一种燃料电池电堆保护方法、装置和燃料电池供电系统

摘要

本发明提供一种燃料电池电堆保护方法、装置和燃料电池供电系统，方法包括：判断燃料电池是否出现抛负载故障；当燃料电池出现抛负载故障时，控制与所述燃料电池中DC‑DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC‑DC电路进行放电。当燃料电池出现抛负载故障时，控制燃料电池中DC‑DC电路输出端相连的卸放电路开启，对DC‑DC电路进行放电，使得所述燃料电池中DC‑DC电路能够继续输出电流，从而防止了燃料电池电堆的电压因抛负载故障而骤然升高，解决了抛负载故障对所述电堆造成的损坏。

说明书

技术领域

本发明涉及系能源汽车技术领域，具体涉及一种燃料电池电动汽车高压电路抛负载后燃料电池电堆保护方法、装置和燃料电池供电系统。

背景技术

燃料电池电动汽车( FCV) 是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较, 其动力方面的不同在于FCV 用的电力来自车载燃料电池装置, 电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此，FCV 的关键是燃料电池，燃料电池的好坏直接影响到燃料电池电动汽车的性能。

抛负载故障是现有电子电路中经常出现的故障之一，抛负载故障的类型多种多样，电路的类型不同，所对应的抛负载故障的表现形式也就不同，具体定义和描述请参见汽车试验标准ISO7637。在燃料电池电动汽车中，电动汽车动力系统在发生意外断高压电时，BMS配电单元和多合一控制单元中的继电器断开，会切断燃料电池的电堆与整车直流母线之间的连接，导致电堆出现抛负载故障。在现有技术方案中，当燃料电池的电堆系统出现抛负载故障后，只能对电堆进行紧急停机处理，但是，对电堆进行紧急停机会造成电堆出现性能衰减，影响电堆的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种燃料电池电堆保护方法、装置和燃料电池供电系统，以实现当燃料电池出现抛负载故障时，对燃料电池中的电堆进行保护。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种燃料电池电堆保护方法，包括：

判断燃料电池是否出现抛负载故障；

当燃料电池出现抛负载故障时，控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电。

可选的，上述燃料电池电堆保护方法中，所述控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电，包括：

获取所述燃料电池出现抛负载故障之前的输出功率，记为目标功率；

控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路开启，并依据所述输出功率调节所述DC-DC电路的输出电压，以使得所述卸放电路的卸放功率为所述目标功率。

可选的，上述燃料电池电堆保护方法中，控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电之后，还包括：

依据第一预设梯度降低注入燃料电池的燃料量；

依据第二预设梯度降低所述燃料电池中DC-DC电路的输出电压。

可选的，上述燃料电池电堆保护方法中，依据第二预设梯度降低所述燃料电池中DC-DC电路的输出电压之前，还包括：

基于预设梯度映射列表，获取与所述第一预设梯度相匹配的第二预设梯度，所述预设梯度映射列表中存储有所述第一预设梯度与第二预设梯度之间的映射关系。

可选的，上述燃料电池电堆保护方法中，控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电之后，还包括：

实时监测所述卸放电路的卸放功率，当检测到所述卸放电路的卸放功率下降至预设安全阈值时，关闭所述卸放电路，控制所述燃料电池中的电堆预充单元关闭。

一种燃料电池电堆保护装置，包括：

故障检测单元，用于判断燃料电池是否出现抛负载故障；

卸放控制单元，用于当燃料电池出现抛负载故障时，控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电。

可选的，上述燃料电池电堆保护装置中，所述卸放控制单元，具体用于：获取所述燃料电池出现抛负载故障之前的输出功率，记为目标功率；控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路开启，并依据所述输出功率调节所述DC-DC电路的输出电压，以使得所述卸放电路的卸放功率为所述目标功率。

可选的，上述燃料电池电堆保护装置中，还包括：

燃料调整单元，用于：依据第一预设梯度降低注入燃料电池的燃料量；依据第二预设梯度降低所述燃料电池中DC-DC电路的输出电压。

可选的，上述燃料电池电堆保护装置中，燃料调整单元在依据第二预设梯度降低所述燃料电池中DC-DC电路的输出电压之前，还用于：

基于预设梯度映射列表，获取与所述第一预设梯度相匹配的第二预设梯度，所述预设梯度映射列表中存储有所述第一预设梯度与第二预设梯度之间的映射关系。

可选的，上述燃料电池电堆保护装置中，所述卸放控制单元，还用于：

实时监测所述卸放电路的卸放功率，当检测到所述卸放电路的卸放功率下降至预设安全阈值时，关闭所述卸放电路，控制所述燃料电池中的电堆预充单元关闭。

一种燃料电池供电系统，包括燃料电池控制器，所述燃料电池控制器应用有权利要求6-10任意一项所述的燃料电池电堆保护装置。

基于上述技术方案，本发明实施例提供的上述方案，当燃料电池出现抛负载故障时，控制燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路开启，对DC-DC电路进行放电，使得所述燃料电池中DC-DC电路能够继续输出电流，从而防止了燃料电池电堆的电压因抛负载故障而骤然升高，解决了抛负载故障对所述电堆造成的损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种燃料电池电堆保护方法的流程示意图；

图2为本申请另一实施例公开的一种燃料电池电堆保护方法的流程示意图；

图3为本申请又一实施例公开的一种燃料电池电堆保护方法的流程示意图；

图4为本申请再一实施例公开的一种燃料电池电堆保护方法的流程示意图；

图5为本申请实施例公开的一种燃料电池电堆保护装置的结构示意图；

图6为本申请实施例公开的燃料电池供电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了防止燃料电池出现抛负载故障时，对电堆造成损坏，本申请公开了一种燃料电池电堆保护方法，以对燃料电池电堆进行保护，该燃料电池中的DC-DC电路的输出端连接有卸放电路，所述卸放电路的输入端与所述DC-DC电路的正输出端相连，所述卸放电路的输出端与所述DC-DC电路的负输出端相连，该方法可以应用于所述燃料电池的燃料电池控制器中，参见图1，方法包括：

步骤S101：获取所述燃料电池的运行数据；

所述燃料电池的运行数据为用于检测燃料电池是否出现抛负载故障的运行数据，例如，其可以包括所述燃料电池中的DC-DC电路输出端输出的电流信号，当所述DC-DC电路输出端输出的电流出现骤降时，表明所述燃料电池出现抛负载故障，所述骤降，可以指的是，当前时刻所述DC-DC电路输出端输出的电流与上一时刻所述DC-DC电路输出端输出的电流的差值大于设定电流差值。

步骤S102：基于所述运行数据判断燃料电池是否出现抛负载故障，当燃料电池出现抛负载故障时，执行步骤S103；

当所述运行数据为上述DC-DC电路输出端输出的电流时，判断所述DC-DC电路输出端输出的电流是否出现骤降，如果出现骤降，则表明燃料电池出现抛负载故障，执行步骤S103，否则，继续对所述DC-DC电路输出端输出的电流进行监控。

步骤S103：控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电；

在本申请实施例公开的技术方案中，当监控到燃料电池出现抛负载故障时，控制连接在所述DC-DC电路输出端的卸放电路开启，通过所述卸放电路对所述DC-DC电路进行放电，以消耗所述DC-DC电路输出的电能，从而防止了燃料电池电堆的电压骤然升高。

通过上述方案可见，本申请通过燃料电池的运行数据对所述燃料电池的工况进行分析，当其出现抛负载故障时，控制燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路开启，对DC-DC电路进行放电，使得所述燃料电池中DC-DC电路能够继续输出电流，从而防止了燃料电池电堆的电压因抛负载故障而骤然升高，解决了抛负载故障对所述电堆造成的损坏。

所述卸放电路的卸放功率取决于所述DC-DC电路的输出电压U以及所述卸放电路的等效电阻R，即卸放电路的卸放功率为U²/R，因此，可以通过调节所述调节DC-DC的输出电压U或者是调节所述卸放电路的等效电阻R的方式来调节所述卸放电路的卸放电压，使得所述卸放电压与所述燃料电池在发生抛负载故障之前的输出电压相一致，使得电堆的输出电压变化最小，从而在最大程度上降低抛负载故障对电堆带来的损坏，有效保护了电堆，针对于此，本申请上述实施例技术方案中，所述控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电，包括：

步骤S201：获取所述燃料电池出现抛负载故障之前的输出功率，记为目标功率；

在本步骤中，通过所述燃料电池出现抛负载故障之前的运行数据计算得到所述燃料电池抛负载故障之前的输出功率，将该输出功率记为所述泄放电路的目标功率；

步骤S202：控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路开启；

当所述卸放电路开启以后，DC-DC电路的输出电流流入所述卸放电路，在所述卸放电路的电阻上被消耗掉；

步骤S203：依据所述输出功率调节所述DC-DC电路的输出电压，以使得所述卸放电路的卸放功率为所述目标功率；

本步骤中，为了使得所述燃料电池的输出功率与抛负载故障之前的输出功率相一致，本申请可以通过调节所述DC-DC电路的输出电压的方式增大或减小所述卸放电路的卸放功率，以使得所述卸放电路的卸放功率为所述目标功率，当然，也可以通过调节所述卸放电路的等效电阻的方式调节所述卸放电路的卸放功率。

在本申请实施例公开的技术方案中，当检测到燃料电池出现抛负载故障以后，为了降低能源浪费，还需要逐步降低所述燃料电池的燃料供应量，最终使得所述燃料电池停止工作，具体的，参见图3，上述方案中，在控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电之后，还包括：

步骤S301：依据第一预设梯度降低注入燃料电池的燃料量；

步骤S302：依据第二预设梯度降低所述燃料电池中DC-DC电路的输出电压。

其中，所述第一预设梯度和第二预设梯度可以为用户预先设置的，其大小依据设计需求而定。当然，所述注入燃料电池的燃料量不同，所述燃料电池DC-DC电路输出端所允许输出的电压值也就不同，针对于此，所述第二预设梯度的值也可以依据所述第一预设梯度的值而定，即，上述方法中在依据第二预设梯度降低所述燃料电池中DC-DC电路的输出电压之前，还包括：

基于预设梯度映射列表，获取与所述第一预设梯度相匹配的第二预设梯度，所述预设梯度映射列表中存储有所述第一预设梯度与第二预设梯度之间的映射关系，该预设映射关系是预先建立的，在已知所述第一预设梯度的基础上，通过查找所述预设梯度映射列表即可得到所述第二预设梯度。

在本申请上述实施例公开的技术方案中，当所述燃料电池的输出功率下降到安全阈值一下时，就可以关闭所述燃料电池工作了，此时，关闭燃料电池并不会对燃料电池的寿命产生影响，又由于，所述卸放电路的卸放功率能够表征所述燃料电池的输出功率，因此，可以通过检测卸放功率来判断是否可以关闭燃料电池，具体的，参见图4，上述方法中，控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电之后，还可以包括：

步骤S401：实时监测所述卸放电路的卸放功率；

所述泄放功率可以基于DC-DC电路的输出电压以及卸放电路的等效电阻的阻值计算得到。

步骤S402：判断所述卸放功率是否大于预设安全阈值，当检测到所述卸放电路的卸放功率下降至预设安全阈值时，执行步骤S403；

步骤S403：关闭所述卸放电路，控制所述燃料电池中的电堆预充单元关闭。

其中，上述方案中，所述预设安全阈值的大小依据用户需求自行设定，进一步的，其还可以依据所述燃料电池的老化程度自行调节，这是因为，燃料电池的老化程度越大，当关闭所述燃料电池时，燃料电池内的电流对其冲击强度越大，因此，就全新的燃料电池和已经使用过一段时间的燃料电池而言，在关闭燃料电池时，如果两者采用同一预设安全阈值，则燃料电池在关闭时，已经使用过一段时间的燃料电池所带来的损伤较大，而全新的燃料电池所产生的损伤较小，针对于此，本申请实施例公开的技术方案中，还可以依据所述燃料电池的老化程度自动调节所述预设安全阈值，其中，所述燃料电池的老化程度可以基于燃料电池工作时长以及各个工作时长下所对应的燃料电池的输出功率大小计算得到，其中，所述老化程度和预设安全阈值之间的映射关系可以查表得到，在计算得到所述老化程度以后，查表即可得到与之对应的预设安全阈值。

本实施例还公开了一种燃料电池电堆保护装置，装置中的各个单元的具体工作内容，请参见上述方法实施例的内容，下面对本发明实施例提供的燃料电池电堆保护装置进行描述，下文描述的燃料电池电堆保护装置与上文描述的燃料电池电堆保护装置可相互对应参照。

参见图5，所述燃料电池电堆保护装置，包括：

故障检测单元100，用于判断燃料电池是否出现抛负载故障；

卸放控制单元200，用于当燃料电池出现抛负载故障时，控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路对所述DC-DC电路进行放电。

与上述方法相对应，所述燃料电池电堆保护装置中，所述卸放控制单元，具体用于：获取所述燃料电池出现抛负载故障之前的输出功率，记为目标功率；控制与所述燃料电池中DC-DC电路输出端相连的卸放电路开启，并依据所述输出功率调节所述DC-DC电路的输出电压，以使得所述卸放电路的卸放功率为所述目标功率。

与上述方法相对应，所述燃料电池电堆保护装置中，还可以包括：

燃料调整单元，用于：依据第一预设梯度降低注入燃料电池的燃料量；依据第二预设梯度降低所述燃料电池中DC-DC电路的输出电压。

与上述方法相对应，所述燃料电池电堆保护装置中，燃料调整单元在依据第二预设梯度降低所述燃料电池中DC-DC电路的输出电压之前，还用于：

基于预设梯度映射列表，获取与所述第一预设梯度相匹配的第二预设梯度，所述预设梯度映射列表中存储有所述第一预设梯度与第二预设梯度之间的映射关系。

与上述方法相对应，所述燃料电池电堆保护装置中，所述卸放控制单元，还用于：

实时监测所述卸放电路的卸放功率，当检测到所述卸放电路的卸放功率下降至预设安全阈值时，关闭所述卸放电路，控制所述燃料电池中的电堆预充单元关闭。

与上述方法相对应，上述装置中，还可以包括：

安全阈值调整单元，用于依据所述燃料电池的老化程度自动调节所述预设安全阈值，其中，所述燃料电池的老化程度可以基于燃料电池工作时长以及各个工作时长下所对应的燃料电池的输出功率大小计算得到，其中，所述老化程度和预设安全阈值之间的映射关系可以查表得到，在计算得到所述老化程度以后，查表即可得到与之对应的预设安全阈值。

对应于上述装置，本申请还公开了一种燃料电池供电系统，该燃料电池系统中配置有燃料电池控制器，所述燃料电池控制器应用有本申请任意一项实施例所述的燃料电池电堆保护装置。

具体的，参见图6，所述燃料电池供电系统可以包括：

燃气控制单元1、空气控制单元2、水控制单元3、电堆模组4（上文中的电堆）、电堆预充单元5、燃料电池控制器FCU6、DC-DC电路7、卸放电路8、动力电池9（包含BMS）、多合一控制器10、高压部件11和整车控制器VCU12等部件组成。

具体的，所述燃气控制单元1、空气控制单元2、水控制单元3的输出端与所述电堆模组4的输入端相连，燃气控制单元1用于控制注入所述电堆模组4的燃气的量，空气控制单元2用于控制注入所述电堆模组4的空气的量，所述水控制单元3用于控制注入所述电堆模组4的水的量。

所述电堆预充单元5设置于所述电堆模组4的输出端与所述DC-DC电路7的输入端之间，所述卸放电路8并联在所述DC-DC电路7的两个输出端上，所述燃料电池控制器FCU6与所述DC-DC电路7和动力电池9相连，用于获取所述DC-DC电路7和动力电池9的运行数据以及向所述DC-DC电路7和动力电池9下发控制指令；

所述多合一控制器10设置于所述动力电池9的输出端与所述高压部件11的输入端之间，所述整车控制器VCU12与所述动力电池9、多合一控制器10、高压部件11相连，获取所述动力电池9、多合一控制器10、高压部件11的运行数据，并向所述动力电池9、多合一控制器10、高压部件11下发控制指令。

其中，所述卸放电路8的具体结构可以依据用户需求自行设定，例如，参见图4，本申请实施例公开的技术方案中，所述卸放电路8由功率电子开关K和功率电阻R串联构成，功率电子开关K和功率电阻R构成的串联支路的一端与DC-DC电路的正输出端相连，另一端与所述DC-DC电路的正输出端相连的负输出端相连，因此，可见，所述卸放电路是接在动力电池直流母线上的。其中，所述卸放电路中的功率电子开关可采用固态继电器、IGBT和SiC管等无触点功率器件实现，所述功率电阻R可以为阻值可调的功率电阻。

当电动汽车动力系统在发生意外断高压电时，BMS配电单元和多合一控制单元中的继电器断开，会切断电堆与整车直流母线的连接，导致电堆出现抛负载故障，此时，所述燃料电池控制器FCU6中的燃料电池电堆保护装置会检测到的DC-DC电路7的输出电流出现骤降，判断出所述燃料电池出现抛负载故障，进而执行后续动作。

综上所述，本申请上述实施例公开的技术方案，可在燃料电池的高压电路抛负载后，立即在DC-DC电路输出端切入卸放电路，防止电堆出现抛负载故障，同时控制电堆燃气、空气和水等输入物理参数，有效保护电堆，提高了系统的安全性能。

并且通过FCU控制卸放电路，可控制卸放电阻快速切入电堆负载，防止电堆电压变化剧烈。同时控制电堆进入降功率和安全停机模式，有效防止电堆出现性能衰减，延长了电堆使用寿命。

为了描述的方便，描述以上系统时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。