专利名称：燃料电池混合电源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及混合电源系统，是由燃料电池、超级电容和蓄电池组成的混合电源系统。
背景技术：
燃料电池是一种以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将燃料的化学能直接转化为电 能的电化学装置，它不受卡诺循环的限制，只要有足够的氢气和氧气，可以长时间连续运 行，并且具有能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点，可广泛应用于小型 电站、通信电源、机器人电源、汽车、电力系统、家庭生活等各领域。燃料电池技术被认为是 21世纪首选的洁净、高效发电技术。燃料电池按其电解质的不同，可分为碱性燃料电池、磷 酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐型燃料电池及固体氧化物燃料电 池等。近十年来，尤以质子交换膜燃料电池的发展最快，日益受到各国政府、企业和科研机 构的重视。据国际能源机构(IEA)统计，全球每年能源科技研发公共资金中约12%投入到燃 料电池研发。近几年，各国政府及各大公司加大投资力度，成功开发了各种型号的燃料电 池，并正在应用到或拟用到人们日常生活的各个方面，如电站、便携式电源、移动机器人电 源、各种车辆用动力电源以及家用电源等。目前，全世界每年用于燃料电池研究与开发的经 费估计在8亿美元左右，除了美国、加拿大、日本、德国和意大利等工业国家外，许多发展中 国家也在进行或着手进行燃料电池的研究与开发。我国政府也非常重视燃料电池发电技术 的研究，在国家863计划的支持下，经过“十五”和“十一五”的刻苦攻关，在燃料电池及燃 料电池汽车研究方面已取得突破性的进展，中科院大连化物所研制出50kW燃料电池发动 机，上海神力公司研制出100kW大巴车燃料电池发动机，清华大学、同济大学分别研制出了 系列化的燃料电池大巴车和燃料电池轿车，武汉理工大学已研制成功lkW 50kW级系列燃 料电池系统以及“楚天1号”燃料电池电动轿车和“楚天2号”燃料电池轻型客车。然而，虽然燃料电池作为汽车、机器人等系统电源具有上述很多优点，但它在汽 车、机器人等对象上只能进行简单的应用。因为燃料电池的动态响应具有一定的时滞，例 如当负载所需功率波动时，燃料电池的输出功率需经过一段时间的调整才能适应负载的变 化。另外，当负载电机回馈制动时，必须吸收电机回馈的电能，以节约能量从而增加连续工 作时间，但是燃料电池不支持能量的双向流动，不能吸收电机回馈制动过程中产生的电能。现有的电源系统利用辅助供电装置(如蓄电池、超级电容等)与燃料电池一起共 同为负载(机器人、汽车等)供电，称为燃料电池混合电源系统。燃料电池发挥效率高、工 作温度低、供电时间长的优势；辅助供电装置发挥动态响应速度快、能量回馈容易的长处， 以弥补燃料电池动态响应速度慢和无法实现再生能量回收的缺陷。但是，上述现有燃料电池混合电源系统中，燃料电池与辅助供电装置组成的拓扑 结构是燃料电池的输出接单向DC/DC(直流-直流)变换器的输入端，单向DC/DC变换器的 输出端与蓄电池并联，超级电容接双向DC/DC变换器的一端，双向DC/DC变换器的另一端也与蓄电池并联，并联后接负载，三者共同为负载供电。由上可知，现有燃料电池混合电源系 统存在2个DC/DC变换器，导致系统的体积和重量较大；燃料电池、超级电容的输出是经过 DC/DC变换器后再为负载供电，而DC/DC变换器会产生一定的功率损耗，降低系统的效率。因此，有必要提供一种改进的燃料电池混合电源系统来克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池混合电源系统，体积小、重量小、系统效率高。为了实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池混合电源系统，包括燃料电池、 超级电容、蓄电池、级联电力变换器以及控制器，所述超级电容与蓄电池串联，串联后的支 路与所述燃料电池以及负载并联，所述级联电力变换器包括第一和第二电感、第一和第二 MOSFET管、第一和第二二极管，其中，第一电感与第二电感为互耦电感，第一电感的一端与 第一MOSFET管的集电极连接，第二电感的一端与第二MOSFET管的发射极连接，第一电感与 第一 MOSFET管的连接点和第二电感与第二 MOSFET管的连接点互为同名端，第一电感的另 一端与第二电感的另一端、蓄电池的正极和超级电容的负极连接，第一 MOSFET管的集电极 连接第一二极管的负极，发射极连接第一二极管的正极和蓄电池的负极；第二 MOSFET管的 集电极连接第二二极管的负极和超级电容的正极，发射极接第二二极管的正极，所述控制 器局部安装在所述蓄电池上，并与所述超级电容、蓄电池、燃料电池、负载以及级联电力变 换器的第一 MOSFET管的栅极、第二 MOSFET管的栅极连接，用于获取所述蓄电池的温度信 号、所述超级电容、蓄电池以及燃料电池的电压信号和电流信号、负载的电流信号并根据所 述获取的信号控制所述第一 MOSFET管、第二 MOSFET管的导通与关断。在本发明的一个实施例中，所述系统还包括第三二极管，所述第三二极管的正极 连接超级电容的负极，负极连接超级电容的正极。在本发明的另一实施例中，所述系统还包括第四二极管，所述第四二极管的正极 连接燃料电池的正极，负极连接超级电容的正极。在本发明的再一实施例中，所述控制器包括依次串联的信号测量与处理单元、A/D 转换单元、光电隔离单元、数字信号处理器以及脉宽调制驱动单元，所述信号测量与处理单 元局部安装在所述蓄电池上，并与所述超级电容、蓄电池、燃料电池以及负载连接，所述PWM 驱动单元与所述第一 MOSFET管的栅极、第二 MOSFET管的栅极连接。与现有技术相比，本发明燃料电池混合电源系统的三种能量源(燃料电池210、超 级电容220和蓄电池230)只通过一个级联电力变换器连接，与现有燃料电池混合电源系统 的三种能量源需要通过2个DC/DC变换器连接相比，本发明体积小、重量小、结构简单，通过 合理地控制MOSFET管S1和MOSFET管S2的通断，可保证供电电压稳定，而且只要有充足的 氢气，可长时间连续为负载供电。重量轻。另外，本发明中燃料电池210直接与负载100连 接，供电时没有DC/DC变换单元的损耗，提高了系统的效率。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
图1为本发明燃料电池混合电源系统的原理框图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如图1所示，本发明燃料电池混合电源系统包括燃料电池210、超级电容220、蓄电池230、控制器300以及级联电力变换器400。所述超级电容220与所述蓄电池230串联，串联后的支路与所述燃料电池210、负 载100并联。具体地，所述超级电容220的负极与所述蓄电池230的正极连接，正极与所述 燃料电池210的正极连接。所述燃料电池210的负极连接蓄电池230的负极。所述控制器300局部安装在所述蓄电池230，并与所述燃料电池210、超级电容 220、蓄电池230以及负载100连接，用于实时采集燃料电池210、超级电容220、蓄电池230 和负载100的电压与电流、蓄电池230的温度以及负载100的电流，并根据蓄电池230的特 性以及采集的蓄电池230的电流计算蓄电池230的荷电状态(SOC)，根据超级电容220的特 性以及采集的超级电容220的电压计算超级电容220的荷电状态(SOC)，根据采集的燃料电 池210的电压(等于负载100的电压)以及采集的负载100的电流计算负载100的功率。 另外，所述控制器300根据计算的负载100的功率、蓄电池230的荷电状态(SOC)、采集的蓄 电池230的电压、电流和温度、估算的超级电容220的荷电状态(SOC)、采集的超级电容220 的电压、电流控制所述级联电力变换器400 (其内的MOSFET管S1和MOSFET管S2)的导通和 关断控制，优化分配燃料电池210、超级电容220和蓄电池230间的功率，保证向负载100高 效平稳可靠供电。具体地，所述控制器300包括信号测量与处理单元310、A/D转换单元320、光电隔 离单元330、数字信号处理器(DSP)340、脉宽调制(PWM)驱动单元350。所述信号测量与处理单元310局部安装在所述蓄电池230上，并与所述燃料电池 210、超级电容220、蓄电池230以及负载100连接，用于对燃料电池210的电压值和电流值、 蓄电池230的电压值和电流值、超级电容220的电压值和电流值、蓄电池230的温度以及负 载100的电流进行实时测量以及对测量的信号进行滤波处理。作为一个例子，如图1，所述 信号测量与处理单元310与所述燃料电池210的正极、超级电容220的正极、蓄电池230的 正极以及负载100的正极连接，其中Vbat、Ibat, Tbat, Vfc, Ifc, Vc, Ic和Il分别表示蓄电池230 电压、蓄电池230电流、蓄电池230温度、燃料电池210电压、燃料电池210电流、超级电容 220电压、超级电容220电流和负载电流。所述信号测量与处理单元310包括霍尔电压传感 器、霍尔电流传感器、温度传感器、以及二阶低通有源滤波电路。霍尔电压传感器与所述燃 料电池210、超级电容220、蓄电池230连接，用于实时获取燃料电池210、蓄电池230和超级 电容220的电压值；霍尔电流传感器与所述燃料电池210、超级电容220、蓄电池230和负载 100连接，用于实时获取燃料电池210、蓄电池230、超级电容220和负载100的电流值；温 度传感器安装在所述蓄电池230上，用于实时获取所述蓄电池230的温度；二阶低通有源滤 波器与所述霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器连接，用于对霍尔电压传感器、 霍尔电流传感器和温度传感器实时获取的结果(燃料电池210的电压Vf。和电流If。、蓄电 池230的电压Vbat、和电流Ibat、超级电容220的电压Vc和电流Ic、蓄电池230的温度Tbat、负 载100的电流IJ进行滤波处理和稳压处理。A/D转换单元320与所述信号测量与处理单元310的二阶低通有源滤波器连接，用于对所述二阶低通有源滤波器滤波及稳压处理后的信号进行模数转换。光电隔离单元330与所述A/D转换单元320连接，用于对所述A/D转换单元320 模数转换后的信号进行隔离，以阻挡外界信号对数字信号处理器340的干扰。数字信号处理器340与所述光电隔离单元330连接，用于接收对所述光电隔离单 元330处理后的信号，并根据所述接收的信号估算蓄电池230的荷电状态(SOC)、超级电容 220的荷电状态(SOC)以及负载100的功率，根据所述接收的信号和估算的负载100的功 率、蓄电池230荷电状态和超级电容220荷电状态输出控制所述级联电力变换器400 (其内 的MOSFET管S1和MOSFET管S2)导通和关断的脉宽调制信号(PWM信号)或低电平信号。 在本实施例中，所述数字信号处理器340可以为TMS320LF2407型或TMS320F2812型。下面 具体说明。所述数字信号处理器340根据蓄电池230的特性以及信号测量与处理单元310采 集的蓄电池230电流Ibat估算蓄电池230的荷电状态(SOC)，估算公式为SOC = SOC0 Γη ^ (1)其中，SOCtl为蓄电池230的初始荷电状态(SOC)值；η为蓄电池230的充放电效 率，(；为蓄电池230的容量，以上参数根据蓄电池230的特性在数字信号处理器340中设定 为常数；Ibat为信号测量与处理单元310获取的蓄电池230的电流，充电时为正，放电时为负。所述数字信号处理器340根据超级电容220的特性以及信号测量与处理单元310
采集的超级电容220的电压估算超级电容220的荷电状态(SOC)，估算公式为 VcSOC =、r(2)
Vcmax其中，V。为信号测量与处理单元310获取的超级电容220的电压，Vemax为超级电容 220能承受的最高电压，根据超级电容220的特性在数字信号处理器340中设定为常数。所述数字信号处理器340根据采集的负载100的电流L以及燃料电池210的电压 Vf。(等于负载100的电压)计算负载100的功率，并根据负载100的功率、采集的信号、超 级电容220和蓄电池230的荷电状态(S0C)，在％、％端输出脉宽调制信号或低电平信号。脉宽调制驱动单元350与所述数字信号处理器340连接，用于对所述数字信号处 理器340的ai、a2端输出的信号进行放大，并根据所述放大的信号驱动所述级联电力变换器 400内的MOSFET管S1和MOSFET管S2的导通和关断，从而分配燃料电池210、超级电容220 和蓄电池230间功率进而保证向所述负载100高效平稳可靠地供电。所述级联电力变换器400与所述控制器300、超级电容220与所述蓄电池230连接，其包括由电感U、MOSFET管S1、二极管D1组成的第一电路以及由电感L2、MOSFET管S2、 二极管D2组成的第二电路。所述第一电路与所述第二电路连接。对于第一电路，MOSFET管S1和二极管D1反向并联。具体地，MOSFET管S1的集电 极接二极管D1的负极、发射极接二极管D1的正极。另外，电感L1的一端连接MOSFET管S1 的集电极。对于第二电路，MOSFET管S2和二极管D2反向并联。具体地，MOSFET管S2的集电 极接二极管D2的负极、发射极接二极管D2的正极。另外，电感L2的一端连接MOSFET管S2 的发射极。
所述第一电路的电感L1的另一端与所述第二电路的电感L2的另一端连接。其中， 电感L1与电感L2为互耦电感，电感L1的一端与MOSFET管S1的集电极的连接点、电感L2的 一端与MOSFET管S2的发射极的连接点互为同名端。互耦电感具有能量存储和能量转移的 作用。所述级联电力变换器400具有2个控制输入端和3个双向输入/输出端。所述2 个控制输入端为第一电路中MOSFET管S1的栅极和第二电路中MOSFET管S2的栅极。其中， MOSFET管S1的栅极与所述控制器300的脉宽调制驱动单元350的 连接，MOSFET管S2的 栅极也与所述控制器300的脉宽调制驱动单元350的a2连接。所述3个双向输入/输出 端分别为第一电路中MOSFET管S1的发射极、第二电路中电感L2与第一电路中电感L1的连 接点、第二电路中MOSFET管S2的集电极。其中，MOSFET管S1的发射极连接蓄电池230的 负极，电感L2的与电感L1的连接点连接蓄电池230的正极和超级电容220的负极，MOSFET 管&的集电极连接超级电容220的正极。也就是说，蓄电池230连接级联电力变换器400 的第一电路的两个双向输入/输出端，超级电容220连接级联电力变换器400的第二电路 的两个双向输入/输出端。所述燃料电池混合电源系统还包括二极管D3以及二极管Drc。二极管D3用于防止 超级电容220过度放电，二极管Drc用于防止外界向燃料电池反向充电。所述二极管D3与 超级电容220并联。具体地，二极管D3的正极连接超级电容220的负极，负极连接超级电 容220的正极。所述二极管Drc与燃料电池210串联。具体地，所述二极管Drc的正极连接 燃料电池210的正极，负极连接超级电容220的正极。下面说明燃料电池混合电源系统在控制器300的控制下选择燃料电池210，或燃 料电池210与超级电容220、蓄电池230之一或之二组合为负载100供电，或为超级电容 220、蓄电池230充电的原理(I)MOSFET管Sl周期性导通和关断，MOSFET管S2关断当所述控制器300中的数字信号处理器340判断负载100的功率小于额定功率， 而且蓄电池230的温度低于60°C、蓄电池230的荷电状态(SOC)大于超级电容220的荷电 状态(SOC)时，数字信号处理器340的a2端输出低电平， 端输出脉冲序列，通过脉宽调制 驱动单元340放大后，关断MOSFET管S2,并不断重复导通和关断MOSFET管S115 MOSFET管S1 导通时，燃料电池210与超级电容220和电感L1组成一个回路，对超级电容220充电，同时 在互耦电感L2上储能，蓄电池230与电感L1形成放电回路，在电感L1上储能；MOSFET管S1 断开后，电感L2上储存的能量通过二极管D2继续为超级电容220充电，电感L1上的能量耦 合到电感L2,蓄电池230与电感L2形成放电回路，与燃料电池210 —起供电。当蓄电池230 的放电电流达到3倍放电倍率或电压低于标称电压10%，或燃料电池210的电压低于额定 电压，或电流高于额定电流时，数字信号处理器340将ai端脉冲信号的占空比降低10%。(2)MOSFET管S2周期性导通和关断，MOSFET管S1关断当所述控制器300中的数字信号处理器340判断负载100的功率小于额定功率，而且蓄电池230的温度达低于60°C、蓄电池230的荷电状态(SOC)小于或等于超级电容220 的荷电状态(SOC)时，数字信号处理器340的^端输出低电平，a2端输出脉冲序列，通过脉 宽调制驱动单元340放大后，关断MOSFET管S1，并不断重复导通和关断MOSFET管S2。MOSFET 管S2导通时，燃料电池210与电感L2和蓄电池230组成一个回路，对蓄电池230充电，同时在互耦电感L1上储能，超级电容220与电感L2形成放电回路，在电感L2上储能；MOSFET管 S2断开后，电感L1上储存的能量通过二极管D1继续为蓄电池230充电，电感L2上的能量耦 合到电感L1，超级电容220与电感L1形成放电回路，与燃料电池210 —起供电。当超级电 容220的电流大于额定电流，或燃料电池210的电压低于额定电压、电流高于额定电流时， 数字信号处理器340将a2端脉冲信号的占空比降低10%。(3) MOSFET 管 S1、S2 均关断当控制器300判断负载100大于额定功率，或负载虽小于额定功率，但蓄电池230 的温度达到60°C时，数字信号处理器340的ai、a2端均输出低电平，通过脉宽调制驱动单元 340放大后，关断MOSFET管S1, S2。燃料电池210与超级电池220、蓄电池230通过三种能 量源间的串联和并联回路直接向负载供电。本发明燃料电池混合电源系统的三种能量源(燃料电池210、超级电容220和蓄电 池230)只通过一个级联电力变换器连接，结构简单，通过合理地控制MOSFET管SJPMOSFET 管S2的通断，可保证供电电压稳定，而且只要有充足的氢气，燃料电池混合电源系统可长时 间连续为负载供电。与现有系统的三种能量源需要通过2个DC/DC变换器连接相比，本发 明的体积小、重量轻；本发明中的燃料电池210直接与负载100连接，供电时没有DC/DC变 换单元的损耗，提高了系统的效率。以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施 例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
权利要求
一种燃料电池混合电源系统，包括燃料电池，其特征在于，还包括超级电容、蓄电池、级联电力变换器以及控制器，所述超级电容与蓄电池串联，串联后的支路与所述燃料电池以及负载并联，所述级联电力变换器包括第一和第二电感、第一和第二MOSFET管、第一和第二二极管，其中，第一电感与第二电感为互耦电感，第一电感的一端与第一MOSFET管的集电极连接，第二电感的一端与第二MOSFET管的发射极连接，第一电感与第一MOSFET管的连接点和第二电感与第二MOSFET管的连接点互为同名端，第一电感的另一端与第二电感的另一端、蓄电池的正极和超级电容的负极连接，第一MOSFET管的集电极连接第一二极管的负极，发射极连接第一二极管的正极和蓄电池的负极；第二MOSFET管的集电极连接第二二极管的负极和超级电容的正极，发射极接第二二极管的正极，所述控制器局部安装在所述蓄电池上，并与所述超级电容、蓄电池、燃料电池、负载以及级联电力变换器的第一MOSFET管的栅极、第二MOSFET管的栅极连接，用于获取所述蓄电池的温度信号、所述超级电容、蓄电池以及燃料电池的电压信号和电流信号、负载的电流信号并根据所述获取的信号控制所述第一MOSFET管、第二MOSFET管的导通与关断。
2.如权利要求1所述的燃料电池混合电源系统，其特征在于，还包括第三二极管，所述 第三二极管的正极连接超级电容的负极，负极连接超级电容的正极。
3.如权利要求1所述的燃料电池混合电源系统，其特征在于，还包括第四二极管，所述 第四二极管的正极连接燃料电池的正极，负极连接超级电容的正极。
4.如权利要求1所述的燃料电池混合电源系统，其特征在于，所述控制器包括依次串 联的信号测量与处理单元、A/D转换单元、光电隔离单元、数字信号处理器以及脉宽调制驱 动单元，所述信号测量与处理单元局部安装在所述蓄电池上，并与所述超级电容、蓄电池、 燃料电池以及负载连接，所述PWM驱动单元与所述第一 MOSFET管的栅极、第二 MOSFET管的 栅极连接。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池混合电源系统，包括燃料电池、超级电容、蓄电池、级联电力变换器以及控制器。级联电力变换器包括相互连接的第一和第二电感、第一和第二MOSFET管、第一、第二、第三和第四二极管。控制器获取蓄电池的温度信号、超级电容、蓄电池以及燃料电池的电压信号和电流信号、以及负载的电流信号并根据获取的信号控制第一MOSFET管、第二MOSFET管的导通与关断。本系统无需两个DC/DC变换器，只需一个级联电力变换器，因而体积小、重量小、系统效率高。
文档编号H02J7/34GK101841182SQ20101018529
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者全书海, 刘莉, 张立炎, 狄艾威, 石英, 谢长君, 陈启宏 申请人:武汉理工大学