CN117895034B - 一种燃料电池电堆稳压控制方法、设备及*** - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池电堆稳压控制方法、设备及***。该方法根据FCU控制器的不同指令实时获取电堆当前输出信息，实现评估当前燃料电池运行状态和性能；根据输出信息以及指令确定了能够应对多种情况的电阻调节策略，解决了电池电堆在多种状态下容易发生电压突变的问题，确保了电堆的电压稳定；根据与电阻调节策略对应的电阻调节信号对可变电阻装置的电阻进行调整，确保燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值，保障了电堆的使用寿命。

Description

一种燃料电池电堆稳压控制方法、设备及***

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆稳压控制方法。本发明同时还涉及一种燃料电池电堆稳压控制设备和一种燃料电池电堆稳压控制***。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)是质子交换膜燃料电池（ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）的核心部件，对电池性能起着关键作用，它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。全质子交换膜主要用氟磺酸型质子交换膜、nafion重铸膜、非氟聚合物质子交换膜、新型复合质子交换膜等。质子交换膜燃料电池使用氢气和氧气作为原料，把氢气的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，从而为相关设备供电，质子膜上面涂有铂钼系合金的纳米颗粒催化剂以加速反应的进行，其可靠性与稳定性直接决定了燃料电池电堆的整体寿命。

燃料电池电堆在正常带负载输出时输出电压稳定，但在电堆启动、切换、急停几种情况下易形成开路导致输出电压急剧升高，当开路电压超过1.0V时，将严重影响催化剂的寿命。目前针对开路电压的解决方案是在电堆输出端并联一个固定阻值的启动电阻，或者针对启动与停机设置多个数值不同的固定阻值的电阻，虽然上述方案对抑制开路电压有一定的作用，但是仍存在以下几方面的缺陷：在启动过程中，电堆的输出端电压是逐渐升高的，且启动过程中电流的大小与气体的压力、分布相关呈现非线性特征，因此固定阻值的启动电阻不能很好的适应启动过程的需要；在负载切换过程中，当负载由固定阻值的启动电阻切换至输出负载时，电池电堆会出现短时间的电压波动，因此固定阻值的启动电阻不能很好的适应负载切换过程的需要。

为此，如何满足电池电堆在启动、负载切换等多种情况的需要，解决燃料电池电堆在多种状态下的电压突变问题，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种燃料电池电堆稳压控制方法、设备及***，根据与电阻调节策略对应的电阻调节信号对可变电阻装置的电阻进行调整，可以有效应对燃料电池电堆在多种状态下的电压突变问题，确保了电堆的电压稳定，从而保障了电堆的使用寿命。

为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种燃料电池电堆稳压控制方法，所述方法应用于包含可变电阻装置的燃料电池***中，具体为：

当接收到控制单元FCU控制器的指令时，实时获取所述燃料电池***的电池电堆当前的输出信息，所述输出信息包括输出电压和/或输出电流；

根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略；

根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，以使所述燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值。

优选地，根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，具体为：

根据所述电阻调节策略以及所述输出信息生成脉宽调制信号PWM控制信号，并将所述PWM控制信号作为所述电阻调节信号；

通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整。

优选地，若所述指令为启动指令，根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略，具体为：

对应于所述输出信息增加所述PWM控制信号的占空比，以使所述电池电堆的输出电压低于所述预设电压阈值。

优选地，若所述指令为切换指令，所述输出信息为恒定输出电流，根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略，具体为：

在燃料电池***的DC-DC变换器启动后，对应于所述恒定输出电流减少所述PWM控制信号的占空比，以使所述电池电堆的输出电压不出现波动。

优选地，所述可变电阻装置还包含关机电阻，若所述指令为急停指令，根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略，具体为：

在所述燃料电池***的关联部件断开后，将所述关机电阻并联接入所述电池电堆，以使所述电池电堆的输出电压低于所述预设电压阈值。

优选地，所述可变电阻装置包含定值电阻网络与场效应管MOS管，所述定值电阻网络包含启动电阻与关机电阻，通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整，具体为：

根据所述PWM控制信号的所述占空比对所述MOS管的导通时间或截止时间进行调整。

另一方面，本发明还提出了一种燃料电池稳压控制设备，该设备包括电池电堆和FCU控制器，所述电池电堆与FCU控制器连接，还包括可变电阻装置，所述可变电阻装置与所述电池电堆的输出端并联，所述可变电阻装置包括电阻网络、微控制器MCU主控器和扩展接口，所述MCU主控器通过控制器局域网CAN总线与FCU控制器连接，所述扩展接口并联连接有扩展电阻。

优选地，所述电阻网络包括启动电阻、关机电阻和MOS管，所述启动电阻与MOS管串联后通过常开接触器与所述电池电堆的输出端并联，所述关机电阻通过常闭接触器与所述电池电堆的输出端并联。

另一方面，本发明还提出了一种燃料电池电堆稳压控制***，包括可变电阻装置，还包括：

第一确认模块，用于当接收到控制单元FCU控制器的指令时，实时获取所述燃料电池***的电池电堆当前的输出信息，所述输出信息包括输出电压和/或输出电流；

第二确认模块，用于根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略；

调整模块，用于根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，以使所述燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值。

优选地，所述调整模块具体用于：

根据所述电阻调节策略以及所述输出信息生成PWM控制信号，并将所述PWM控制信号作为所述电阻调节信号；

通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整。

本发明方案根据FCU控制器的不同指令实时获取电堆当前输出信息，实现评估当前燃料电池运行状态和性能；根据输出信息以及指令确定了能够应对多种情况的电阻调节策略，解决了电池电堆在多种状态下容易发生电压突变的问题，确保了电堆的电压稳定；根据与电阻调节策略对应的电阻调节信号对可变电阻装置的电阻进行调整，确保燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值，保障了电堆的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种燃料电池电堆稳压控制方法的流程示意图;

图2为本申请具体实施例流程示意图；

图3为一种燃料电池电堆稳压控制设备的结构示意图；

图4为一种燃料电池电堆稳压控制***的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，为了解决燃料电池电堆在状态改变时的电压跳变问题，本申请实施例提出了一种燃料电池电堆稳压控制方法。该方案根据电池电堆的输出信息以及FCU控制器的指令确定了电阻调节策略，通过与电阻调节策略对应的电阻调节信号对可变电阻装置的电阻进行调整，可以有效应对燃料电池电堆在多种状态下的电压突变问题，实现了燃料电池电堆的稳压控制，从而有效保障了燃料电池电堆的稳定性，提高了燃料电池催化剂的寿命。

如图1所示，为上述一种燃料电池电堆稳压控制方法的流程示意图，在针对具体方案进行介绍之前，对下文所涉及的概念进行介绍：

FCU（Fuel Cell Unit，燃料电池主控制器）：FCU控制器是燃料电池发动机中的一个关键部件，FCU控制器充当一个智能调控中心，确保燃料电池***以最优的工作状态运行，提高能源转换效率并确保***的可靠性和安全性。

PWM（Pulse-Width Modulation，脉宽调制技术）：是利用微处理器的数字输出，来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值），即通过改变导通时间占总时间的比例，也就是占空比，达到调整电压和频率的目的。

MOS管（MOSFET，场效应晶体管）：MOSFET是一种三端（源极、漏极、栅极）的场效应晶体管，基本结构包括金属（通常是铝）作为栅极，氧化物（通常是二氧化硅）作为绝缘层，以及半导体（通常是硅）作为主体。通过在栅极上加上电压，形成电场，从而调控栅极和主体之间的电流，MOSFET被广泛用于电子设备中，例如放大器、开关和逻辑门等。

MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）：又称单片微型计算机(Single ChipMicrocomputer )或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

CAN总线（Controller Area Network，控制器局域网总线）：是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束，该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。

DC-DC(DC-DC converter，直流-直流变换器)：是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。

一种燃料电池电堆稳压控制方法，应用于包含可变电阻装置的燃料电池***中，具体地，该方法包括如下步骤：

步骤S101、当接收到控制单元FCU控制器的指令时，实时获取所述燃料电池***的电池电堆当前的输出信息，所述输出信息包括输出电压和/或输出电流。

如上所述，FCU控制器基于***需求或运行状态发送调整指令，以实现燃料电池电堆的输出调整。当可变电阻装置接收到所述指令时，执行实时获取电堆当前的输出电压、输出电流等输出信息，所述输出信息是评估当前燃料电池运行状态和性能的关键参数。

在本发明的具体实施场景中，为了调整电池电堆的输出，FCU控制器会将调整指令发送至可变电阻装置，其中FCU控制器的指令包括启动指令、负载切换指令和停机（急停）指令。当可变电阻装置通过CAN总线接收到FCU控制器的不同指令后，由于可变电阻装置与燃料电池电堆的输出端连接，利用可变电阻装置中MCU主控器内置的模数转换器（ADC）直接测量并获取电堆的实时输出信息，所述输出信息是评估当前燃料电池运行状态和性能的关键参数，包括但不限于输出电压、输出电流。

需要说明的是，当燃料电池的输出电流相对稳定、变化不大时，可以通过只获取电压的数据来满足***的稳定性要求；在需要更为精确控制电流的应用中，***对电压波动不太敏感，可以通过只获取电流的数据来满足***的稳定性要求；由于大多数燃料电池***都会受到电压和电流波动的影响，因此同时获取电压和电流信息通常是最全面的选择，适用于满足不同工况下***稳定性，因此，无论是采取只获取电压输出信息的方案，只获取电流输出信息的方案，还是电压和电流输出信息均采取的方案，均属于本发明的保护范围，同时，电池电堆可采取的输出信息除电压信息、电流信息外，还包括温度信息、燃料供应信息、氧化剂供应信息、温度信息以及堆内压力信息等。除了本实施例中通过CAN总线进行通信外，采用其他通信协议进行通信，例如Modbus、Ethernet等通信协议，以提高***的灵活性和兼容性，也属于本发明的保护范围。

优选地，FCU控制器除了基本的启动、负载切换和停机指令外，本领域技术人员还可以在上述方案基础上采取更多的指令和算法，以优化电池电堆的稳定性，所述更多指令包括但不限于模式切换指令、温度控制指令等；所述算法包括但不限于动态负载调整算法和自适应能量管理算法。由于上述的两种算法为本发明的优选补充，因此只对其进行简单介绍，动态负载调整算法能够根据电池电堆的实时负载需求，动态调整可变电阻阻值，以最大程度地匹配***需求，通过采用模糊逻辑控制或强化学习算法，基于学习***的性能模型来自适应地调整电阻，使电池电堆在各种负载条件下都能提供最佳输出；自适应能量管理算法能够结合电池电堆的实时状态（电压、电流、温度等），使用模型预测方法或PID控制，实现动态调整可变电阻阻值，以确保电池电堆在最高效率下运行，同时考虑到电池的充放电特性，自适应能量管理算法还可以调整充电和放电速率，实现更智能的能量管理。

步骤S102、根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略。

如上所述，为了解决电池电堆在多种状态下容易发生电压突变的问题，确保电堆的电压稳定，需要制定满足多种情况的电阻调节策略，因此，根据获取的实时输出信息结合所接收的FCU控制器指令，确定能够应对多种情况的电阻调节策略。

步骤S103、根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，以使所述燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值。

如上所述，根据确定的电阻调节策略生成相应的电阻调节信号，所述电阻调节信号包含了有关可变电阻装置的阻值调整信息，例如阻值的增加或减小以及调整的速率等。可变电阻装置根据电阻调节信号进行相应的阻值调整，通过电阻阻值的精准控制，以实现电路参数的调整，确保燃料电池的输出电压不超过预设的电压阈值，保障了燃料电池电堆的使用寿命。

需要说明的是，为了提高电阻调节信号的响应速度，使***更加灵敏，本领域技术人员还可以在上述方案基础上采取高速数字信号处理器（DSP）或快速响应的控制算法，确保电阻调节信号在瞬时需求发生变化时能够迅速调整。优选地，考虑到电池电堆的非线性响应和动态特性，为了更具针对性的调整可变电阻的阻值，提高燃料电池***的效率，本领域技术人员还可以在上述方案基础上采取电阻调整曲线优化方案，在此对电阻调整曲线优化方案进行简单解释，所述优化方案包括但不限于通过实验和分析，获取电池电堆在不同工作条件下的输出特性，包括电压-电流曲线、功率曲线等，了解不同工作点下电阻对电池电堆输出的影响；根据电池电堆特性，制定电阻调整曲线的优化策略，例如根据实际应用需求，调整不同工作点上对应的***的灵敏度，以平衡***的稳定性和性能；在电阻调整曲线中引入非线性校正因子，根据电池电堆的实际工作情况，调整电阻调整信号的斜率或曲率，有助于适应电池电堆的非线性特性，提高燃料电池***对不同工作点的调节能力；在电阻调整曲线中引入瞬态响应补偿参数，确保电阻调整信号在***负载突然变化时能够快速且平稳地调整，提高***的稳定性和动态性能；基于实时监测数据，动态调整电阻调整曲线中的优化参数，并通过反馈的***性能数据，不断优化电阻调整曲线，提高***的自适应性；通过模拟验证和实际测试，确保优化后的曲线在不同情况下的可行性。

本发明旨在保护电池电堆，提高燃料电池的使用寿命，因此设定一个输出电压阈值，通过控制电池电堆的实时电压不超过所设阈值，有效保障了电池电堆的输出电压处在合理范围，防止了电压突变导致电压过高影响燃料电池催化剂的寿命。

需要说明的是，所设阈值可由用户根据实际情况进行调整，本领域技术人员还可以在上述方案基础上采取动态阈值调整策略，即根据***负载、温度和其他环境因素实时调整电压阈值，利于在不同工况下维持电池电堆输出电压的合理范围，提高***的适应性和稳定性。优选地，为了避免因电池老化造成的潜在风险，本领域技术人员还可以在上述方案基础上采取电池健康监测机制，在此对电池健康监测机制进行简单解释，首先设定电池健康状态的阈值，然后通过在电池电堆中集成的多种传感器，实现电流、电压和温度等关键指标的监测，并根据监测数据计算电池的健康状态指标，当监测到电池健康状态下降至各阈值时，***可以主动降低电池电堆的输出电压，以减缓燃料电池的损害速度，延长了电池的使用寿命。

为了确保燃料电池电堆的输出电压始终保持在安全范围内，根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，具体为：

根据所述电阻调节策略以及所述输出信息生成脉宽调制信号PWM控制信号，并将所述PWM控制信号作为所述电阻调节信号；

通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整。

如上所述，MCU主控器根据所确定的电阻调节策略结合获取的实时输出信息，生成不同占空比的PWM控制信号，占空比是PWM控制信号中高电平时间占总周期的比例，高占空比对应于较低的电阻值，而低占空比对应于较高的电阻值。通过将PWM控制信号作为电阻调节信号来调整可变电阻装置的阻值，实现对电阻的精确控制，确保电池电堆的输出电压始终在预定的范围内。

优选地，为了在不同温度下能够精准的控制电阻，维持电池电堆输出的稳定性，本领域技术人员还可以在上述方案基础上采取温度补偿机制，通过在电池电堆输出端安装温度传感器，实时监测电池电堆的温度变化，温度传感器通过模拟或数字方式将实时温度数据传输给MCU主控制器，MCU主控制器通过温度补偿算法结合温度传感器的实时数据，确定温度对电池电堆输出电压的影响。同时根据温度补偿算法的结果动态调整PWM控制信号的占空比，例如，在高温环境中，***减小电阻调整的幅度，以防止电压过度波动；反之，在低温环境中，***更积极地调整电阻，以维持电压的稳定。

为了维持燃料电池***稳定运行，若所述指令为启动指令，根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略，具体为：

对应于所述输出信息增加所述PWM控制信号的占空比，以使所述电池电堆的输出电压低于所述预设电压阈值。

如上所述，当接收到的指令为启动指令时，表示燃料电池电堆正在启动，如果获取的输出信息中的实时电压超过所设阈值，MCU主控器将增加PWM控制信号的占空比，以减小可变电阻装置的阻值，使电池电堆的输出电压被调整到更低的水平，以确保实时电压不超过所设阈值。

为了维持燃料电池***稳定运行，若所述指令为切换指令，所述输出信息为恒定输出电流，根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略，具体为：

在燃料电池***的DC-DC变换器启动后，对应于所述恒定输出电流减少所述PWM控制信号的占空比，以使所述电池电堆的输出电压不出现波动。

如上所述，当接收到的指令为切换指令时，表示燃料电池电堆正在进行负载切换，如果可变电阻的阻值小于负载的阻值，说明当前电阻不足以应对新负载，需要对应于恒定输出电流减小PWM控制信号的占空比，以增加可变电阻装置的阻值，从而确保在负载切换时保持输出电压稳定，有效避免了电压波动情况的发生。

可变电阻装置还包含关机电阻，为了维持燃料电池***稳定运行，若所述指令为急停指令，根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略，具体为：

在所述燃料电池***的关联部件断开后，将所述关机电阻并联接入所述电池电堆，以使所述电池电堆的输出电压低于所述预设电压阈值。

如上所述，当接收到的指令为急停（停机）指令时，表示燃料电池电堆即将停机，如果获取的输出信息中的实时输出电压超过所设阈值，为了安全停机，通过常闭接触器将关机电阻并联接入电池电堆的输出端，有助于防止电压在停机时过度增加，有效保障了***运行的安全性。

需要说明的是，FCU控制器除上述三种指令外，还包括其他多种指令，MCU主控制器能够相应地解释这些指令，并生成相应的控制信号。优选地，为了提高***启动的效率和可靠性，本领域技术人员还可以在上述方案基础上，对启动流程进行优化，通过启动流程的逻辑控制，确保了在启动过程中按照最佳序列进行操作，有效减少了启动时间，保障了启动过程的平稳性。为了在负载切换时过渡的更加平滑，本领域技术人员还可以在上述方案基础上采取适应性算法，通过适应性算法对负载切换指令进行了优化，实现根据负载变化的幅度和速度调整输出电压，实现了平滑的负载切换，降低了***对外部环境变化的敏感度。为了确保***在停机时的安全性，本领域技术人员还可以在上述方案基础上采取安全停机机制，包括逐步降低电池电堆的输出、切断与负载的连接等步骤，防止在停机过程中发生意外情况，确保了***在接收停机指令后能够安全、有序的停止运行。

为了提供一种有效的手段来调整电阻装置，以适应***的动态变化，所述可变电阻装置包含定值电阻网络与场效应管MOS管，所述定值电阻网络包含启动电阻与关机电阻，通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整，具体为：

根据所述PWM控制信号的所述占空比对所述MOS管的导通时间或截止时间进行调整。

如上所述，可变电阻装置中的MOS管是一种电子开关设备，可以通过调整其导通时间和截止时间来改变电阻。PWM控制信号是一种周期性变化的信号，其中占空比表示高电平时间与总周期时间的比例。MCU主控制器根据PWM控制信号的占空比调整相应MOS管的导通时间或截止时间，能够精确的改变可变电阻装置的阻值，实现了对电池电堆输出电压的精确控制。

需要说明的是，可变电阻装置中包括多个MOS管，MCU主控制器根据电阻控制信号调整各个通道的MOS管的导通时间或截止时间，能够更精细的调整可变电阻阻值，实现了精确的电阻调整。优选地，为了在不同操作条件下平滑地调整电阻，防止***震荡，本领域技术人员还可以在上述方案基础上采取电阻调整速率曲线方案，现对所述电阻调整速率曲线方案进行简单说明，包括制定曲线调整算法，以动态适应***运行状态；实时监测关键***参数，例如电池电堆输出电压、电流和***温度等；引入可调参数，允许在运行时调整曲线的关键参数等。

与现有技术相比，该方法根据FCU控制器的不同指令实时获取电堆当前输出信息，实现评估当前燃料电池运行状态和性能；根据输出信息以及指令确定了能够应对多种情况的电阻调节策略，解决了电池电堆在多种状态下容易发生电压突变的问题，确保了电堆的电压稳定；根据与电阻调节策略对应的电阻调节信号对可变电阻装置的电阻进行调整，确保燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值，保障了电堆的使用寿命。

下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

该具体实施例中的主要步骤如图2所示，为本申请具体实施例流程示意图。该燃料电池电堆稳压控制方案主要包括以下步骤：

步骤S200、上电自检。

在本发明的具体实施场景中，可变电阻装置在每次开机后进行性能的自检功能，若自检结果异常，则向车辆FCU控制器发出报警信息，并触发异常处理程序；若自检结果正常，则等待接收FCU控制器的指令。

步骤S201、当接收到控制单元FCU控制器的指令时，实时获取所述燃料电池***的电池电堆当前的输出信息，所述输出信息包括输出电压和/或输出电流。

在本发明的具体实施场景中，FCU控制器是燃料电池***中的主要控制单元，负责管理整个***的运行，FCU控制器的指令包括启动指令、负载切换指令和停机（急停）指令等，当可变电阻装置通过CAN总线接收到各指令时，通过MCU主控器内置的模数转换器（ADC），实时测量并获取电堆的输出电压、输出电流等输出信息，所述输出信息是评估当前燃料电池运行状态和性能的关键参数。

步骤S202、根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略。

在本发明的具体实施场景中，根据获取的实时输出信息结合所接收的FCU控制器指令，确定能够应对多种情况的电阻调节策略。

在本发明的具体实施场景中，若所述指令为启动指令，根据实时输出电压动态减小可变电阻的阻值，限制燃料电池电堆的输出电压。

如上所述，电池电堆阳极腔体内氢气压力稳定后，空压机启动空气进入燃料电池电堆阴极腔体，由于气体分布不均此时输出电流较小，在启动电阻两端出现的电压值也较低，随着气体压力的上升，电堆的输出电流缓慢增加，启动电阻两端电压也逐渐升高，如果测量得到的单节电池电压数值在0.9V（平均预设电压阈值）以上时，动态降低启动电阻的阻值，在电流缓慢变化的情况下，实现降低电堆输出电压，使整个启动过程中将单节电堆输出电压限制在0.9V以下。

在本发明的具体实施场景中，若所述指令为切换指令，动态增加可变电阻的阻值，使负载切换过程更加平滑，防止切换时出现电压波动。

如上所述，实现燃料电池恒压启动后，燃料电池输出端持续输出恒定电流，此时负载为启动电阻，DC-DC变换器负载与燃料电池输出端处于断开状态。当电堆稳定输出固定值电流（如30A）后，启动DC-DC变换器，燃料电池发动机对外输出高压强电。以80kw燃料电池电堆为例，直接切断启动电阻将会导致电堆出现2秒的电压波动，电堆输出电压陡峭升高后回落，同时DC-DC变换器输出电压也会出现相应的抖动，通过增加可变电阻装置阻值，使对外等效电阻逐渐增加，整个负载切换过程电堆输出电压平滑，也不会对DC-DC变换器输出端造成冲击，有效防止了因切换负载导致的电压波动。

在本发明的具体实施场景中，若所述指令为急停（停机）指令，关机电阻通过常闭接触器直接并联在电堆输出端。

如上所述，停机的初期电池电堆阳极腔体内仍留存有一定压力的氢气，阴极腔体中剩余的氧气通过质子膜与氢气发生反应，产生的电压通过并联的关机电阻消耗，从而避免形成开路电压。

步骤S203、根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，以使所述燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值。

在本发明的具体实施场景中，根据确定的电阻调节策略生成相应的电阻调节信号，所述电阻调节信号包含了有关可变电阻装置阻值的增加或减小以及调整的速率等阻值调整信息。可变电阻装置根据电阻调节信号进行相应的阻值调整，通过电阻阻值的精准控制，以实现电路参数的调整，确保燃料电池的输出电压不超过预设的电压阈值。

步骤S2031、根据所述电阻调节策略以及所述输出信息生成PWM控制信号，并将所述PWM控制信号作为所述电阻调节信号；通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整。

如上所述，MCU主控器根据所确定的电阻调节策略结合获取的实时输出信息，生成不同占空比的PWM控制信号，通过将PWM控制信号作为电阻调节信号来调整可变电阻装置的阻值，实现对电阻的精确控制。

在本发明的具体实施场景中，若所述指令为启动指令，对应于所述输出信息增加所述PWM控制信号的占空比，以使所述电池电堆的输出电压低于所述预设电压阈值。

如上所述，当接收到的指令为启动指令时，表示燃料电池电堆正在启动，如果获取的输出信息中的实时电压超过所设阈值，MCU主控器将增加PWM控制信号的占空比，以减小可变电阻装置的阻值，使电池电堆的输出电压被调整到更低的水平，以确保实时电压不超过所设阈值。

在本发明的具体实施场景中，若所述指令为切换指令，所述输出信息为恒定输出电流，在燃料电池***的DC-DC变换器启动后，对应于所述恒定输出电流减少所述PWM控制信号的占空比，以使所述电池电堆的输出电压不出现波动。

如上所述，当接收到的指令为切换指令时，表示燃料电池电堆正在进行负载切换，如果可变电阻的阻值小于负载的阻值，说明当前电阻不足以应对新负载，需要对应于恒定输出电流减小PWM控制信号的占空比，以增加可变电阻装置的阻值，从而确保在负载切换时保持输出电压稳定，有效避免了电压波动情况的发生。

在本发明的具体实施场景中，若所述指令为急停（停机）指令，在所述燃料电池***的关联部件断开后，将所述关机电阻并联接入所述电池电堆，以使所述电池电堆的输出电压低于所述预设电压阈值。

如上所述，当接收到的指令为急停（停机）指令时，表示燃料电池电堆即将停机，如果获取的输出信息中的实时输出电压超过所设阈值，为了安全停机，通过常闭接触器将关机电阻并联接入电池电堆的输出端，有助于防止电压在停机时过度增加，有效保障了***运行的安全性。

通过应用以上具体实施例的方案，根据FCU控制器的不同指令实时获取电堆当前输出信息，实现评估当前燃料电池运行状态和性能；根据输出信息以及指令确定了能够应对多种情况的电阻调节策略，解决了电池电堆在多种状态下容易发生电压突变的问题，确保了电堆的电压稳定；根据与电阻调节策略对应的电阻调节信号对可变电阻装置的电阻进行调整，确保燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值，保障了电堆的使用寿命。

基于与上述方法同样的发明构思，本申请实施例还提出了一种燃料电池电堆稳压控制设备，如图3所示，为一种燃料电池电堆稳压控制设备的结构示意图。

该设备包括电池电堆和FCU控制器，所述电池电堆与FCU控制器连接，还包括可变电阻装置，所述可变电阻装置与所述电池电堆的输出端并联，所述可变电阻装置包括电阻网络、微控制器MCU主控器和扩展接口，所述MCU主控器通过控制器局域网CAN总线与FCU控制器连接，所述扩展接口并联连接有扩展电阻。

优选地，所述电阻网络包括启动电阻、关机电阻和MOS管，所述启动电阻与MOS管串联后通过常开接触器与所述电池电堆的输出端并联，所述关机电阻通过常闭接触器与所述电池电堆的输出端并联。

当燃料电池电堆启动时，氢气和氧气分别进入燃料电池的阳极侧和阴极侧后，由于气体分布不均此时输出电流较小，在启动电阻两端出现的电压值也较低，随着气体压力的上升输出电流缓慢增加，启动电阻两端电压也逐升高，如果获得的平均实时电压在0.9V（平均电压预设阈值）以上时，则增加PWM控制信号的占空比，降低启动电阻的阻值，在电流缓慢变化的情况下，实现电堆输出电压降低。MCU主控器根据燃料电池发动机FCU的启动指令结合采集到的电堆输出实时电压，生成相对应占空比的PWM脉冲信号，调整相应MOS管的导通时间或截止时间来改变电阻装置的阻值，使整个启动过程中的实时平均电压电压限制在0.9V以下，以实现燃料电池的稳压启动。

当燃料电池电堆负载切换时，在燃料电池电堆稳压启动后，燃料电池输出端持续输出恒定电流，此时负载为启动电阻，DC-DC变换器负载与燃料电池输出端处于断开状态。当电堆稳定输出固定值电流（如30A）后，燃料电池电堆负载切换，启动DC-DC变换器，燃料电池发动机对外输出高压强电，以80kw燃料电池电堆为例，直接切断启动电阻将会导致电堆出现2秒的电压波动，电堆输出电压陡峭升高后回落，同时DC-DC变换器输出电压也会出现相应的抖动。通过逐步减小PWM控制信号的占空比，逐渐增加可变电阻装置对外等效电阻，实现负载切换过程中电池电堆的输出电压平滑，防止对DC-DC变换器输出端造成冲击。

当燃料电池电堆急停（停机）时，如电堆输出恒定大电流状态时遇到燃料电池***关联部件意外断开，电堆输出电压急剧上升，此时并联在电堆输出端硬件触发电路工作，关机电阻自动并联接入电堆，待FCU检测到故障后发送停机指令执行急停程序，同时MCU主控器根据FCU指令将电池电堆的平均电压钳制在0.9V以下，避免负载开路对电堆造成损害。

本方案中设有外接拓展接口，通过外接拓展接口可外接扩展电阻（发热装置），在燃料电池发动机处于冷启动状态时，扩展电阻（加热器）负载通过扩展接口并联接入可变电阻装置，一部分电堆输出功率通过扩展接口分配至加热器提高电堆冷启动效率，例如实现化冰等功能。当然，外接拓展接口可根据燃料电池***不同状态的需要，对可变电阻装置进行外接扩展，增加可变电阻装置的功率实现启动电阻功率扩展。启动电阻通常是大功率器件，由于大功率器件散热需求体积随所消耗功率而增大，随着电池电堆功率的增加，其体积和重量随之增加，该可变电阻装置通过扩展接口将电堆输出功率分配至加热器，能够有效减小可变电阻的体积，提高了本装置的实用性。

基于与上述方法同样的发明构思，本申请实施例还提出了一种燃料电池电堆稳压控制***，如图4所示，为一种燃料电池电堆稳压控制***示意图。

一种燃料电池电堆稳压控制***包括可变电阻装置，还包括：

第一确认模块，用于当接收到控制单元FCU控制器的指令时，实时获取所述燃料电池***的电池电堆当前的输出信息，所述输出信息包括输出电压和/或输出电流；

第二确认模块，用于根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略；

调整模块，用于根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，以使所述燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值。

在具体的应用场景中，所述调整模块具体用于：

根据所述电阻调节策略以及所述输出信息生成PWM控制信号，并将所述PWM控制信号作为所述电阻调节信号；

通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整。

与现有技术相比，本申请实施例所提出的技术方案根据FCU控制器的不同指令实时获取电堆当前输出信息，实现评估当前燃料电池运行状态和性能；根据输出信息以及指令确定了能够应对多种情况的电阻调节策略，解决了电池电堆在多种状态下容易发生电压突变的问题，确保了电堆的电压稳定；根据与电阻调节策略对应的电阻调节信号对可变电阻装置的电阻进行调整，确保燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值，保障了电堆的使用寿命。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施场景所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池电堆稳压控制方法，其特征在于，所述方法应用于包含可变电阻装置的燃料电池***中，具体为：

当接收到控制单元FCU控制器的指令时，实时获取所述燃料电池***的电池电堆当前的输出信息，所述输出信息包括输出电压和/或输出电流；

根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略；

根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，以使所述燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值；

所述根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，具体为根据所述电阻调节策略以及所述输出信息生成脉宽调制信号PWM控制信号，并将所述PWM控制信号作为所述电阻调节信号；

通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整；

所述可变电阻装置包含定值电阻网络与场效应管MOS管，所述定值电阻网络包含启动电阻与关机电阻，通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整，具体为根据所述PWM控制信号的所述占空比对所述MOS管的导通时间或截止时间进行调整。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述指令为启动指令，根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略，具体为：

对应于所述输出信息增加所述PWM控制信号的占空比，以使所述电池电堆的输出电压低于所述预设电压阈值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述指令为切换指令，所述输出信息为恒定输出电流，根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略，具体为：

在燃料电池***的DC-DC变换器启动后，对应于所述恒定输出电流减少所述PWM控制信号的占空比，以使所述电池电堆的输出电压不出现波动。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可变电阻装置还包含关机电阻，若所述指令为急停指令，根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略，具体为：

在所述燃料电池***的关联部件断开后，将所述关机电阻并联接入所述电池电堆，以使所述电池电堆的输出电压低于所述预设电压阈值。

5.基于如权利要求1-4中任一项所述方法的一种燃料电池稳压控制设备，包括电池电堆和FCU控制器，所述电池电堆与FCU控制器连接，其特征在于：

还包括可变电阻装置，所述可变电阻装置与所述电池电堆的输出端并联，所述可变电阻装置包括电阻网络、微控制器MCU主控器和扩展接口，所述MCU主控器通过控制器局域网CAN总线与FCU控制器连接，所述扩展接口并联连接有扩展电阻，所述电阻网络包括启动电阻、关机电阻和MOS管，所述启动电阻与MOS管串联后通过常开接触器与所述电池电堆的输出端并联，所述关机电阻通过常闭接触器与所述电池电堆的输出端并联。

6.一种燃料电池电堆稳压控制***，其特征在于，设有可变电阻装置，还包括：

第一确认模块，用于当接收到控制单元FCU控制器的指令时，实时获取所述燃料电池***的电池电堆当前的输出信息，所述输出信息包括输出电压和/或输出电流；

第二确认模块，用于根据所述输出信息以及所述指令确定电阻调节策略；

调整模块，用于根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，以使所述燃料电池的输出电压不超过预设电压阈值；

所述根据与所述电阻调节策略对应的电阻调节信号对所述可变电阻装置的电阻进行调整，具体为根据所述电阻调节策略以及所述输出信息生成脉宽调制信号PWM控制信号，并将所述PWM控制信号作为所述电阻调节信号；

通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整；

所述可变电阻装置包含定值电阻网络与场效应管MOS管，所述定值电阻网络包含启动电阻与关机电阻，通过所述PWM控制信号的占空比对所述可变电阻装置的电阻进行调整，具体为根据所述PWM控制信号的所述占空比对所述MOS管的导通时间或截止时间进行调整。