專利名稱：質子交換膜燃料電池應急供電系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于供電系統，具體是質子交換膜燃料電池應急供電系統。
背景技術：
我國幅員遼闊，自然災害頻發，在搶險救災和突發事件處置中常用的鋰電池、鎳氫電池、鉛酸電池等應急電源連續供電時間短且在應急場合無法提供充電恢復，汽油發電機比較笨重、噪音大且釋放有害氣體。
發明內容
本發明要解決的技術問題和提出的技術任務是克服現有應急電源連續供電時間短且在應急場合無法提供充電恢復，汽油發電機比較笨重、噪音大且釋放有害氣體的缺陷，提供一種可連續供電、根據鋰電池S0C、燃料電池最佳工作狀態以及負載情況進行能量動態分配與管理的質子交換膜燃料電池應急供電系統。為達到上述目的，本發明的質子交換膜燃料電池應急供電系統，其特征是其包括
系統控制器；
質子交換膜燃料電池；
燃料電池控制器，其對所述的質子交換膜燃料電池進行控制和監測并通過CAN總線將信息傳輸至所述的系統控制器；
DC/DC變換電路，其受控于所述的系統控制器并經所述的質子交換膜燃料電池接向負載，所述的負載受控于所述的系統控制器；
鋰電池，其連接在所述質子交換膜燃料電池與負載之間；
充電與電池管理系統，其受控于所述的系統控制器并控制所述鋰電池的工作狀態。作為優選技術措施，所述的負載、DC/DC變換電路、充電與電池管理系統通過CAN總線受控于所述的系統控制器。作為優選技術措施，所述的充電與電池管理系統為BQ24610的3腳A⑶RV輸出低電平、batdr輸出高電平使Ql導通、Q3截止，燃料電池輸出電壓經過Ql、R2和R21加到BQ24610的24腳Vcc，為充電芯片提供電源。進一步的，所述的充電與電池管理系統中設有充放電狀態指示LED、提供工作模式控制電壓的電阻、充電驅動信號輸出開關、續流二極管、充電電流檢測電阻、鋰電池電壓檢測電阻、總電流檢測電阻，BQ24610的第4腳為充電使能端，第6腳為溫度檢測端。作為優選技術措施，所述的DC/DC變換電路采用集成變換器。作為優選技術措施，所述的系統控制器采用89S51CPU，用TLV2543芯片擴展擴展AD 接口。本發明的有益效果是利用PEM燃料電池、鋰電池聯供的應急供電系統，儲氫容器更換期間也可以保證連續供電，控制系統采用模糊算法，根據鋰電池S0C、燃料電池最佳工作狀態以及負載情況，進行能量動態分配與管理。研制了樣機，并在應急場合使用，該系統連續供電時間長，無噪音，零排放，取得良好的效果。
圖I是本發明的一個系統框 圖2是本發明的一個鋰電池充電電路 圖3是DC/DC變換電路的電路 圖4是本發明的控制部分電路圖5是本發明的負載功率Ps 的隸屬度函數曲線 圖6是本發明的鋰電池荷電狀態SOC的隸屬度函數曲線 圖7是本發明的鋰電池提供功率與的隸屬度函數曲線 圖8是本發明的燃料電池輸出功率Pfc的隸屬度函數曲線 圖9是本發明的系統控制程序流程 圖10是本發明的仿真波形示意圖。
具體實施例方式以下結合說明書附圖對本發明做進一步說明。本發明的質子交換膜燃料電池應急供電系統，如圖I所示，其包括
系統控制器；
質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,簡稱 PEMFC);
燃料電池控制器(簡稱FC控制器)，其對質子交換膜燃料電池進行控制和監測并通過CAN總線將信息傳輸至系統控制器；
DC/DC變換電路(簡稱DC/DC)，其受控于系統控制器并經質子交換膜燃料電池接向負載，負載受控于系統控制器；
鋰電池，其連接在質子交換膜燃料電池與負載之間；
充電與電池管理系統(簡稱充電BMS)，其受控于系統控制器并控制鋰電池的工作狀態。具體的，負載、DC/DC變換電路、充電與電池管理系統通過CAN總線受控于系統控制器充電與電池管理系統為BQ24610的3腳ACDRV輸出低電平、batdr輸出高電平使Ql導通、Q3截止，燃料電池輸出電壓經過Q1、R2和R21加到BQ24610的24腳Vcc，為充電芯片提供電源，充電與電池管理系統中設有充放電狀態指示LED、提供工作模式控制電壓的電阻、充電驅動信號輸出開關、續流二極管、充電電流檢測電阻、鋰電池電壓檢測電阻、總電流檢測電阻，BQ24610的第4腳為充電使能端，第6腳為溫度檢測端。DC/DC變換電路采用集成變換器。系統控制器采用89S51CPU，用TLV2543芯片擴展擴展AD接口。以下通過一個例子對本發明做具體說明。系統選用180W質子交換膜燃料電池(電堆)，功率為180W，輸出電壓15V-28V。鋰電池的指標為13. 2V/15AH以保證燃料電池故障狀態下或燃料耗盡更換不及情況下應急滿功率支持I小時的戰術要求。燃料電池控制器主要完成對質子交換膜燃料電池的溫度、輸入氫氣和空氣壓力、流量、以及電堆異常情況進行控制和監測，并通過CAN總線將信息傳輸至系統控制器，系統控制器主要完成對負載大小、鋰電池SOC以及燃料電池電堆工況實時檢測并根據模糊算法動態進行能量管理，使應急供電系統個部件工作在最佳狀態。鋰電池充電電路如圖2所示BQ24610的3腳A⑶RV輸出低電平、batdr輸出高電平使Ql導通、Q3截止，燃料電池輸出電壓15V-28V經過Q1、R2和R21加到BQ24610的24腳Vcc，為充電芯片提供電源。能量流如下燃料電池輸出電壓一路通過R2經由DC/DC穩壓后輸出12V直流電壓到輸出端，另一路在BQ24610控制下通過Q5、Q6、LI給鋰電池充電。在燃料電池無輸出時，BQ24610的3腳A⑶RV輸出高電平、batdr輸出低電平使Ql截止、Q3導通，鋰電池通過Q3為BQ24610和負載提供電源。Dl、D2、D3為充放電狀態指示LED，R7-R12提工作模式控制電壓，Q5、Q6為充電驅動信號輸出開關管，D4為續流二極管。R13為充電電流檢測電阻，用于檢測實際充電電流的大小。R14、R16鋰電池電壓檢測電阻，BQ24610根據實際充電電流和電池端電壓，判斷鋰電池的狀態，并決定充電啟動或終止。R2為總電流檢測電阻，當燃料電池輸出總電流超過IOA時，關斷系統電路。BQ24610的第4腳為充電使能端，高電平有效，第6腳為溫度檢測端，可直接檢測鋰電池的溫度。DC/DC變換電路采用集成變換器，輸入電壓9V 36V，2800KHz的開關頻率，輸出電壓12V+10%，轉換效率90%，最大輸出電流12A，外圍電路簡單。如圖3所示。應急供電系統需要檢測的參數比較多燃料電池需要檢測輸出電壓、輸出電流；充電BMS需要檢測充電電流、電池電壓和電池SOC ;輸出端需要檢測輸出電流、輸出電壓。因此需要擴展AD接口，參見圖4，系統控制采用89S51CPU，AD采用TLV2543芯片，該芯片有10路模擬電壓輸入，與單片機采用串行接口，占用口線資源較少，轉換速度比較快，顯示采用IXD1602液晶顯示，不采用背光時液晶動態電流不大于5mA，主要顯示燃料電池工作狀態，鋰電池SOC及充放電情況，輸出電壓、輸出電流信息，整機效率等供電信息。另外系統控制器通過CAN總線與燃料電池控制器進行通信，讀取燃料電池的工作狀態，并對燃料電池進行檢測與控制。上述實例的系統，采用模糊控制算法，能量管理算法的約束條件為(I)燃料電池、鋰電池工作于最佳狀態；(2)燃料電池輸出功率盡可能穩定且在最佳效率點；(3)鋰電池荷電狀態在SOCmin以上；(4)以分配給燃料電池的功率份額為約束條件，調節鋰電池的輸出功率；(5)對鋰電池而言，當蓄電池SOC最小極限值(SOCmin )小于或等于30%，鋰電池必須充電；(6) SOC在50% 70%時，視負載需求功率情況，可以充電也可以放電；(7)當SOC大于90%時不充電。
模糊控制器以負載功率乓和鋰電池的荷電狀態SOC為模糊控制的輸入變量，以燃
料電池分配輸出功率^^和鋰電池輸出功率巧為為模糊控制器的輸出變量。模糊輸入變量
乓和SOC基本論域為
W和[30，90]%，將輸入變量模糊化，模糊子集為{ ZO (零)，
PS (正小)，PM (正中)，PB (正大)};模糊輸出變量％的論域為[-100，150]KW，模糊子集也為{NB (負大)，NM (負中)，NS (負小)，Z0 (零)，PS (正小)，PM (正中)，PB (正大)}，模糊輸出變量冬的論域為
KW，模糊子集也為{ ZO (零)，PS (正小)，PM (正中)，PB(正大)}。選擇輸入、輸出模糊變量的隸屬度函數為三角形如圖5、圖6、圖7和圖8所示。模糊控制規則由一系列關系詞連接而成,最常用的關系詞有if-then, also, or和and，確定各輸出量與輸入量的模糊控制規則，得到專家控制表，并通過實際測試優化控制表格的控制量，模糊控制算法給出的控制量需進行去模糊化處理，將其轉換到控制對象所能接受的基本論域中去去模糊化處理算法采用質心法。系統控制程序流程如圖9所示。在Matlab仿真系統中建立模糊控制器，取模糊控制的輸入變量目標功率乓和鋰電池的荷電狀態SOC的論域為[-100，150]W和[30，90]%，取模糊控制器的輸出變量燃料電池分配輸出功率4、鋰電池分配輸出功率馬的論域分別為
KW、[-100，150]W。鋰電池為15AH/13. 2V,電池初始荷電狀態S0C=60%。同時在Matlab/Simulink取時間0-15分鐘仿真波形如圖10所示。根據電池SOC和負載大小利用模糊算法將PEM燃料電池和鋰電池能量進行動態分配和管理，研制了樣機，實際測試表明測試結果表明整機電效率在90%以上，在鋰電池初始S0C=80%時容量600升金屬儲氫罐連續供電時間在16小時左右。整機效率(化學能-供電輸出)55%以上，比功率120W/500g，連續工作時間以及維護等方面比傳統應急供電裝備性能有極大提聞，極具推廣價值。權利要求
1.質子交換膜燃料電池應急供電系統，其特征是其包括系統控制器；質子交換膜燃料電池；燃料電池控制器，其對所述的質子 交換膜燃料電池進行控制和監測并通過CAN總線將信息傳輸至所述的系統控制器；DC/DC變換電路，其受控于所述的系統控制器并經所述的質子交換膜燃料電池接向負載，所述的負載受控于所述的系統控制器；鋰電池，其連接在所述質子交換膜燃料電池與負載之間；充電與電池管理系統，其受控于所述的系統控制器并控制所述鋰電池的工作狀態。
2.根據權利要求I所述的質子交換膜燃料電池應急供電系統，其特征是所述的負載、DC/DC變換電路、充電與電池管理系統通過CAN總線受控于所述的系統控制器。
3.根據權利要求I所述的質子交換膜燃料電池應急供電系統，其特征是所述的充電與電池管理系統為BQ24610的3腳A⑶RV輸出低電平、batdr輸出高電平使Ql導通、Q3截止，燃料電池輸出電壓經過Q1、R2和R21加到BQ24610的24腳Vcc，為充電芯片提供電源。
4.根據權利要求3所述的質子交換膜燃料電池應急供電系統，其特征是所述的充電與電池管理系統中設有充放電狀態指示LED、提供工作模式控制電壓的電阻、充電驅動信號輸出開關、續流二極管、充電電流檢測電阻、鋰電池電壓檢測電阻、總電流檢測電阻，BQ24610的第4腳為充電使能端，第6腳為溫度檢測端。
5.根據權利要求I所述的質子交換膜燃料電池應急供電系統，其特征是所述的DC/DC變換電路采用集成變換器。
6.根據權利要求I所述的質子交換膜燃料電池應急供電系統，其特征是所述的系統控制器采用89S51CPU，用TLV2543芯片擴展擴展AD接口。
全文摘要
本發明公開了一種質子交換膜燃料電池應急供電系統，現有應急電源連續供電時間短且在應急場合無法提供充電恢復，汽油發電機比較笨重、噪音大且釋放有害氣體，本發明包括系統控制器；質子交換膜燃料電池；燃料電池控制器，其對質子交換膜燃料電池進行控制和監測并通過CAN總線將信息傳輸至系統控制器；DC/DC變換電路，其受控于系統控制器并經質子交換膜燃料電池接向負載，負載受控于系統控制器；鋰電池，其連接在質子交換膜燃料電池與負載之間；充電與電池管理系統，其受控于系統控制器并控制鋰電池的工作狀態。PEM燃料電池與鋰電池聯供的應急供電系統，儲氫容器更換期間也可以保證連續供電，該系統連續供電時間長，無噪音，零排放。
文檔編號H02J7/00GK102638073SQ20121005543
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月5日 優先權日2012年3月5日
發明者肖鐸 申請人:永康市奕寶科技有限公司, 浙江大學城市學院, 浙江飛神車業有限公司