CN101207209B - 一种电子负载、评价燃料电池放电性能的系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种电子负载，该电子负载包括负载模块(1)，所述负载模块(1)包括晶体管(8)和调节电路(9)，调节电路(9)用于调节晶体管的导通电阻，其特征在于，所述电子负载还包括切换装置(4)、直流电源(2)和两条支路，直流电源(2)串联在其中一条支路上，切换装置(4)用于使得负载模块(1)与所述两条支路中的一条连通。本发明克服了现有的电子负载在燃料电池两端电压小于一定值时，不能实现超小导通电阻、并且不能调节电阻大小的缺点。本发明提供的评价燃料电池放电性能的系统及其方法采用了本发明提供的电子负载，性能稳定，适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，特别涉及一种电子负载、评价燃料电池放电性能的系统及其方法。
背景技术
由于燃料电池内阻的存在，当经过燃料电池的电流大时，在燃料电池内阻上消耗的电压也大，使得燃料电池两端的电压值减小。在燃料电池制备过程中，需要通过放电设备，得到燃料电池极化曲线，以评价燃料电池的放电性能。
燃料电池极化曲线即以燃料电池正负两极从开路到短路的过程中，燃料电池两端电压和电流为U-I曲线，因此，为了得到燃料电池极化曲线，需要在燃料电池两端串接一个负载，该负载的电阻大小应连续可调。并且，由于当单片燃料电池放电电流最大时的电压在0.2V以下，而放电电流能达到60A以上，因此燃料电池两端串接的负载必须小于0.0033欧姆。
目前通常用于燃料电池的放电设备均为使用晶体管导通电阻作为负载的电子负载装置，CN1464578A公开了一种电子负载及制作方法，该电子负载采用功率场效应管(MOSFET)在恒流区的导通电阻作为燃料电池的放电负载，而事实上，MOSFET有三个工作区间：恒流区、饱和区和夹断区。当燃料电池两端的电压小于一定值时，MOSFET工作在饱和区，此时，MOSFET的电阻不可调而且比较大，不适合做燃料电池的放电负载。
发明内容
本发明的目的是针对现有电子负载在燃料电池两端电压小时不能实现超小导通电阻、并且不能调节电阻大小的缺点，提供了一种可以实现超小导通电阻、可以调节电阻大小的电子负载。
本发明的另一目的是提供了一种性能稳定的评价燃料电池放电性能的装置及其方法。
本发明提供了一种电子负载，该电子负载包括负载模块，所述负载模块包括晶体管和调节电路，调节电路用于调节晶体管的导通电阻，其中，所述电子负载还包括切换装置、直流电源和两条支路，直流电源串联在其中一条支路上，切换装置用于使得负载模块与所述两条支路中的一条连通。
本发明还提供了一种评价燃料电池放电性能的系统，该系统包括电子负载、电压监测装置和电流检测装置，所述电压监测装置用于测量燃料电池两端的电压，所述电流检测装置用于检测流过电子负载的电流，其中，所述电子负载为本发明提供的电子负载。
本发明提供了一种评价燃料电池放电性能的系统，该系统包括燃料电池、电子负载、电压监测装置和电流检测装置，所述电压监测装置并联在燃料电池两端，用于测量燃料电池两端的电压；燃料电池、电子负载和电流检测装置串联形成回路，所述电流检测装置用于检测流过回路的电流，其中，所述电子负载为本发明提供的电子负载。
本发明提供了一种评价燃料电池放电性能的方法，该方法包括电流检测步骤，电压监测步骤，所述电流监测步骤用于检测流过包括电子负载和燃料电池的回路中的电流，电压监测步骤用于测量燃料电池两端的电压，其中，所述电子负载为本发明提供的电子负载，该方法还包括电压比较步骤和负载调整步骤；
电压比较步骤用于比较电压监测步骤所测量得到的电压与预定电压值；负载调整步骤用于根据上述比较结果，在所述回路中串联或不串联直流电源。
本发明提供的电子负载使用了直流电源，当燃料电池两端电压小时，直流电源与燃料电池一起为负载模块供电，负载模块两端的电压仍能使晶体管工作在恒流区，而能实现超小导通电阻、可以调节电阻大小，克服了现有的电子负载在燃料电池两端电压小于一定值时，不能实现超小导通电阻、并且不能调节电阻大小的缺点。本发明提供的评价燃料电池放电性能的系统及其方法采用了本发明提供的电子负载，性能稳定，适应性强。
附图说明
图1为本发明提供的电子负载的结构图；
图2为本发明提供的电子负载的负载模块的结构图；
图3为本发明提供的电子负载的负载模块的具体实施方式的电路图；
图4为本发明提供的电子负载的一种具体实施方式的结构图；
图5为本发明提供的评价燃料电池放电性能的系统的结构图；
图6为本发明提供的评价燃料电池放电性能的系统的一种具体实施方式的结构图；
图7为本发明提供的另一种评价燃料电池放电性能的系统的结构图；
图8为本发明提供的评价燃料电池放电性能的方法的程序流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种电子负载，如图1所示，该电子负载包括负载模块1，如图2所示，所述负载模块1包括晶体管8和调节电路9，调节电路9用于调节晶体管的导通电阻，其中，所述电子负载还包括切换装置4、直流电源2和两条支路，直流电源2串联在其中一条支路上，切换装置4用于切换电路，使得负载模块1与所述两条支路中的一条连通。
所述切换装置4可以为一个单刀双掷开关。单刀双掷开关的单刀端与负载模块1连接，单刀双掷开关的双掷端的其中一端与串联有直流电源2的支路连接，单刀双掷开关的双掷端的另一端与没有串联直流电源2的支路连接。
所述切换装置4也可以为两个开关，此两个开关分别与所述两条支路连接，所述开关可以为任意开关。
由于当直流电源2参与放电时，负载消耗的功率增加，如果增大直流电源2的电压将造成能量的浪费，因此直流电源2只需提供避免负载晶体管进入饱和状态的电压即可，所以优选情况下，所述直流电源2为3伏至5伏直流电源。例如，可以为稳压5伏的交流变直流开关电源。
当直流电源2为开关电源时，由于开关电源有最大放电电流的限制，所以，优选情况下，直流电源2为多个开关电源，多个开关电源互相并联。
所述负载模块1包括晶体管8和调节电路9，调节电路9用于调节晶体管的导通电阻，负载模块1使用晶体管导通电阻作为负载，其构成为本领域技术人员所公知。
优选情况下，晶体管为功率场效应管MOSFET，调节电路9并联于功率场效应管的栅源极之间。如图3所示，调节电路9包括电流采样电阻Rs、差分放大器U1、比较放大器U2和负载控制装置10，采样电阻Rs串联于MOSFET的源极与地之间；差分放大器U1的增益为1，差分放大器U1的两个输入端与采样电阻Rs并联，差分放大器U1的输出端与比较放大器U2的反相端连接，比较放大器的同相端通过电阻连接到负载控制装置10的基准电压输出端；比较放大器U2的输出端与MOSFET的栅极连接，比较放大器U2比较同相端和反相端的电压大小并根据比较结果输出相应的高、低电平至MOSFET的栅极以控制MOSFET的导通与关断。所述负载控制装置10通过程序调节其基准电压输出端的电压输出而改变电流采样电阻Rs两端的电压，调节流过负载模块1的放电电流大小，从而改变负载模块1的负载大小。
由于当电子负载与燃料电池形成放电通路时，负载模块1会产生热量，所以，如图4所示，本发明提供的电子负载优选还包括散热装置12。所述散热装置12可以为任意可以散热的装置，例如，可以为振动热管。
考虑到功率场效应管MOSFET耗散功耗的极限值以及散热装置12的散热能力，优选情况下，负载模块1为多个，互相并联，这样单个负载模块1上的电流减小，使得单个负载模块1耗散的功率在散热装置12的散热能力之内。
本发明还提供了一种评价燃料电池放电性能的系统，如图5所示，该系统包括电子负载13、电压监测装置3和电流检测装置5，所述电压监测装置3用于测量燃料电池两端的电压，所述电流检测装置5用于检测流过电子负载13的电流，其中，所述电子负载13为本发明提供的电子负载。
当本发明提供的评价燃料电池放电性能的系统工作时，所述系统与燃料电池串联，当操作人员观察到电压监测装置3测量得到的燃料电池两端的电压小于预定电压值时，操作人员手动控制所述切换装置4，使得负载模块1与串联有直流电源2的支路连通，直流电源2与燃料电池一起为负载模块1供电，保证了负载模块1的负载连续可调；当操作人员观察到电压监测装置3测量得到的燃料电池两端的电压大于等于预定电压值时，操作人员手动控制所述切换装置4，使得负载模块1与没有串联直流电源2的支路连接，由燃料电池单独为负载模块1供电。
本发明提供的评价燃料电池放电性能的系统可以用于评价单体燃料电池和燃料电池堆的放电性能，所述预定电压值根据负载模块1使用的晶体管的不同而不同。当燃料电池两端的电压小于预定电压值时，负载模块1使用的晶体管的导通电阻不能实现连续可调并且不能够实现超小导通电阻，所以需要在燃料电池两端串联直流电源2。例如，当负载模块1使用的晶体管为MOSFET管时，预定电压值为3-5伏之间的一个值。
根据一种具体实施方式，如图6所示，该系统还包括电压比较装置7，切换装置4为可以由电信号控制的切换装置，电压比较装置7与电压监测装置3和切换装置4连接，电压比较装置7接收来自电压监测装置3的电压，将该电压与预定电压值相比较，并根据比较结果控制切换装置4使电子负载13与所述两条支路中的一条连通。
当所述电压小于预定电压值时，电压比较装置7控制切换装置4使得电子负载1与串联有直流电源2的支路连通；当所述电压大于等于预定电压值时，电压比较装置7控制切换装置4使电子负载13与没有串联直流电源2的支路连通。
根据上述具体实施方式，所述切换装置4为可以由电信号控制的切换装置，例如，可以为两个具有开关特性的功率MOSFET管或两个电磁继电器。
上述具体实施方式由于使用了电压比较装置7，本发明提供的评价燃料电池放电性能的系统可以自动根据电压监测装置3测量得到的电压切换电路，实现了系统的自动化。
所述电压监测装置3为任意可以测量燃料电池两端电压的电压监测装置，例如，可以为电压表或电压检测器。
所述电流检测装置5为任意可以检测流过负载模块1的电流的装置，例如，可以为电流传感器。
所述电压比较装置7为任意可以将来自电压监测装置3的电压与预定电压值相比较，并根据比较结果控制切换装置4的装置，例如，可以为PLC或单片机。
分析由电流检测装置5检测得到的电流和电压监测装置3测得的电压，通过绘图，以电流为X轴，电压为Y轴，绘制出极化曲线，即燃料电池从开路(即电流为0时)至近似短路(即电流大于60A时)的过程中的U-I曲线，从而可以评价燃料电池的放电性能。
本发明还提供了另外一种评价燃料电池放电性能的系统，如图7所示，该系统包括燃料电池11、电子负载13、电压监测装置3和电流检测装置5，所述电压监测装置3并联在燃料电池两端，用于测量燃料电池11两端的电压；燃料电池11、电子负载13和电流检测装置5串联形成回路，所述电流检测装置3用于检测流过回路的电流，其中，所述电子负载13为本发明提供的电子负载。
当电压监测装置3测量得到的电压小于预定电压值时，切换装置4使得负载模块1与串联有直流电源2的支路连通；当电压监测装置3测量得到的电压大于等于预定电压值时，切换装置4使得负载模块1与没有串联直流电源2的支路连通。
其中燃料电池11为待评价的燃料电池，可以为任何燃料电池。
本发明提供了一种评价燃料电池放电性能的方法，如图8所示，该方法包括电流检测步骤，电压监测步骤，所述电流监测步骤用于检测流过包括电子负载13和燃料电池11的回路中的电流，电压监测步骤用于测量燃料电池11两端的电压，其中，该方法还包括电压比较步骤和负载调整步骤；
电压比较步骤用于比较电压监测步骤所测量得到的电压与预定电压值；负载调整步骤用于根据上述比较结果，在所述回路中串联或不串联直流电源2。
优选情况下，所述电压比较步骤将所述比较结果发送给负载调整步骤，负载调整步骤接收该比较结果，并根据该比较结果，在所述回路中串联或不串联直流电源2。
优选情况下，该方法还包括控制步骤，所述方法还包括控制步骤，所述控制步骤用于接收电压比较步骤的比较结果，实施在所述回路中串联或不串联直流电源2。
本发明提供的电子负载使用了直流电源，当燃料电池两端电压小时，直流电源与燃料电池一起为负载模块供电，负载模块两端的电压仍能使晶体管工作在恒流区，而能实现超小导通电阻、可以调节电阻大小。本发明提供的评价燃料电池放电性能的系统及方法采用了所述电子负载，可以准确地评价燃料电池的放电性能，并且根据需要可以选择自动控制模式。
Claims (12)
1.一种电子负载，该电子负载包括负载模块(1)，所述负载模块(1)包括晶体管(8)和调节电路(9)，调节电路(9)用于调节晶体管的导通电阻，其特征在于，所述电子负载还包括切换装置(4)、直流电源(2)和两条支路，直流电源(2)串联在其中一条支路上，切换装置(4)用于切换电路，使得负载模块(1)与所述两条支路中的一条连通。
2.根据权利要求1所述的电子负载，其特征在于，晶体管为功率场效应管，调节电路(9)并联于功率场效应管的栅源极之间。
3.根据权利要求1所述的电子负载，其特征在于，所述负载模块(1)为多个并且多个负载模块(1)互相并联。
4.根据权利要求1所述的电子负载，其特征在于，直流电源(2)为3伏至5伏直流电源。
5.根据权利要求1所述的电子负载，其特征在于，直流电源(2)为多个直流开关电源，多个直流开关电源互相并联。
6.一种评价燃料电池放电性能的系统，该系统包括电子负载(13)、电压监测装置(3)和电流检测装置(5)，所述电压监测装置(3)用于测量燃料电池两端的电压，所述电流检测装置(5)用于检测流过电子负载(13)的电流，其特征在于，所述电子负载(13)为权利要求1-5中任意一项所述的电子负载。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，该系统还包括电压比较装置(7)，切换装置(4)为可以由电信号控制的切换装置，电压比较装置(7)与电压监测装置(3)和切换装置(4)连接，
电压比较装置(7)接收来自电压监测装置(3)的电压，将该电压与预定电压值相比较，并根据比较结果控制切换装置(4)使电子负载(13)与所述两条支路中的一条连通。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，当所述电压小于预定电压值时，电压比较装置(7)控制切换装置(4)使得电子负载(1)与串联有直流电源(2)的支路连通；
当所述电压大于等于预定电压值时，电压比较装置(7)控制切换装置(4)使电子负载(13)与没有串联直流电源(2)的支路连通。
9.一种评价燃料电池放电性能的系统，该系统包括燃料电池(11)、电子负载(13)、电压监测装置(3)和电流检测装置(5)，所述电压监测装置(3)并联在燃料电池两端，用于测量燃料电池(11)两端的电压；燃料电池(11)、电子负载(13)和电流检测装置(5)串联形成回路，所述电流检测装置(3)用于检测流过回路的电流，其特征在于，所述电子负载(13)为权利要求1-5中任意一项所述的电子负载。
10.一种评价燃料电池放电性能的方法，该方法包括电流检测步骤，电压监测步骤，所述电流监测步骤用于检测流过包括电子负载(13)和燃料电池(11)的回路中的电流，电压监测步骤用于测量燃料电池(11)两端的电压，其特征在于，所述电子负载(13)为权利要求1-5中任意一项所述的电子负载，所述方法还包括电压比较步骤和负载调整步骤；
电压比较步骤用于比较电压监测步骤所测量得到的电压与预定电压值；负载调整步骤用于根据上述比较结果，在所述回路中串联或不串联直流电源(2)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述电压比较步骤将所述比较结果发送给负载调整步骤，负载调整步骤接收该比较结果，并根据该比较结果，在所述回路中串联或不串联直流电源(2)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括控制步骤，所述控制步骤用于接收电压比较步骤的比较结果，实施在所述回路中串联或不串联直流电源(2)。
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