燃料电池跟锂离子电池电路设计

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粗笨、噪音大且开释有害气体，锂电池、镍氢电池、铅酸电池等接连供电时刻短且在应急场合无法供给充电恢复。本文提出一种使用PEM燃料电池、锂电池联供的应急供电体系，储氢容器替换时期间也能够确保接连供电，操控体系选用含糊算法，依据锂电池SOC、燃料电池最佳作业状况以及负载情况，进行能量动态分配与办理。研发了在应急场合使用的样机，该体系接连供电时刻长（是现在常用设备的2~3倍），无噪音、零排放，可取得良好的效果，是抢险救灾敷衍突发事件的抱负应急供电配备。

1体系组成

燃料电池应急供电体系组成如图1所示。

使用PEM燃料电池与锂电池的应急供电配备规划

图1燃料电池应急供电体系框图

体系由120W质子膜燃料电池、燃料电池操控器、锂电池及办理体系、能量管单元组成。锂电池的目标为13.2V/10Ah,以确保燃料电池故障状况下或燃料耗尽替换不及情况下应急满功率支持1h的战术要求。燃料电池电堆目标：功率为120W,输出电压为15V~28V.燃料电池操控器首要完成对电堆温度、输入氢气和空气压力、流量、以及电堆异常情况进行操控和监测，并通过CAN总线将信息传输至体系操控器。体系操控器首要完成对负载大小、锂电池SOC以及燃料电池电堆工况实时检测并依据含糊算法动态进行能量办理，使应急供电体系个部件作业在最佳状况，以进步整机功率和要害部件使用寿命。

2电路规划

2.1充电与电池办理电路

锂电池充电电路如图2所示。直流电压通过阻隔二极管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为体系电流的检测电阻。R5、R6为输出充电电压调整电阻。

使用PEM燃料电池与锂电池的应急供电配备规划

图2充电与电池办理电路图

2.2直流改换与操控电路

DC/DC改换电路选用XL4012集成改换器，输入电压3.6V~36V,2800kHz的开关频率，输出电压能够从0.8V~28V可调，转化功率高达95%,最大输出电流12A,外围电路简略。

应急供电体系需求检测的参数比较多：燃料电池的输出电压、输出电流；充电与BMS的充电电流、电池电压和电池SOC;输出端的输出电流、输出电压。因而需求扩展A/D接口，体系操控选用89S51CPU,A/D选用TLV2543芯片，该芯片有10路模仿电压输入，与单片机选用串行接口，占用口线资源较少，转化速度比较快，显现选用LCD1602液晶显现，不选用背光时液晶动态电流不大于5mA,首要显现燃料电池作业状况，锂电池SOC及充放电情况，输出电压、输出电流信息，整机功率等供电信息。

3含糊操控算法

让燃料电池处于最佳状况，一起让锂电池荷电状况在SOCmin以上。以分配给燃料电池的功率比例为约束条件，调理锂电池的输出功率。对锂电池而言，当蓄电池SOC最小极限值（SOCmin）小于或等于30%时，锂电池必须充电；当SOC在50%~70%时，视负载需求功率情况，能够充电也能够放电；当SOC大于90%时不充电。以负载功率Pg和锂电池荷电状况SOC为含糊操控的输入变量，以燃料电池分配输出功率Pfc和锂电池输出功率Pb为含糊操控器的输出变量。含糊输入变量Pg和SOC根本论域为[0,100]W和[30,90]%,将输入变量含糊化，含糊子集为{ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）};含糊输出变量Pb的论域为[-100,110]kW,含糊子集也为{NB（负大），NM（负中），NS（负小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）},含糊输出变量Pfc的论域为[0,110]kW,含糊子集也为{ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}.

含糊操控器以负载功率Pg和锂电池的荷电状选择输入、输出含糊变量的从属度函数为三角形如图3、图4、图5和图6所示。

使用PEM燃料电池与锂电池的应急供电配备规划

图3负载功率Pg的从属度函数图

使用PEM燃料电池与锂电池的应急供电配备规划

图4锂电池荷电状况SOC的从属度函数图

使用PEM燃料电池与锂电池的应急供电配备规划

图5锂电池供给功率Pb的从属度函数图

使用PEM燃料电池与锂电池的应急供电配备规划

图6燃料电池输出功率Pk的从属函数图

含糊操控规则由一系列关系词连接而成，最常用的关系词有if-then、also、or和and,确定各输出量与输入

量的含糊操控规则，含糊操控算法给出的操控量需进行去含糊化处理，将其转化到操控目标所能承受的根本论域中，去含糊化处理算法选用质心法。

4软件规划

体系操控程序流程图如图7所示。

使用PEM燃料电池与锂电池的应急供电配备规划

图7体系操控程序流程图

5体系仿真

在Matlab仿真体系中树立含糊操控器，取含糊操控的输入变量目标功率Pg和锂电池的荷电状况SOC的论域为[-100,110]W和[30,90]%,取含糊操控器的输出变量燃料电池分配输出功率Pfc、锂电池分配输出功率Pb的论域分别为[0,110]kW、[-100,110]W.锂电池为10Ah/13.2V,电池初始荷电状况SOC=60%.一起在Matlab/Simulink取时刻为0~15min,其仿真波形如图8所示。

使用PEM燃料电池与锂电池的应急供电配备规划

图8仿真波形图

6样机测验与评价

依据电池SOC和负载大小使用含糊算法将PEM燃料电池和锂电池能量进行动态分配和办理，研发了样机，实际测验表明：整机供电功率在90%以上，比功率为120W/500g.在锂电池初始SOC=80%时可为容量为600升的金属储氢罐接连供电时刻16h左右。接连作业时刻以及维护等方面比传统应急供电配备功能有极大进步，现在已经在进行产业化，极具推行价值。