车载燃料电池系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术实施例提供一种车载燃料电池系统及其控制方法，该系统包括：燃料电池电堆、保护单元、双向直流/直流DC/DC变换器、燃料电池系统输出预充单元和控制单元；保护电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器和保护二极管。能够实现通过储能装置的电能对双向DC/DC变换器输入侧的电容进行预充，避免利用燃料电池电堆启动过程中对DC/DC变换器输入侧预充时浪涌电流的产生，同时通过在燃料电池电堆与双向DC/DC变换器之间设置保护电路，防止在燃料电池系统启动或停机期间能量反灌至燃料电池电堆，提高燃料电池电堆的使用寿命。另外不需在燃料电池模组内设计专用的预充电路，节约体积、更便于实现燃料电池模组的集成。

【技术实现步骤摘要】
车载燃料电池系统及其控制方法
本专利技术实施例涉及新能源
，尤其涉及一种车载燃料电池系统及其控制方法。
技术介绍
燃料电池具有能量转化效率高、无噪音，少污染，几乎不排放氮氧化合物等优点，有广泛应用于汽车、船舶等已成为未来的技术发展趋势。燃料电池系统作为车船的主要能量来源，其可靠性致为重要，尤其是高压结构的可靠性，其直接关系到电堆的安全和寿命。目前，现有技术中常见的车载燃料电池系统如图1所示，该系统包括：燃料电池电堆1、高压检测单元2、保护和预充单元3、空压机高压组件4、输出预充单元5、升压boost变换器6和能量泄放单元7。其中，燃料电池电堆1的输出的高压由高压检测单元2进行监控，高压连接能量泄放单元7，用于将燃料电池电堆多余的能量不能输出时泄放掉；高压接着连接保护和预充单元3，当出现紧急情况或停机后将此单元内的正极主继电器和负极主继电器断开以保护燃料电池电堆的安全，其预充电路用于给后级连接的电子设备端口电容进行限流充电；高压接着连接至升压boost变换器6，用于将燃料电池电堆1输出的高压进过升压后输出至车载动力电池或动力装置；在升压boost变换器6和高压输出之间还连接有燃料电池系统输出预充单元5，用于向升压boost变换器6的输出侧电容进行限流充电；与升压boost变换器6输出侧并联的还有空压机高压组件4。并且，燃料电池电堆1、高压检测单元2、保护和预充单元3、空压机高压组件4和能量泄放单元7通常是集成在一起构成了燃料电池模组。然而，专利技术人发现现有技术至少存在以下技术问题：保护和预充单元对升压boost变换器的输入侧的电容进行预充时，会使得输入电容产生瞬间的浪涌电流，即使设置限流电阻，燃料电池电堆也会产生高达几十安培的瞬间电流，这将对燃料电池电堆的寿命产生影响。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种车载燃料电池系统及其控制方法，以克服现有技术中对升压boost变换器的输入侧的电容进行预充时，会使得输入电容产生瞬间的浪涌电流，即使设置限流电阻，燃料电池电堆也会产生高达几十安培的瞬间电流，对燃料电池电堆的寿命产生影响的问题。第一方面，本专利技术实施例提供一种车载燃料电池系统，包括：燃料电池电堆、保护单元、双向DC/DC变换器、燃料电池系统输出预充单元和控制单元；所述燃料电池电堆、保护单元、双向DC/DC变换器、燃料电池系统输出预充单元均与所述控制单元连接；其中，所述保护电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器和保护二极管；所述燃料电池电堆的第一输出端与所述第一继电器的输入端连接，第二输出端与所述第二继电器的输入端连接；所述第三继电器的输出端与所述保护二极管的阳极串联，所述第三继电器的输入端与所述第一继电器的输入端连接，所述保护二极管的阴极与所述第一继电器的输出端连接；所述第一继电器的输出端和所述第二继电器的输出端分别与所述双向DC/DC变换器的第一输入端和第二输入端连接；所述双向DC/DC变换器的第一输出端与所述燃料电池系统输出预充单元的输入端连接，所述双向DC/DC变换器的第二输出端和所述燃料电池系统输出预充单元的输出端与车载的储能装置和动力系统连接；所述控制单元，用于当检测到燃料电池系统启机时，控制燃料电池系统输出预充单元为所述双向DC/DC变换器的输出侧电容进行预充，同时控制所述保护单元的第二继电器和第三继电器闭合；待所述双向DC/DC变换器的输出侧电容预充完成后，控制双向DC/DC变换器逆向导通，为所述双向DC/DC变换器的输入侧电容进行预充；其中所述双向DC/DC变换器逆向导通为对储能装置的电压进行降压使能量由双向DC/DC变换器的输出侧流向输入侧。第二方面，本专利技术实施例提供一种车载燃料电池系统控制方法，包括：在所述车载燃料电池系统启动时，完成对所有电容的预充后，控制双向DC/DC变换器逆向导通进行降压工作，为所述空压机高压组件提供初始供电；同时控制所述保护单元的第二继电器和第三继电器闭合、第一继电器断开；当所述燃料电池电堆输出电压达到第一预设电压阈值时，控制所述保护单元的第二继电器和第一继电器闭合、第三继电器断开，由燃料电池电堆为所述空压机高压组件继续供电；同时控制所述双向DC/DC变换器处于待机状态；在所述车载燃料电池系统正常加载时，控制所述所述保护单元的第二继电器和第一继电器闭合、第三继电器断开，同时控制所述双向DC/DC变换器进行正向导通升压工作，使得燃料电池电堆为所述空压机高压组件继续供电、以及为所述双向DC/DC变换器供电满足正常加载；在所述车载燃料电池系统降载完毕停机时，控制所述双向DC/DC变换器关闭、所述保护单元的第二继电器和第三继电器闭合、第一继电器断开，使得燃料电池电堆为所述空压机高压组件提供初期吹扫电能；当燃料电池电堆的输出电压降低至第二预设电压阈值时，控制所述双向DC/DC变换器逆向导通进行降压工作，使得双向DC/DC变换器继续为所述空压机高压组件提供吹扫电能，直至所述燃料电池电堆停止工作；并继续控制所述双向DC/DC变换器控制所述第一开关管和第二开关管断开、第三开关管按照第三设定占空比工作，使得所述第三开关管和撬棒电阻组成的撬棒电路可以通过功率电感、第一二极管形成的回路将燃料电池电堆产生的剩余电能消耗掉。本专利技术实施例提供的车载燃料电池系统及其控制方法，通过双向DC/DC变换器，可以实现通过储能装置的电能对双向DC/DC变换器输入侧的电容进行预充，而不需要燃料电池电堆的电能，能够实现通过储能装置的电能对双向DC/DC变换器输入侧的电容进行预充，避免利用燃料电池电堆启动过程对DC/DC变换器输入侧预充时浪涌电流的产生，同时通过在燃料电池电堆与双向DC/DC变换器之间设置保护电路，防止在燃料电池系统启动或停机期间能量反灌至燃料电池电堆，提高燃料电池电堆的使用寿命。另外不需在燃料电池模组内设计专用的预充电路，节约体积、更便于实现燃料电池模组的集成。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有技术中车载燃料电池系统的结构示意图；图2为本专利技术一实施例提供的车载燃料电池系统的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的双向DC/DC变换器的电路结构示意图；图4为本专利技术另一实施例提供的车载燃料电池系统的结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的控制单元的硬件结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。现有车载燃料电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车载燃料电池系统，其特征在于，包括：/n燃料电池电堆、保护单元、双向直流/直流DC/DC变换器、燃料电池系统输出预充单元和控制单元；所述燃料电池电堆、保护单元、双向DC/DC变换器、燃料电池系统输出预充单元均与所述控制单元连接；其中，所述保护电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器和保护二极管；/n所述燃料电池电堆的第一输出端与所述第一继电器的输入端连接，第二输出端与所述第二继电器的输入端连接；/n所述第三继电器的输出端与所述保护二极管的阳极串联，所述第三继电器的输入端与所述第一继电器的输入端连接，所述保护二极管的阴极与所述第一继电器的输出端连接；/n所述第一继电器的输出端和所述第二继电器的输出端分别与所述双向DC/DC变换器的第一输入端和第二输入端连接；/n所述双向DC/DC变换器的第一输出端与所述燃料电池系统输出预充单元的输入端连接，所述双向DC/DC变换器的第二输出端和所述燃料电池系统输出预充单元的输出端与车载的储能装置和动力系统连接；/n所述控制单元，用于当检测到燃料电池系统启机时，控制燃料电池系统输出预充单元为所述双向DC/DC变换器的输出侧电容进行预充，同时控制所述保护单元的第二继电器和第三继电器闭合；待所述双向DC/DC变换器的输出侧电容预充完成后，控制双向DC/DC变换器逆向导通，为所述双向DC/DC变换器的输入侧电容进行预充；其中所述双向DC/DC变换器逆向导通为对储能装置的电压进行降压使能量由双向DC/DC变换器的输出侧流向输入侧。/n...

【技术特征摘要】
1.一种车载燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池电堆、保护单元、双向直流/直流DC/DC变换器、燃料电池系统输出预充单元和控制单元；所述燃料电池电堆、保护单元、双向DC/DC变换器、燃料电池系统输出预充单元均与所述控制单元连接；其中，所述保护电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器和保护二极管；
所述燃料电池电堆的第一输出端与所述第一继电器的输入端连接，第二输出端与所述第二继电器的输入端连接；
所述第三继电器的输出端与所述保护二极管的阳极串联，所述第三继电器的输入端与所述第一继电器的输入端连接，所述保护二极管的阴极与所述第一继电器的输出端连接；
所述第一继电器的输出端和所述第二继电器的输出端分别与所述双向DC/DC变换器的第一输入端和第二输入端连接；
所述双向DC/DC变换器的第一输出端与所述燃料电池系统输出预充单元的输入端连接，所述双向DC/DC变换器的第二输出端和所述燃料电池系统输出预充单元的输出端与车载的储能装置和动力系统连接；
所述控制单元，用于当检测到燃料电池系统启机时，控制燃料电池系统输出预充单元为所述双向DC/DC变换器的输出侧电容进行预充，同时控制所述保护单元的第二继电器和第三继电器闭合；待所述双向DC/DC变换器的输出侧电容预充完成后，控制双向DC/DC变换器逆向导通，为所述双向DC/DC变换器的输入侧电容进行预充；其中所述双向DC/DC变换器逆向导通为对储能装置的电压进行降压使能量由双向DC/DC变换器的输出侧流向输入侧。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述车载燃料电池系统还包括：空压机高压组件，所述空压机高压组件的第一输入端与所述双向DC/DC变换器的第一输入端连接，第二输入端与所述双向DC/DC变换器的第二输入端连接；所述双向DC/DC变换器逆向导通后同时为所述双向DC/DC变换器的输入侧电容和所述预充空压机高压组件的输入侧电容进行预充。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述车载燃料电池系统还包括：空压机高压组件，所述空压机高压组件的第一输入端与所述双向DC/DC变换器的第一输出端连接，第二输入端与所述双向DC/DC变换器的第二输出端连接；燃料电池系统输出预充单元同时为所述双向DC/DC变换器的输出侧电容和所述预充空压机高压组件的输入侧电容进行预充。


4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器包括：输入电容、功率电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三开关管、撬棒电阻和输出电容；其中，所述双向DC/DC变换器的第二输入端和第二输出端连接形成公共端；
所述输入电容的一端与所述双向DC/DC变换器的第一输入端连接，另一端与所述公共端连接；
所述第一开关管的第一端与所述双向DC/DC变换器的第一输出端连接，第二端与所述第二开关管的第一端连接，所述第二开关管的第二端与所述公共端连接；
所述第一二极管的阴极与所述第一开关管的第一端连接，阳极与所述第一开关管的第二端连接；所述第二二极管的阴极与所述第二开关管的第一端连接，阳极与所述第二开关管的第二端连接；
所述功率电感的一端与所述双向DC/DC变换器的第一输入端连接，另一端接入第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管的共接端；
所述第三开关管的第一端与所述双向DC/DC变换器的第一输出端连接，第二端与所述撬棒电阻的第一端连接，所述撬棒电阻的另一端与所述公共端连接；
所述输出电容的一端与所述双向DC/DC变换器的第一输出端连接，另一端与所述公共端连接。


5.根据权利要求4所述的系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡刚毅，高乐，秦琅，张同国，李元君，
申请(专利权)人：潍柴动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37