一種車載動力電池的充電方法及系統與流程
2023-05-08 15:18:47 1
本發明涉及電力應用領域，具體而言，涉及一種車載動力電池的充電方法及系統。
背景技術：
自工業革命之後，汽車作為一種便利的代步工具，已經進入到了百姓的日常生活中。汽車的種類較多，如果從能源使用的角度來看，有如下幾種，汽油、柴油、混合油、液化石油氣、天然氣、甲醇、太陽能和電能等。由於油類和天然氣能源屬於難以再生能源，因此，近些年來相關技術人員越來越多的將精力投入到了以電能為主要能源的汽車研發中，進而研發出電動汽車和油電混合型汽車。
不論是電動汽車和油電混合型汽車，汽車中必然需要設置電池，一般在汽車中所使用的電池可以分為三類，分別是化學電池(如鎳鎘電池、鎳氫電池等)、物理電池(如飛輪電池、超級電容電池等)和生物電池(如微生物電池、酶電池等)。其中，如電容電池等需要在發電前通過外部對其進行充電，而後，該電池才能夠在汽車運行的過程中將電能釋放到需要的位置上。傳統技術中，一般會採用燃料電池為車載動力電池進行充電，但由於燃料電池和車載動力電池質檢的電壓差異很大，為防止上電衝擊，所以必須將這兩個電池通過一個大功率的dcdc轉換器來連接，進而通過dcdc轉換器完成兩電池電壓的平穩對接，進而才能完成充電功能。
發明人發現dcdc通常價格很高而且造成能源損耗，dcdc的不可靠性和龐大體積、重量都不利於車載應用。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種車載動力電池的充電方法，以提高對車載動力電池進行充電的便捷程度。
第一方面，本發明實施例提供了一種車載動力電池的充電方法，作用於充電系統，充電系統包括：燃料電池、負載和動力電池；
負載和動力電池均與燃料電池的輸出端電連接；
充電方法包括：
啟動燃料電池，將燃料電池的輸出端與負載之間連通，以及將燃料電池的輸出端與動力電池之間斷路；
當燃料電池的電壓值達到第一條件時，將燃料電池的輸出端與動力電池接通。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中，第一條件為：燃料電池的電壓值與動力電池的電壓值的差值小於預設的閾值。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中，當燃料電池的電壓值達到第一條件時，方法還包括：
斷開燃料電池的輸出端與負載之間的連接。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中，預設的閾值為5v。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中，當燃料電池的電壓值達到第一條件時，方法還包括：
逐步減小與燃料電池的輸出端連接的負載的電阻值或功率值。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第五種可能的實施方式，其中，負載為可變電阻器，或可變功率負載，在燃料電池的輸出端和動力電池之間連接有單向導通二極體。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第六種可能的實施方式，其中，還包括：在接收到關閉指令時，先停止所述燃料電池的運轉，再將所述燃料電池的輸出端與所述動力電池之間斷路；
或，在接收到關閉指令時，先斷開燃料電池輸出端與動力電池之間的斷路，再停止所述燃料電池的運轉。
第二方面，本發明實施例還提供了一種車載動力電池的充電系統，作用於如第一方面的方法，該系統包括：燃料電池、負載和動力電池；
負載和動力電池均與燃料電池的輸出端電連接；
負載，用於在第一階段的過程中，與燃料電池的輸出端連通；
動力電池，用於在在第一階段的過程中，與燃料電池的輸出端斷路，以及，用於在第二階段的過程中，與燃料電池的輸出端連通。
結合第二方面，本發明實施例提供了第二方面的第一種可能的實施方式，其中，負載，進一步用於在第二階段的過程中，與燃料電池的輸出端斷路。
結合第二方面，本發明實施例提供了第二方面的第二種可能的實施方式，其中，在第二階段的過程中，燃料電池的電壓值與動力電池的電壓值的差值小於預設的閾值。
本發明實施例提供的車載動力電池的充電方法，採用使用負載進行燃料電池電壓過渡的方式，與現有技術中需要使用dcdc轉換器連接在燃料電池和動力電池之間，進而通過dcdc完成電壓平穩對接的工作，由於部分dcdc轉換器的不可靠性(價格昂貴)和體積過於龐大，導致使用不便相比，其通過設置了專用的充電系統，該充電系統中包括燃料電池、負載和動力電池，進而在方法實現的時候，首先啟動燃料電池，並將燃料電池的輸出端與負載之間連通，以及將燃料電池的輸出端與動力電池之間斷路，使得通過負載來消耗了燃料電池的輸出電能，並使燃料電池的輸出電壓下降，而後，當燃料電池的電壓符合第一條件的時候，再將燃料電池的輸出端與動力電池接通，使得燃料電池與動力電池接通後，不會對動力電池造成上電衝擊，保證了動力電池的安全，並且該種充電方式簡單、易行。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1示出了本發明實施例所提供的車載動力電池的充電方法的基本流程圖；
圖2示出了本發明實施例所提供的車載動力電池的充電方法所作用的充電系統的基本模塊圖；
圖3示出了本發明實施例所提供的車載動力電池的充電方法所作用的充電系統的第一種優化模塊圖；
圖4示出了本發明實施例所提供的車載動力電池的充電方法所作用的充電系統的第二種優化模塊圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
相關技術中，在使用燃料電池對動力電池進行充電的過程中，需要使用dcdc轉換器連接在這兩個電池之間，進而通過dcdc轉換器完成穩壓的操作。但由於dcdc轉換器本身性質的限制(如不可靠性、重量過大、成本過高)，導致使用dcdc不夠方便。進而，如圖1和圖2所示，本申請提供了一種新的一種車載動力電池的充電方法，該充電方法作用於充電系統，充電系統包括：燃料電池、負載和動力電池；
負載和動力電池均與燃料電池的輸出端電連接；
充電方法包括：
s101，第一階段，啟動燃料電池201，燃料電池201的輸出端與負載202之間連通，以及燃料電池201的輸出端與動力電池203之間斷路；
s102，第二階段，燃料電池201的電壓值達到第一條件，燃料電池201的輸出端與動力電池203接通。
其中，本申請所提供的技術方案中的燃料電池201(fuelcell)是一種將存在於燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池201在剛開始工作的時候，在其內部物質產生化學反應的作用下，會具有較高的輸出電壓(燃料電池201的輸出端的電壓很高)，此時，由於動力電池203是處於缺電的狀態，即動力電池203的電壓較低(即使動力電池203處於滿電能的狀態，動力電池203的電壓也比燃料電池201工作初期的電壓要低)，燃料電池201和動力電池203之間有著較大的電勢差，此時如果直接將燃料電池201與動力電池203直接連接上，則會導致動力電池203受到過強的上電衝擊，進而可能會導致動力電池203的損壞。
因此，本申請所提供的方法中步驟s101，在第一階段中，啟動了燃料電池201，並且，需要保持述燃料電池201的輸出端與負載202之間連通，並且保持述燃料電池201的輸出端與負載202之間連通。進而，燃料電池201的輸出端所輸出的電能被負載202所消耗(此時通過在燃料電池201的輸出端接上負載202，使得燃料電池201進入了滿負載狀態)，隨著負載202對電能的消耗，燃料電池201所輸出的電能受到燃料電池201自主調節作用，使其輸出電壓逐漸下降(此時應當保證負載202的工作電壓與動力電池203的電壓是基本一致的)，當燃料電池201的輸出電壓下降至預定的條件時，就可以進入第二階段。即燃料電池201滿負載的情況下，輸出電壓會降低會很多，當下降到足夠低的時候，就可以將燃料電池201和動力電池203接通了。
在第二階段中，需要將燃料電池201的輸出端與動力電池203接通，進而使得燃料電池201將電能向動力電池203輸送。該階段中的第一條件，主要是指將燃料電池201的輸出端與動力電池203連接後，不會對動力電池203造成上電衝擊，一般情況下，應當保證燃料電池201的電壓值與動力電池203的電壓值的差值小於預設的閾值。經過發明人實際測量和實驗後，得出結果，預設的閾值應當為5v。
在第二階段中，由於燃料電池201已經不會對動力電池203造成上電衝擊，因此，應當斷開負載202與燃料電池201的輸出端之間的連接。此時，斷開二者的連接有兩種方式，第一種是直接通過開關切斷二者的連接，第二種是逐步減小與燃料電池201的輸出端連接的負載202的電阻值，直至負載202不再與燃料電池201的輸出端連接，以使燃料電池201所輸出的電能越來越多的分配給動力電池203。
第一階段中，主要的任務是完成了燃料電池201輸出電壓的調控，第二階段中，主要的任務是完成了燃料電池201向動力電池203的充電，本方法在這兩個階段的基礎上，還增加了停止階段。即，在第二階段之後，本方法還包括：在接收到關閉指令時，先停止燃料電池201的運轉，再將燃料電池201的輸出端與動力電池203之間斷路。也就是先將燃料電池201停轉，以降低燃料電池201所輸出的電能，之後再切斷燃料電池201和動力電池203之間的連接。如此，可以避免高電壓狀態下，切斷二者的連接而造成的衝擊。如果用戶更期望快速的使用動力電池203，也可以是在接收到關閉指令時，先斷開燃料電池201輸出端與動力電池203之間的斷路，再停止所述燃料電池201的運轉。
優選的，當燃料電池201的電壓下降後，燃料電池201側的電壓值可能會低於動力電池203側的電壓值，為了避免電能的反衝，應當在燃料電池201的輸出端和動力電池203之間連接有單向導通二極體，以在單向導通二極體的控制下，使得電能只能夠由燃料電池201向動力電池203輸送，而不會產生電能由動力電池203向燃料電池201輸送的情況。
需要說明的是，如圖3所示，負載和動力電池均與燃料電池的輸出端電連接，指的是，負載連接在燃料電池的正負極之間，以及動力電池連接在燃料電池的正負極之間。
優選的，如圖4所示，可以在燃料電池輸出端的正極與動力電池之間串聯上開關r1和單向導通二極體d1，在動力電池和燃料電池輸出端的負極之間通過開關r3連接，在燃料電池輸出端的正極和負載之間通過開關r2連接，進而通過開關r1、r2和r3的通斷來控制負載和動力電池是否與燃料電池連接，或斷路。
負載有多種存在形式，但大致可以分為兩個種類。第一個種類，為了避免燃料電池所輸出的電能被浪費掉，此時的負載可以指的是能夠消耗電能的用電設備，如電動機等；第二個種類，為了精確控制接入在燃料電池的輸出端的負載的電阻值或功率值，負載可以是可變電阻器，使用可變電阻器能夠精確控制電阻值的大小，進而能夠使得各個階段過渡的更為平穩；當然，負載也可以是可變功率負載。
本申請所提供的方案中，在燃料電池工作初期的時候，使用負載進行了過渡，過渡結束後，再將燃料電池與動力電池接通，避免了燃料電池所輸出的電能對動力電池造成上電衝擊的情況。並且，正是由於在燃料電池的工作初期將其輸出端連接上的負載，使得燃料電池滿負載工作，進而燃料電池在滿負載狀態下，會降低輸出電壓，直至輸出電壓與動力電池的電壓相近後，再將這兩個電池連接上，從而簡化了充電過程和難度。
本申請所提供的方案中，主要是為了便於使用，因此本方案中所使用的燃料電池優選為可攜式的燃料電池。
下面，僅提供2個可攜式燃料電池的實例進行說明：
實例1，該燃料電池包括如下部分：
電堆、電源插座、逆變器、殼體、進氣管、氫氣流量控制器、水量控制器、硼氫化鈉燃料盒、儲水罐、電纜線。
殼體由兩部分組成，電堆的中部一側連接有逆變器，逆變器的上部連接有電源插座,電堆的另一側經進氣管連接到氫氣流量控制器上，電堆的上部經電纜線也連接到氫氣流量控制器上，同時電纜線還連接到儲水罐上，儲水罐的下部連接有水量控制器，儲水罐的上部並列裝設有硼氫化鈉燃料盒。
產品參數如下：電堆輸出功率為1kw-3kw；氮氣艙為2bar；電堆反應溫度為70℃～80℃；檢測組件為單堆性能監測；檢測傳感器為壓力、氫氣、溫度等傳感器；使用壽命為10000h；存儲溫度為-40℃～+70℃；工作溫度為-30℃～+60℃；相對溼度為5％～95％；海拔高度≤2000m；ip防護等級為ip55；存儲溫度為-40℃～+70℃。
實例2，該燃料電池主要包括箱體以及安裝在箱體內的膜電極，箱體具有支撐膜電極、容納所用燃料和放置外輸電接口的功能，其由四個側壁和一個箱蓋通過螺栓連接固定。
箱體的具體結構為：箱體四個側壁均有上、下夾板配合組成，其中，前、後側壁均由直邊上夾板和直邊下夾板組成，左、右側壁均由波形上夾板和波形下夾板組成，波形上夾板和波形下夾板的銜接面為可相互咬合的波形結構，在直邊下夾板和波形下夾板上均開有通氣孔，便於空氣流通以為直接甲醇燃料電池提供所需的氧氣。
箱體的箱蓋與箱體的四個側壁上端面密封配合，以防止直接甲醇燃料電池使用時的甲醇溢出，特別是加注甲醇時需要豎立直接甲醇燃料電池的時候。箱蓋上開有甲醇加注孔，運行時可以將孔密閉以提高密封性，加注燃料時為了平衡內外氣壓以防止內部氣壓大於外部氣壓造成燃料無法加注的狀況，在箱蓋上開有另一氣壓平衡孔，以便燃料能夠順利流入箱體內。箱蓋上頂面開有燕尾槽，該燕尾槽內可安裝一燕尾吊環，該燕尾吊環的底部為可嵌入該燕尾槽的燕尾結構，頂部設置有吊環，安裝上燕尾吊環後，方便將電池向高處起吊或進行懸掛式安裝。此外，箱蓋側面開有一個小槽可容溫度傳感器探入進行溫度的探測以實現自動控制。
與上述方法相對應的，本申請還提供了一種車載動力電池的充電系統，作用於前述的方法，該系統包括：燃料電池、負載和動力電池；
負載和動力電池均與燃料電池的輸出端電連接；
負載，用於在第一階段的過程中，與燃料電池的輸出端連通；
動力電池，用於在在第一階段的過程中，與燃料電池的輸出端斷路，以及，用於在第二階段的過程中，與燃料電池的輸出端連通。
優選的負載，進一步用於在第二階段的過程中，與燃料電池的輸出端斷路。
優選的，在第二階段的過程中，燃料電池的電壓值與動力電池的電壓值的差值小於預設的閾值。
所述功能如果以軟體功能單元的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：u盤、移動硬碟、只讀存儲器(rom，read-onlymemory)、隨機存取存儲器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。