100 W質(zhì)子膜燃料電池應(yīng)急供電系統(tǒng)

我國幅員遼闊，各種自然災(zāi)害頻發(fā)，在搶險救災(zāi)和突發(fā)事件處置中常用的應(yīng)急供電設(shè)備汽油發(fā)電機比較笨重、噪音大且釋放有害氣體，鋰電池、鎳氫電池、鉛酸電池等連續(xù)供電時間短且在應(yīng)急場合無法提供充電恢復(fù)。本文提出一種利用PEM燃料電池、鋰電池聯(lián)供的應(yīng)急供電系統(tǒng)，儲氫容器更換時期間也可以保證連續(xù)供電，控制系統(tǒng)采用模糊算法，根據(jù)鋰電池SOC、燃料電池最佳工作狀態(tài)以及負(fù)載情況，進(jìn)行能量動態(tài)分配與管理。研制了在應(yīng)急場合使用的樣機，該系統(tǒng)連續(xù)供電時間長（是目前常用設(shè)備的2～3倍），無噪音、零排放，可取得良好的效果，是搶險救災(zāi)應(yīng)付突發(fā)事件的理想應(yīng)急供電裝備。
1 系統(tǒng)組成
燃料電池應(yīng)急供電系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)由120 W質(zhì)子膜燃料電池、燃料電池控制器、鋰電池及管理系統(tǒng)、能量管單元組成。鋰電池的指標(biāo)為13.2 V/10 Ah，以保證燃料電池故障狀態(tài)下或燃料耗盡更換不及情況下應(yīng)急滿功率支持1 h的戰(zhàn)術(shù)要求。燃料電池電堆指標(biāo)：功率為120 W，輸出電壓為15 V～28 V。燃料電池控制器主要完成對電堆溫度、輸入氫氣和空氣壓力、流量、以及電堆異常情況進(jìn)行控制和監(jiān)測，并通過CAN總線將信息傳輸至系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制器主要完成對負(fù)載大小、鋰電池SOC以及燃料電池電堆工況實時檢測并根據(jù)模糊算法動態(tài)進(jìn)行能量管理，使應(yīng)急供電系統(tǒng)個部件工作在最佳狀態(tài)，以提高整機效率和關(guān)鍵部件使用壽命。
2 電路設(shè)計
2.1 充電與電池管理電路
鋰電池充電電路如圖2所示。直流電壓經(jīng)過隔離二極管D5加到MAX1873的15腳。Ql為充電驅(qū)動信號輸出開關(guān)管。R4為充電電流檢測電阻，用于檢測輸出電流的大小。R2為系統(tǒng)電流的檢測電阻。R5、R6為輸出充電電壓調(diào)整電阻。

燃料電池輸出的15 V～28 V電壓經(jīng)過隔離二極管D5和總電流檢測電路，一路經(jīng)過R2、DC/DC電路至輸出端，另一路通過Q1、電感L1、D6和R4向鋰電池充電。R4上的電壓與充電電流成正比，經(jīng)電壓誤差放大器放大，轉(zhuǎn)換成直流分量輸人微處理器，微處理器將從MAX1873的14腳輸出反向控制電壓，使Ql的導(dǎo)通電流減小。如果流經(jīng)R4上的電流過小，由MAX1873的14腳輸出控制電壓使Ql的電流相應(yīng)增加，則會使電池組有一個恒定的電流值。當(dāng)電流很小且達(dá)到充電電流最小值或0時，MAX1873從14腳輸出低電平的脈沖控制信號，關(guān)斷BGl，停止對電池充電。當(dāng)控制輸入端為低電平時，BG2導(dǎo)通，充電控制腳6腳（ICHG/EN）為低電平，14腳輸出低電平，BG1關(guān)斷，停止充電，此時充電電流僅為1 μA，處于關(guān)閉狀態(tài)（充電被禁止）。
2.2 直流變換與控制電路
DC/DC變換電路采用XL4012集成變換器，輸入電壓3.6 V~36 V，2 800 kHz的開關(guān)頻率，輸出電壓可以從0.8 V~28 V可調(diào)，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%，最大輸出電流12 A，外圍電路簡單。
應(yīng)急供電系統(tǒng)需要檢測的參數(shù)比較多：燃料電池的輸出電壓、輸出電流；充電與BMS的充電電流、電池電壓和電池SOC；輸出端的輸出電流、輸出電壓。因此需要擴展A/D接口，系統(tǒng)控制采用89S51CPU，A/D采用TLV2543芯片，該芯片有10路模擬電壓輸入，與單片機采用串行接口，占用口線資源較少，轉(zhuǎn)換速度比較快，顯示采用LCD1602液晶顯示，不采用背光時液晶動態(tài)電流不大于5 mA，主要顯示燃料電池工作狀態(tài)，鋰電池SOC及充放電情況，輸出電壓、輸出電流信息，整機效率等供電信息。
3 模糊控制算法
讓燃料電池處于最佳狀態(tài)，同時讓鋰電池荷電狀態(tài)在SOCmin以上。 以分配給燃料電池的功率份額為約束條件，調(diào)節(jié)鋰電池的輸出功率。對鋰電池而言, 當(dāng)蓄電池SOC最小極限值(SOCmin)小于或等于30%時，鋰電池必須充電；當(dāng)SOC在50%～70%時，視負(fù)載需求功率情況，可以充電也可以放電；當(dāng)SOC大于90%時不充電。以負(fù)載功率Pg和鋰電池荷電狀態(tài)SOC為模糊控制的輸入變量，以燃料電池分配輸出功率Pfc和鋰電池輸出功率Pb為模糊控制器的輸出變量。模糊輸入變量Pg和SOC基本論域為[0，100] W和[30，90]%，將輸入變量模糊化，模糊子集為{ZO（零）， PS（正?。?，PM（正中），PB(正大)}；模糊輸出變量Pb的論域為[-100，110] kW，模糊子集也為{NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。?，ZO（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）}，模糊輸出變量Pfc的論域為[0，110] kW，模糊子集也為{ZO（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）}。
模糊控制器以負(fù)載功率Pg和鋰電池的荷電狀選擇輸入、輸出模糊變量的隸屬度函數(shù)為三角形如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

5 系統(tǒng)仿真
在Matlab仿真系統(tǒng)中建立模糊控制器，取模糊控制的輸入變量目標(biāo)功率Pg和鋰電池的荷電狀態(tài)SOC的論域為[-100，110] W和[30，90]%，取模糊控制器的輸出變量燃料電池分配輸出功率Pfc、鋰電池分配輸出功率Pb的論域分別為[0，110] kW、[-100，110] W。鋰電池為10 Ah/13.2 V，電池初始荷電狀態(tài)SOC=60%。同時在 Matlab/Simulink取時間為0～15 min，其仿真波形如圖8所示。

6 樣機測試與評估
根據(jù)電池SOC和負(fù)載大小利用模糊算法將PEM燃料電池和鋰電池能量進(jìn)行動態(tài)分配和管理，研制了樣機，實際測試表明：整機供電效率在90%以上，比功率為120 W/500 g。在鋰電池初始SOC=80%時可為容量為600升的金屬儲氫罐連續(xù)供電時間16 h左右。連續(xù)工作時間以及維護(hù)等方面比傳統(tǒng)應(yīng)急供電裝備性能有極大提高，目前已經(jīng)在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，極具推廣價值。
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