一種一體化燃料電池供電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種一體化燃料電池供電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池(Fuel Cell)是將反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。其單體電池是由正負(fù)兩個電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。燃料電池包括磷酸燃料電池(PAFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等等。如圖1所示，在傳統(tǒng)的燃料利用方式中，需要進(jìn)行熱交換，如火力發(fā)電，需要先將煤、石油、天然氣等燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能轉(zhuǎn)換為動能，動能轉(zhuǎn)換為電能。又如內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，需要化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能轉(zhuǎn)換為動能。在熱傳遞的過程中，熱機(jī)受到卡諾循環(huán)的限制，轉(zhuǎn)換效率為33%-35%，將近2/3的能量在轉(zhuǎn)換過程中以熱能的形式散失。而燃料電池由于是利用電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，因而不受卡諾循環(huán)的限制，轉(zhuǎn)換效率高，能量損失少。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，燃料電池供電系統(tǒng)通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，如圖2所示，燃料電池單元將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，功率變換單元將電能轉(zhuǎn)換成適合負(fù)載的使用電壓，在燃料電池未啟動之前，由蓄電池向外提供能源供給，保證輸出電壓穩(wěn)定。其中的燃料電池起到能量轉(zhuǎn)換的作用，蓄電池起到能量儲存的作用。
[0004]隨著燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)展，如何使燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用于便攜電子設(shè)備上已成為目前燃料電池領(lǐng)域的一個重要課題。這就需要盡量減小燃料電池系統(tǒng)的重量和體積，提高系統(tǒng)的集成度。現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)多采用一級/ 二級DC/DC裝置實現(xiàn)燃料電池和蓄電池的電壓轉(zhuǎn)變，且系統(tǒng)中各模塊的控制器相互獨(dú)立，無法實現(xiàn)燃料電池和蓄電池的同一邏輯控制。這不僅增加了各模塊之間的通信鏈路，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕宜纬傻娜剂想姵叵到y(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和重量都很龐大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例提供一種一體化燃料電池供電系統(tǒng)，能夠利用單個控制器對燃料電池供電系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，提高系統(tǒng)的集成化程度，減小系統(tǒng)的體積，減少生產(chǎn)成本，使得該燃料電池系統(tǒng)便于應(yīng)用到便攜式產(chǎn)品上。
[0006]本發(fā)明實施例提供一種一體化燃料電池供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:燃料電池單元4、主控制器16、充電功率模塊15、放電功率模塊18、蓄電池單元5 ；
[0007]所述充電功率模塊15—端與所述燃料電池單元4連接，另一端與所述蓄電池單元5連接；所述放電功率模塊18 —端與所述蓄電池單元5連接，另一端與負(fù)載6連接；
[0008]所述充電功率模塊15和放電功率模塊18分別與所述主控制器16連接；所述主控制器16通過所述充電功率模塊15實現(xiàn)由所述燃料電池單元4向蓄電池單元5的充電；所述主控制器16通過所述放電功率模塊18實現(xiàn)由所述蓄電池單元5向負(fù)載6的放電。
[0009]其中，所述主控制器16控制所述充電功率模塊15對蓄電池單元5進(jìn)行恒定電流或恒定電壓充電。
[0010]其中，所述主控制器16控制所述充電功率模塊15實現(xiàn)由所述燃料電池單元4向蓄電池單元5的充電，以及所述主控制器16控制所述放電功率模塊18實現(xiàn)由所述蓄電池單元5向負(fù)載6的放電包括:
[0011]根據(jù)整個系統(tǒng)對外輸出的總電壓與總電流，計算系統(tǒng)的輸出功率；
[0012]判斷系統(tǒng)的輸出功率是否小于燃料電池單元4的額定功率，并判斷所述總電壓是否大于燃料電池單元4的最低輸出電壓；
[0013]若系統(tǒng)的輸出功率小于燃料電池單元4的額定功率，且所述總電壓大于燃料電池單元4的最低輸出電壓；則主控制器16關(guān)閉放電功率模塊18的電子開關(guān)并控制充電功率模塊15對蓄電池單元5進(jìn)行充電；
[0014]若系統(tǒng)的輸出功率大于燃料電池單元4的額定功率，或所述總電壓低于燃料電池單元4的最低輸出電壓時，則主控制器16控制充電功率模塊15停止對蓄電池單元5充電并打開放電功率模塊18的電子開關(guān)，使得蓄電池單元5對負(fù)載6供電。
[0015]其中，進(jìn)一步包括:防反灌電路14 ;
[0016]所述防反灌電路14的輸入端與燃料電池單元4連接，輸出端與負(fù)載6連接，用于阻斷蓄電池單元5對燃料電池單元4放電。
[0017]其中，所述防反灌電路14為一個二極管，或包括并聯(lián)的至少兩個二級管，或MOS管電路。
[0018]其中，進(jìn)一步包括:總電流與總電壓傳感器17 ；
[0019]所述總電流與總電壓傳感器17分別與防反灌電路14和負(fù)載6連接，總電流與總電壓傳感器17的信號線與主控制器16的模擬量輸入口連接，用于檢測整個系統(tǒng)對外輸出的總電壓與總電流。
[0020]其中，所述充電功率模塊15包括電力電子電路151，電流檢測電路152，電壓檢測電路154和PWM控制電路153 ；
[0021]電力電子電路151的輸入端作為充電功率模塊15的輸入端與防反灌電路14的輸出端連接；電力電子電路151的輸出端作為充電功率模塊15的輸出端與蓄電池單元5連接，同時，所述電力電子電路151還包括電子開關(guān)PWM端、電流傳感器和電壓傳感器；
[0022]電流檢測電路152 —端與電力電子電路151的電流傳感器連接，另一端與主控制器16的模擬量輸入口連接，用于檢測蓄電池單元5的充電電流；
[0023]電壓檢測電路154—端與電力電子電路151中的電壓傳感器連接，另一端與主控制器16的模擬量輸入口連接，用于檢測蓄電池單元5的充電電壓；
[0024]PWM控制電路153 —端與主控制器16的PWM輸出口連接，另一端與電力電子電路151的電子開關(guān)PWM端連接，用于接收主控制器16的PWM信號，控制電力電子電路151對蓄電池單元5充電。
[0025]其中，所述電力電子電路151包括第一 MOS管301、電感302、第一二極管303、第二二極管304和第二 MOS管305 ；
[0026]第一 MOS管301的柵極連接主控制器16，漏極連接燃料電池單元4，源極分別與第一二極管303的負(fù)極和電感302的一端連接；第二 MOS管305的柵極連接主控制器16、源極連接蓄電池單元5負(fù)極，漏極分別與電感302的另一端和第二二極管304的正極連接；第一二級管303正極與蓄電池單元5正極連接，第二二級管304負(fù)極與蓄電池單元5負(fù)極連接。
[0027]其中，所述主控制器16通過所述充電功率模塊15實現(xiàn)由所述燃料電池單元4向蓄電池單元5的充電包括:
[0028]當(dāng)檢測到燃料電池單元4的電壓小于一參考電壓時，所述第一 MOS管301關(guān)斷，所述主控制器16向第二 MOS管305發(fā)送第一脈沖調(diào)制信號，驅(qū)動電力電子電路151對蓄電池單兀5進(jìn)行升壓充電；
[0029]當(dāng)檢測到燃料電池單元5的電壓大于所述參考電壓時，所述第二MOS管305關(guān)斷，所述主控制器16向第一 MOS管301發(fā)送第二脈沖調(diào)制信號，驅(qū)動電力電子電路151對蓄電池單元5進(jìn)行降壓充電。
[0030]其中，進(jìn)一步包括:電池均衡與安全監(jiān)測電路156，所述電池均衡與安全監(jiān)測電路156連接在所述蓄電池單元5和主控制器16之間。
[0031]其中，所述蓄電池單元5為包括至少一節(jié)鋰電池的鋰電池單元。
[0032]其中，所述電池均衡與安全監(jiān)測電路156包括安全監(jiān)測專用芯片、電池均衡專用芯片、熱敏電阻分壓電路、至少一個MOS管和至少一個限流電阻；
[0033]所述熱敏電阻分壓電路與所述安全監(jiān)測專用芯片連接，用于檢測每一節(jié)鋰電池的欠壓信號、過壓信號和過溫信號；所述安全監(jiān)測專用芯片與每一節(jié)鋰電池的正負(fù)極相連，并將欠壓信號、過壓信號和過溫信號返回至主控制器16 ;
[0034]所述每一個MOS管與一個限流電阻串聯(lián)，并分別與一節(jié)鋰電池并聯(lián)；所述電池均衡專用芯片分別與每一節(jié)鋰電池的正負(fù)極和每一個MOS管的柵極相連，并通過SPI總線與主控制器16連接。
[0035]其中，所述安全監(jiān)測專用芯片為AD8280;和/或，所述電池均衡專用芯片為AD7280。
[0036]其中，所述放電功率模塊18為由電子開關(guān)組成的方向功率電路；所述電子開關(guān)的控制端與主控制器16連接，所述電子開關(guān)的功率回路與所述充電功率模塊15的輸入端和輸出端連接。
[0037]其中，所述放電功率模塊18為由MOS管組成的電子開關(guān)。
[0038]其中，進(jìn)一步包括:燃料供給控制模塊10和燃料供給2 ;
[0039]所述燃料供給控制模塊10包括尾氣閥101、進(jìn)氣閥102和壓力傳感器103 ；
[0040]所述進(jìn)氣閥102 —端與燃料供給2通過氣路連接，另一端與燃料電池單元4進(jìn)口通過氣路連接，所述進(jìn)氣閥102用于向燃料電池單元4提供可燃?xì)怏w；
[0041]所述壓力傳感器103測量端與燃料供給2連接；
[0042]所述尾氣閥