ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах и может найти применение при создании автономных источников питания, в частности, в энергетических установках.
Известен комплекс топливного элемента и способ управления им (патент РФ на изобретение №2531504, МПК Н01М 8/04, дата публикации 20.10.2014), содержащий топливный элемент (ТЭ), имеющий, по меньшей мере, один вырабатывающий электроэнергию элемент; блок обнаружения отрицательного напряжения, сконфигурированный для обнаружения отрицательного напряжения в указанном, по меньшей мере, одном вырабатывающем электроэнергию элементе;
блок управления, сконфигурированный для регулирования выходной электрической мощности топливного элемента; и
блок определения суммарной величины тока, сконфигурированный для определения суммарной величины тока, которую получают путем интегрирования по времени выходного тока топливного элемента, при этом блок управления сконфигурирован для предварительного запоминания корреляции между суммарными величинами тока, допустимыми в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение в указанном, по меньшей мере, одном вырабатывающем электроэнергию элементе, и плотностями тока, допустимыми в указанный период, а также блок управления сконфигурирован, чтобы выполнять процесс ограничения выхода для ограничения выходной электрической мощности топливного элемента, с тем, чтобы попадать в допустимый рабочий диапазон, определяемый допустимыми суммарными величинами тока и допустимыми плотностями тока указанной корреляции, когда в указанном, по меньшей мере, одном вырабатывающем электроэнергию элементе обнаружено отрицательное напряжение.
Недостатком известного комплекса топливного элемента является низкая надежность устройства ввиду низкой долговечности топливных элементов, из-за появления отрицательного напряжения на отдельных топливных элементах, так как, в комплексе контролируют уже случившийся отказ топливного элемента, индикатором которого является отрицательное напряжение на отдельном топливном элементе.
Известна энергоустановка (патент РФ на полезную модель №74243, МПК Н01М 8/04, Н01М 16/00, дата публ. 26.06.2008), взятая в качестве прототипа, содержащая, электрохимический генератор (батарея топливных элементов (БТЭ), преобразователь напряжения, входы которого подключены к выводам электрохимического генератора, а выходы предназначены для подключения нагрузки, систему управления электрохимическим генератором и преобразователем напряжения, к выводам электрохимического генератора подключен блок диагностики, выполненный с возможностью реализации функции отключения преобразователя напряжения в режиме диагностики и измерения тока короткого замыкания и напряжения разомкнутой цепи электрохимического генератора, при этом выход блока диагностики соединен со входом включения/отключения преобразователя напряжения, а входы/выходы информационных сигналов соединены с соответствующими выходами/входами информационных сигналов системы управления электрогенератором и преобразователем напряжения.
Недостатками известной энергоустановки являются:
- низкая эффективность энергоустановки, в частности, из-за потери мощности на тепловые потери в преобразователе напряжения;
- низкая электромагнитная совместимость, существенные импульсные помехи, приводящие к сбоям и отказам устройства, по причине гальванической связи силовой части и вычислительной части устройства;
- низкая безотказность топливных элементов, в частности, из-за возможности появления отрицательного напряжения на отдельных топливных элементах, что приводит к отказу в работе всей БТЭ;
- ограниченные функциональные возможности ввиду невозможности использования различных источников водорода в устройстве.
Задача полезной модели - создание энергетической установки на топливных элементах, обеспечивающей высокую эксплуатационную надежность.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, - повышение надежности путем повышения безотказности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в энергетическую установку на топливных элементах, содержащую преобразователь напряжения, входы которого предназначены для подключения к выходам батареи топливных элементов, а выходы предназначены для подключения к нагрузке, последовательно соединенные управляемый ключевой элемент короткого замыкания и датчик тока, датчик напряжения, подключенный к выходу батареи топливных элементов, согласно полезной модели, введены модуль контроля напряжения на каждом топливном элементе, модуль развязки гальванической, через который модуль контроля напряжения на каждом топливном элементе подключен к батарее топливных элементов, последовательно соединенные с датчиком тока ключ идеального диода, для отключения выхода батареи топливных элементов в момент короткого замыкания от нагрузки, и ключ силовой, к выходу которого подключены батарея аккумуляторная, датчик выходного напряжения, выход которого предназначен для соединения с нагрузкой, вычислитель, включающий блок управления батареей топливных элементов, блок обработки сигналов датчиков, блок управления ключами и преобразователем напряжения, блок вычисления режима работы и блок связи, при этом блок управления батареей топливных элементов через модуль развязки гальванической подключен к батарее топливных элементов, первые два входа, третий четвертый и пятый входы блока обработки сигналов датчиков через модуль развязки гальванической подключены, соответственно, к выходам батареи топливных элементов, к выходу датчика напряжения батареи топливных элементов, к выходу датчика тока, ко входу датчика выходного напряжения, четыре выхода блока управления ключами и преобразователем напряжения подключены, соответственно, к управляющим входам ключей короткого замыкания, идеального диода, силового и входу преобразователя напряжения, выход блока обработки сигналов датчиков подключен ко входу блока вычисления режима работы, один из выходов которого соединен со входом блока управления батареей топливных элементов, второй выход блока вычисления режима работы соединен со входом блока управления ключами и преобразователем напряжения, вход/выход блока вычисления режима работы подключен к блоку связи, через который по CAN шине вычислитель соединен с модулем контроля напряжения на каждом топливном элементе.
Введение в энергетическую установку на топливных элементах модуля контроля напряжения на каждом ТЭ и вычислителя позволяет измерять напряжение на каждом топливном элементе, определять снижение напряжения на каждой топливной ячейке батареи и своевременно изменять режим работы, не допуская отказа топливной ячейки, что повышает безотказность устройства, обеспечивая эксплуатационную надежность.
Введение в энергетическую установку на топливных элементах модуля развязки гальванической, исключает проникновение импульсных помех, возникающих в силовой части системы, в вычислительную часть, что устраняет сбои вычислителя, предотвращая отказы устройства, что обеспечивает безотказность устройства, повышает эксплуатационную надежность.
Введение в энергетическую установку на топливных элементах ключа идеального диода, ключа силового и батареи аккумуляторной позволяет через малое сопротивление открытого силового ключа и ключа идеального диода подключить напрямую БТЭ к батарее аккумуляторов в рабочем режиме, что исключает тепловые потери на преобразование напряжения, повышает безотказность работы устройства, повышает надежность устройства в целом.
Сравнение заявленного решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники показывает, что изложенная совокупность признаков не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о его соответствии критерию полезной модели «новизна».
Соответствие заявленной полезной модели критерию «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения энергетической установки на топливных элементах.
На фигуре изображена блок-схема энергетической установки на топливных элементах:
1 - Источник водорода.
2 - Батарея ТЭ.
3 - Модуль контроля напряжения на каждом ТЭ (замеряет напряжение на каждом топливном элементе, формирует пакет передачи информации по CAN интерфейсу).
4 - Модуль развязки гальванической (состоит из гальванически развязанных источников питания и гальванически развязанных повторителей сигналов).
5 - Датчик напряжения батареи ТЭ.
6 - Датчик тока батареи ТЭ.
7 - Ключ короткого замыкания (КЗ).
8 - Ключ идеального диода (ИД).
9 - Ключ силовой.
10 - Преобразователь напряжения DC/DC.
11 - Батарея аккумуляторная.
12 - Датчик выходного напряжения.
13 – Вычислитель.
14 - Блок управления батареей ТЭ (клапанами, вентиляторами, нагревателями).
15 - Блок обработки сигналов датчиков.
16 - Блок управления ключами и преобразователем DC/DC.
17 - Блок вычисления режима работы.
18 - Блок связи.
19 – Нагрузка.
Энергетическая установка на топливных элементах выполнена в виде законченного устройства, с разъемами для подключения источника 1 водорода и нагрузки 19.
Описание работы энергетической установки на топливных элементах.
Источник 1 водорода вырабатывает водород, поступающий в батарею 2 ТЭ, являющуюся электрохимическим генератором напряжения. Напряжение с каждого ТЭ на батарее 2 ТЭ поступает через модуль 4 развязки гальванической на модуль 3 контроля напряжения на каждом ТЭ.
Вычислитель 13 выполнен в виде программных блоков 14, 15, 16, 17, и 18. Блок 14 управления батареей ТЭ (клапанами, вентиляторами, нагревателями) через модуль 4 развязки гальванической управляет режимами работы батареей 2 ТЭ и входящими в нее клапанами подачи и стравливания водорода, вентиляторами подачи воздуха, нагревателями.
Напряжение на выходе батареи 2 ТЭ измеряет датчик 5 напряжения батареи ТЭ. Ток батареи 2 ТЭ измеряет датчик 6 тока ТЭ. Напряжение на нагрузке 19 измеряет датчик 12 выходного напряжения. Значения напряжения и тока батареи ТЭ, напряжение на нагрузке 19, а также информация с батареи 2 ТЭ от датчика водорода и датчика температуры через модуль 4 развязки гальванической поступают на блок 15 обработки сигналов датчиков. Блок 15 обработки сигналов датчиков проводит калибровку, термокомпенсацию, фильтрацию значений сигналов датчиков, результат поступает на блок 17 вычисления режима работы. Блок 18 связи обеспечивает обмен информацией по CAN шине с модулем 3 контроля напряжения на каждом ТЭ. Блок 17 вычисления режима работы по заданному алгоритму работы вычисляет требуемый режим. Информация о вычисленном режиме поступает на блок 14 управления батареей ТЭ и поступает на блок 16 управления ключами и преобразователем напряжения DC/DC. Блок 16 управления ключами и преобразователем напряжения DC/DC управляет ключом 7 КЗ для создания кратковременного большого тока в батарее ТЭ, управляет ключом 8 ИД необходимого для исключения влияния короткого замыкания в батарее 2 ТЭ на напряжение на нагрузке 19. Блок 16 управляет ключом 9 силовым, который подключает батарею 2 ТЭ напрямую к батарее 11 аккумуляторной. За счет низкого прямого падения напряжения на ключе 8 ИД и ключе 9 силовом обеспечивается высокий коэффициент полезного действия передачи энергии.
Заявленная энергетическая установка на топливных элементах позволяет выполнять мониторинг параметров батареи топливных элементов, управлять режимами работы БТЭ поддерживать напряжение на нагрузке в заданном диапазоне при оптимальных условиях работы, повышая безотказность устройства, обеспечивая высокую эксплуатационную надежность устройства.