专利名称：质子交换膜燃料电池应急供电系统的制作方法
技术领域：
本发明属于供电系统，具体是质子交换膜燃料电池应急供电系统。
背景技术：
我国幅员辽阔，自然灾害频发，在抢险救灾和突发事件处置中常用的锂电池、镍氢电池、铅酸电池等应急电源连续供电时间短且在应急场合无法提供充电恢复，汽油发电机比较笨重、噪音大且释放有害气体。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有应急电源连续供电时间短且在应急场合无法提供充电恢复，汽油发电机比较笨重、噪音大且释放有害气体的缺陷，提供一种可连续供电、根据锂电池S0C、燃料电池最佳工作状态以及负载情况进行能量动态分配与管理的质子交换膜燃料电池应急供电系统。为达到上述目的，本发明的质子交换膜燃料电池应急供电系统，其特征是其包括
系统控制器；
质子交换膜燃料电池；
燃料电池控制器，其对所述的质子交换膜燃料电池进行控制和监测并通过CAN总线将信息传输至所述的系统控制器；
DC/DC变换电路，其受控于所述的系统控制器并经所述的质子交换膜燃料电池接向负载，所述的负载受控于所述的系统控制器；
锂电池，其连接在所述质子交换膜燃料电池与负载之间；
充电与电池管理系统，其受控于所述的系统控制器并控制所述锂电池的工作状态。作为优选技术措施，所述的负载、DC/DC变换电路、充电与电池管理系统通过CAN总线受控于所述的系统控制器。作为优选技术措施，所述的充电与电池管理系统为BQ24610的3脚A⑶RV输出低电平、batdr输出高电平使Ql导通、Q3截止，燃料电池输出电压经过Ql、R2和R21加到BQ24610的24脚Vcc，为充电芯片提供电源。进一步的，所述的充电与电池管理系统中设有充放电状态指示LED、提供工作模式控制电压的电阻、充电驱动信号输出开关、续流二极管、充电电流检测电阻、锂电池电压检测电阻、总电流检测电阻，BQ24610的第4脚为充电使能端，第6脚为温度检测端。作为优选技术措施，所述的DC/DC变换电路采用集成变换器。作为优选技术措施，所述的系统控制器采用89S51CPU，用TLV2543芯片扩展扩展AD 接口。本发明的有益效果是利用PEM燃料电池、锂电池联供的应急供电系统，储氢容器更换期间也可以保证连续供电，控制系统采用模糊算法，根据锂电池S0C、燃料电池最佳工作状态以及负载情况，进行能量动态分配与管理。研制了样机，并在应急场合使用，该系统连续供电时间长，无噪音，零排放，取得良好的效果。
图I是本发明的一个系统框 图2是本发明的一个锂电池充电电路 图3是DC/DC变换电路的电路 图4是本发明的控制部分电路图5是本发明的负载功率Ps 的隶属度函数曲线 图6是本发明的锂电池荷电状态SOC的隶属度函数曲线 图7是本发明的锂电池提供功率与的隶属度函数曲线 图8是本发明的燃料电池输出功率Pfc的隶属度函数曲线 图9是本发明的系统控制程序流程 图10是本发明的仿真波形示意图。
具体实施例方式以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。本发明的质子交换膜燃料电池应急供电系统，如图I所示，其包括
系统控制器；
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,简称 PEMFC);
燃料电池控制器(简称FC控制器)，其对质子交换膜燃料电池进行控制和监测并通过CAN总线将信息传输至系统控制器；
DC/DC变换电路(简称DC/DC)，其受控于系统控制器并经质子交换膜燃料电池接向负载，负载受控于系统控制器；
锂电池，其连接在质子交换膜燃料电池与负载之间；
充电与电池管理系统(简称充电BMS)，其受控于系统控制器并控制锂电池的工作状态。具体的，负载、DC/DC变换电路、充电与电池管理系统通过CAN总线受控于系统控制器充电与电池管理系统为BQ24610的3脚ACDRV输出低电平、batdr输出高电平使Ql导通、Q3截止，燃料电池输出电压经过Q1、R2和R21加到BQ24610的24脚Vcc，为充电芯片提供电源，充电与电池管理系统中设有充放电状态指示LED、提供工作模式控制电压的电阻、充电驱动信号输出开关、续流二极管、充电电流检测电阻、锂电池电压检测电阻、总电流检测电阻，BQ24610的第4脚为充电使能端，第6脚为温度检测端。DC/DC变换电路采用集成变换器。系统控制器采用89S51CPU，用TLV2543芯片扩展扩展AD接口。以下通过一个例子对本发明做具体说明。系统选用180W质子交换膜燃料电池(电堆)，功率为180W，输出电压15V-28V。锂电池的指标为13. 2V/15AH以保证燃料电池故障状态下或燃料耗尽更换不及情况下应急满功率支持I小时的战术要求。燃料电池控制器主要完成对质子交换膜燃料电池的温度、输入氢气和空气压力、流量、以及电堆异常情况进行控制和监测，并通过CAN总线将信息传输至系统控制器，系统控制器主要完成对负载大小、锂电池SOC以及燃料电池电堆工况实时检测并根据模糊算法动态进行能量管理，使应急供电系统个部件工作在最佳状态。锂电池充电电路如图2所示BQ24610的3脚A⑶RV输出低电平、batdr输出高电平使Ql导通、Q3截止，燃料电池输出电压15V-28V经过Q1、R2和R21加到BQ24610的24脚Vcc，为充电芯片提供电源。能量流如下燃料电池输出电压一路通过R2经由DC/DC稳压后输出12V直流电压到输出端，另一路在BQ24610控制下通过Q5、Q6、LI给锂电池充电。在燃料电池无输出时，BQ24610的3脚A⑶RV输出高电平、batdr输出低电平使Ql截止、Q3导通，锂电池通过Q3为BQ24610和负载提供电源。Dl、D2、D3为充放电状态指示LED，R7-R12提工作模式控制电压，Q5、Q6为充电驱动信号输出开关管，D4为续流二极管。R13为充电电流检测电阻，用于检测实际充电电流的大小。R14、R16锂电池电压检测电阻，BQ24610根据实际充电电流和电池端电压，判断锂电池的状态，并决定充电启动或终止。R2为总电流检测电阻，当燃料电池输出总电流超过IOA时，关断系统电路。BQ24610的第4脚为充电使能端，高电平有效，第6脚为温度检测端，可直接检测锂电池的温度。DC/DC变换电路采用集成变换器，输入电压9V 36V，2800KHz的开关频率，输出电压12V+10%，转换效率90%，最大输出电流12A，外围电路简单。如图3所示。应急供电系统需要检测的参数比较多燃料电池需要检测输出电压、输出电流；充电BMS需要检测充电电流、电池电压和电池SOC ;输出端需要检测输出电流、输出电压。因此需要扩展AD接口，参见图4，系统控制采用89S51CPU，AD采用TLV2543芯片，该芯片有10路模拟电压输入，与单片机采用串行接口，占用口线资源较少，转换速度比较快，显示采用IXD1602液晶显示，不采用背光时液晶动态电流不大于5mA，主要显示燃料电池工作状态，锂电池SOC及充放电情况，输出电压、输出电流信息，整机效率等供电信息。另外系统控制器通过CAN总线与燃料电池控制器进行通信，读取燃料电池的工作状态，并对燃料电池进行检测与控制。上述实例的系统，采用模糊控制算法，能量管理算法的约束条件为(I)燃料电池、锂电池工作于最佳状态；(2)燃料电池输出功率尽可能稳定且在最佳效率点；(3)锂电池荷电状态在SOCmin以上；(4)以分配给燃料电池的功率份额为约束条件，调节锂电池的输出功率；(5)对锂电池而言，当蓄电池SOC最小极限值(SOCmin )小于或等于30%，锂电池必须充电；(6) SOC在50% 70%时，视负载需求功率情况，可以充电也可以放电；(7)当SOC大于90%时不充电。
模糊控制器以负载功率乓和锂电池的荷电状态SOC为模糊控制的输入变量，以燃
料电池分配输出功率^^和锂电池输出功率巧为为模糊控制器的输出变量。模糊输入变量
乓和SOC基本论域为
W和[30，90]%，将输入变量模糊化，模糊子集为{ ZO (零)，
PS (正小)，PM (正中)，PB (正大)};模糊输出变量％的论域为[-100，150]KW，模糊子集也为{NB (负大)，NM (负中)，NS (负小)，Z0 (零)，PS (正小)，PM (正中)，PB (正大)}，模糊输出变量冬的论域为
KW，模糊子集也为{ ZO (零)，PS (正小)，PM (正中)，PB(正大)}。选择输入、输出模糊变量的隶属度函数为三角形如图5、图6、图7和图8所示。模糊控制规则由一系列关系词连接而成,最常用的关系词有if-then, also, or和and，确定各输出量与输入量的模糊控制规则，得到专家控制表，并通过实际测试优化控制表格的控制量，模糊控制算法给出的控制量需进行去模糊化处理，将其转换到控制对象所能接受的基本论域中去去模糊化处理算法采用质心法。系统控制程序流程如图9所示。在Matlab仿真系统中建立模糊控制器，取模糊控制的输入变量目标功率乓和锂电池的荷电状态SOC的论域为[-100，150]W和[30，90]%，取模糊控制器的输出变量燃料电池分配输出功率4、锂电池分配输出功率马的论域分别为
KW、[-100，150]W。锂电池为15AH/13. 2V,电池初始荷电状态S0C=60%。同时在Matlab/Simulink取时间0-15分钟仿真波形如图10所示。根据电池SOC和负载大小利用模糊算法将PEM燃料电池和锂电池能量进行动态分配和管理，研制了样机，实际测试表明测试结果表明整机电效率在90%以上，在锂电池初始S0C=80%时容量600升金属储氢罐连续供电时间在16小时左右。整机效率(化学能-供电输出)55%以上，比功率120W/500g，连续工作时间以及维护等方面比传统应急供电装备性能有极大提闻，极具推广价值。权利要求
1.质子交换膜燃料电池应急供电系统，其特征是其包括系统控制器；质子交换膜燃料电池；燃料电池控制器，其对所述的质子 交换膜燃料电池进行控制和监测并通过CAN总线将信息传输至所述的系统控制器；DC/DC变换电路，其受控于所述的系统控制器并经所述的质子交换膜燃料电池接向负载，所述的负载受控于所述的系统控制器；锂电池，其连接在所述质子交换膜燃料电池与负载之间；充电与电池管理系统，其受控于所述的系统控制器并控制所述锂电池的工作状态。
2.根据权利要求I所述的质子交换膜燃料电池应急供电系统，其特征是所述的负载、DC/DC变换电路、充电与电池管理系统通过CAN总线受控于所述的系统控制器。
3.根据权利要求I所述的质子交换膜燃料电池应急供电系统，其特征是所述的充电与电池管理系统为BQ24610的3脚A⑶RV输出低电平、batdr输出高电平使Ql导通、Q3截止，燃料电池输出电压经过Q1、R2和R21加到BQ24610的24脚Vcc，为充电芯片提供电源。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池应急供电系统，其特征是所述的充电与电池管理系统中设有充放电状态指示LED、提供工作模式控制电压的电阻、充电驱动信号输出开关、续流二极管、充电电流检测电阻、锂电池电压检测电阻、总电流检测电阻，BQ24610的第4脚为充电使能端，第6脚为温度检测端。
5.根据权利要求I所述的质子交换膜燃料电池应急供电系统，其特征是所述的DC/DC变换电路采用集成变换器。
6.根据权利要求I所述的质子交换膜燃料电池应急供电系统，其特征是所述的系统控制器采用89S51CPU，用TLV2543芯片扩展扩展AD接口。
全文摘要
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池应急供电系统，现有应急电源连续供电时间短且在应急场合无法提供充电恢复，汽油发电机比较笨重、噪音大且释放有害气体，本发明包括系统控制器；质子交换膜燃料电池；燃料电池控制器，其对质子交换膜燃料电池进行控制和监测并通过CAN总线将信息传输至系统控制器；DC/DC变换电路，其受控于系统控制器并经质子交换膜燃料电池接向负载，负载受控于系统控制器；锂电池，其连接在质子交换膜燃料电池与负载之间；充电与电池管理系统，其受控于系统控制器并控制锂电池的工作状态。PEM燃料电池与锂电池联供的应急供电系统，储氢容器更换期间也可以保证连续供电，该系统连续供电时间长，无噪音，零排放。
文档编号H02J7/00GK102638073SQ20121005543
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者肖铎 申请人:永康市奕宝科技有限公司, 浙江大学城市学院, 浙江飞神车业有限公司