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CN114649552A - 一种燃料电池电力输出控制方法 - Google Patents

一种燃料电池电力输出控制方法 Download PDF

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CN114649552A CN202011494587.8A CN202011494587A CN114649552A CN 114649552 A CN114649552 A CN 114649552A CN 202011494587 A CN202011494587 A CN 202011494587A CN 114649552 A CN114649552 A CN 114649552A
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李晨阳
刘长鹏
葛君杰
梁亮
金钊
刘世伟
王晨
侯帅
张弘
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池电力输出控制方法，属于燃料电池电力输出控制领域。本发明的燃料电池电力输出控制方法通过检测外部负载电力需求，分配电堆为负载供电，进而在满足负载的电压及功率需求的同时，利用负载的电力需求调节燃料电池的发电电压，使其保持在最优发电电压区间。本发明的燃料电池电力输出控制方法，它能够依赖少量的外部器件实现燃料电池高转换效率的稳压电力输出，且针对燃料电池的功率输出特点，调节燃料电池使其始终保持在最优的工作电压区间，发挥燃料电池最大的发电能力。本发明的燃料电池电力输出控制方法，它能够在低损耗的前提下，实现燃料电池的稳压输出，且方法简单，易于实现，是替代目前DC‑DC技术的最佳选择。

Description

一种燃料电池电力输出控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池电力输出控制领域，具体涉及一种直接甲醇燃料电池、氢氧燃料电池等相关的固体聚合物燃料电池电力输出控制方法。
背景技术
燃料电池电堆由多个单片燃料电池串联组成，串联的装配方法一方面是利于阴阳极物料传输，一方面是为了提升燃料电池发电的电压，使其便于应用与转化。仅仅单片燃料电池的电压在发电过程中就有很大变化，例如直接甲醇燃料电池的理论单片电压值为1.2V，通常没有负载时开路电压为0.9-1V，然而在应用过程中通常最优工作电压区间为0.35V-0.4V，在对电堆没有损害的情况下电池可以长时间工作在0.3V，单片电压变化量在开路65％左右，也就是说如果单片燃料电池最优应用电压为0.35V，而在负载没有接入时电堆电压可能为1V，对于100片的燃料电池电堆，其应用电压在35V，而开路电压为100V，这样大的电压差距会对用电器造成高压击穿等致命损伤，所以人们采用外部接入DC-DC直流稳压电路来对燃料电池进行电压变换，以便外部电器的应用。
DC-DC模块的转换效率受到电压跨度的影响，即输入电压与输出电压越接近转换效率越高，目前常规的DC-DC模块在输入输出电压一致的前提下通常也只有90％左右的转换效率，然而在燃料电池这种大电流发电装置，且输入电压范围很大的应用场合，针对这种特殊的需求所设计的DC-DC模块转化效率也会更低，通常转化效率也只能达到85％，这就对燃料电池产生的电能造成了极大的浪费。
对于燃料电池来说，最优的工作电压条件能够使其在消耗等量的燃料时产生最大的电能，达到最大的燃料转化效率，在实际应用过程中，由于外部负载是变化的，很难将燃料电池电压保持，一旦负载的功率需求产生变化，燃料电池的电压和功率也会随之变化，造成燃料转化效率降低。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种燃料电池电力输出控制方法，该控制方法能够依赖少量的外部器件实现燃料电池高转换效率的稳压电力输出，且针对燃料电池的功率输出特点，调节燃料电池使其始终保持在最优的工作电压区间，发挥燃料电池最大的发电能力。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种燃料电池电力输出控制方法，该控制方法适用的燃料电池电源系统包含：多个并联的燃料电池电堆、启动过程中使用的二次电源、进行数据采样和程序执行的微控制器、及开关电路；所述多个并联的燃料电池电堆可以单独对外部负载供电也能够选择其中几个共同对外供电；所述二次电源为燃料电池电源系统启动提供电能并配合所述燃料电池电堆使用；所述微控制器负责读取外部负载的用电信息，并根据程序设定调配相应的燃料电池电堆对外部负载供电；所述开关电路负责执行所述微控制器指令，决定燃料电池电堆是否接入供电电路以及二次电源充放电状态；
所述燃料电池电力输出控制方法包括以下步骤：
首先程序开始，由微控制器读取外部负载信息，在没有外部负载的情况下，系统会保持不变；当有外部负载接入时，微控制器会启动一个燃料电池电堆对外供电，并进入以下的判断程序：
(1)当燃料电池电堆供电电压正好在电堆的最优输出电压区间内，则说明单个燃料电池电堆已满足现有负载的电力需求，则可以使用单一燃料电池电堆对外供电，则程序会保持在当下步骤，并同时监测外部负载的状态及时做出判断；
(2)当燃料电池电堆电压高于最优电压区间，则说明燃料电池电堆的发电能力大于当前外部负载的需求，这时会同时接入二次电源，通过燃料电池电堆给二次电源充电来拉低燃料电池电堆电压使电堆仍然工作在最优电压区间，同时微控制器也会读取二次电源的电量，并做出判断；如果二次电源电量不足，则燃料电池电堆继续为二次电源充电，并重新判定燃料电池电堆电压；如果二次电源充满，则关闭燃料电池电堆使用二次电源对外部负载放电，这时持续放电或者外部负载的变化都会导致二次电源电量不足，一旦检测到二次电源电量不足，程序会重新回到负载接入的步骤，并开启一个燃料电池电堆；
(3)当燃料电池电堆电压低于最优电压区间，则说明单个燃料电池电堆不足以提供外部负载所需要的电能，这时微控制器会通过并联方式增加对外供电的燃料电池电堆，并对二者的电压进行判定，如果仍然低于最优电压区间则微控制器会继续增加供电燃料电池电堆，直到燃料电池电堆电压工作在最优供电区间；
在后续运行中，由于外部负载的变化，燃料电池电堆的电压可能会高于最优电压区间，微控制器也会对此做出判定，并逐步减少对外供电的燃料电池电堆，直到只剩一个燃料电池电堆对外供电时，程序回到最初的对三种结果的判定。
在上述技术方案中，本发明的电力输出控制方法适用于固体聚合物燃料电池的电源系统的电力输出控制。
在上述技术方案中，本发明的电力输出控制方法适用于醇类燃料电池或氢氧燃料电池的电源系统的电力输出控制。
在上述技术方案中，多个并联的所述燃料电池电堆的并联形式可以是电堆结构上并联，也可以是电路结构上的并联。
在上述技术方案中，所述燃料电池电堆为10组并联组合，每一组均为100片单电池。
在上述技术方案中，所述二次电源为锂离子电池。
在上述技术方案中，所述开关电路为CMOS。
本发明的有益效果是：
本发明的燃料电池电力输出控制方法，该方法通过检测外部负载电力需求，分配电堆为负载供电，进而在满足负载的电压及功率需求的同时，利用负载的电力需求调节燃料电池的发电电压，使其保持在最优发电电压区间。
本发明的燃料电池电力输出控制方法，它能够依赖少量的外部器件实现燃料电池高转换效率的稳压电力输出，且针对燃料电池的功率输出特点，调节燃料电池使其始终保持在最优的工作电压区间，发挥燃料电池最大的发电能力。
本发明的燃料电池电力输出控制方法，它能够在低损耗的前提下，实现燃料电池的稳压输出，且方法简单，易于实现，是替代目前DC-DC技术的最佳选择。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的燃料电池电力输出控制方法适用的燃料电池电源系统结构示意图。
图2为本发明的燃料电池电力输出控制方法的流程图。
具体实施方式
本发明的发明思想为：燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的发电装置，是未来清洁能源的重要研究方向。在化学能转化为电能的同时，由于其固有的特点，所产生电能的电流电压等参数会根据负载的变化产生很大波动，不能直接为外部负载所使用，这样就需要通过外部直流稳压装置DC-DC来实现对外稳定供电，然而DC-DC的稳压变换会产生很大的电能损耗，这使燃料电池的电源系统的发电效率大打折扣。因此本发明提供了一种燃料电池电力输出控制方法，它能够在低损耗的前提下，实现燃料电池的稳压输出，且方法简单，易于实现，是替代目前DC-DC技术的最佳选择。
本发明提供的一种燃料电池电力输出控制方法，该方法通过检测外部负载电力需求，分配电堆为负载供电，进而在满足负载的电压及功率需求的同时，利用负载的电力需求调节燃料电池的发电电压，使其保持在最优发电电压区间。
该控制方法适用的燃料电池电源系统包含：多个并联的燃料电池电堆、启动过程中使用的二次电源、进行数据采样和程序执行的微控制器、及开关电路；
所述多个并联的燃料电池电堆可以单独对外部负载供电也能够选择其中几个共同对外供电，多个燃料电池电堆的并联形式可以是电堆结构上并联，也可以是电路结构上的并联；
所述二次电源为用于燃料电池电源系统启动，为其提供电能，能够多次反复充放电，并配合所述燃料电池电堆使用；优选为锂离子电池；
所述微控制器负责读取外部负载的用电信息，并根据程序设定调配相应的燃料电池电堆对外部负载供电；所述微控制器能够对电压、电流等关键数据进行准确快速的取样，并根据既定的控制程序做出判断，并对开关电路发出指令。
所述开关电路负责执行所述微控制器指令，决定燃料电池电堆是否接入供电电路以及二次电源充放电状态；所述开关电路能够高速执行微控制器所发出的指令。
所述燃料电池电力输出控制方法包括以下步骤：
首先燃料电池由多个单独的燃料电池电堆发电单元组成，每个单独的发电单元都由微控制器来控制其是否并联到对外部负载供电的电路中，同时微控制器实时读取外部负载的接入情况，一旦有外部负载接入，微控制器会接通一个单独供电燃料电池电堆为其供电，并进入以下的判断程序。
(1)当燃料电池电堆供电电压正好在电堆的最优输出电压区间内，则说明单个燃料电池电堆已满足现有负载的电力需求，则可以使用单一燃料电池电堆对外供电，则程序会保持在当下步骤，并同时监测外部负载的状态及时做出判断；
(2)当燃料电池电堆电压高于最优电压区间，则说明燃料电池电堆的发电能力大于当前外部负载的需求，这时会同时接入二次电源，通过燃料电池电堆给二次电源充电来拉低燃料电池电堆电压使电堆仍然工作在最优电压区间，这样燃料电池电堆不仅可以工作在最优电压区间，并且将所产生的电能存储在二次电源中，在今后的运行中使用，一旦二次电源和外部负载电力需求都不足以把燃料电池电堆电压拉低到最优电压区间，则说明二次电源已经接近充满，这时关闭燃料电池电堆，使用二次电源为外部负载供电，待二次电源充电和外部负载的电力需求能够拉低燃料电池电堆至最优电压区间时，重新将燃料电池电堆接入到供电电路中；
(3)当燃料电池电堆电压低于最优电压区间，则说明单个燃料电池电堆不足以提供外部负载所需要的电能，这时微控制器会通过并联方式增加对外供电的燃料电池电堆，并对二者的电压进行判定，如果仍然低于最优电压区间则微控制器会继续增加供电燃料电池电堆，直到燃料电池电堆电压工作在最优供电区间，每增加一个电堆执行一次判断程序；
(4)在多个燃料电池电堆供电时，由于外部负载的变化，燃料电池电堆电压高于最优电压区间，则说明外部负载的电能需求在降低，微控制器也会对此做出判定，这时逐个减少供电燃料电池电堆的数量，直到只剩一个燃料电池电堆对外供电时，程序回到最初的对三种结果的判定，每减少一个燃料电池电堆执行一次判断程序。
由于微控制器的处理速度和外部开关器件的相应速度都是微秒级的，所以很快就能达到稳定输出。
本发明的燃料电池电力输出控制方法适用于固体聚合物燃料电池的电源系统的电力输出控制，特别适用于醇类燃料电池或氢氧燃料电池的电源系统的电力输出控制。
实施例
如图1所示：本发明提供的一种燃料电池电力输出控制方法，其适用的燃料电池电源系统包含：多个并联的燃料电池电堆、启动过程中使用的二次电源、进行数据采样和程序执行的微控制器、及开关电路；燃料电池电源系统中有多个燃料电池电堆并联，微控制器负责读取外部负载的用电信息，并根据程序设定调配相应的燃料电池电堆对外部负载供电，二次电源为系统启动提供电能，并配合电堆使用，为使燃料电池电堆高效工作在最佳工作电压区间提供帮助。开关电路则负责执行微控制器指令，决定燃料电池电堆是否接入供电电路以及二次电源充放电状态。其中多个燃料电池电堆均为并联使用，微控制器会轮流启动燃料电池电堆对外放电，防止某个或者某部分的燃料电池电堆过度使用造成不均衡的性能衰减。
结合图2具体说明本发明的燃料电池电力输出控制方法，包括以下步骤：
首先程序开始，由微控制器读取外部负载信息，在没有外部负载的情况下，系统会保持不变；当有外部负载接入时，微控制器会启动一个燃料电池电堆对外供电，对外供电时燃料电池电压会有三种可能的变化，这时程序会对三种结果进行判定，分别如下：
(1)当燃料电池电堆运行在最优电压区间，则程序会保持在当下步骤，并不断进行电压读取判定；
(2)当燃料电池电堆电压高于最优放电区间时，燃料电池在为负载供电的同时为二次电源充电，以保持在最优电压区间，同时微控制器也会读取二次电源的电量，并做出判断，如果二次电源电量不足，则燃料电池电堆继续为二次电源充电，并重新判定燃料电池电堆电压；如果二次电源充满，则关闭燃料电池电堆使用二次电源对外部负载放电，这时持续放电或者外部负载的变化都会导致二次电源电量不足，一旦检测到二次电源电量不足，程序会重新回到负载接入的步骤，并开启一个燃料电池电堆；
(3)当燃料电池电堆电压低于最优电压区间，表明单个燃料电池电堆不足以满足外部负载的需求，这时微控制器会增加一个供电燃料电池电堆，并对二者的电压进行判定，如果仍然低于最优电压区间则微控制器会继续增加供电燃料电池电堆，直到燃料电池电堆电压工作在最优供电区间。
之后，在运行中，由于外部负载的变化，燃料电池电堆的电压可能会高于最优电压区间，微控制器也会对此做出判定，并逐步减少对外供电的燃料电池电堆，直到只剩一个燃料电池电堆对外供电时，程序回到最初的对三种结果的判定。
对于膜电极面积50mm*70mm，由100片单电池组成的直接甲醇燃料电池电堆为发电单元的直接甲醇燃料电池系统，最优发电区间为单片0.35V-0.4V，在最优发电区间可发电4.2W，发电电流约为12A左右，共发电420W，由于电堆不能一直处于最优电压区间，因此发电功率不会保持在420W，通常在380-400W之间，通过二极管整流压降0.3V，再使用DC-DC做电压转换损耗15％，采用DC-DC模式电堆的实际可用功率约为303.5W，转换效率约为72.2％。
采用本发明的方法，将电堆分为10组并联组合，每一组均为100片，只是膜电极面积变为原来的十分之一，电堆总的发电膜电极面积不变，最优总功率依然为420W，本发明的方法可将电堆功率保持在400-410W之间，同样通过二极管整流压降0.3V，使用毫欧级内阻的高速CMOS作为开关电路，在开关电路上几乎没有损耗，实际可用功率约为370W，转换效率约为88.1％。
本发明的燃料电池电力输出控制方法，它能够依赖少量的外部器件实现燃料电池高转换效率的稳压电力输出，且针对燃料电池的功率输出特点，调节燃料电池使其始终保持在最优的工作电压区间，发挥燃料电池最大的发电能力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种燃料电池电力输出控制方法，其特征在于，该控制方法适用的燃料电池电源系统包含：多个并联的燃料电池电堆、启动过程中使用的二次电源、进行数据采样和程序执行的微控制器、及开关电路；所述多个并联的燃料电池电堆可以单独对外部负载供电也能够选择其中几个共同对外供电；所述二次电源为燃料电池电源系统启动提供电能并配合所述燃料电池电堆使用；所述微控制器负责读取外部负载的用电信息，并根据程序设定调配相应的燃料电池电堆对外部负载供电；所述开关电路负责执行所述微控制器指令，决定燃料电池电堆是否接入供电电路以及二次电源充放电状态；
所述燃料电池电力输出控制方法包括以下步骤：
首先程序开始，由微控制器读取外部负载信息，在没有外部负载的情况下，系统会保持不变；当有外部负载接入时，微控制器会启动一个燃料电池电堆对外供电，并进入以下的判断程序：
(1)当燃料电池电堆供电电压正好在电堆的最优输出电压区间内，则说明单个燃料电池电堆已满足现有负载的电力需求，则可以使用单一燃料电池电堆对外供电，则程序会保持在当下步骤，并同时监测外部负载的状态及时做出判断；
(2)当燃料电池电堆电压高于最优电压区间，则说明燃料电池电堆的发电能力大于当前外部负载的需求，这时会同时接入二次电源，通过燃料电池电堆给二次电源充电来拉低燃料电池电堆电压使电堆仍然工作在最优电压区间，同时微控制器也会读取二次电源的电量，并做出判断；如果二次电源电量不足，则燃料电池电堆继续为二次电源充电，并重新判定燃料电池电堆电压；如果二次电源充满，则关闭燃料电池电堆使用二次电源对外部负载放电，这时持续放电或者外部负载的变化都会导致二次电源电量不足，一旦检测到二次电源电量不足，程序会重新回到负载接入的步骤，并开启一个燃料电池电堆；
(3)当燃料电池电堆电压低于最优电压区间，则说明单个燃料电池电堆不足以提供外部负载所需要的电能，这时微控制器会通过并联方式增加对外供电的燃料电池电堆，并对二者的电压进行判定，如果仍然低于最优电压区间则微控制器会继续增加供电燃料电池电堆，直到燃料电池电堆电压工作在最优供电区间；
在后续运行中，由于外部负载的变化，燃料电池电堆的电压可能会高于最优电压区间，微控制器也会对此做出判定，并逐步减少对外供电的燃料电池电堆，直到只剩一个燃料电池电堆对外供电时，程序回到最初的对三种结果的判定。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电力输出控制方法，其特征在于，其适用于固体聚合物燃料电池的电源系统的电力输出控制。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电力输出控制方法，其特征在于，其适用于醇类燃料电池或氢氧燃料电池的电源系统的电力输出控制。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电力输出控制方法，其特征在于，多个并联的所述燃料电池电堆的并联形式可以是电堆结构上并联，也可以是电路结构上的并联。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电力输出控制方法，其特征在于，所述燃料电池电堆为10组并联组合，每一组均为100片单电池。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电力输出控制方法，其特征在于，所述二次电源为锂离子电池。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电力输出控制方法，其特征在于，所述开关电路为CMOS。
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