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一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法技术方案

技术编号：40009435 阅读：5 留言：0更新日期：2024-01-16 15:02

本发明专利技术公开了一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，涉及燃料电池发电技术领域。本发明专利技术燃料电池混合动力系统包括空冷型质子交换膜燃料电池、燃料电池控制器、电路选择模块、DC/DC变换器、锂电池和总线等组件。空冷型质子交换膜燃料电池与燃料电池控制器、电路选择模块、DC/DC变换器依次相连，实现将燃料电池氢氧反应的化学能转换为电能，为用电负载提供动力。电路选择模块与燃料电池控制器相连、锂电池与总线并联连接、二者与燃料电池共同组合为混合动力系统。本发明专利技术可实现燃料电池系统输出电压范围变小，缩小了燃料电池系统中DC/DC的功率等级，更加适配于传统的用电负载，这都将使电堆体积更小、重量和成本更低，并能提升系统效率。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池发电，具体地涉及一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法。

技术介绍

1、质子交换膜燃料电池作为一种将化学能转化为电能的装置，其具有环境污染小、能量转化效率高、噪声低等优势。基于燃料电池的电化学反应原理，根据吉布斯自由能计算单片电池在热力学平衡时的可逆电动势为1.24v，但由于燃料电池内部存在混合电势、气体渗透、内部短路电流等因素，在实际环境下，燃料电池的开路电压一般维持在1v左右；

2、在燃料电池放电过程中，随着输出电流的不断增加，输出电压会经历快速下降、线性下降、快速下降的过程，当电池处于在合适的区间内时，燃料电池的电压较开路电压降低了30％～40％，而一般锂电池的放电电压平台较满电电压的电压降低仅为15％，由此可见燃料电池的电压范围较宽，一般的燃料电池系统都需要配合dc/dc使用，dc/dc变换器虽然能够较好地解决燃料电池使用时电压变化范围较大的问题，但该方法将增加燃料电池系统的成本与体积，特别是对于成本和集成化程度较低的空冷型燃料电池来说，dc/dc带来的影响更加明显；

3、因此，如何在尽可能减小燃料电池体积和成本的基础上，控制好系统的输出电压范围对于空冷型燃料电池的商业化至关重要；为此，本专利技术提出一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提供一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，在于在有效降低燃料电池系统体积与成本的基础上解决燃料电池电压范围较大的问题。</p>

2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：

3、本专利技术为一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，包括空冷型质子交换膜燃料电池、燃料电池控制器、电路选择模块、dc/dc变换器，其操作包括如下步骤：

4、s1：燃料电池控制器接收到启动指令后，首选对燃料电池状态进行检测，当符合启动要求时，打开供气开关，并通过控制器内mos将燃料电池接入电路；

5、s2：电路选择模块开始读取燃料电池两端电压，在初始状态下，mos1默认打开，通过dc/dc转换器向用电负载供电；

6、s3：当用电负载处于低功耗状态下时，燃料电池输出电流较小，电堆电压较高，高电压值通过dc/dc变换器转换为低电压，处于用电负载可承受电压区间内，且由于整体输出功率较小，dc/dc的绝对损耗功率也较小；

7、s4：当用电负载功率需求不断增大，燃料电池输出电压开始快速降低，如果电路选择模块监测到燃料电池两端电压下降到v1时，电路选择模块开始执行电路切换动作，mos1关断，mos2打开，燃料电池直接接入总线，此时燃料电池电压等于总线电压，电路选择模块根据燃料电池两端电压维持mos开关状态；

8、s5：基于上述状态，当用电负载需求功率变小，燃料电池电压开始不断升高，当电池电压值升高到v2以上，电路选择模块执行电路切换动作，mos1打开，mos2关断，燃料电池通过dcdc向负载供电；

9、s6：电路选择模块切换电路的阈值电压v2大于v1，形成滞环控制，防止燃料电池运行时的电压波动引起电路选择模块的误动作；当上升电压阈值略高于下降电压阈值，形成滞环控制，以避免电路选择模块频繁切换电路。

10、优选地，所述空冷型质子交换膜燃料电池与燃料电池控制器、电路选择模块、dc/dc变换器依次相连，用于将化学能转换为电能，为用电负载提供电力；

11、优选地，所述燃料电池控制器包含监测、控制、保护三个主要功能，监测功能能够获得燃料电池的电压、电流、温度、压力等信息；控制功能主要控制燃料电池氢气的进入和排出、空气的供给和控制温度、燃料电池在从总线的接入和切出；保护功能主要负载故障分析、故障上报和故障保护；

12、优选地，所述电路选择模块与燃料电池控制器相连，主要包含一个电压选择芯片以及两个高边驱动mos开关，电压选择芯片监测燃料电池输出端的电压，并根据电压值向两个mos开关驱动器发送信号；其中一个mos开关与dc/dc相连，经dc/dc接入总线，另一个mos开关直接与总线相连，从而形成一个可选择的双通道电路，以维持总线电压的相对稳定；当电路选择模块监测到燃料电池输出电压高于用电负载所能承受的电压时，电路选择模块将燃料电池与dc/dc相连，dc/dc将燃料电池电压变换到用电负载能够承受的范围内；当燃料电池的输出电压处于用电负载的承受电压范围内时，电路选择模块将燃料电池与用电负载直连，从而避免了使用dc/dc带来的能量损耗，提升了系统效率；同时从燃料电池特性出发，燃料电池在高电压区间内，输出功率较小，选择dc/dc时只需满足该功率需求即可，能够极大的减小dc/dc的体积、重量和成本。

13、优选地，所述操作方法中还包括锂电池，所述锂电池与总线并联连接，与燃料电池共同组合为混合动力系统，提高整体系统的瞬时响应能力，当燃料电池功率不足时，辅助燃料电池供电，从而提高系统的峰值功率；当锂电池没电时，从燃料电池接受电能储存。

14、本专利技术具有以下有益效果：

15、本专利技术提出的控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，实现燃料电池系统输出电压范围变小，缩小了燃料电池系统中dc/dc的功率等级，更加适配于传统的用电负载，这都将使电堆体积更小、重量和成本更低，并能提升系统效率。

16、本专利技术方法避免了降压dc/dc可能出现的输入输出端电压差不足的问题，对于系统内dc/dc的选择范围更宽。

17、本专利技术中系统增设的锂电池，可以有效为燃料电池消峰填谷，同时电路切换的方式能够保证总线电压匹配锂电池的电压范围，在充电中不会出现过充、过压的问题。

18、当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，包括空冷型质子交换膜燃料电池、燃料电池控制器、电路选择模块、DC/DC变换器、锂电池和用电负载，所述控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述空冷型质子交换膜燃料电池与燃料电池控制器、电路选择模块、DC/DC变换器、用电负载依次相连，锂电池并联在用电负载两端。

3.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述空冷型质子交换膜燃料电池将反应的化学能转换为电能，通过燃料电池控制器接入电路选择模块。

4.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述电路选择模块根据燃料电池控制器输出端电压，即质子交换膜燃料电池两端电压选择电路，确定燃料电池通过DC/DC为负载供电或是直接向负载供电。

5.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述燃料电池控制

6.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述电路选择模块与燃料电池控制器相连，主要包含一个电压选择芯片以及两个高边驱动MOS开关，电压选择芯片监测燃料电池输出端的电压，并根据电压值向两个MOS开关驱动器发送信号。

7.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述DC/DC输入电压范围包含用电负载承受的最大电压值，输出电压小于电压阈值V1，DC/DC的最大输出功率大于P值。

8.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述锂电池并联在用电负载两端，当用电负载使用功率大于燃料电池提供的功率时，与燃料电池共同向负载提供电能，当锂电池低电量时，从燃料电池侧接收电能，同时，锂电池在电路切换的同时稳定用电侧的电压，防止电路切换不连贯引起的用电侧电压波动。

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【技术特征摘要】

1.一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，包括空冷型质子交换膜燃料电池、燃料电池控制器、电路选择模块、dc/dc变换器、锂电池和用电负载，所述控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述空冷型质子交换膜燃料电池与燃料电池控制器、电路选择模块、dc/dc变换器、用电负载依次相连，锂电池并联在用电负载两端。

4.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述电路选择模块根据燃料电池控制器输出端电压，即质子交换膜燃料电池两端电压选择电路，确定燃料电池通过dc/dc为负载供电或是直接向负载供电。

5.根据权利要求1所述的一种控制空冷型燃料电池系统输出工作电压范围的方法，其特征在于，所述燃料电池控制器包含监测、控制、保护三个主...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭凯峰，王谷城，高祖昌，刘泓吟，贾秋红，韩明，
申请(专利权)人：重庆创新燃料电池技术产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：

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