專利名稱：一種燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池備用電源范疇，特別涉及一種燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它按電化學(xué)原理等溫地把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuelcell, PEMFC)以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，鉬/炭或鉬-釕/炭為電催化劑，氫或凈化重整氣為氧化劑，帶有流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。其反應(yīng)原理是陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)，電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路到達陰極，氫離子則經(jīng)質(zhì)子交換膜到達陰極，氧氣與氫離子及電子在陰極發(fā)生反應(yīng)生成水。一節(jié)典型的燃料電池的輸出電壓約為I伏，為了達到一個較高的電壓通常將多節(jié)燃料電池集成在一起串聯(lián)形成燃料電池組。燃料電池組與空氣(氧氣)供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)給負載供電。由于質(zhì)子交換膜燃料電池除具有燃料電池的一般特點(如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等)之外，同時還具有可在室溫快速啟動、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與比能量高等突出特點，因此它不僅可以用于建設(shè)分散電站，特別適宜用作備用電源，在未來的以氫作為主要能量載體的氫能時代，它也是最佳的家庭備用動力源。目前燃料電池備用電源已處于示范運營階段，但如果啟動控制不當，將嚴重影響燃料電池的使用壽命。為解決此問題，通常采用兩種方案，一種是基于蓄電池啟動備用電源另一種是基于軟啟動電路啟動備用電源。圖1所示是基于蓄電池啟動備用電源示意圖，備用電源燃料電池堆I通過備用電源輸出DC/DC2驅(qū)動備用電源輸出負載3，備用電源啟動電瓶3在備用電源輸出負載4啟動時輸出電流給備用電源輸出負載4供電，備用電源燃料電池堆I啟動后，通過備用電源輸出DC/DC2逐步提高其輸出電壓，使備用電源燃料電池堆I輸出功率滿足備用電源輸出負載4的需要，并在此過程中給備用電源啟動電瓶3充電。該方案優(yōu)點是可以實現(xiàn)燃料電池堆在啟動過程中緩慢加載，但由于增加備用電源啟動電瓶3，使得系統(tǒng)重量大大增加，而且材料成本和維護成本較高。圖2所示是基于軟啟動電路啟動備用電源示意圖，備用電源燃料電池堆I通過備用電源輸出DC/DC2和其備用電源輸出DC/DC軟啟動器5驅(qū)動備用電源輸出負載4，備用電源輸出DC/DC軟啟動器5的作用是使備用電源輸出DC/DC2的輸出電壓緩慢增加至額定值。該方案的優(yōu)點是可以實現(xiàn)燃料電池堆在啟動過程中緩慢加載，但缺點是不能根據(jù)燃料電池堆的實際情況進行加載啟動，影響燃料電池堆的使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種既可降低材料成本和維護成本，又可以延長燃料電池堆使用壽命的燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)及控制方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)，包括備用電源燃料電池堆、備用電源輸出DC/DC、備用電源輸出負載、備用電源限流電路、備用電源控制器、備用電源燃料電池堆電流傳感器、備用電源燃料電池堆溫度傳感器和備用電源燃料電池堆電壓傳感器；所述的備用電源燃料電池堆經(jīng)備用電源輸出DC/DC與備用電源限流電路的輸入端連接，所述的備用電源限流電路分別與備用電源燃料電池堆電流傳感器和備用電源控制器連接，所述的備用電源燃料電池堆電流傳感器還與備用電源輸出負載連接，所述的備用電源控制器分別通過備用電源燃料電池堆溫度傳感器和備用電源燃料電池堆電壓傳感器連接到備用電源燃料電池堆。一種燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟:A、燃料電池備用電源啟動后，備用電源控制器定時通過備用電源燃料電池堆電壓傳感器采集備用電源燃料電池堆輸出電壓Vstack ；B、如果備用電源燃料電池堆輸出電壓Vstack大于備用電源燃料電池堆輸出電壓極限值Vlmt，則備用電源控制器定時通過備用電源燃料電池堆電流傳感器采集備用電源輸出DC/DC的輸出電流Ibackup ;否則，轉(zhuǎn)向步驟A ;C、如果備用電源輸出DC/DC的輸出電流Ibackup等于設(shè)定備用電源限流電路的最大輸出電流值Ilmtset，備用電源控制器通過備用電源燃料電池堆溫度傳感器采集備用電源燃料電池堆的工作溫度Tstack，通過查《燃料電池堆工作溫度-限流增加值表》得備用電源輸出DC/DC輸出限流設(shè)定增加值A(chǔ)lbackup，并將設(shè)定備用電源限流電路的最大輸出電流值Ilmtset修改為Ibackup+Δ Ibackup ;如果設(shè)定備用電源限流電路的最大輸出電流值Ilmtset大于備用電源限流電路允許的最大輸出電流值Ilmt,則將Ilmtset修改為Ilmt,否貝U，轉(zhuǎn)向步驟A。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:1、本發(fā)明中，當燃料電池堆電壓低于其設(shè)定極限值時，備用電源限流電路將限制負載的增加，實現(xiàn)對燃料電池堆的有效保護，即可以延長燃料電池堆的使用壽命，同時可以根據(jù)燃料電池堆的工作溫度動態(tài)調(diào)整備用電源的啟動時間，滿足不同負載對啟動的要求，又不影響燃料電池堆的使用壽命，由于本發(fā)明不必使用大容量的蓄電池，所以可以降低材料成本和維護成本。2、本發(fā)明根據(jù)燃料電池堆的輸出電壓、工作溫度以及輸出電流控制燃料電池備用電源輸出DC/DC的最大限流值，實現(xiàn)燃料電池備用電源系統(tǒng)的啟動控制，本發(fā)明實現(xiàn)燃料電池堆緩慢啟動驅(qū)動負載，無需大容量的蓄電池，減小燃料電池備用電源正常啟動時由于加載過快導(dǎo)致縮短燃料電池的使用壽命。
本發(fā)明共有附圖5張，其中:圖1是基于畜電池啟動備用電源不意圖。圖2是基于軟啟動電路啟動備用電源示意圖。
圖3是本發(fā)明的組成示意圖。 圖4是本發(fā)明的流程示意圖。圖5是燃料電池備用電源在不同溫度下啟動時的加載曲線。圖中:1、備用電源燃料電池堆，2、備用電源輸出DC/DC，3、備用電源啟動電瓶，4、備用電源輸出負載，5、備用電源輸出DC/DC軟啟動器，6、備用電源限流電路，7、備用電源控制器，8、備用電源燃料電池堆電流傳感器，9、備用電源燃料電池堆溫度傳感器，10、備用電源燃料電池堆電壓傳感器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步地描述。如圖3所示，一種燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)，包括備用電源燃料電池堆1、備用電源輸出DC/DC2、備用電源輸出負載4、備用電源限流電路6、備用電源控制器7、備用電源燃料電池堆電流傳感器8、備用電源燃料電池堆溫度傳感器9和備用電源燃料電池堆電壓傳感器10 ；所述的備用電源燃料電池堆I經(jīng)備用電源DC/DC2與備用電源限流電路6的輸入端連接，所述的備用電源限流電路6分別與備用電源燃料電池堆電流傳感器8和備用電源控制器7連接，所述的備用電源燃料電池堆電流傳感器8還與備用電源輸出負載4連接，所述的備用電源控制器7分別通過備用電源燃料電池堆溫度傳感器9和備用電源燃料電池堆電壓傳感器10連接到備用電源燃料電池堆I。如圖4所示，一種燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟:A、燃料電池備用電源啟動后，備用電源控制器7定時通過備用電源燃料電池堆電壓傳感器10采集備用電源燃料電池堆I輸出電壓Vstack ；B、如果備用電源燃料電池堆I輸出電壓Vstack大于備用電源燃料電池堆I輸出電壓極限值Vlmt，則備用電源控制器7定時通過備用電源燃料電池堆電流傳感器8采集備用電源DC/DC2的輸出電流Ibackup ;否則，轉(zhuǎn)向步驟A ;C、如果備用電源DC/DC2的輸出電流Ibackup等于設(shè)定備用電源限流電路6的最大輸出電流值I Imtset，備用電源控制器7通過備用電源燃料電池堆溫度傳感器9采集備用電源燃料電池堆I的工作溫度Tstack，通過查《燃料電池堆工作溫度-限流增加值表》得備用電源DC/DC2輸出限流設(shè)定增加值A(chǔ)lbackup，并將設(shè)定備用電源限流電路6的最大輸出電流值Ilmtset修改為Ibackup+Δ Ibackup ;如果設(shè)定備用電源限流電路6的最大輸出電流值Ilmtset大于備用電源限流電路6允許的最大輸出電流值Ilmt，則將Ilmtset修改為Ilmt,否則,轉(zhuǎn)向步驟A。下面以5kw燃料電池備用電源啟動控制為例對本發(fā)明進行進一步的說明:設(shè)燃料電池堆輸出電壓極限值Vstack為40V, 5kw備用電源控制器7控制輸出限流控制周期為Is,根據(jù)表I得5kw燃料電池備用電源在不同溫度下啟動時的加載過程如圖5所示，燃料電池堆在不同工作溫度下啟動速率不同，工作溫度越高，其啟動速率越快。表1:燃料電池堆工作溫度-限流增加值表
權(quán)利要求
1.一種燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)，其特征在于:包括備用電源燃料電池堆(I)、備用電源輸出DC/DC (2)、備用電源輸出負載(4)、備用電源限流電路(6)、備用電源控制器(7)、備用電源燃料電池堆電流傳感器(8)、備用電源燃料電池堆溫度傳感器(9)和備用電源燃料電池堆電壓傳感器(10)； 所述的備用電源燃料電池堆(I)經(jīng)備用電源DC/DC (2 )與備用電源限流電路(6 )的輸入端連接，所述的備用電源限流電路(6)分別與備用電源燃料電池堆電流傳感器(8)和備用電源控制器(7)連接，所述的備用電源燃料電池堆電流傳感器(8)還與備用電源輸出負載(4)連接，所述的備用電源控制器(7 )分別通過備用電源燃料電池堆溫度傳感器(9 )和備用電源燃料電池堆電壓傳感器(10 )連接到備用電源燃料電池堆(I)。
2.一種燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:包括以下步驟: A、燃料電池備用電源啟動后，備用電源控制器(7)定時通過備用電源燃料電池堆電壓傳感器(10 )采集備用電源燃料電池堆(I)輸出電壓Vstack ； B、如果備用電源燃料電池堆(I)輸出電壓Vstack大于備用電源燃料電池堆(I)輸出電壓極限值Vlmt，則備用電源控制器(7 )定時通過備用電源燃料電池堆電流傳感器(8 )采集備用電源DC/DC (2)的輸出電流Ibackup ;否則，轉(zhuǎn)向步驟A ; C、如果備用電源DC/DC(2)的輸出電流Ibackup等于設(shè)定備用電源限流電路(6)的最大輸出電流值Ilmtset，備用電源控制器(7)通過備用電源燃料電池堆溫度傳感器(9)采集備用電源燃料電池堆(I)的工作溫度Tstack，通過查《燃料電池堆工作溫度-限流增加值表》得備用電源DC/DC (2)輸出限流設(shè)定增加值A(chǔ)lbackup，并將設(shè)定備用電源限流電路(6)的最大輸出電流值Ilmtset修改為Ibackup+Δ Ibackup ;如果設(shè)定備用電源限流電路(6)的最大輸出電流值Ilmtset大于備用電源限流電路(6)允許的最大輸出電流值Ilmt，則將Ilmtset修改為Ilmt,否則,轉(zhuǎn)向步驟A。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池備用電源啟動輸出的控制系統(tǒng)及其控制方法，所述的系統(tǒng)包括備用電源燃料電池堆、備用電源輸出DC/DC、備用電源輸出負載、備用電源限流電路、備用電源控制器、電流傳感器、溫度傳感器和電壓傳感器。本發(fā)明當燃料電池堆電壓低于其設(shè)定極限值時，備用電源限流電路將限制負載的增加，實現(xiàn)對燃料電池堆的有效保護，即可以延長燃料電池堆的使用壽命，同時可以根據(jù)燃料電池堆的工作溫度動態(tài)調(diào)整備用電源的啟動時間，滿足不同負載對啟動的要求，又不影響燃料電池堆的使用壽命，由于本發(fā)明不必使用大容量的蓄電池，所以可以降低材料成本和維護成本。本發(fā)明可減小備用電源正常啟動時由于加載過快導(dǎo)致縮短燃料電池的使用壽命。
文檔編號H01M8/04GK103078124SQ20121058486
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者王克勇, 侯中軍, 楊景官, 呂顏輝, 孫駐江, 李丹 申請人:新源動力股份有限公司