专利名称：燃料电池电子负载及制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术，特别涉及一种燃料电池电子负载的制作方法。
背景技术：
燃料电池是用多个单片电池组成的电池组。研制新型的电池时，为了 降低研制成本，通常做法是先对单片电池进行研究，制作出面积较小的单 片电池，然后进行性能评价，性能达到要求后再按比例放大，制成可应用 的电池组。电池的性能评价离不开负载。性能稳定、可调性好、适应性强是电池 负载的关键指标。单片燃料电池的特点是，低电压大电流，空载时电压为IV，放电电流最大时电压降到0.2V以下。如果单片电池做的面积比较小， 最大放电电流不到IOA，负载电阻小于0.02Q即可满足放电要求，因此， 选用分辨率为0. OIQ。的标准直流电阻箱即可做评价电池的负载了。但面积较小的样品电池性能与实际应用的电池还有差距，为了保证对 新研制出的单片电池的评价结果更接近实际应用的电池性能，必须加大电 池的面积。这样，面积放大后的单片电池放电电流最大时的电压虽然还是 0. 2V以下、但放电电流能达到60A以上，放电的负载电阻必须小于0.003Q 才行。用滑线电阻器或标准直流电阻箱显然不行了，因为滑动端的接触电 阻就远大于这个值。必须找到电阻特别小的负载，这是燃料电池技术领域 的一大课题，在国内电子负载发明专利中，很少有能满足适合燃料电池用 的电子负载。文献(l)(申请号02124911.3，公开号CN1464578A)提及采用功率场效 应管MOSFET的低导通电阻特性做为燃料电池的电子负载，通过控制其栅 源极间电压可任意调整导通电阻的大小，即改变负载的大小。本方法为了 提高功率场效应管(MOSFET)的抗干扰性，将智能控制器输出的0-4V控制 信号，通过精密隔离放大器，再接到功率场效应管MOSFET的栅极控制电 压，以提高控制信号的准确性和抗干扰性。申请人发现电子元件功率场效应管(MOSFET)具有如下特点漏极电流ID，表征功率场效应管MOSFET的电流容量，其测试条件为， Uw为40V, UDs为某个适当值时的漏极电流。实际应用中的电流Id应该小 于60XlD运行比较可靠。漏源击穿电压U(肌)Ds，表征功率MOSFET的耐压极限。UcjfO时，漏 源之间的反向泄漏电流达到某一规定值时的漏源电压。栅源击穿电压U(BR)CS，表征功率MOSFET栅源间能承受的最高电压，其值一般为士20V。开启电压Ugs脚，它指的是征功率MOSFET流过一定量的漏极电流时 的最小栅源电压。当栅源电压等于开启电压时，功率场效应管MOSFET开 始导通。图1中显示的开启电压不到2V。功率MOSFET属于电压型控制 器件，只要栅极和源极之间施加的电压超过其阀值电压就会导通。由于 MOSFET存在结电容，关断时其漏源两端电压的突然上升将会通过结电容 在栅源两端产生干扰电压，故抗干扰性较差。为了提高功率场效应管(MOSFET)的抗干扰性，将智能控制器输出的 0-4V控制信号，通过精密隔离放大器U1，再接到功率场效应管MOSFET 的栅极控制电压，以提高控制信号的准确性和抗干扰性。导通电阻Row，是指在确定栅源电压Ues，功率MOSFET处于恒流区 时的直流电阻，它与输出特性密切相关，是影响最大输出功率的重要参数。如果用一组MOSFET制成电子负载，可以满足燃料电池对低电压大电 流微小电阻这样的要求。 发明内容本发明的目的是提供一种燃料电池电子负载的制作方法，以实现燃料 电池的低电压大电流放电，具有导通电阻低，放电电流大，控制精度高， 抗干扰性强等特点。为达到上述目的，本发明的解决方案是采用功率场效应管(MOSFET) 低导通电阻特性做为燃料电池的电子负载，通过控制其栅源极间电压可任 意调整导通电阻的大小，即改变负载的大小。一种燃料电池电子负载，采用功率场效应管MOSFET的低导通电阻特 性做为燃料电池的电子负载;其核心元件就是MOSFET,为了提高功率场效 应管(MOSFET)的抗干扰性，将智能控制器输出的0-4V控制信号，通过精 密隔离放大器U1，再接到功率场效应管MOSFET的栅极控制电压，以提 高控制信号的准确性和抗干扰性。一种燃料电池电子负载的制作方法，通过控制其栅源极间电压可任意 调整导通电阻的大小，即改变负载的大小第一步，首先确定电源参数，确定电压和电流值，计算出负载电阻应 该达到多少欧姆数，才能达到放电要求；第二步，根据计算所得负载电阻阻值选择功率场效应管MOSFET;第三步，设计电路板，将不少于二个功率场效应管MOSFET并联， 计算并联后的最小电阻值，判断是否符合电子负载要求；第四步，控制电路设计，设计一个智能控制器;控制器最少有二路A/D 转换、 一路D/A转换;分别用于测量电压、电流，输出O-4V电压，通过精 密隔离放大器，再接到功率场效应管MOSFET的栅极控制电压,用于控制栅 极电压，改变功率场效应管MOSFET的导通电阻；第五步，智能控制器的软件编制，在软件中可以设定负载的功率大小和实时检测电流的变化规律。 第六步，整机调试。所述的一种燃料电池电子负载制作方法，为了防止器件故障而过流，在每个回路中串一个过流保护电阻。为了提高功率场效应管(MOSFET)的抗 干扰性，将智能控制器输出的0-4V控制信号，通过精密隔离放大器，再接 到功率场效应管MOSFET的栅极控制电压，以提高控制信号的准确性和抗 干扰性。利用本方法制作的电子负载完全能满足燃料电池评价的技术要求，具 有导通电阻低，放电电流大，控制精度高，抗干扰性强等特点，非常适合 燃料电池大电流放电的需要。且制作成本特别低。
图1是功率场效应管MOSFET栅源电压U(3s与漏极电流lD其关系曲线;图2是燃料电池电子负载实例的原理图。
具体实施方式
例1. 200W电子负载制作步骤。首先确定电源参数，电压0-3V，电流0-80A。负载电阻应该达到0. 0375Q，才能达到放电要求；第二步，根据负载电阻选择功率场效应管MOSFET 2SK2690的技术参 数是，导通电阻是0.01Q，最大功率是125W，最大电流是80A。第三步，设计电路板，将10个2SK2690并联，如图2。计算可得，并 联后的最小电阻是可以达到0.001Q。为了防止器件故障而过流，在每个回 路中串一个过流保护电阻RS 1 RS 10。第四步，控制电路设计。用51系列单片机设计一个智能控制器。 控制器最少有二路12位A/D转换、 一路8位D/A。分别用于测量电压、电 流，输出0 — 4V电压，通过精密隔离放大器Ul，再接到功率场效应管 MOSFET的栅极控制电压,用于控制栅极电压，改变功率场效应管MOSFET 的导通电阻。第五步，智能控制器的软件编制。第六步，整机调试，在软件中可以设定负载的功率大小和变化规律。 按照上述六个步骤， 一台200W电子负载就会完成。 实际电池评价使用效果完全达到要求。图1是栅源电压Ues与漏极电流lD其关系曲线。可以看出，改变Ucs 的大小，可以控制功率场效应管MOSFET漏源之间的通过电流ID，而且可 控性非常好，很适合做负载。图2是一个已经成功的燃料电池电子负载实例的原理图。该系统是 由10个功率场效应管MOSFET并联组成，每个功率MOSFET允许工作电 流I^80A，最大允许漏源电压UDS = 60V，最大允许功耗PD=125W，通态电阻Ro!^o.oiQ。并联后的理论总电阻可以达到o.oom，但由于连接导线电阻的影响，回路电阻大于理论值，仍可小于0.003Q，满足了前面单片燃 料电池的技术要求。RS1-RS10是限流电阻，当功率MOSFET故障短路时， 可限制电流海片功率场效应管MOSFET的栅极串接一个的电阻 Rl-R10,可减小并联后各器件间的相互影响。将智能控制器输出的0-4V控 制信号，通过精密隔离放大器U1，再接到功率场效应管MOSFET的栅极 控制电压，以达到控制信号的准确性,减少其他信号的干扰。智能控制器是由单片计算机组成，有A/D和D/A转换电路，可测得 电池的电压和放电总电流，并计算出功率。智能控制根据预先设定的程序， 输出0-4V的电压，即调节功率MOSFET的栅极控制电压，便改变电子负 载的功率和特性。其所具有的控制方式如恒流放电控制、恒压放电控制、 放电时间控制等，全由计算机软件来实现。装置技术指标实测结果:设定功率场效应管MOSFET的栅极电压Ues, 当单个器件的电流I^10A时，漏源电压UD^0. 17V，完全满足单片电池评 价的技术要求。前面所述的虽然只是针对单片电池评价用负载，实际该装置是通用 于IO片以下的电池组。制作大型电池组的电子负载时，只要根据电压选用导通电阻Row高 的功率场效应管MOSFET器件，根据电流确定需要并联器件的数量。另外 再加一些保护电路和软件保护、联锁功能。
权利要求
1.一种燃料电池电子负载，其特征在于，采用功率场效应管MOSFET的低导通电阻特性做为燃料电池的电子负载；将智能控制器输出的0-4V控制信号，通过精密隔离放大器U1，再接到功率场效应管MOSFET的栅极控制电压，通过控制其栅源极间电压可任意调整导通电阻的大小，即改变负载的大小。
2. —种燃料电池电子负载的制作方法，其特征在于，通过控制其栅源 极间电压可任意调整导通电阻的大小，即改变负载的大小第一步，首先确定电源参数，确定电压和电流值，计算出负载电阻应 该达到多少欧姆数，才能达到放电要求；第二步，根据计算所得负载电阻阻值选择功率场效应管MOSFET;第三步，设计电路板，将不少于二个功率场效应管MOSFET并联，计 算并联后的最小电阻值，判断是否符合电子负载要求；第四步，控制电路设计，设计一个智能控制器；控制器最少有二路A/D 转换、 一路D/A转换；分别用于测量电压、电流，输出0-4V电压，通过 精密隔离放大器，再接到功率场效应管MOSFET的栅极控制电压，用于控 制栅极电压，改变功率场效应管MOSFET的导通电阻；第五步，智能控制器的软件编制，在软件中可以设定负载的功率大小 和实时检测电流的变化规律；第六步，整机调试。
3. 如权利要求2所述的燃料电池电子负载制作方法，其特征在于，为 了防止器件故障而过流，在每个回路中串 一个过流保护电阻。
4. 如权利要求2所述的燃料电池电子负载制作方法，其特征在于，为 了提高功率场效应管(MOSFET)的抗干扰性，将智能控制器输出的0-4V控 制信号，通过精密隔离放大器，再接到功率场效应管MOSFET的栅极控制 电压，以提高控制信号的准确性和抗干扰性。
全文摘要
一种燃料电池电子负载制作方法，采用功率场效应管MOSFET的低导通电阻特性做为燃料电池的电子负载，通过控制其栅源极间电压可任意调整导通电阻的大小，即改变负载的大小，通过多个功率场效应管MOSFET的并联可实现燃料电池的低电压大电流放电，利用本方法制作的电子负载完全能满足燃料电池评价的技术要求，具有导通电阻低，放电电流大，控制精度高，抗干扰性强等特点，且制作成本特别低。
文档编号H01M8/00GK101335352SQ20071001191
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月29日 优先权日2007年6月29日
发明者张华民, 杰 李 申请人:新源动力股份有限公司