氢燃料电池及其供电时间估计系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种新的用于估计或预估氢燃料电池供电时间的系统和方法，其中本发明专利技术氢燃料电池供电时间估计系统能够实时监控氢燃料电池的供电时间，其尤其适用于无人机氢燃料电池。

Hydrogen Fuel Cell and Its Power Supply Time Estimation System

【技术实现步骤摘要】
氢燃料电池及其供电时间估计系统和方法
本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种氢燃料电池供电时间估计系统，以估计氢燃料电池的供电时间或续航时间。本专利技术进一步涉及一种氢燃料电池供电时间估计方法。
技术介绍
在燃料电池(如氢燃料电池)被用于供电时，准确估计其供电时间具有重要意义。例如，在氢燃料电池用于无人机供电和飞行动力时，氢燃料电池的供电时间(或续航时间)需要被提前预知或准确估计，以合理规划飞行航线和作为返航和降落时间的参考依据。如果氢燃料电池的实际供电时间小于估计供电时间，则可能导致无人机在飞行过程中即耗尽燃料和无人机飞行事故。然而，如果氢燃料电池的实际供电时间远大于估计供电时间，则可能导致无人机的提前降落和无法完成无人机飞行目的。因此，当无人机采用氢燃料电池作为动力源时，准确估计其供电时间对无人机的安全飞行，甚至对燃料电池供电系统本身的安全运行具有重要意义。现有的氢燃料电池(或氢燃料电池供电系统)一般包括用于存储氢气的储氢装置，如气瓶等。该储氢装置的容量、内部氢气压力、环境温度等因素决定了储氢装置当前氢气储量的大小。现有氢燃料电池中，多通过检测储气装置内部氢气压力，结合经验估算氢燃料电池的正常供电时间(或剩余运行时间)。然而，无人机高空飞行时，其所在环境往往存在较大噪音。在利用传感器对储氢装置中的氢气压力进行检测时，环境噪音对氢气压力的检测结果带来很大干扰，往往导致氢气压力检测结果出现很大波动，其有可能导致无人机因错误认为燃料即将耗尽而降落，或因错误以为燃料充足而在应该降落时，继续飞行，从而导致飞行事故的发生。此外，现有剩余氢气压力估值法未考虑环境温度的变化对该储氢装置中剩余氢气量检测结果的影响。该储氢装置在充气和飞行过程中的环境温度存在差别，且氢气在释放过程中也会带走热量，会导致储氢装置的温度逐渐变低。最后，现有剩余氢气压力估值法还未考虑氢燃料电池对氢气的利用率。实际上，当储氢装置内氢气压力过低时，燃料电池将很难利用低压力(或压强)氢气。因此，现有依据当前储氢装置内部剩余氢气压力来估计(估计)氢燃料电池的供电时间的方法误差较大，不适用氢燃料电池无人机等对供电时间要求严苛的应用。如图1所示为现有的一种估算燃料电池系统氢气瓶剩余氢气压力的装置及方法。该估算装置包括氢气瓶1P、燃料电池(堆)6P和燃料电池控制器2P，其中氢气瓶1P出口设有气压表(或压力表)4P，氢气瓶1P出口通过管路与燃料电池堆6P连接；燃料电池堆6P通过装有电流传感器7P的电流传输线实时输出电流；燃料电池控制器2P内存储氢气瓶1P满瓶状态下的压力值，燃料电池控制器2P还控制燃料电池堆6P的启闭，且采集电流传感器7P测得的电流值并对其进行处理计算及存储；发电机8P被连接于电流传感器7P，减压阀5P设置于压力表4P和燃料电池堆6P之间，温度传感器9P以及复位按钮3P被连接于燃料电池控制器2P。在氢燃料电池系统用于供电时，首先，向储氢装置(氢气瓶1P)内充气至其压力达到设定范围，求得氢气初始摩尔值；在燃料电池启动和正常运行后，测量其实时输出电流值，并计算得到当前运行时间内输出的总电量，从而计算消耗的氢气摩尔量，算得氢气瓶1P的剩余压力。然而，现有这种氢燃料电池供电时间估计系统(或燃料电池系统的氢气瓶剩余氢气压力估算装置)具有诸多缺陷：首先，现有氢燃料电池供电时间估计系统需要准确测量储氢装置的气压或压力，并将测量结果传输至氢燃料电池的主控制器的数据处理器，以根据储氢装置内的气压计算储氢装置内的氢气量。然而，现有绝大部分，甚至是所有氢燃料电池供电时间估计系统，均未考虑环境噪音对测量结果的影响。其次，现有氢燃料电池供电时间估计系统未考虑氢燃料电池堆对储氢装置中剩余氢气的利用率。也未考虑不同气压下，氢气的压缩率(或压缩因子)变化。最后，现有氢燃料电池供电时间估计系统未考虑燃料电池的储氢装置的容量变化。在实际应用中，氢燃料电池的储氢装置可能会被直接更换，如直接更换完成灌装的储氢装置，从而导致氢燃料电池的储氢装置的容量发生变化。此时，如果仍需估计氢燃料电池的供电时间，则需要更改数据处理器中的储氢装置容量值。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池的供电时间估计系统能够更准确地检测该氢燃料电池的储氢装置内的氢燃料剩余量和氢燃料的消耗速率，从而使该供电时间估计系统能够更准确地估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间。本专利技术的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池的供电时间估计系统能够更准确地和实时地检测该氢燃料电池的输出电流值(或输出功率)，从而使该供电时间估计系统通过实时输出电流值，计算得到氢燃料消耗速率更准确和更接近氢燃料电池的实际消耗速率。在一些实施例中，该氢燃料电池的供电时间估计系统通过霍尔电流传感器检测该氢燃料电池堆的输出电流。本专利技术的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池进一步包括滤波器，其能够采用卡尔曼滤波方法和/或无限脉冲响应滤波方法以减弱环境噪音，如电流噪声等对储氢装置内的气压测量结果和/或输出电流值测量结果的干扰。本专利技术的主要目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池的供电时间估计系统在估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间时，将燃料电池堆对储氢装置中剩余氢气的利用率考虑在内，以更准确地估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间。本专利技术的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池进一步包括容量值输入界面，如与燃料电池的该数据处理器(或上位机)可通电地相连接的触控面板(或显示器、鼠标和/或键盘)，以使使用者能够通过该输入界面将储氢装置的容量值直接输入到该数据处理器，并被储存。换句话说，该氢燃料电池进一步包括一个存储模块(或存储器)，以用于存储该储氢装置的该容量值。可以理解，该存储模块可以是具有存储功能的数据处理器，也可以是额外具有存储功能的存储器。优选地，该容量值被储存在电可擦可编程读写存储器(EEPROM)，其中该电可擦可编程读写存储器与该数据处理器可通电地相连接，以在该氢燃料电池被重置(或重新启动)时，该氢燃料电池能够自该电可擦可编程读写存储器读取或获得被储存在电可擦可编程读写存储器中的容量值。更优选地，该被储存在电可擦可编程读写存储器中的容量值可被通过输入界面输入的新的容量值覆盖。可以理解的是，该燃料电池被重置(或重新启动)时，依重置命令和输入的新的容量值，储存在电可擦可编程读写存储器的容量值可被重新配置(或设置)，其中该重置命令可来自输入界面或该上位机。本专利技术的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池进一步包括用于实时检测储氢装置内氢温度的温度传感器，以更准确地计算得到储氢装置的剩余氢气摩尔量。本专利技术的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其进一步包括数据传输模块，以将该数据处理器计算得到的氢燃料电池估计供电时间实时传输给氢燃料电池的主控制器或上位机。本专利技术的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池进一步包括用于检测(或获取)储氢装置容量的容量检测装置，其中该容量检测装置能自动检测或获取氢燃料电池的储氢装置的容量(值)，以使该供电时间估计系统能够更准确地估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间。本专利技术的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池的容量检测装置包括一个询问本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢燃料电池，其特征在于，包括：氢燃料电池堆；适用于向所述氢燃料电池堆供应氢的储氢装置；用于实时检测所述储氢装置内气压的压力传感器；用于实时检测所述氢燃料电池堆的输出电流的电流传感器；用于实时检测所述储氢装置内温度的温度传感器；和数据处理器，其中所述数据处理器分别与所述压力传感器、所述温度传感器和所述电流传感器可通电地相连接，其中所述数据处理器被设置能够根据下述公式：

【技术特征摘要】
2018.02.02 CN 20181010615281.一种氢燃料电池，其特征在于，包括：氢燃料电池堆；适用于向所述氢燃料电池堆供应氢的储氢装置；用于实时检测所述储氢装置内气压的压力传感器；用于实时检测所述氢燃料电池堆的输出电流的电流传感器；用于实时检测所述储氢装置内温度的温度传感器；和数据处理器，其中所述数据处理器分别与所述压力传感器、所述温度传感器和所述电流传感器可通电地相连接，其中所述数据处理器被设置能够根据下述公式：计算和得到所述氢燃料电池的供电时间t，其中P为所述储氢装置内的当前气压，V为所述储氢装置的容量，P0为所述储氢装置内的氢能够被所述氢燃料电池利用的最小气压，I为所述氢燃料电池堆的实时输出电流，c为所述氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，所述储氢装置内温度，T为所述储氢装置内当前温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个第一滤波器，其中所述第一滤波器被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间，其中所述第一滤波器被设置能够除去所述压力传感器检测到的所述储氢装置内压力信号中的噪声。3.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括一组第一滤波器，其中所述第一滤波器分别被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间、所述数据处理器和所述温度传感器之间和所述数据处理器和所述电流传感器之间，以除去所述压力传感器检测到的所述储氢装置内压力信号、所述温度传感器检测到的所述储氢装置内温度信号和所述氢燃料电池堆的输出电流信号中的噪声。4.根据权利要求2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，所述噪声指的是频率大于30Hz的信号。5.根据权利要求4所述的氢燃料电池，其特征在于，所述噪声指的是频率大于50Hz的信号。6.根据权利要求2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，所述第一滤波器能够根据下述公式：对所述压力传感器检测到的所述储氢装置内气压信号进行滤波处理，其中F为法拉第常数，C为所述氢燃料电池堆的单电池数，δI为所述氢燃料电池输出电流的系统噪声，δP为检测所述储氢装置内压力数据时的测量噪声，Ts为滤波循环周期，λ为所述氢燃料电池堆的氢气泄露速度。7.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个限幅滤波器，其中所述限幅滤波器被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间，所述限幅滤波器被设置能够去除所述压力传感器检测到的异常压力信号。8.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个限幅滤波器，其中所述限幅滤波器被设置在所述数据处理器和所述第一滤波器之间，所述限幅滤波器被设置能够去除所述第一滤波器生成的异常压力信号。9.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个噪声传感器，其中所述噪声传感器与所述数据处理器可通电地相连接，其中所述数据处理器被设置能够根据所述噪声传感器检测到的环境噪声，对所述数据处理器接收到的压力数据进行滤波处理。10.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个减压阀，其中所述减压阀具有一个进气通路和一个出气通路，其中所述减压阀的进气通路与所述储氢装置的出气口相连通，其中所述压力传感器被设置在所述减压阀的进气通路。11.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个上位机，其中所述上位机被设置能够与所述数据处理器相通讯，从而使得所述上位机能够自所述数据处理器接收所述数据处理器计算得到的所述氢燃料电池的供电时间t。12.根据权利要求11所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个第一数据传输模块和至少一个第二数据传输模块，其中所述第一数据传输模块与所述数据处理器可通电地相连接，所述第二数据传输模块与所述上位机可通电地相连接，其中所述第一数据传输模块被设置用于将所述数据处理器计算得到的所述氢燃料电池的供电时间数据传输给所述第二数据传输模块，所述第二数据传输模块被设置能够将所述供电时间数据传输给所述上位机。13.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个存储器，其中所述存储器能够存储一个新的容量值。14.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括一个容量检测装置，其中所述容量检测装置包括至少一个应答器和至少一个询问器，其中所述应答器被设置在所述氢燃料电池的所述储氢装置，所述询问器被设置能够发射一个预设电磁信号，其中所述应答器被设置能够应答所述询问器发射的预设电磁信号，以将储存在所述应答器中的所述储氢装置的容量值传输给所述询问器。15.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括一个容量检测装置，其中所述容量检测装置包括图形码、图形码阅读器和图形解码器，其中所述图形码被设置在所述储氢装置，所述图形码阅读器被设置能够识别和读取所述图形码，所述图形解码器被设置与所述图形码阅读器可通电地相连通，其中所述图形解码器被设置能够对所述图形码阅读器的读取结果进行解码和得到被编码在所述图形码中的所述储氢装置的属性值。16.一种氢燃料电池供电时间估计系统，其包括：用于实时检测所述氢燃料电池的储氢装置内气压的压力传感器；用于实时检测所述氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流的电流传感器；用于实时检测所述氢燃料电池的储氢装置内温度的温度传感器；和数据处理器，其中所述数据处理器分别与所述压力传感器、所述温度传感器和所述电流传感器可通电地相连接，其中所述数据处理器被设置能够根据下述公式：计算和得到所述氢燃料电池的供电时间t，其中P为所述氢燃料电池的储氢装置内的当前气压，V为所述氢燃料电池的储氢装置的容量，P0为所述氢燃料电池的储氢装置内的氢能够被所述氢燃料电池利用的最小气压，I为所述氢燃料电池的氢燃料电池堆的实时输出电流，c为所述氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，所述氢燃料电池的储氢装置内温度，T为所述氢燃料电池的储氢装置内当前温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。17.根据权利要求16所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括至少一个第一滤波器，其中所述第一滤波器被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间，其中所述第一滤波器被设置能够除去...

【专利技术属性】
技术研发人员：左彬，熊锐，李骁，陈玉林，
申请(专利权)人：武汉众宇动力系统科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42