣也影響電堆的壽命，這種現(xiàn)象被稱之為OCV現(xiàn)象。系統(tǒng)關機后應及時消除OCV現(xiàn)象。消除OCV現(xiàn)象的根本方法是除去燃料電池陰陽極活性物質的一種或者全部。通 常是使用惰性氣體將燃料電池陽極殘余的氫氣吹掃干凈，然而在實際應用中不方便配置 惰性氣源；目前通行的辦法是使用為陰極供氧的空氣泵向陽極泵入空氣，驅趕陽極中殘 余的氫氣，但由于空氣中的氧氣和陽極殘余的氫氣在電池內部兩種氣體的接觸界面上會 直接發(fā)生化學反應，仍然對電堆壽命產(chǎn)生影響。美國專利US6555989公開了一種燃料電池電源系統(tǒng)，描述了該電源的基本工作 原理，將重整制氫技術獲得的氫燃料用于燃料電池電堆發(fā)電，但該系統(tǒng)未詳細描述燃料 電池在備用電源的應用，未詳細描述負載突變情況下的控制方法及其綜合解決方法。通過控制實現(xiàn)整機電源為用戶供電零等待，達到在系統(tǒng)負載突變時，系統(tǒng)內部 通過能量管理，提高燃料電池的壽命，在第一時間為用戶提供足夠的電力供應，這是目 前尚未解決的重要課題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的技術存在的缺陷，提供一種燃料電池備用電源控制 系統(tǒng)及其控制方法，可以在系統(tǒng)負載突變時，有效實現(xiàn)整機電源為用戶供電零等待，在 第一時間為用戶提供足夠的電力供應，并且在幅度提高燃料電池的壽命。本發(fā)明提供的一種燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，包括燃料電池電堆、氫氣回 路、空氣通路、冷卻內循環(huán)回路、冷卻外循環(huán)回路、電力輸出回路和中央控制器，所述 氫氣回路、空氣通路、冷卻內循環(huán)回路和電力輸出回路分別與所述燃料電池電堆相連， 所述燃料電池電堆連接有單片電壓巡檢器，所述冷卻外循環(huán)回路與冷卻內循環(huán)回路通過 換熱器相連，其中所述氫氣回路設有第一電磁閥、氫氣循環(huán)泵、第一壓力傳感器和第二壓力傳感 器，所述第一電磁閥安裝在氫氣進口管道上，所述氫氣循環(huán)泵安裝在所述燃料電池電堆 的氫氣進口端和氫氣出口端之間的管道上，所述第一壓力傳感器安裝在所述燃料電池電 堆的氫氣進口端，所述第二壓力傳感器安裝在來自儲氫器的高壓氫氣進口端；所述空氣通路設有流量傳感器、第二電磁閥、第三電磁閥和第四電磁閥，所述 流量傳感器安裝在空氣進口端，所述燃料電池電堆依次連接有加濕器和空氣泵，所述第 二電磁閥安裝在所述空氣泵的入口管道上，所述第三電磁閥安裝在空氣通路的出口管道 上，第四電磁閥安裝在空氣通路的進口管道上；所述冷卻內循環(huán)回路設有冷卻循環(huán)泵和水溫傳感器，所述冷卻循環(huán)泵安裝在所 述燃料電池電堆的冷卻液入口管道上，所述水溫傳感器連接在所述燃料電池電堆的冷卻 液入口端或者所述燃料電池電堆的冷卻液出口端；所述冷卻外循環(huán)回路設有外循環(huán)冷卻液泵及其轉速控制器，所述外循環(huán)冷卻液 泵及其轉速控制器安裝在冷卻外循環(huán)回路的管道上；所述電力輸出回路包括直流電力變換裝置、儲能裝置、逆變器、隔離二極管、 充電控制器、主機開關和交流接觸器，所述燃料電池電堆的輸出端通過所述主機開關與 所述直流電力變換裝置的輸入端相連，所述直流電力變換裝置的輸出端通過所述充電控 制器和隔離二極管與所述儲能裝置相連，所述直流電力變換裝置的輸出端同時與所述逆 變器和用戶端相連，所述逆變器通過所述交流接觸器與交流電網(wǎng)相連；所述直流電力變換裝置的輸入端安裝有電流傳感器和電壓傳感器；所述直流電力變換裝置、儲能裝置、逆變器、隔離二極管、充電控制器、主機 開關和交流接觸器以及各傳感器分別與所述中央控制器相連。本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，其中所述電力輸出回路還包括輔機開關、 至少一個直流變換器，所述輔機開關與所述燃料電池電堆的輸出端、儲能裝置的輸出端 和直流變換器的輸入端分別相連，所述直流變換器的輸出端與所述輔機電力端子相連。本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，其中所述氫氣回路設有手動氣體減壓閥， 所述手動氣體減壓閥安裝在所述第一電磁閥前端的高壓氫氣進口管道上。本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，其中所述中央控制器由處理器、存儲器和 人機界面組成。本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，其中所述儲能裝置采用鉛酸蓄電池或超級電容器。本發(fā)明提供的一種燃料電池用電源控制系統(tǒng)的控制方法，該方法采用上述的燃 料電池備用電源控制系統(tǒng)，設置燃料電池電堆、氫氣回路、空氣通路、冷卻內循環(huán)回 路、冷卻外循環(huán)回路、電力輸出回路和中央控制器，所述燃料電池電堆連接有單片電壓 巡檢器，所述電力輸出回路設置直流電力變換裝置、儲能裝置、充電控制器和逆變器， 所述中央控制器對系統(tǒng)啟動的控制序列執(zhí)行如下步驟110)電網(wǎng)或者所述儲能裝置開始給所述中央控制器以及系統(tǒng)輔機供電后，由 "start"按鈕啟動系統(tǒng)，打開第二壓力傳感器檢查中斷；打開總線電壓檢查中斷；各傳
感器數(shù)據(jù)采集開始和報警中斷；120)判斷母線電壓是否低于預設電壓，即Vbus < Vstartup，或者無高壓電供 給，如果是，執(zhí)行下一步；如果否，屏蔽啟動信號，開打關機響應信號，滿足條件則跳 轉到關機程序，返回上一步；130)打開第一電磁閥和第四電磁閥，關閉第二電磁閥，打開第三電磁閥，控制 空氣泵以額定進氣量的15% -50%工作l-5s，然后恒定在額定進氣量10% -30%持續(xù)工 作；140)啟動冷卻循環(huán)泵，氫氣循環(huán)泵開始以額定速度工作；打開單片電壓巡檢器 定時檢查中斷；打開第一壓力傳感器和第二壓力傳感器檢查中斷，保證氫氣的供給；打 開直流電力變換裝置，所述燃料電池電堆開始對外輸出；150)判斷所述燃料電池電堆的輸出電流是否小于預設電流，如果是，執(zhí)行下一 步；如果否，執(zhí)行第170)步；160)將輔機開關切換到所述燃料電池電堆上；170)通過PID控制流量傳感器，使空氣進氣量化學計量比恒定為1.8-2.5，當空 氣進氣量小于預設最小進氣量時，空氣泵的供氣量恒定為該最小進氣量，該最小進氣量 范圍為額定進氣量的5% -20% ；180)設定Imax為水溫傳感器示數(shù)的若干倍；190)判斷水溫傳感器是否小于預設溫度，該預設溫度為45°C 80°C，如果是， 返回第150)步；如果否，執(zhí)行下一步；200)通過PID控制外循環(huán)冷卻液泵的轉速控制器，控制水溫傳感器恒定在燃料 電池電堆的額定工作溫度50-80°C ；210)通過PID控制空氣進氣化學計量比，使空氣進氣量化學計量比恒定為
1.8-2.5，當空氣進氣量小于預設最小進氣量時，恒定空氣泵的供氣量為該最小進氣量， 該最小進氣量范圍為額定進氣量的5% -20% ；220)以燃料電池電堆額定輸出電流每秒1 % 的斜率設定Imax ；230)判斷是否Imax大于等于DC/DC1的輸出電流與最大充電電流之和，如果 是，執(zhí)行下一步；如果否，返回第200)步；240)通過PID控制水溫傳感器恒定在燃料電池電堆的額定工作溫度50-80°C ；250)通過PID控制流量傳感器，使空氣進氣量化學計量比恒定為1.8-2.5，當空
氣進氣量小于預定最小進氣量時，恒定空氣泵的供氣量為該最小進氣量，該最小進氣量 范圍為額定進氣量的5% -20% ；
260)判斷是否有電流的變化率大于第220)步設定的斜率，如果是，返回第200) 步；如果否，返回第240)步循環(huán)。本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)的控制方法，其中所述中央控制器對系統(tǒng)關 機的控制序列執(zhí)行如下步驟300)檢測母線電壓Vbus是否上升到預設關機電壓，即Vbus > Vshutdown,如果
是，執(zhí)行下一步；310)設定直流電力變換裝置輸出為一預設值；320)屏蔽單片電壓巡檢器狀態(tài)檢查中斷；330)打開第二電磁閥，關閉第三電磁閥；340)將空氣泵電力供應切換到儲能裝置并保持10%額定轉速；350)判斷直流電力變換裝置輸出是否小于預設終止電壓，如果是，執(zhí)行下一 步；如果否，返回第330)步循環(huán)；360)關閉直流電力變換裝置，關閉空氣泵，關機結束，進入待機狀態(tài)。本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)的控制方法，其中所述中央控制器對系統(tǒng)啟 動的控制序列執(zhí)行步驟中，將第170)步、第210)步、第250)步分別替換為下述步驟， 然后，分別執(zhí)行其各自的下一步由電流傳感器獲取燃料電池電堆的輸出電流；計算空 氣進氣量=燃料電池電堆的輸出電流X0.0035X燃料電池電堆的單片電池數(shù)X化學計量 比/空氣含氧比；根據(jù)空氣泵的流量-壓力對應關系，得到空氣泵的進氣壓力值；調節(jié) 空氣泵的轉速達到該進氣壓力值。本發(fā)明提供的燃料電池備用電源控制系統(tǒng)及方法的優(yōu)點在于由于控制系統(tǒng)設 置了電力輸出回路和中央控制器，在電力輸出回路中采用了可設定其輸出電壓和輸出電 流(或者輸入電流的)的直流電力變換裝置，同時對儲能裝置的充電電流做了上限控制， 達到了在系統(tǒng)負載突變時，通過系統(tǒng)內部能量管理的合理化，有效實現(xiàn)整機電源為用戶 供電零等待，在第一時間為用戶提供足夠的電力供應，并且在幅度提高燃料電池的壽 命。在其控制方法中，設置了系統(tǒng)啟動控制方法、系統(tǒng)預熱控制方法、負載突變控制方 法、以及關機控制方法，通過上述控制方法實現(xiàn)了整機電源為用戶供電零等待的目的。下面結合實施例參照附圖進行詳細說明，以求對本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點得 到更深入的理解。


圖1是本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)中燃料電池電堆部分的結構框圖；圖2是本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)中備用電源控制部分的結構框圖；圖3和圖4(兩圖相連)是本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)中啟動控制方法的 流程圖；圖5是本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)中關機控制方法的流程圖。
具體實施例方式參見圖1和圖2，本發(fā)明提供了一種燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，包括燃料電池 電堆200、氫氣回路、空氣通路、冷卻內循環(huán)回路、冷卻外循環(huán)回路、電力輸出回路和中
8央控制器，氫氣回路、空氣通路、冷卻內循環(huán)回路和電力輸出回路分別與燃料電池電堆 200相連，冷卻外循環(huán)回路與冷卻內循環(huán)回路通過換熱器E-I相連。其中，燃料電池電堆200連接有單片電壓巡檢器單片電壓巡檢器CVM001。中 央控制器300由處理器、存儲器和人機界面組成。參見圖1，氫氣回路設有手動氣體減壓閥PIC003、第一電磁閥SV-002、氫氣循 環(huán)泵P-3、第一壓力傳感器PT001和第二壓力傳感器PT004，第一電磁閥SV-002安裝在 氫氣進口管道上，手動氣體減壓閥PIC003安裝在第一電磁閥SV-002前端的氫氣進口管 道上，氫氣循環(huán)泵P-3安裝在燃料電池電堆200的氫氣進口端1和氫氣出口端2之間的管 道上，第一壓力傳感器PT001安裝在燃料電池電堆200的氫氣進口端，第二壓力傳感器 PT004安裝在來自儲氫器的高壓氫氣進口端?？諝馔吩O有流量傳感器FT001、第二電磁閥SV-008、第三電磁閥SV009和第 四電磁閥SV010，流量傳感器FT001安裝在空氣進口端，燃料電池電堆200依次連接有加 濕器C-I和空氣泵K-1，第二電磁閥SV-008安裝在空氣泵K-I的入口管道上，第三電磁 閥SV009安裝在空氣通路的出口管道上，第四電磁閥SV010安裝在空氣通路的進口管道 上。空氣通路設有流量傳感器(FT001)、第二電磁閥(SV-008)、第三電磁閥 (SV-009))，流量傳感器(FT001)安裝在空氣進口端，第二電磁閥(SV-008)，安裝在 空氣泵(K-I)的入口管道上，燃料電池電堆(200)依次連接有加濕器(C-I)和空氣泵 (K-I)，第三電磁閥(SV-009)安裝在空氣通路的出口管道上；冷卻內循環(huán)回路設有冷卻循環(huán)泵P-I和水溫傳感器TE001，冷卻循環(huán)泵P_1安裝 在燃料電池電堆200的冷卻液入口管道上，水溫傳感器TEOO1連接在燃料電池電堆200的 冷卻液入口端或者燃料電池電堆200的冷卻液出口端。冷卻外循環(huán)回路設有外循環(huán)冷卻液泵P-2及其轉速控制器SC003，外循環(huán)冷卻液 泵P-2及其轉速控制器SC003安裝在冷卻外循環(huán)回路的管道上。參見圖2，電力輸出回路包括直流電力變換裝置DC/DC1、儲能裝置400、逆變 器AC/DC、隔離二極管D-1、充電控制器CC-1、主機開關Si、交流接觸器ET007、輔 機開關S2、12V直流變換器DC/DC2和24V直流變換器DC/DC3。燃料電池電堆200的輸出端通過主機開關Sl與直流電力變換裝置DC/DC1的的 輸入端相連，直流電力變換裝置DC/DC1的輸出端通過充電控制器CC-I和隔離二極管 D-I與儲能裝置400相連，直流電力變換裝置DC/DC1的輸出端同時與逆變器AC/DC和 用戶端USER相連，逆變器AC/DC通過交流接觸器ET007與交流電網(wǎng)AC相連。儲能裝置400采用鉛酸蓄電池或超級電容器。直流電力變換裝置DC/DC1的輸入端安裝有電流傳感器ET003和電壓傳感器 ET004。直流電力變換裝置DC/DC1、儲能裝置400、逆變器AC/DC、隔離二極管D_l、 充電控制器cc-l、主機開關Sl和交流接觸器ET007以及各傳感器分別與中央控制器相連。在電力輸出回路中，輔機開關S2與燃料電池電堆200的輸出端、儲能裝置400 的輸出端、12V直流變換器DC/DC2的輸入端和24V直流變換器DC/DC3的輸入端分別相連，12V直流變換器DC/DC2的輸出端和24V直流變換器DC/DC3的輸出端分別與輔 機電力端子500相連。下面說明本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)的工作情況。系統(tǒng)氫氣回路來自儲氫器的高壓氫氣首先經(jīng)過一個壓力傳感器PT004，然后 經(jīng)過手動氣體減壓閥PIC003被減壓為燃料電池電堆200需要的壓力30kPa ；再經(jīng)過一個 電磁閥SV002控制氫氣對燃料電池電堆200的供給，來自氫氣氣源的干氫氣和來自氫氣 循環(huán)泵P-3氣體出口的濕氫氣混合后進入燃料電池電堆200的氫氣進口 1 ；未參與反應的 氫氣尾氣和反應產(chǎn)生的液態(tài)水一起自燃料電池電堆200的出口 2排出電堆，燃料電池電堆 的氫氣出口 2與尾氣處理器W-I的氫氣進口 3相連，經(jīng)過汽水分離和廢氣排放后自氫氣 出口 4進入氫氣循環(huán)泵P-3，收集剩余的氫氣尾氣經(jīng)過升壓后，完成氫氣循環(huán)。系統(tǒng)空氣通路空氣經(jīng)過過濾器S-1、電磁閥SV010和流量傳感器FT001進入 空氣泵K-l，K-I將空氣升壓后泵入空氣加濕器C-I的干空氣進口 5，加濕后的空氣自空 氣出口 6進入燃料電池電堆200的空氣入口 7，并在7附近安裝壓力傳感器PT002;反應 完畢的空氣尾氣攜帶生成物水自燃料電池電堆200的空氣出口 8進入加濕器C-I的濕空氣 進口 9，經(jīng)過與干空氣濕熱交換后自出口 10排出，然后鍵入燃料電池尾氣處理器W-I的 空氣入口 11，水氣分離后從W-I的空氣出口 12排出，然后進入三通13，一路通往電磁 閥SV009，另外一路通往電磁閥SV008。系統(tǒng)冷卻內循環(huán)回路從燃料電池電堆200的冷卻劑出口 14流出的冷卻液首 先經(jīng)過溫度傳感器TE002，從儲液箱V-I的入口 15進入，儲液箱V-I配有液位傳感器 LSAOO1,冷卻液經(jīng)儲液箱V-I出口 16進入換熱器E-I，冷卻劑經(jīng)過換熱降溫后換熱器的 17出口進入冷卻循環(huán)泵P-1，經(jīng)過升壓后經(jīng)過溫度傳感器TE001進入電堆的冷卻液入口 18。循環(huán)冷卻外循環(huán)回路從換熱器E-I出口 19流出的外循環(huán)冷卻液攜帶燃料電池 電堆200的熱量進入散熱器H-I，熱量被風扇強制對流散熱后，外循環(huán)冷卻液進入外循環(huán) 冷卻液泵P-2增壓后返回換熱器E-I。系統(tǒng)電力輸出燃料電池電堆200有多片單電池組成，在負載系統(tǒng)工作過程 中，單片電壓巡檢器CVM001保證每一個單電池電壓不低于0.3V。燃料電池電堆200的 電力輸出被主機開關Sl所控制，當系統(tǒng)各組件運轉正常，燃料電池電堆200具備對外輸 出條件的時候，主機開關Sl處于閉合狀態(tài)。供電回路的電流傳感器ET003和第一電壓傳 感器ET004分別測量供電回路的電流和電壓。燃料電池電堆200的正負極與直流電力變換裝置DC/DC1的輸入端連接，直流 電力變換裝置DC/DC1接受兩個控制設定參數(shù)最大輸出電流(或者最大輸入電流)Imax 和最大輸出電壓Vmax。直流電力變換裝置DC/DC1的輸出端連接的電源線即為母線 102。母線102除了向用戶100供應電力之外，還通過輔機開關S2向12V直流變換器 DC/DC2和24V直流變換器DC/DC3提供電力，12V直流變換器DC/DC2和24V直流變 換器DC/DC3將該電力轉化為不同電平的電壓為系統(tǒng)輔機提供啟動時的電力供應，這些 系統(tǒng)輔機包括但不限于各種控制輔機電力供應的各種傳感器、電磁閥、控制泵和繼電器 等器件。
母線102還在CC-I的設定參數(shù)Imax，charge下，通過充電控制器CC-I和二極
管D-I控制對儲能裝置400的最大充電電流，防止對儲能裝置400過沖，而二極管D-I 可以使得放電電流可以無阻礙地泄放出來。母線102上的逆變器AC/DC在電網(wǎng)AC供電的時候將交流電轉化為直流電，供 給給用戶100或者給儲能裝置400充電，而交流接觸器ET007可以檢測到交流電網(wǎng)AC是 否斷電。參見圖3和圖4，本發(fā)明提供了一種燃料電池備用電源控制系統(tǒng)的控制方法，中 央控制器對系統(tǒng)啟動的控制序列執(zhí)行如下步驟110)電網(wǎng)或者儲能裝置開始給中央控制器以及系統(tǒng)輔機供電后，由“start”按 鈕啟動系統(tǒng)，打開第二壓力傳感器PT004檢查中斷；打開總線電壓Vbus檢查中斷；各傳 感器數(shù)據(jù)采集開始和報警中斷；120)判斷母線電壓是否低于預設電壓，即Vbus < Vstartup =默認值52V或者無 高壓電供給狀態(tài)VAC = O,如果是，執(zhí)行下一步；如果否，屏蔽啟動信號，開打關機響 應信號，滿足條件則跳轉到關機程序，返回上一步；130)打開第一電磁閥SV-002和第四電磁閥SV010，關閉第二電磁閥SV-008，
打開第三電磁閥SV009，控制空氣泵K-I以額定進氣量的15%-50%工作l-5s，然后恒定 在額定進氣量10% -30%持續(xù)工作，額定進氣量是指電堆工作在額定功率下的進氣量；140)啟動冷卻循環(huán)泵P-1，氫氣循環(huán)泵P-3開始以額定速度工作；打開單片電壓 巡檢器CVM001定時檢查中斷；打開第一壓力傳感器PT001和第二壓力傳感器PT004檢 查中斷，保證氫氣的供給；打開直流電力變換裝置DC/DC1，設定其輸出Imax等于1， 使得燃料電池電堆200開始對外輸出；150)判斷燃料電池電堆(200)的輸出電流是否大于預設電流，即Imax >10，如 果是，執(zhí)行下一步；如果否，執(zhí)行第170)步；160)將輔機開關S2切換到燃料電池電堆上；170)通過PID控制流量傳感器FT001，使空氣進氣量化學計量比恒定為2.2，當 空氣進氣量小于預設最小進氣量時，空氣泵K-I的供氣量恒定為該最小進氣量，該最小 進氣量范圍為額定進氣量的5% -20% ；180)設定Imax等于水溫傳感器TE001示數(shù)的二倍；190)判斷水溫傳感器TE001是否小于55°C，如果是，返回第150)步；如果否， 執(zhí)行下一步；200)通過PID控制外循環(huán)冷卻液泵P_2的轉速控制器SC003，控制水溫傳感器 TE001恒定在燃料電池電堆200的額定工作溫度57 °C ；210)通過PID控制空氣進氣化學計量比恒定為2.2，當空氣進氣量小于預設最小 進氣量時，恒定空氣泵K-I的供氣量為該最小進氣量，該最小進氣量范圍為額定進氣量 的 5% -20% ；220)以燃料電池電堆200額定輸出電流每秒1 % 的斜率設定Imax ；230)判斷是否Imax大于等于DC/DC1的輸出電流與最大充電電流之和，如果 是，執(zhí)行下一步；如果否，返回第200)步；240)通過PID控制水溫傳感器TE001恒定在燃料電池電堆200的額定工作溫度57 0C ；250)通過PID控制流量傳感器FT001，恒定為2.2，當空氣進氣量小于預定最小
進氣量時，恒定空氣泵K-I的供氣量為該最小進氣量，該最小進氣量范圍為額定進氣量 的 5% -20% ；260)判斷是否有電流變化率大于第220)步設定的斜率，即dl/dt>5，如果是， 返回第200)步；如果否，返回第240)步循環(huán)。系統(tǒng)在安裝完畢后，通過上面的步驟，中央控制器對系統(tǒng)完成燃料電池電堆200 的啟動和預熱后，實施負載突變控制，采用PID方法，通過控制外循環(huán)冷卻液泵P-2的轉 速控制器SC003和控制燃料電池電堆200的冷卻液進口水溫，在保證線性進空氣的情況 下，按照5A/s的輸出(輸入)電流增幅不斷調整Imax的限流值，使得燃料電池電堆200 輸出越來越多的電流，而儲能裝置400的電流輸出相對越來越少，直到燃料電池電堆200 通過母線102向儲能裝置400充電，直到Imax大于等于DC/DC1的實際輸出電流與最大 充電電流之和。這時燃料電池電堆200既給用戶100供給需求的功率，又給儲能裝置400 充電，隨著時間的推移充電電流將越來越小，最終等于零。中央控制器將時刻檢查負載 是否有突變，如果未發(fā)現(xiàn)突變，將不斷調控水溫和進氣量，否則將返回到電流爬升程序 部分，通過限流的方式逐漸適應負載的突變。在本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)的控制方法的其他實施例中，中央控制器 對系統(tǒng)啟動的控制序列里，空氣進氣控制除了可以使用上述的PID控制方法以外，為節(jié) 約成本，還可以不使用針對質量流量的PID控制方法，去掉流量傳感器FT001，使用壓 力傳感器PT002獲取的空氣進堆壓力，制作一個進堆壓力和進堆空氣流量的一一對應表 格，按照查表法來調控空氣的進氣量，簡單而且快捷，其余控制方法不變。具體步驟 是在上述中央控制器300對系統(tǒng)啟動的控制序列執(zhí)行步驟中，將第170)步、第210) 步、第250)步分別替換為下述步驟，然后，分別執(zhí)行其各自的下一步由電流傳感器 ET003獲取燃料電池電堆200的輸出電流；計算空氣進氣量=燃料電池電堆200的輸出電 流X0.0035X燃料電池電堆200的單片電池數(shù)X化學計量比/空氣含氧比；根據(jù)空氣泵 K-I的流量-壓力對應關系，得到空氣泵K-I的進氣壓力值；調節(jié)空氣泵K-I的轉速達 到該進氣壓力值。參見圖5，本發(fā)明燃料電池備用電源控制系統(tǒng)的控制方法中，中央控制器對系統(tǒng) 關機的控制序列執(zhí)行如下步驟300)檢測母線102電壓Vbus上否升到預設關機電壓，即Vbus > Vshutdown = 53V，如果是，執(zhí)行下一步；310)設定直流電力變換裝置DC/DC1輸出為一預設值Imax = 3A ；320)屏蔽單片電壓巡檢器CVM001狀態(tài)檢查中斷；330)打開第二電磁閥SV008，關閉第三電磁閥SV009 ；340)將空氣泵K-I電力供應切換到儲能裝置400并保持10%額定轉速；350)判斷直流電力變換裝置DC/DC1輸出是否小于預設終止電壓，即Vcell < IV，如果是，執(zhí)行下一步；如果否，返回第330)步循環(huán)；360)關閉直流電力變換裝置DC/DC1 ；關閉空氣泵K_1 ；系統(tǒng)關機結束，進入 待機狀態(tài)。
在關機過程中，當母線102電壓Vbus升到關機電壓，或者電網(wǎng)已經(jīng)來電后，通 過將空氣泵K-I電力供應切換到儲能裝置400并保持10%額定轉速，直到電壓降低為IV 為止。此時氫氣和空氣已經(jīng)基本消耗完畢，消除了 OCV現(xiàn)象，系統(tǒng)遂轉入待機狀態(tài)。上面所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的 構思和范圍進行限定。在不脫離本發(fā)明設計構思的前提下，本領域普通人員對本發(fā)明的 技術方案做出的各種變型和改進，均應落入到本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明請求保護的技 術內容，已經(jīng)全部記載在權利要求書中。
權利要求
1.一種燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，包括燃料電池電堆(200)、氫氣回路、空氣通 路、冷卻內循環(huán)回路、冷卻外循環(huán)回路、電力輸出回路和中央控制器(300)，所述氫氣回 路、空氣通路、冷卻內循環(huán)回路和電力輸出回路分別與所述燃料電池電堆(200)相連， 所述燃料電池電堆(200)連接有單片電壓巡檢器(CVM001300)，所述冷卻外循環(huán)回路與 冷卻內循環(huán)回路通過換熱器(E-I)相連，其特征在于所述氫氣回路設有第一電磁閥(SV-002)、氫氣循環(huán)泵(P-3)、第一壓力傳感器 (PT001)和第二壓力傳感器(PT004)，所述第一電磁閥(SV-002)安裝在氫氣進口管道 上，所述氫氣循環(huán)泵(P-3)安裝在所述燃料電池電堆(200)的氫氣進口端(1)和氫氣出口 端⑵之間的管道上，所述第一壓力傳感器(PT001)安裝在所述燃料電池電堆(200)的氫 氣進口端，所述第二壓力傳感器(PT004)安裝在來自儲氫器的高壓氫氣進口端；所述空氣通路設有流量傳感器(FT001)、第二電磁閥(SV-008)、第三電磁閥 (SV-009)和第四電磁閥(SV010)，所述流量傳感器(FT001)安裝在空氣進口端，所述燃 料電池電堆(200)依次連接有加濕器(C-I)和空氣泵(K-I)，所述第二電磁閥(SV-008) 安裝在所述空氣泵(K-I)的入口管道上，所述第三電磁閥(SV-009)安裝在空氣通路的出 口管道上，第四電磁閥(SV010)安裝在空氣通路的進口管道上；所述冷卻內循環(huán)回路設有冷卻循環(huán)泵(P-I)和水溫傳感器(TE001)，所述冷卻循環(huán)泵 (P-I)安裝在所述燃料電池電堆(200)的冷卻液入口管道上，所述水溫傳感器(TE001)連 接在所述燃料電池電堆(200)的冷卻液入口端或者所述燃料電池電堆(200)的冷卻液出口 端；所述冷卻外循環(huán)回路設有外循環(huán)冷卻液泵(P-2)及其轉速控制器(SC003)，所述外循 環(huán)冷卻液泵(P-2)及其轉速控制器(SC003)安裝在冷卻外循環(huán)回路的管道上；所述電力輸出回路包括直流電力變換裝置(DC/DC1)、儲能裝置(400)、逆變器 (AC/DC)、隔離二極管(D-1)、充電控制器(CC-1)、主機開關(Si)和交流接觸器 (ET007),所述燃料電池電堆(200)的輸出端通過所述主機開關(Si)與所述直流電力變 換裝置(DC/DC1)的輸入端相連，所述直流電力變換裝置(DC/DC1)的輸出端通過所述 充電控制器(CC-I)和隔離二極管(D-I)與所述儲能裝置(400)相連，所述直流電力變換 裝置(DC/DC1)的輸出端同時與所述逆變器(AC/DC)和用戶端(100)相連，所述逆變器 (AC/DC)通過所述交流接觸器(ET007)與交流電網(wǎng)(AC)相連；所述直流電力變換裝置(DC/DC1)的輸入端安裝有電流傳感器(ET003)和電壓傳感 器(ET004)；所述直流電力變換裝置(DC/DC1)、儲能裝置(400)、逆變器(AC/DC)、隔離二極 管(D-I)、充電控制器(CC-I)、主機開關(Si)和交流接觸器(ET007)以及各傳感器分 別與所述中央控制器(300)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，其特征在于其中所述電力 輸出回路還包括輔機開關(S2)、至少一個直流變換器，所述輔機開關(S2)與所述燃料電 池電堆(200)的輸出端、儲能裝置(400)的輸出端和直流變換器的輸入端分別相連，所述 直流變換器的輸出端分別與所述輔機電力端子(500)相連。
3.根據(jù)權利要求2所述的燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，其特征在于其中所述氫氣 回路設有手動氣體減壓閥(PIC003)，所述手動氣體減壓閥(PIC003)安裝在所述第一電磁閥(SV-002)前端的高壓氫氣進口管道上。
4.根據(jù)權利要求3所述的燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，其特征在于其中所述中央 控制器(300)由處理器、存儲器和人機界面組成。
5.根據(jù)權利要求4所述的燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，其特征在于其中所述儲能 裝置(400)采用鉛酸蓄電池或超級電容器。
6.一種燃料電池備用電源控制系統(tǒng)的控制方法，該方法采用權利要求1-5任一所述的 燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，設置燃料電池電堆(200)、氫氣回路、空氣通路、冷卻內循 環(huán)回路、冷卻外循環(huán)回路、電力輸出回路和中央控制器(300)，所述燃料電池電堆(200) 連接有單片電壓巡檢器(CVM001300)，所述電力輸出回路設置直流電力變換裝置(DC/ DCl)、儲能裝置(400)、充電控制器(CC-I)和逆變器(AC/DC)，其特征在于所述中 央控制器(300)對系統(tǒng)啟動的控制序列執(zhí)行如下步驟110)電網(wǎng)或者所述儲能裝置開始給所述中央控制器(300)以及系統(tǒng)輔機供電后，由 "start"按鈕啟動系統(tǒng)，打開第二壓力傳感器(PT004)檢查中斷；打開總線電壓Vbus檢 查中斷；各傳感器數(shù)據(jù)采集開始和使能報警中斷；120)判斷母線電壓是否低于預設電壓，即Vbus < Vstartup，或者無高壓電供給，如 果是，執(zhí)行下一步；如果否，屏蔽啟動信號，開打關機響應信號，滿足條件則跳轉到關 機程序，返回上一步；130)打開第一電磁閥(SV-002)和第四電磁閥(SV010)，關閉第二電磁閥 (SV-008),打開第三電磁閥(SV-009)，控制空氣泵(K-I)以額定進氣量的15%-50%工 作l-5s，然后恒定在額定進氣量10% -30%持續(xù)工作；140)啟動冷卻循環(huán)泵(P-I)，氫氣循環(huán)泵(P-3)開始以額定速度工作；打開單片電 壓巡檢器(CVM001300)定時檢查中斷；打開第一壓力傳感器(PT001)和第二壓力傳感器 (PT004)檢查中斷，保證氫氣的供給；打開直流電力變換裝置(DC/DC1)，所述燃料電 池電堆(200)開始對外輸出；150)判斷所述燃料電池電堆(200)的輸出電流是否大于預設電流，如果是，執(zhí)行下 一步；如果否，執(zhí)行第170)步；160)將輔機開關(S2)切換到所述燃料電池電堆(200)上；170)通過PID控制流量傳感器(FT001)，使空氣進氣量化學計量比恒定為1.8-2.5， 當空氣進氣量小于預設最小進氣量時，空氣泵(K-I)的供氣量恒定為該最小進氣量，該 最小進氣量范圍為額定進氣量的5% -20% ；180)設定Imax為水溫傳感器(TE001)示數(shù)的若干倍；190)判斷水溫傳感器(TE001)是否小于預設溫度，該預設溫度為45°C 80°C，如果 是，返回第150)步；如果否，執(zhí)行下一步；200)通過PID控制外循環(huán)冷卻液泵(P-2)的轉速控制器(SC003)，控制水溫傳感器 (TE001)恒定在燃料電池電堆(200)的額定工作溫度50-80°C ；210)通過PID控制空氣進氣化學計量比，使空氣進氣量化學計量比恒定為1.8-2.5， 當空氣進氣量小于預設最小進氣量時，恒定空氣泵(K-I)的供氣量為該最小進氣量，該 最小進氣量范圍為額定進氣量的5% -20% ；220)以燃料電池電堆(200)額定輸出電流每秒-5%的斜率設定Imax ；230)判斷是否Imax大于等于直流電力變換裝置(DC/DC1)的輸出電流與最大充電電 流之和，如果是，執(zhí)行下一步；如果否，返回第200)步；240)通過PID控制水溫傳感器(TE001)恒定在燃料電池電堆(200)的額定工作溫度 50-80 0C ；250)通過PID控制流量傳感器(FT001)，使空氣進氣量化學計量比恒定為1.8-2.5， 當空氣進氣量小于預定最小進氣量時，恒定空氣泵(K-I)的供氣量為該最小進氣量，該 最小進氣量范圍為額定進氣量的5% -20% ；260)判斷是否有電流的變化率大于第220)步設定的斜率，如果是，返回第200)步； 如果否，返回第240)步循環(huán)。
7.根據(jù)權利要求6所述的燃料電池備用電源控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所 述中央控制器(300)對系統(tǒng)關機的控制序列執(zhí)行如下步驟300)檢測母線102電壓Vbus上否升到預設關機電壓，即Vbus > Vshutdown,如果 是，執(zhí)行下一步；310)設定直流電力變換裝置(DC/DC1)輸出Imax為一預設值； 320)屏蔽單片電壓巡檢器(CVM001300)狀態(tài)檢查中斷； 330)打開第二電磁閥(SV008)，關閉第三電磁閥(SV009)； 340)將空氣泵(K-I)電力供應切換到儲能裝置(400)并保持10%額定轉速； 350)判斷直流電力變換裝置(DC/DC1)輸出是否小于預設終止電壓，如果是，執(zhí)行 下一步；如果否，返回第330)步循環(huán)；360)關閉直流電力變換裝置(DC/DC1)，關閉空氣泵(K-I)，關機結束，進入待機 狀態(tài)。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的燃料電池備用電源控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于 所述中央控制器(300)對系統(tǒng)啟動的控制序列執(zhí)行步驟中，將第170)步、第210)步、第 250)步分別替換為下述步驟，然后，分別執(zhí)行其各自的下一步由電流傳感器(ET003) 獲取燃料電池電堆(200)的輸出電流；計算空氣進氣量=燃料電池電堆(200)的輸出電 流X0.0035X燃料電池電堆(200)的單片電池數(shù)X化學計量比/空氣含氧比；根據(jù)空氣 泵(K-I)的流量-壓力對應關系，得到空氣泵(K-I)的進氣壓力值；調節(jié)空氣泵(K-I) 的轉速達到該進氣壓力值。
全文摘要
本發(fā)明提供的燃料電池備用電源控制系統(tǒng)，包括燃料電池電堆、氫氣回路、空氣通路、冷卻內循環(huán)回路、冷卻外循環(huán)回路、電力輸出回路和中央控制器，其中電力輸出回路包括分別與中央控制器相連的直流電力變換裝置、儲能裝置、逆變器、隔離二極管、充電控制器、主機開關和交流接觸器。其優(yōu)點在于在系統(tǒng)負載突變時，通過系統(tǒng)能量管理的合理化，有效實現(xiàn)為用戶供電零等待，在第一時間為用戶提供足夠的電力供應，并且通過電堆的程控預熱、輸出電流線性增加等措施大幅度提高燃料電池的壽命。本發(fā)明同時提供了該系統(tǒng)的控制方法，通過系統(tǒng)啟動控制方法、系統(tǒng)預熱控制方法、負載突變控制方法和關機控制方法，實現(xiàn)了整機電源為用戶供電零等待的目的。
文檔編號H01M8/04GK102013503SQ201010531969
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權日2010年11月4日
發(fā)明者冀中華, 張平 申請人:北京萬瑞訊通科技有限公司