專利名稱：一種燃料電池控制系統(tǒng)及控制方法
一種燃料電池控制系統(tǒng)及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池控制系統(tǒng)，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池控制系 統(tǒng)，用于對燃料電池工作參數(shù)進行控制，以保證燃料電池的發(fā)電性能。背景技術：
燃料電池是由燃料和氧化劑產(chǎn)生電能的裝置，可以獲得高發(fā)電效率。燃料電池系統(tǒng)中，以高分子電解質(zhì)膜為中心，其兩側設置有陽極(ANODE) 和陰極(CATHODE),作為燃料的氫氣在上述陽極發(fā)生電化學還原反應，作 為氧化劑的氧氣在陰極發(fā)生電化學氧化反應，此時通過生成的電子的移動， 產(chǎn)生電能。以典型的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM燃料電池)為例，以氫氣為燃料， 在陽極反應中，氫氣經(jīng)由擴散層進入，借助催化層的催化劑如鉑金屬的催 化作用，將氫氣分解為氫質(zhì)子及電子，前者經(jīng)由質(zhì)子交換膜進入陰極反應 區(qū)，后者則經(jīng)由集電裝置向外部負載輸出，另一方面，氧氣經(jīng)由陰極側的 擴散層進入，借助催化層的催化劑如鉑金屬的催化反應作用將氧化分解， 并結合來自于質(zhì)子交換膜的氫質(zhì)子及來自集電裝置的電子，于陰極反應區(qū) 生成水。 一個PEM燃料電池系統(tǒng)通常由反應氣供應單元、PEM燃料電池單 體或多節(jié)串連或并聯(lián)燃料電池堆體、燃料電池控制器構成。燃料電池控制器根據(jù)負載對功率的要求，隨時調(diào)節(jié)反應氣流量、壓力， 以保證電化學反應有效地進行和反應產(chǎn)物水適時地排出，并且通過熱交換 將反應溫度控制到最佳度，對整個PEM燃料電池進行水管理及熱管理。由于工作溫度、反應氣壓力、反應氣濕度、反應氣流量及催化劑的活 性等參數(shù)都對PEM燃料電池發(fā)電性能有很大影響，且各種參數(shù)間數(shù)學關系 復雜。目前燃料電池控制系統(tǒng)組成方法如圖l所示，系統(tǒng)由作為被控對象 的燃料電池3、輸出參數(shù)量測單元4、控制器及控制策略單元l、執(zhí)行機構 2以及反饋通路5構成，量測單元4實時將燃料電池的輸出電壓、輸出電 流參數(shù)及其變化量通過反饋通道5反饋給控制器及控制策略單元1，控制 器及控制策略單元1預先存儲控制算法，算法為實現(xiàn)輸出量及其變化量關 于工作溫度、反應氣壓力、反應氣濕度、反應氣流量等主要參數(shù)的函數(shù)，
或者是工作溫度、反應氣壓力、反應氣濕度、反應氣流量等主要參數(shù)關于輸出量及其變化量的函數(shù)，利用執(zhí)行機構2實現(xiàn)函數(shù)功能，執(zhí)行機構2由 溫度控制、濕度控制、流量控制、壓力控制等子執(zhí)行機構組成，各子執(zhí)行 機構聯(lián)動，由控制器及控制策略單元1控制，從而實現(xiàn)工作溫度、反應氣 壓力、反應氣濕度、反應氣流量等參數(shù)的閉環(huán)控制。該控制系統(tǒng)保證了在 每個功率點燃料電池都具備高性能，然而閉環(huán)控制的方法造成了建立PEM 燃料電池控制系統(tǒng)數(shù)學模型的難度以及PEM燃料電池控制系統(tǒng)組成的復雜 化，而大量應用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡辨識等現(xiàn)代控制理論組建一個理想的 PEM燃料電池控制系統(tǒng)，各參數(shù)子執(zhí)行機構協(xié)同工作實現(xiàn)復雜函數(shù)，也使 得PEM燃料電池控制器成本大幅增加。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是為了解決上述問題，提出一種簡單、低成本的 燃料電池控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對燃料電池的工作參數(shù)的控制，保證燃料電池的 發(fā)電性能。本發(fā)明另一目的是提出一種燃料電池控制系統(tǒng)的控制方法，利用一種 簡單、低成本的電池控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對燃料電池的工作參數(shù)的控制，保證 燃料電池的發(fā)電性能。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種燃料電池控制系統(tǒng)，包括控制單元、 用于輸出被控燃料電池工作參數(shù)的至少一個參數(shù)控制執(zhí)行機構和量測單 元，所述量測單元用于與負載相連并監(jiān)測負載的輸入電特性，還包括存儲 單元和調(diào)節(jié)單元，所述存儲單元內(nèi)存儲有燃料電池的各個輸出電特性區(qū)間、 各個輸出電特性區(qū)間的優(yōu)選電特性點及與該優(yōu)選電特性點對應的第一工作 參數(shù)值，所述控制單元分別與量測單元、存儲單元、參數(shù)控制執(zhí)行機構和 調(diào)節(jié)單元連接，所述控制單元響應量測單元的輸出，將負載的輸入電特性 與存儲單元中的電池輸出電特性區(qū)間對比，確定出負載的輸入電特性所屬 的電池輸出電特性區(qū)間，讀取與該電池輸出電特性區(qū)間對應的優(yōu)選電特性 點和第一工作參數(shù)值，將負載的輸入電特性和優(yōu)選電特性點進行比較，根 據(jù)比較結果控制調(diào)節(jié)單元，以使燃料電池工作在優(yōu)選電特性點上，并按照 第一工作參數(shù)值輸出控制信號至參數(shù)控制執(zhí)行機構。燃料電池的輸出電特性包括燃料電池的輸出功率、輸出電壓、輸出電 流和阻抗。其中一個優(yōu)選的方案是采用燃料電池的輸出功率作為燃料電池 的輸出電特性，所述與該電池輸出電特性區(qū)間對應的優(yōu)選電特性點為優(yōu)選
功率點，所述負載的輸入電特性為負載所需功率，此時所述調(diào)節(jié)單元為功 率調(diào)節(jié)單元。所述量測單元用于監(jiān)測負載所需功率，所述存儲單元內(nèi)存儲 有燃料電池的各個輸出功率區(qū)間、各個輸出功率區(qū)間的優(yōu)選功率點及與該 優(yōu)選功率點對應的第一工作參數(shù)值，所述控制單元響應量測單元的輸出， 將負載所需功率與存儲單元中的輸出功率區(qū)間對比，確定出負載所需功率 所屬的功率區(qū)間，讀取與該功率區(qū)間對應的優(yōu)選功率點和第一工作參數(shù)值， 將負載所需功率和優(yōu)選功率點進行比較，根據(jù)比較結果控制功率調(diào)節(jié)單元， 以使燃料電池工作在優(yōu)選功率點上，并按照第一工作參數(shù)值輸出控制信號 至參數(shù)控制執(zhí)行機構。所述功率調(diào)節(jié)單元的一種組成方案是包括蓄電池和電源管理模塊，所述蓄電池的輸出端用于與燃料電池的輸出端并聯(lián)，所述電源管理模塊響應 控制單元輸出的控制信號，用于在負載所需功率大于優(yōu)選功率點時控制蓄 電池向負載放電、在負載所需功率小于優(yōu)選功率點時控制蓄電池充電。所述功率調(diào)節(jié)單元的另一種組成方案是包括附加負載和附加負載管理 模塊，所述附加負載用于串聯(lián)在燃料電池和負載組成的回路中，所述附加 負載管理模塊響應控制單元輸出的控制信號，用于在負載所需功率大于優(yōu) 選功率點時控制附加負載減小功率消耗、在負載所需功率小于優(yōu)選功率點 時控制附加負載增加功率消耗。本發(fā)明的進一步改進是:還包括用于監(jiān)測各工作參數(shù)的相應的傳感器， 所述控制單元響應傳感器輸出的第二工作參數(shù)值，根據(jù)第二工作參數(shù)值和 第一工作參數(shù)值的比較結果輸出相應的控制信號至相應的參數(shù)控制執(zhí)行機 構。所述量測單元優(yōu)選為功率計算單元。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種燃料電池控制系統(tǒng)的控制方法， 包括以下步驟-Al、檢測負載的輸入電特性；Bl、將負載的輸入電特性與預先存儲在存儲單元中的該燃料電池的輸 出電特性區(qū)間對比，確定出負載輸入電特性所屬的電特性區(qū)間；Cl、讀取預先存儲在存儲單元中的、與該電池輸出電特性區(qū)間對應的 優(yōu)選電特性點和與該優(yōu)選電特性點對應的第一工作參數(shù)值；Dl、將負載的輸入電特性和優(yōu)選電特性點進行比較，并根據(jù)比較結果 控制調(diào)節(jié)單元，以使燃料電池工作在優(yōu)選電特性點上；并按照第一工作參 數(shù)值輸出控制信號以控制參數(shù)控制執(zhí)行機構工作。
優(yōu)選方案是將電池的輸出功率作為電池輸出電特性，將與該功率區(qū)間 對應的優(yōu)選功率點作為優(yōu)選電特性點，將負載所需功率作為負載的輸入電 特性。其中，在步驟Dl之后還包括以下步驟-El、監(jiān)測當前各工作參數(shù)作為第二工作參數(shù)值；Fl、將第二工作參數(shù)值和第一工作參數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結果輸 出相應的控制信號至參數(shù)控制執(zhí)行機構，以調(diào)節(jié)參數(shù)控制執(zhí)行機構的輸出。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明充分利用燃料電池出廠時的測試數(shù)據(jù)組 建燃料電池控制系統(tǒng)，例如將燃料電池發(fā)電功率劃分為連續(xù)的功率段，各 功率段中選取功率點，并將功率區(qū)間、優(yōu)選功率點及其對應的工作參數(shù)值 存儲于燃料電池控制系統(tǒng)中，利用功率調(diào)節(jié)單元使燃料電池穩(wěn)定工作在所 選取的功率點上，利用數(shù)據(jù)存儲單元存儲的最佳控制參數(shù)，使燃料電池工作 在最佳控制參數(shù)上。本發(fā)明改變了現(xiàn)有燃料電池閉環(huán)控制系統(tǒng)組成方式， 功率反饋僅用于確定功率段及功率點，利用數(shù)據(jù)存儲單元存儲的最佳控制 參數(shù)，構成一種近似的開環(huán)控制系統(tǒng)，各參數(shù)執(zhí)行機構獨立工作，簡化了 燃料電池控制系統(tǒng)結構以及控制算法，降低了燃料電池控制器成本，并保 證了燃料電池最佳的發(fā)電性能，延長燃料電池使用壽命。本發(fā)明的特征及優(yōu)點將通過實施例結合附圖進行詳細說明。
圖1為現(xiàn)有技術中系統(tǒng)的燃料電池控制系統(tǒng)的結構圖； 圖2為本發(fā)明實施例一的燃料電池控制系統(tǒng)的結構圖； 圖3為本發(fā)明實施例一中功率調(diào)節(jié)單元的電路結構圖； 圖4為本發(fā)明實施例一的控制流程圖；圖5為本發(fā)明實施例二中的燃料電池控制系統(tǒng)的結構圖； 圖6為本發(fā)明實施例二中功率調(diào)節(jié)單元的電路結構圖。
具體實施方式通過大量燃料電池發(fā)電性能測試實驗表明，燃料電池性能與其工作溫 度、反應氣流量、反應氣壓力、反應氣濕度等參數(shù)緊密相關，燃料電池在 一特定的功率點對應一組最佳工作參數(shù)，最佳工作參數(shù)可以保證燃料電池 工作的性能和穩(wěn)定，而該特定的功率點對應的電池的輸出電流和輸出電壓 基本穩(wěn)定或在很小的一個范圍內(nèi)變化。燃料電池最佳工作參數(shù)可由測試實
驗獲得。下面以燃料電池的輸出功率作為控制參數(shù)為例進行說明。 在燃料電池測試時，通過觀察燃料電池的性能和穩(wěn)定狀態(tài)，將燃料電 池的輸出特性劃分為連續(xù)的幾個功率區(qū)間，在每個功率區(qū)間內(nèi)設定一優(yōu)選 功率點，該優(yōu)選功率點可通過觀察實驗數(shù)據(jù)得到，該優(yōu)選功率點對應一系 列控制系統(tǒng)主要工作參數(shù)的設定值，包括電池工作溫度、反應氣壓力、反 應氣流量、反應氣濕度等對電池性能構成主要影響的參數(shù)。具體實施例一、基于上述的研究結果，本實施例的控制系統(tǒng)組成結構框圖如圖2所示，包括由微處理器構成的燃料電池控制單元101、存儲工 作參數(shù)的存儲單元102、溫度控制執(zhí)行機構103、濕度控制執(zhí)行機構104、 壓力控制執(zhí)行機構105、流量控制執(zhí)行機構106、量測單元108和功率調(diào)節(jié) 單元。在該燃料電池作為成品進行出廠檢測時，將該燃料電池的輸出特性 劃分為若干連續(xù)的功率區(qū)間，將每個功率區(qū)間(即該區(qū)間功率的最大值和 最小值)、該功率區(qū)間對應的優(yōu)選功率點和該優(yōu)選功率點對應的一系列控制 系統(tǒng)的主要工作參數(shù)的設定值存儲在控制系統(tǒng)的存儲單元內(nèi)，通常工作參 數(shù)包括工作溫度、反應氣壓力、反應氣流量、反應氣濕度。存儲單元102 可以通過編程只讀存儲器芯片(EPR0M)實現(xiàn)；該數(shù)據(jù)存儲單元還可包括一 個EPR0M編程電路和接口 ，有助于電池維護時更新EPR0M內(nèi)數(shù)據(jù)。量測單元108可以為一個功率計算單元，其用來監(jiān)測負載111的所需 功率，即實時監(jiān)測負載lll的輸入電壓和輸入電流，計算負載所需功率， 負載所需功率數(shù)據(jù)反饋給控制單元101?？刂茊卧?01根據(jù)量測單元108 反饋的輸出功率，讀取存儲單元102所設定的功率區(qū)間數(shù)值，通過比較功 率區(qū)間的上、下限，確定當前負載所需功率對應的功率區(qū)間，讀取該功率 區(qū)間的優(yōu)選功率點和該優(yōu)選功率點對應的主要工作參數(shù)值，該主要工作參 數(shù)值即為第一工作參數(shù)值，控制單元101根據(jù)該第一工作參數(shù)值控制各參 數(shù)控制執(zhí)行機構，由各參數(shù)控制執(zhí)行機構實現(xiàn)控制參數(shù)在設定值處的穩(wěn)定。 同時控制單元101還控制燃料電池107工作在優(yōu)選功率點上，以保證燃料 電池107發(fā)電功率和工作參數(shù)的最佳配合。控制單元101根據(jù)量測單元108 監(jiān)測的負載111的所需功率，將負載111的所需功率和優(yōu)選功率點進行比 較，根據(jù)比較結果，通過功率調(diào)節(jié)單元控制燃料電池107工作在優(yōu)選功率 點上。功率調(diào)節(jié)單元包括蓄電池109和電源管理模塊110，蓄電池109的輸 出端與燃料電池107的輸出端并聯(lián)，電源管理模塊110用于控制蓄電池109 的工作狀態(tài)。蓄電池109通過電源管理模塊110并聯(lián)在燃料電池107兩 端，控制單元101根據(jù)所設定的功率點數(shù)值通過電源管理單元110控制 燃料電池107對蓄電池109進行充放電，系統(tǒng)負載111所需功率大于所 設定功率點功率時，控制單元101控制蓄電池109放電；系統(tǒng)負載111 所需功率小于所設定功率點功率時，控制單元101控制燃料電池107對 蓄電池109充電?？刂茊卧?01通過電源管理模塊110控制蓄電池109 的充放電狀態(tài),并通過比較量測單元108反饋的負載需求功率與所設定優(yōu) 選功率點功率，控制蓄電池109的充放電功率，使燃料電池107工作在所 設定的優(yōu)選功率點上。功率調(diào)節(jié)單元的一種組成電路如圖3所示，電源管理模塊包括充電限 流電路和放電限流電路；充電限流電路包括第一功率晶體管Q1、第一運算 放大器AR1、第二運算放大器AR2和第一采樣電阻RS1，第一運算放大器 AR1連接成差分放大器方式，第二運算放大器AR2連接成比較器方式，第 二運算放大器AR2響應控制單元101輸出的第一控制信號VREF1和第一運 算放大器AR1輸出的信號，其輸出端耦合到第一功率晶體管Q1的控制極， 第一功率晶體管Ql的兩個主電流導通極用于分別連接燃料電池107的正極 和第一采樣電阻RS1的一端，第一采樣電阻RS1的另一端耦合到蓄電池109 的正極，第一運算放大器AR1的兩個輸入端分別連接第一采樣電阻RS1的 兩端；放電限流電路包括第二功率晶體管Q2、第三運算放大器AR3、第四 運算放大器AR4和第二采樣電阻RS2，第三運算放大器AR3連接成差分放 大器方式，第四運算放大器AR4連接成比較器方式，第四運算放大器AR4 響應控制單元101輸出的第二控制信號VREF2和第三運算放大器AR3輸出 的信號，其輸出端耦合到第二功率晶體管Q2的控制極，第二功率晶體管 Q2的兩個主電流導通極分別連接燃料電池107的正極和第二采樣電阻RS2 的一端，第二采樣電阻RS2的另一端耦合到負載111，第三運算放大器AR3 兩個輸入端分別連接第二采樣電阻RS2的兩端。第一功率晶體管Ql和第二功率晶體管Q2可以是MOS管或三極管，用 于利用小信號進行電流控制。當?shù)谝还β示w管Ql和第二功率晶體管Q2 是MOS管時，MOS管的柵極為控制極，漏極和源極為兩個主電流導通極， 當?shù)谝还β示w管Ql和第二功率晶體管Q2是三極管時，三極管的基極為 控制極，集電極和發(fā)射極為兩個主電流導通極。MOS管或三極管作為功率 晶體管的連接方式為本領域技術人員所熟悉，所以不再描述。通過第一采樣電阻RS1采樣蓄電池109的充電電流，第一控制信號
VREF1為電壓信號，連接第二運算放大器AR2的同相端，第一采樣電阻RS1 采樣的電流電壓信號連接AR2反向端，實現(xiàn)恒流充電，充電電流為VREF1/ RS1。
通過第二采樣電阻RS2采樣蓄電池109的放電電流；第二控制信號 VREF2為電壓信號，連接第四運算放大器AR4的同相端，第二采樣電阻RS2 采樣的電流電壓信號連接第四運算放大器AR4的反向端，實現(xiàn)恒流放電， 放電電流為VREF2 / RS2。
因上述充電/放電限流電路為現(xiàn)有技術，其工作原理不再過多說明。 VREF1、 VREF2可通過控制單元101利用數(shù)字信號/模擬信號轉換芯片 發(fā)出，控制單元101通過比較系統(tǒng)負載功率和設定優(yōu)選功率點功率，改變 VREF1和VREF2的大小，即改變充電功率大小或放電功率大小，使燃料電 池107工作在設定的優(yōu)選功率點上。VREF1或VREF2為0時，即意味著關 閉蓄電池的充電限流電路或關閉蓄電池的放電限流電路，在控制單元確定 充放電狀態(tài)后，通過將VREF1或VREF2設置為0，單獨啟用充電限流電路 或單獨啟用放電限流電路。
上述實施例中，量測單元108也可以直接將負載111的輸入電壓、輸 入電流反饋到控制單元101，控制單元101根據(jù)輸入電壓、輸入電流計算 出負載所需功率。
為保證各參數(shù)控制執(zhí)行機構工作在第一工作參數(shù)值上，本實施例還增 加了相應的傳感器，傳感器將感應的各工作參數(shù)作為第二工作參數(shù)值反饋 到控制單元，控制單元將第二工作參數(shù)值和第一工作參數(shù)值進行比較，根 據(jù)比較結果輸出相應的控制信號至參數(shù)控制執(zhí)行機構，以調(diào)節(jié)參數(shù)控制執(zhí) 行機構的輸出，從而形成閉環(huán)控制。
下面以溫度控制為例說明本實施例的控制流程，流程圖如圖4所示， 包括以下步驟
在步驟SIO，控制單元通過功率檢測過程獲得當前輸出功率，然后執(zhí) 行步驟S12;
在步驟S12,控制單元讀取存儲單元，將輸出功率與功率區(qū)間設定值 進行比較，獲得輸出功率所屬的功率區(qū)間，進而獲得優(yōu)選的功率點，通過 蓄電池及電源管理模塊使燃料電池工作在該功率點，然后執(zhí)行步驟S14;
在步驟S14，控制單元讀取存儲單元，獲得燃料電池在該功率點最佳 工作溫度的設定值，然后執(zhí)行S16;
在步驟S16，控制單元內(nèi)部預先存儲溫度控制策略，以溫度設定值為
目標控制溫度執(zhí)行機構，然后執(zhí)行步驟S18;在步驟S18，將監(jiān)測的當前工作溫度與溫度設定值進行比較，如果當 前工作溫度大于溫度設定值，則執(zhí)行步驟S20，如果當前工作溫度小于溫 度設定值，則執(zhí)行步驟S22，如果當前工作溫度等于溫度設定值，則執(zhí)行 步驟S24;在步驟S20，控制溫度控制執(zhí)行機構降低溫度；在步驟S22,控制溫度控制執(zhí)行機構提高溫度；在步驟S24，控制溫度控制執(zhí)行機構穩(wěn)定溫度。其他參數(shù)的控制與溫度同理進行控制，各參數(shù)具有獨立的控制策略， 獨立的執(zhí)行機構。通過各工作參數(shù)的閉環(huán)控制，使工作參數(shù)保持在設定的 參數(shù)值上(即從存儲單元中讀取的第一工作參數(shù))，從而保證燃料電池的工 作環(huán)境，保證了燃料電池的發(fā)電性能?？刂茊卧獙Ω鲄?shù)控制執(zhí)行機構輸出的控制信號是PWM波，通過輸出 不同占空比的PWM波來調(diào)節(jié)參數(shù)控制執(zhí)行機構的輸出，從而調(diào)節(jié)各工作參 數(shù)。上述實施例中，燃料電池控制單元和存儲單元可集成在具有足夠存儲 空間的一個芯片內(nèi)，構成一個控制裝置。具體實施例二、與具體實施例一不同的是功率調(diào)節(jié)單元還可以通過如 圖5所示的方案實現(xiàn)。功率調(diào)節(jié)單元包括附加負載209和附加負載管理模塊210，附加負載 209串聯(lián)在燃料電池107和負載111組成的回路中，起功率消耗的作用。 控制單元101比較所設定的優(yōu)選功率點數(shù)值及系統(tǒng)負載功率，向附加負載 管理模塊210輸出控制信號，使附加負載管理模塊210在負載所需功率大 于優(yōu)選功率點時控制附加負載209減小功率消耗、在負載所需功率小于優(yōu) 選功率點時控制附加負載209增加功率消耗，從而使燃料電池107工作在 所設定的優(yōu)選功率點上。本實施例是在燃料電池107的放電回路放置限流電路，即將功率調(diào)節(jié) 單元作為限流電路，具體電路如圖6所示，附加負載為第三限流電阻RS3， 附加負載管理模塊210包括第三功率晶體管Q3、第五運算放大器AR5和第 六運算放大器AR6，第五運算放大器AR5連接成差分放大器方式，第六運 算放大器AR6連接成比較器方式，第六運算放大器AR6響應控制單元輸出 的第三控制.信號VREF3和第五運算放大器AR5輸出的信號，其輸出端耦合 到第三功率晶體管Q3的控制極，第三功率晶體管Q3的兩個主電流導通極
分別連接燃料電池107的正極和第三限流電阻RS3的一端，第三限流電阻 RS3的另一端耦合到負載lll，第五運算放大器AR5的兩個輸入端分別連接 第三限流電阻RS3的兩端。
第三功率晶體管Q3可以是M0S管或三極管，當?shù)谌β示w管Q3是 M0S管時，MOS管的柵極為控制極，漏極和源極為兩個主電流導通極，當?shù)?三功率晶體管Q3是三極管時，三極管的基極為控制極，集電極和發(fā)射極為 兩個主電流導通極。
通過第三限流電阻RS3采樣放電電流；第三控制信號VREF3是電壓信 號，連接第六運算放大器AR6的同相端，第三限流電阻RS3采樣的電流電 壓信號連接第六運算放大器AR6的反向端，實現(xiàn)恒流放電，放電電流為 VREF3 / RS3 。
VREF3可通過控制單元101利用數(shù)字信號/模擬信號轉換芯片發(fā)出， 控制單元101通過比較系統(tǒng)負載功率和設定功率點功率，改變VREF3的大 小，即改變?nèi)剂想姵胤烹姽β蚀笮?，使燃料電?07工作在設定的優(yōu)選功 率點上。
在確定功率點后，控制單元101發(fā)送各最佳工作參數(shù)值至相應參數(shù)控 制執(zhí)行機構，由各參數(shù)控制執(zhí)行機構實現(xiàn)工作參數(shù)在設定值處的穩(wěn)定?？?制流程如同實施例一所述。
實施例二在犧牲一定燃料電池發(fā)電效率但保證燃料電池穩(wěn)定工作的情 況下進一步降低燃料電池控制系統(tǒng)成本。
上述具體實施例描述的是一種包含數(shù)據(jù)存儲單元按功率大小分段式質(zhì) 子交換膜燃料電池控制系統(tǒng)組成方法。而實際使用中，由于燃料電池放電 功率的大小亦可以用燃料電池放電電流的大小或放電電壓的大小或燃料電 池的阻抗中來進行表征，因此本發(fā)明也可以按電流大小、電壓大小或阻抗 大小進行分段，監(jiān)測負載的相對應電特性，構建成使燃料電池穩(wěn)定在一定 的放電電流點或放電電壓點或阻抗點上的分段式燃料電池控制系統(tǒng)。
權利要求
1. 一種燃料電池控制系統(tǒng)，包括控制單元、用于輸出被控燃料電池工作參 數(shù)的至少一個參數(shù)控制執(zhí)行機構和量測單元，其特征在于所述量測單元 用于與負載相連并監(jiān)測負載的輸入電特性，還包括存儲單元和調(diào)節(jié)單元， 所述存儲單元內(nèi)存儲有燃料電池的各個輸出電特性區(qū)間、各個輸出電特性 區(qū)間的優(yōu)選電特性點及與該優(yōu)選電特性點對應的第一工作參數(shù)值，所述控 制單元分別與量測單元、存儲單元、參數(shù)控制執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)單元連接， 所述控制單元響應量測單元的輸出，將負載的輸入電特性與存儲單元中的 電池輸出電特性區(qū)間對比，確定出負載的輸入電特性所屬的電池輸出電特 性區(qū)間，讀取與該電池輸出電特性區(qū)間對應的優(yōu)選電特性點和第一工作參 數(shù)值，將負載的輸入電特性和優(yōu)選電特性點進行比較，根據(jù)比較結果控制 調(diào)節(jié)單元，以使燃料電池工作在優(yōu)選電特性點上，并按照第一工作參數(shù)值 輸出控制信號至參數(shù)控制執(zhí)行機構。
2. 如權利要求1所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于所述電池輸出電特性為電池的輸出功率，所述與該電池輸出電特性區(qū)間對應的優(yōu)選電特性點為優(yōu)選功率點，所述負載的輸入電特性為負載所需功率，所述調(diào)節(jié)單元 為功率調(diào)節(jié)單元。
3. 如權利要求2所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于所述功率調(diào)節(jié)單 元包括蓄電池和電源管理模塊，所述蓄電池的輸出端用于與燃料電池的輸 出端并聯(lián)，所述電源管理模塊響應控制單元輸出的控制信號，用于在負載 所需功率大于優(yōu)選功率點時控制蓄電池向負載放電、在負載所需功率小于 優(yōu)選功率點時控制蓄電池充電。
4. 如權利要求3所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于所述電源管理模 塊包括充電限流電路和放電限流電路；所述充電限流電路包括第一功率晶 體管、第一運算放大器、第二運算放大器和第一采樣電阻，所述第一運算 放大器連接成差分放大器方式，所述第二運算放大器連接成比較器方式， 所述第二運算放大器響應控制單元輸出的第一控制信號和第一運算放大 器輸出的信號，其輸出端耦合到第一功率晶體管的控制極，所述第一功率 晶體管的兩個主電流導通極用于分別連接燃料電池的正極和第一采樣電 阻的一端，所述第一采樣電阻的另一端耦合到蓄電池的正極，所述第一運 算放大器的兩個輸入端分別連接第一采樣電阻的兩端；所述放電限流電路包括第二功率晶體管、第三運算放大器、第四運算放大器和第二采樣電阻，所述第三運算放大器連接成差分放大器方式，所述第四運算放大器連接成比較器方式，所述第四運算放大器響應控制單元輸出的第二控制信號和第三運算放大器輸出的信號，其輸出端耦合到第二功率晶體管的控制極，所 述第二功率晶體管的兩個主電流導通極用于分別連接燃料電池的正極和第二采樣電阻的一端，所述第二采樣電阻的另一端用于耦合到負載，所述 第三運算放大器的兩個輸入端分別連接第二采樣電阻的兩端。
5. 如權利要求2所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于所述功率調(diào)節(jié)單元包括附加負載和附加負載管理模塊，所述附加負載用于串聯(lián)在燃料電池 和負載組成的回路中，所述附加負載管理模塊響應控制單元輸出的控制信 號，用于在負載所需功率大于優(yōu)選功率點時控制附加負載減小功率消耗、 在負載所需功率小于優(yōu)選功率點時控制附加負載增加功率消耗。
6. 如權利要求5所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于所述附加負載管 理模塊包括第三功率晶體管、第五運算放大器和第六運算放大器，所述第 五運算放大器連接成差分放大器方式，所述第六運算放大器連接成比較器 方式，所述第六運算放大器響應控制單元輸出的第三控制信號和第五運算 放大器輸出的信號，其輸出端耦合到第三功率晶體管的控制極，所述第三 功率晶體管的兩個主電流導通極用于分別連接燃料電池的正極和附加負 載的一端，所述附加負載的另一端用于耦合到負載，所述第五運算放大器 的兩個輸入端分別連接附加負載的兩端。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于還 包括用于監(jiān)測各工作參數(shù)的相應的傳感器，所述控制單元響應傳感器輸出 的第二工作參數(shù)值，根據(jù)第二工作參數(shù)值和第一工作參數(shù)值的比較結果輸 出相應的控制信號至相應的參數(shù)控制執(zhí)行機構。
8. —種燃料電池控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括以下步驟Al、檢測負載的輸入電特性；Bl、將負載的輸入電特性與預先存儲在存儲單元中的該燃料電池的輸 出電特性區(qū)間對比，確定出負載輸入電特性所屬的電特性區(qū)間；Cl、讀取預先存儲在存儲單元中的、與該電池輸出電特性區(qū)間對應的 優(yōu)選電特性點和與該優(yōu)選電特性點對應的第一工作參數(shù)值；Dl、將負載的輸入電特性和優(yōu)選電特性點進行比較，并根據(jù)比較結果 控制調(diào)節(jié)單元，以使燃料電池工作在優(yōu)選電特性點上；并按照第一工作參 數(shù)值輸出控制信號以控制參數(shù)控制執(zhí)行機構工作。
9. 如權利要求8所述的燃料電池控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于將電 池的輸出功率作為電池輸出電特性，將與該功率區(qū)間對應的優(yōu)選功率點作 為優(yōu)選電特性點，將負載所需功率作為負載的輸入電特性。
10. 如權利要求8或9所述的燃料電池控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于在步驟D1之后還包括以下步驟El、監(jiān)測當前各工作參數(shù)作為第二工作參數(shù)值；Fl、將第二工作參數(shù)值和第一工作參數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結果輸出相應的控制信號至參數(shù)控制執(zhí)行機構，以調(diào)節(jié)參數(shù)控制執(zhí)行機構的輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種燃料電池控制系統(tǒng)，包括控制單元、用于輸出被控燃料電池工作參數(shù)的至少一個參數(shù)控制執(zhí)行機構、量測單元、存儲單元和調(diào)節(jié)單元，量測單元用于與負載相連并監(jiān)測負載的輸入電特性，存儲單元內(nèi)存儲有燃料電池的各個輸出電特性區(qū)間、各個輸出電特性區(qū)間的優(yōu)選電特性點及與該優(yōu)選電特性點對應的第一工作參數(shù)值，控制單元分別與量測單元、存儲單元、參數(shù)控制執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)單元連接，控制單元響應量測單元的輸出，確定出優(yōu)選電特性點和第一工作參數(shù)值，并控制燃料電池工作在優(yōu)選電特性點上，并按照第一工作參數(shù)值輸出控制信號至參數(shù)控制執(zhí)行機構。本發(fā)明簡化了燃料電池控制系統(tǒng)及控制算法，降低了成本，保證了燃料電池的發(fā)電性能。
文檔編號H01M8/00GK101145615SQ20061006262
公開日2008年3月19日 申請日期2006年9月14日 優(yōu)先權日2006年9月14日
發(fā)明者振 張, 董俊卿, 趙志強 申請人:比亞迪股份有限公司