微小型燃料電池混合電源計算機能量管理策略

張文卿，容旭巍

（石家莊學院，河北石家莊 050035）

燃料電池(fuel cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置[1]。燃料電池具有兩個主要的優點：第一個是能量轉化效率高，這是由于燃料電池直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經過燃燒過程，因而不受卡諾循環的限制。所以燃料電池系統的燃料—電能轉換效率在45%～60%左右，比火力發電和核電的效率大約高10%～20%左右；燃料電池的另一個優點是負荷響應快，運行質量高，可以在數秒鐘內從最低功率變換到額定功率。由于以上特點，燃料電池被視為未來化石能源的重要替代品之一，具有良好的發展前景。

雖然科學界對燃料電池成為未來主要能源持樂觀態度，但是燃料電池自身的一些缺點導致其距離大規模的商用還有很遠的一段路程。目前，燃料電池最主要的技術難題是高溫時壽命短及穩定性不理想，這就需要對燃料電池的運行過程進行實時監控。基于以上想法，研究基于單片機管理的計算機能量管理系統就成為了必要之舉。

1 燃料電池的工作原理

燃料電池的基本原理，利用了一種叫質子交換膜的技術（質子交換膜在燃料電池內部為質子的遷移和輸送提供通道），使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成回路，向外界提供電流。為了使燃料更容易分解為質子，燃料內部加入了一定的催化劑而形成了催化層，只要外界能夠源源不斷地供應燃料，就可以產生持續不斷的電能[2]。

在燃料電池中，負極常稱為燃料電極或氫電極，一般由氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣來構成；正極稱為氧化劑電極、空氣電極或氧電極，多以空氣中的氧作為正極。燃料電池的反應為氧化還原反應，電極的作用來自于兩個方面，一方面是傳遞電子，形成電流；另一方面是在電極表面發生多相催化反應，而電極材料并不參與反應。以液態甲醇作為負極、氧氣作為正極為例，來說明燃料電池的工作原理。

將甲醇和水的混合物送至正極，甲醇和水在催化劑的作用下發生氧化反應生成二氧化碳，并釋放出電子和氫質子。正極所產生的氫質子在質子交換膜的作用下穿過電解質遷移至負極，并與氧氣反應生成水，而正極所產生的電子從正極經外電路經過負載流向負極形成直流電；而一部分甲醇也隨著這一過程從正極滲漏到了負極，在負極催化劑的作用下，與氧氣反應生成二氧化碳和水。

由于燃料電池只要外界不斷地供給燃料和氧化物，電能就會源源不斷地產生，因而燃料電池的容量是無限的。但是燃料電池的性能又直接受到系統內活性物質的影響，特別是當負載變得較大時，短時間內能夠參加反應的活性物質不會發生大的變化，因此無法瞬間釋放大的電流來滿足負載的要求，會導致燃料電池的工作性能下降，因此，需要一種輔助的能源管理系統作為支撐。

2 混合電源系統基本原理

在眾多的燃料電池中，甲醇燃料電池以其原材料豐富、活性強等優點被廣泛應用。但是甲醇燃料電池和其他燃料電池一樣，也具有工作電壓及功率不夠穩定的缺陷。為了解決以上問題，目前常用混合電源技術來進行協調。所謂的混合電源技術就是指以燃料電池為主電源，以燃料電池所產生的電流來滿足負載的大部分需求，而當燃料電池的性能下降時，以超級電容或輔助電池等儲能元件作為輔助電源。當燃料電池發出的電能大于負載所需的電能時，將過剩的能量儲存在輔助電源中；當燃料電池發出的電能小于負載所需的電能時，輔助電源將其存儲的能量釋放出來，用以彌補燃料電池所產能量的不足。

在實際應用中，燃料電池和輔助電源系統需要幾方面的硬件及軟件的配合，才能形成一個完整的燃料電池混合電源系統。這些硬件和軟件主要包括DC/DC模塊、主輔電源能量管理系統，相關的支撐電路等。其中DC/DC模塊的主要功能是對電壓進行調理，以滿足負載的需求，而主輔電源能量管理系統的主要功能是對主輔電源的電能進行監測、控制、分配、管理和安全保護等。

在混合電源中，以控制方式來區分，主要有二種控制方式：一種是主動式管理模式，一種是被動式管理模式。這兩種控制方式的主要區別在于控制電路當中是否具有主動控制功率配合關系的環節。主動式管理方式由于采用了功率主動配合方式，因此能夠主動的調節主輔電源的配合關系，但是這種方式的主要缺陷是主動控制電路本身需要消耗能量，造成了一部分能量的損失。而被動式管理，結構簡單，實現容易，但是由于主體結構是將主輔電源直接并聯，控制結構功能弱，因此功率的調節能力不足。還有一種為半被動系統，它采用小內阻的MOS管作為開關管控制主輔電源的連接方式，從而在一定程度上實現了能量的控制，改進了被動式控制的策略，減少了主輔電源間不必要的能量流動。

在控制電路中，DC/DC變換器是一個比較重要的硬件，它的功能是將一個直流電壓值變換為負載所需的另一個直流電壓值，以實現直流電壓的升壓或降壓。在本系統中的主要作用有兩個：一個是調理電壓，從而實現燃料電池的穩壓環節；另一個作用是調節功率，以實現根據負載要求主動調節電源輸出功率的要求。

3 主動式能量管理系統的總體方案分析

本文的設計主要采用主動式的能量管理系統。之所以采用主動式的策略，是因為在管理系統中設置主動控制電路，可最大限度實現功率的主動分配及主輔電源的運行切換，從而實現根據實際情況調節燃料電池工作狀態的目的。相比于被動式和半被動式能量管理策略而言，主動式具有調整靈活、控制準確的優點，同時又能夠使工作點保持在最高效率或最大功率的工作區間中，有利于充分發揮燃料電池混合電源的優勢。

根據設計的要求，本系統主要包含四大部分，分別為主電源、輔助電源、DC/DC變換器及相對應的控制電路。本系統的主電源采用燃料電池，輔助電源是鋰電池，而DC/DC的主要功能是根據實際需要來決定主電源和輔助電源之間的能量流向和分配比例，從而實現供電線路的切換。圖1為混合電源結構設計方案。如圖所示：DC/DC模塊位于鋰電池的支路上，與鋰電池串聯之后，與燃料電池并聯。而控制系統利用從系統中采集來的電路參數，判斷電路中的主電源、輔助電源及負載的狀態，來決定DC/DC的工作狀態，從而調節鋰電池組的輸出電壓，決定主輔電源并聯工作點的電壓。

圖1 混合電池結構圖

4 主動式能理管理系統的硬件軟件系統介紹

本系統的硬件設計主要包括控制器的設計、電壓電流參數采集模塊設計、DC/DC模塊設計，其結構圖如圖2所示。

圖2 系統實際框圖

如圖2所示，系統中選用MSP430F149單片機作為控制器，采用MSP430F149內部集成的AD采集模塊來完成電壓電流信號的AD轉換和采集的功能，但是由于數據采集來的信號是電流和電壓的模擬信號，所以在電路中要加入數模轉換電路。DC/DC模塊根據實際需要提供幾種轉換方式。

圖3 混合電源軟件流程圖

軟件部分的設計采用C++來實現下位機軟件設計。系統的控制流程如圖3所示：系統初始化后，開啟電流、電壓的數據采集模塊，收集鋰電池的工作參數，使鋰電池處于備供電狀態，同時檢測燃料電池的電壓狀態，然后依據電壓的實際情況決定是否切換給鋰電池供電支路，從而實現混合供電的要求。

5 結束語

本設計在充分研究燃料電池的基礎上，確定了采用主動式管理方式來實現對燃料電池及其輔助電源系統的協調和控制功能。設計了以MSP430單片機、DC/DC模塊及數字電位器等硬件設施所組成的控制電路。在設計的過程中，充分地考慮了主動控制電路的能耗問題，并且設計了相應的能量管理策略，實現了主輔電源工作過程中功率配合關系的主動控制。

本系統采用控制器產生PWM信號直接對DC/DC模塊進行控制，同時利用DA轉換提高反饋電壓的調節精度，實現了對主輔電源的精確控制，提高了整個混合電源的電源品質。

[1]張文濤.微小型燃料電池混合電源能量管理策略研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[2]吳成百.微小型燃料電池測試系統研究[D].大連：大連理工大學，2007.