一種最佳工況型燃料電池充電站的製作方法

2023-11-30 19:16:36

本發明屬於燃料電池充電技術領域，特別涉及一種最佳工況型燃料電池充電站。

背景技術：

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，汽車已成為人們日常出行的重要交通工具。但傳統內燃機汽車在使用過程中產生了大量汙染氣體，並加劇了對化石資源的依賴。隨著環境汙染、能源危機等問題的不斷加劇，具有環保節能優點的電動汽車已成為未來汽車領域發展的主要方向。為緊跟汽車產業發展的新走向，中國政府在「十三五」規劃中提出了2020年全國電動車保有量達500萬輛的目標。作為重要的支撐設備，充電站的建設在電動汽車普及中至關重要。

目前的充電站通常採用國家電網作為電力來源。由於電動汽車快速充電時需要瞬時強大的功率電力，隨著電動汽車數量的不斷增長，大量電動汽車同時快速充電將對電網造成巨大衝擊。考慮到配電網改造等問題，到目前為止，充電站的建設仍處於起步階段。為滿足電動汽車的充電需求，開發離網式充電站具有重要意義。

燃料電池是一種能直接將儲存在燃料中的化學能轉化為電能的發電裝置，具有能量轉換效率高，環境友好的特點。隨著燃料電池產業化技術的逐漸成熟，燃料電池將成為離網式充電站理想的電力來源。目前國內已開發了多種基於燃料電池的離網式充電站，如專利(cn104022545a)提供了一種基於甲醇的燃料電池移動充電裝置，專利(cn105553044a)提供了一種基於天然氣的一體化充氣站與充電站裝置，專利(cn104466208a)提供了一種柴油型固體氧化物燃料電池充電站，專利(cn106300454a)提供了一種功率協調控制型燃料電池充電樁。但這些充電裝置在工作過程中由於用電負荷的波動，均可能涉及到較為頻繁的燃料電池功率調節或啟停過程，燃料電池在偏離最佳工況的條件下工作時能量轉換效率較低，而頻繁調節電池功率或啟停電池還會造成燃料電池堆性能的衰減。

技術實現要素：

為解決現有技術存在的燃料電池充電站因用電負荷波動而需不斷調節燃料電池功率或啟停燃料電池的問題，本發明提供一種最佳工況型燃料電池充電站。

一種最佳工況型燃料電池充電站，包括燃料供給系統、燃料電池堆、增壓器、逆變器、控制器、交流充電樁、外部市網、蓄電池、電池管理系統、直流充電樁、輸出控制開關ko1、輸出控制開關ko2和輸出控制開關ko3；

燃料供給系統的輸出與燃料電池堆的輸入連接，燃料電池堆的輸出通過增壓器與逆變器的輸入連接，所述增壓器同時通過輸出控制開關ko3與蓄電池的充電埠連接，蓄電池的輸出同時與電池管理系統及直流充電樁的輸入連接，逆變器的輸出通過輸出控制開關ko1與交流充電樁的充電埠連接，並通過輸出控制開關ko2與外部市網的輸入連接，交流充電樁及電池管理系統均與控制器的輸入連接，控制器的輸出連接控制開關ko1、控制開關ko2和接控制開關ko3。

進一步的所述控制器(5)根據交流充電樁(6)的充電狀態及蓄電池(8)的電量信息選擇電力的使用方式，維持充電站用電負荷的穩定：

1)若交流充電樁(6)處於充電狀態，閉合控制開關ko1，斷開控制開關ko2及控制開關ko3；

2)、若交流充電樁(6)處於非充電狀態且蓄電池(8)電量未滿，閉合控制開關ko3，斷開控制開關ko1及控制開關ko2；

3)、若交流充電樁(6)處於非充電狀態且蓄電池(8)電量已滿，閉合控制開關ko2，斷開控制開關ko1及控制開關ko3。

進一步的，交流充電樁、蓄電池和外部市網的用電負荷均與燃料電池堆在最佳工況下的電力輸出功率相當。

進一步的，所述燃料電池堆(2)為固體氧化物燃料電池，其最佳工況條件主要包括工作溫度、燃料供給量及工作電壓。

進一步的，所述燃料電池堆(2)使用的燃料為氫氣、甲醇或天然氣。

進一步的，，所述蓄電池(8)為鋰電池、鉛酸電池或鎳鋅電池。

進一步的，所述電池管理系統(9)用於採集蓄電池中的電量信息，並將該信息傳送至控制器(5)中。

有益效果：本發明的最佳工況型燃料電池充電站中燃料供給系統以最佳工況條件向燃料電池堆供應燃料，燃料電池堆在最佳工況下將燃料的化學能高效率的轉換為電能；燃料電池堆產生的直流電經增壓器增壓後一方面可存儲在蓄電池中用以向直流充電樁提供直流電力，另一方面可經逆變器轉換成交流電後供交流充電樁使用，充電空閒時的盈餘電力可提供給外部市網中的負載使用，三種電力使用方式由控制器通過輸出控制開關按實際情況選用。本發明提出的最佳工況型燃料電池充電站，採用多種用電方式組合的方法維持充電站用電負荷的穩定，使得燃料電池堆能夠長期穩定的在最佳工況下工作，可有效提高燃料電池堆的能量轉換效率，避免因頻繁調節電池功率或啟停電池而造成燃料電池堆的性能衰減，同時在充電空閒時還能將盈餘電力回饋給外部市網，供外部市網中的負載使用。

附圖說明

圖1為本發明一種最佳工況型燃料電池充電站的結構示意圖。

具體實施方式

實施例

一種最佳工況型燃料電池充電站，包括燃料供給系統1、燃料電池堆2、增壓器3、逆變器4、控制器5、交流充電樁6、外部市網7、蓄電池8、電池管理系統9、直流充電樁10、輸出控制開關ko1、輸出控制開關ko2和輸出控制開關ko3；

燃料供給系統1的輸出與燃料電池堆2的輸入連接，燃料電池堆2的輸出通過增壓器3與逆變器4的輸入連接，所述增壓器3同時通過輸出控制開關ko3與蓄電池8的充電埠連接，蓄電池8的輸出同時與電池管理系統9及直流充電樁10的輸入連接，逆變器4的輸出通過輸出控制開關ko1與交流充電樁6的充電埠連接，並通過輸出控制開關ko2與外部市網7的輸入連接，交流充電樁6及電池管理系統9均與控制器5的輸入連接，控制器5的輸出連接控制開關ko1、控制開關ko2和接控制開關ko3。

控制器5根據交流充電樁6的充電狀態及蓄電池8的電量信息選擇電力的使用方式：

1)若交流充電樁6處於充電狀態，閉合控制開關ko1，斷開控制開關ko2及控制開關ko3；

2)、若交流充電樁6處於非充電狀態且蓄電池8電量未滿，閉合控制開關ko3，斷開控制開關ko1及控制開關ko2；

3)、若交流充電樁6處於非充電狀態且蓄電池8電量已滿，閉合控制開關ko2，斷開控制開關ko1及控制開關ko3。

交流充電樁、蓄電池和外部市網的用電負荷均與燃料電池堆在最佳工況下的電力輸出功率相當。燃料電池堆2為固體氧化物燃料電池，其最佳工況條件包括工作溫度、燃料供給量及工作電壓。電池管理系統9用於採集蓄電池中的電量信息，並將該信息傳送至控制器5中。

本發明的工作原理：

充電站工作時，燃料供給系統以最佳工況條件向燃料電池堆供應燃料，燃料電池堆在最佳工況下將燃料的化學能高效率的轉換為電能，燃料電池堆產生的直流電經增壓器增壓後供充電站使用，其使用方式包括：存儲在蓄電池中供直流充電樁使用，經逆變器轉換成交流電後供交流充電樁使用，及經逆變器轉換成交流電後提供給外部市網中的負載使用。控制器根據交流充電樁的充電狀態及蓄電池的電量信息，通過輸出控制開關來選擇電力的具體使用方式，維持充電站用電負荷的穩定。