基于質(zhì)子膜燃料電池和鋰電池的混合聯(lián)應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計

　　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(jī)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(jī)，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。

圖1 燃料電池應(yīng)急供電系統(tǒng)框圖

　　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(jī)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。

圖2 充電與電池管理電路圖

　　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）。