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质子膜燃料电池和锂电池的混合联应急供电系统解析
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2017-11-22
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我国幅员辽阔，各种自然灾害频发，在抢险救灾和突发事件处置中常用的应急供电设备汽油发电机比较笨重、噪音大且释放有害气体，锂电池、镍氢电池、铅酸电池等连续供电时间短且在应急场合无法提供充电恢复。本文提出一种利用PEM燃料电池、锂电池联供的应急供电系统，储氢容器更换时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SOC、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。研制了在应急场合使用的样机，该系统连续供电时间长（是目前常用设备的2～3倍），无噪音、零排放，可取得良好的效果，是抢险救灾应付突发事件的理想应急供电装备。
1 系统组成
燃料电池应急供电系统组成如图1所示。
系统由120 W质子膜燃料电池、燃料电池控制器、锂电池及管理系统、能量管单元组成。锂电池的指标为13.2 V/10 Ah，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1 h的战术要求。燃料电池电堆指标：功率为120 W，输出电压为15 V～28 V。燃料电池控制器主要完成对电堆温度、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，以提高整机效率和关键部件使用寿命。
2 电路设计
2.1 充电与电池管理电路
锂电池充电电路如图2所示。直流电压经过隔离二极管D5加到MAX1873的15脚。Ql为充电驱动信号输出开关管。R4为充电电流检测电阻，用于检测输出电流的大小。R2为系统电流的检测电阻。R5、R6为输出充电电压调整电阻。
燃料电池输出的15 V～28 V电压经过隔离二极管D5和总电流检测电路，一路经过R2、DC/DC电路至输出端，另一路通过Q1、电感L1、D6和R4向锂电池充电。R4上的电压与充电电流成正比，经电压误差放大器放大，转换成直流分量输人微处理器，微处理器将从MAX1873的14脚输出反向控制电压，使Ql的导通电流减小。如果流经R4上的电流过小，由MAX1873的14脚输出控制电压使Ql的电流相应增加，则会使电池组有一个恒定的电流值。当电流很小且达到充电电流最小值或0时，MAX1873从14脚输出低电平的脉冲控制信号，关断BGl，停止对电池充电。当控制输入端为低电平时，BG2导通，充电控制脚6脚（ICHG/EN）为低电平，14脚输出低电平，BG1关断，停止充电，此时充电电流仅为1 μA，处于关闭状态（充电被禁止）。
1 系统组成
燃料电池应急供电系统组成如图1所示。
系统由120 W质子膜燃料电池、燃料电池控制器、锂电池及管理系统、能量管单元组成。锂电池的指标为13.2 V/10 Ah，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1 h的战术要求。燃料电池电堆指标：功率为120 W，输出电压为15 V～28 V。燃料电池控制器主要完成对电堆温度、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，以提高整机效率和关键部件使用寿命。
2 电路设计
2.1 充电与电池管理电路
锂电池充电电路如图2所示。直流电压经过隔离二极管D5加到MAX1873的15脚。Ql为充电驱动信号输出开关管。R4为充电电流检测电阻，用于检测输出电流的大小。R2为系统电流的检测电阻。R5、R6为输出充电电压调整电阻。
燃料电池输出的15 V～28 V电压经过隔离二极管D5和总电流检测电路，一路经过R2、DC/DC电路至输出端，另一路通过Q1、电感L1、D6和R4向锂电池充电。R4上的电压与充电电流成正比，经电压误差放大器放大，转换成直流分量输人微处理器，微处理器将从MAX1873的14脚输出反向控制电压，使Ql的导通电流减小。如果流经R4上的电流过小，由MAX1873的14脚输出控制电压使Ql的电流相应增加，则会使电池组有一个恒定的电流值。当电流很小且达到充电电流最小值或0时，MAX1873从14脚输出低电平的脉冲控制信号，关断BGl，停止对电池充电。当控制输入端为低电平时，BG2导通，充电控制脚6脚（ICHG/EN）为低电平，14脚输出低电平，BG1关断，停止充电，此时充电电流仅为1 μA，处于关闭状态（充电被禁止）。
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