用于氢燃料电池系统的电能启动模块的充电控制电路的制作方法

本实用新型属于临近空间飞行器领域。

背景技术：

临近空间是指介于普通航空飞行器最高飞行高度和天基卫星最低轨道高度之间的空域。国内一般定义临近空间为离地球表面约20-120km的空域，临近空间飞行器是能够飞行在临近空间执行特定任务的一种飞行器，既能比卫星提供更多更精确的信息，并节省使用卫星的费用，又能比通常的航空器减少遭地面敌人攻击的机会。临近空间飞行器能快速飞行在敌方战区上空而不易被敌方防空监视系统发现，从而为作战指挥官提供不间断的监视情报，以增强其对战场情况的了解能力。部署这种高空飞行器，成本低、时间快，适合现代战争的需求。

由于临近空间飞行器的特殊使用环境，其能源供给主要是清洁类的，比如对环境无污染的氢燃料电池，氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。氢燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等)，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

现有的氢燃料系统大概包括以下几个部分：系统壳体，所述系统壳体内设有氢气供给模块、氢燃料电池模块、锂离子电池模块、电控模块和输出模块，氢气供给模块为氢燃料电池模块提供氢气能源；锂离子电池模块为氢燃料电池模块提供启动电能；电控模块对其它模块发布指令及状态的实时监控，输出模块将氢燃料电池模块产生的电能输出到外部设备。

其中氢燃料电池的启动模块是由锂离子电池模块来完成的，现有的锂离子电池充电控制电路复杂，大多采用可编程逻辑器件，故障率高，不适用于临近空间飞行器这种特殊环境中。

技术实现要素：

本实用新型目的是为了解决传统的锂电池充电控制电路采用可编程逻辑器件，导致故障率高，不适用于临近空间飞行器环境的问题，提供了一种用于氢燃料电池系统的电能启动模块的充电控制电路。

本实用新型所述用于氢燃料电池系统的电能启动模块的充电控制电路包括NCP1200脉宽调制控制器IC1、光耦IC2、NE555时基集成电路IC3、R5402锂芯电池电压保护芯片IC4、中间继电器KA、电阻R1～电阻R8、电解电容C1～C4、电容C5～C6、二极管VD1～VD3、发光二极管LED1、发光二极管LED2、稳压二极管Vs、PNP三极管VT1、NPN三极管VT2、NPN三极管VT3、NMOS晶体管N1和变压器T1；

氢燃料电池系统中的电能输出模块的正极输出端通过中间继电器KA常闭触点同时连接NCP1200脉宽调制控制器IC1的16脚、8脚和变压器T1原边线圈的异名端；电能输出模块的负极输出端同时连接NCP1200脉宽调制控制器IC1的4脚、电解电容C1的负极、电阻R1的一端和光耦IC2的负极输出端；

NCP1200脉宽调制控制器IC1的2脚连接光耦IC2的正极输出端；NCP1200脉宽调制控制器IC1的3脚同时连接电阻R1的另一端和NMOS晶体管N1的源极；NCP1200脉宽调制控制器IC1的6脚连接电解电容C1的正极；NCP1200脉宽调制控制器IC1的5脚连接NMOS晶体管N1的栅极；NMOS晶体管N1的漏极连接变压器T1原边线圈的同名端；

变压器T1副边线圈的同名端通过二极管VD1同时连接电阻R2的一端、电解电容C2的正极、电阻R3的一端、NE555时基集成电路IC3的4脚及8脚、发光二极管LED1阳极和电阻R6的一端；电阻R2的另一端连接光耦IC2的正极输入端，光耦IC2的负极输入端通过稳压二极管Vs接地；

变压器T1副边线圈的异名端同时连接电解电容C2的负极、电解电容C3的负极、NE555时基集成电路IC3的1脚、电容C5的一端、发光二极管LED2的阴极、二极管VD2的阳极、电阻R7的一端、锂电池的负极、电容C6的一端、R5402锂芯电池电压保护芯片IC4的6脚和中间继电器KA线圈的一端；

NE555时基集成电路IC3的7脚同时连接电阻R3的另一端、电阻R4的一端和二极管VD3的阳极，NE555时基集成电路IC3的6脚及2脚同时连接电阻R4的另一端、二极管VD3的阴极和电解电容C3的正极，NE555时基集成电路IC3的5脚连接电容C5的另一端，NE555时基集成电路IC3的3脚同时连接电阻R5的一端和电解电容C4的正极；电阻R5的另一端同时连接发光二极管LED1的阴极和PNP三极管VT1的基极，PNP三极管VT1的发射极同时连接电阻R6的另一端和NPN三极管VT2的集电极；PNP三极管VT1的集电极连接NPN三极管VT2的基极，NPN三极管VT2的发射极同时连接NPN三极管VT3的集电极、锂电池的正极和电阻R8的一端，NPN三极管VT3的基极同时连接二极管VD2的阴极、发光二极管LED2的阳极和电解电容C4的负极；NPN三极管VT3的发射极连接电阻R7的另一端；

R5402锂芯电池电压保护芯片IC4的5脚同时连接电阻R8的另一端和电容C6的另一端；R5402锂芯电池电压保护芯片IC4的1脚连接中间继电器KA线圈的另一端。

优选地，光耦IC2选用型号为PC817A的光耦芯片。

优选地，稳压二极管Vs选用型号为IN5993B的二极管。

优选地，NMOS晶体管选用型号为MTDIN60E的MOSFET晶体管。

本实用新型的优点：本实用新型为用于氢燃料电池系统的电能启动模块的充电控制电路中的锂离子电池提供了全新的充电电路，该充电电路是由模拟元件搭建的，完全不采用单片机等可编程逻辑器件，整体电路简单，故障率低，极大程度的延长了自身寿命，进而有效的延长了氢燃料电池的寿命，适用于临近空间飞行器这种特殊环境。

附图说明

图1是本实用新型所述用于氢燃料电池系统的电能启动模块的充电控制电路的电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式所述用于氢燃料电池系统的电能启动模块的充电控制电路的工作原理。

氢燃料电池系统包括系统壳体，所述系统壳体内设有氢气供给模块、氢燃料电池模块、锂离子电池模块、电控模块和电能输出模块，氢气供给模块为氢燃料电池模块提供氢气能源；锂离子电池模块为氢燃料电池模块提供启动电能；电控模块监测系统状态及发布控制指令，电能输出模块将氢燃料电池模块产生的大部分电能输出到外部设备；

电能输出模块还将一部分电能输出给电能启动模块(锂离子电池模块)，电能启动模块的充电控制电路如图1所示。

R5402监测锂电池的电量，当锂电池电量达到上限电压值时，R5402的1脚输出高电平，KA线圈得电，KA常闭触点断开，即电能输出模块的电能不向锂离子电池模块输出电能；当锂电池的电量低于下限值(比如2.3V)，放电状态被锁存，R5402的1脚输出由高电平跳为低电平，则KA线圈失电，其常闭触点恢复闭合状态，电能输出模块的电能启动向锂离子电池模块输出直流电。

电能输出模块输出的直流电加在NCP1200及变压器T1上，电阻R1为电流检测电阻，C1为储能电容，光耦反馈电路包括R1、IC2、和Vs，变压器T1副边输出作为NE555的工作电压，该工作电压是恒压的，为后续为锂电池恒压充电作准备。

NE555及外围元件构成脉冲振荡器，由于二极管VD3的存在，电容C3的充电充电时间远小于放电时间，所以NE555的3脚输出的是窄脉冲方波信号。

充电和放电的控制电路由VT1～VT3、发光二极管LED1、LED2二极管VD2、R5～R7、C4组成，其中VT1、VT2、LED1和R5、R6构成充电控制电路，可对锂电池进行恒流充电，VT3、LED2、VD2和R7构成放电控制电路。

当R5402监测到锂电池电量低时，其1脚输出低电平，KA线圈失电，KA常闭触点恢复闭合，电能输出模块的直流电源输出给IC1、T1及IC2，该直流电经稳压输出，输出恒定电压加在NE555芯片上，NE555的3脚输出窄脉冲方波信号，当3脚输出短暂的高电平时，C4充电，使LED2点亮，VT3导通，锂电池通过VT3向R7放电；当IC3的3脚输出较长时间的低电平时，VT1、VT2导通，并输出恒定电流向锂电池充电，同时LED1点亮，与此同时，C4刚才所充电荷可通过VD2向IC3的1脚和3脚间放电，为锂电池下一周期放电作准备。

当R5402监测到锂电池电量到达一定值时，其1脚输出高电平，KA线圈得电，其常闭触点断开，则电能输出模块不再向锂电池输出电能。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的区别在于，采用BQ27541-V200集成芯片代替R5402实现对锂电池电量的监测，并控制KA线圈的得电、失电状态。