300W質(zhì)子膜燃料電池應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙波+徐垚

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC）和鉛酸蓄電池混合供電的300W應(yīng)急供電系統(tǒng)。系統(tǒng)由質(zhì)子膜燃料電池、燃料電池控制器、鉛酸蓄電池、DC/DC變換、DC/AC變換和系統(tǒng)控制器組成。并實(shí)際制作了樣機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：PEMFC；應(yīng)急供電；C8051F040

0 引言

我國幅員遼闊，各種自然災(zāi)害頻發(fā)，在搶險(xiǎn)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(shí)間短且在應(yīng)急場合無法提供充電恢復(fù)[1]。燃料電池工作期間冷反應(yīng)無噪聲（風(fēng)扇有較小的噪音）、不排放有害氣體不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，并且系統(tǒng)工作期間可以不切斷電源對(duì)儲(chǔ)氫設(shè)備補(bǔ)充氫氣，從而實(shí)現(xiàn)不間斷長時(shí)間的應(yīng)急供電。此外，鋰聚合物電池具有體積小、放電電流大等優(yōu)點(diǎn)，在燃料電池輸出功率較小時(shí)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)與燃料電池的混合供電。實(shí)際制作了樣機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文設(shè)計(jì)了一種基于300W質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC）和鉛酸蓄電池的混合供電的應(yīng)急供電系統(tǒng)。

1 總體方案

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。300W燃料電池應(yīng)急供電系統(tǒng)由儲(chǔ)氫器、500W PEMFC燃料電池、12V/8.4A DC/DC變換、燃料電池控制器、系統(tǒng)控制器、24V/12.5A DC/DC變換、12V/25A DC/DC變換、220V DC/AC變換、5V/1A DC/DC變換、鉛酸電池和鉛酸電池充電器組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)又可以分為燃料電池系統(tǒng)、24V/12.5A DC/DC變換、鉛酸蓄電池和二級(jí)DC/DC變換，各部分的主要功能如下：

（1）燃料電池系統(tǒng)：儲(chǔ)氫器、500W PEMFC、12V/8.4A DC/DC變換和燃料電池控制器構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)，產(chǎn)生電壓不穩(wěn)定的電壓，供下一級(jí)電源變換。

（2）24V/12.5A DC/DC變換：該級(jí)DC/DC變換將前一級(jí)燃料電池系統(tǒng)輸出的不穩(wěn)定的電壓轉(zhuǎn)換成24V穩(wěn)定的電壓。

（3）鉛酸蓄電池：由于燃料電池輸出特性較軟，負(fù)載過重時(shí)，燃料電池?zé)o法輸出足夠大的電流。采用鉛酸蓄電池作為“電容”和一級(jí)DC/DC變換并聯(lián)，用于在負(fù)載過重時(shí)，仍然可以為負(fù)載提供足夠的電流。鉛酸電池充電器用于為鉛酸蓄電池充電。

（4）二級(jí)DC/DC變換：12V/25A DC/DC變換、220V DC/AC變換和5V/1A DC/DC變換構(gòu)成二級(jí)DC/DC變換，用于產(chǎn)生不同的電壓。

2 系統(tǒng)主要組成部分設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制器框圖如圖2所示。系統(tǒng)控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的控制部分，主要包括以下功能：PEMFC燃料電池電壓電流檢測(cè)、鉛酸電池電壓電流檢測(cè)、系統(tǒng)溫度檢測(cè)、氣閥開關(guān)、LCD顯示和按鍵、PEMFC燃料電池輸出繼電器控制、鉛酸電池輸出繼電器控制、24V輸出繼電器控制、12V輸入繼電器控制、220V輸入繼電器控制、5V輸入繼電器控制和控制器。

2.2 燃料電池控制器設(shè)計(jì)

燃料電池工作過程中，需要檢測(cè)PEMFC燃料電池的電流，檢測(cè)電堆的溫度，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，控制氣閥的開和關(guān)以及CAN總線通信。燃料電池控制器框圖如圖3所示。

2.3 LCD顯示和按鍵部分設(shè)計(jì)

LCD顯示和按鍵部分設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。主要包括LCD顯示屏、背光板、背光控制電路、LCD驅(qū)動(dòng)電路、控制器和按鍵電路。由于系統(tǒng)控制器功能眾多，需要準(zhǔn)確實(shí)時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。為了簡化設(shè)計(jì)，將LCD顯示和按鍵部分，獨(dú)立設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊，LCD顯示和按鍵部分通過串口與主控制器進(jìn)行通信，主控制器通過串口控制LCD顯示和按鍵輸入。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC）和鉛酸蓄電池混合供電的300W應(yīng)急供電系統(tǒng)。系統(tǒng)由質(zhì)子膜燃料電池、燃料電池控制器、鉛酸蓄電池、DC/DC變換、DC/AC變換和系統(tǒng)控制器組成。并實(shí)際制作了樣機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖鐸，戚偉，汪秋婷，趙波，方健.100W質(zhì)子膜燃料電池應(yīng)急供電系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（3）：75-77.

[2] 趙波，肖鐸，戚偉.基于BQ24610的質(zhì)子膜燃料電池應(yīng)急供電系統(tǒng)[J].信息技術(shù)，2012，（8）：33-39.