100 W質(zhì)子膜燃料電池應急供電系統

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

系統由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、能量管單元組成。鋰電池的指標為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急滿(mǎn)功率支持1 h的戰術(shù)要求。燃料電池電堆指標：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)行控制和監測，并通過(guò)CAN總線(xiàn)將信息傳輸至系統控制器。系統控制器主要完成對負載大小、鋰電池SOC以及燃料電池電堆工況實(shí)時(shí)檢測并根據模糊算法動(dòng)態(tài)進(jìn)行能量管理，使應急供電系統個(gè)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(guò)隔離二極管D5加到MAX1873的15腳。Ql為充電驅動(dòng)信號輸出開(kāi)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為系統電流的檢測電阻。R5、R6為輸出充電電壓調整電阻。

燃料電池輸出的15 V～28 V電壓經(jīng)過(guò)隔離二極管D5和總電流檢測電路，一路經(jīng)過(guò)R2、DC/DC電路至輸出端，另一路通過(guò)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的導通電流減小。如果流經(jīng)R4上的電流過(guò)小，由MAX1873的14腳輸出控制電壓使Ql的電流相應增加，則會(huì )使電池組有一個(gè)恒定的電流值。當電流很小且達到充電電流最小值或0時(shí)，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。當控制輸入端為低電平時(shí)，BG2導通，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(shí)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(kāi)關(guān)頻率，輸出電壓可以從0.8 V~28 V可調，轉換效率高達95%，最大輸出電流12 A，外圍電路簡(jiǎn)單。
應急供電系統需要檢測的參數比較多：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(xiàn)資源較少，轉換速度比較快，顯示采用LCD1602液晶顯示，不采用背光時(shí)液晶動(dòng)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(shí)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，調節鋰電池的輸出功率。對鋰電池而言, 當蓄電池SOC最小極限值(SOCmin)小于或等于30%時(shí)，鋰電池必須充電；當SOC在50%～70%時(shí)，視負載需求功率情況，可以充電也可以放電；當SOC大于90%時(shí)不充電。以負載功率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（負大），NM（負中），NS（負?。?，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為三角形如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

5 系統仿真
在Matlab仿真系統中建立模糊控制器，取模糊控制的輸入變量目標功率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(shí)在 Matlab/Simulink取時(shí)間為0～15 min，其仿真波形如圖8所示。

6 樣機測試與評估
根據電池SOC和負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(dòng)態(tài)分配和管理，研制了樣機，實(shí)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(shí)可為容量為600升的金屬儲氫罐連續供電時(shí)間16 h左右。連續工作時(shí)間以及維護等方面比傳統應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(jià)值。
參考文獻
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