CN102810901A - 基于燃料电池的通信电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于燃料电池的通信电源系统，包括市电供电回路、燃料电池供电回路、蓄电池供电回路、系统控制单元、弱电供电单元和人机接口。在市电供电正常时，系统控制单元启动市电供电回路对负载供电，停止燃料电池供电回路工作，同时蓄电池组充电；在市电停电时，系统控制单元启动蓄电池供电回路对负载供电，切断市电供电回路，启动燃料电池发电系统并切换到燃料电池供电回路为负载供电。本发明实现了市电供电回路、燃料电池供电回路无缝切换，保证了负载在切换过程中连续供电，并对负载突变提供功率补偿。该电源系统清洁、高效、可靠，适合各种通信设备使用，能够长时间、稳定的为通信设备提供电力。

Description

基于燃料电池的通信电源系统

技术领域：

本发明涉及供电电源，尤其是基于氢燃料电池的通信用电源系统制造领域。

背景技术：

近年来，随着全球能源短缺与环保问题的日益突出，新能源的应用研究开发已受到世界各国的大力关注，因此研发清洁、环保的新型能源具有重要意义。燃料电池由于高效、洁净、便捷的优点，近年来得到了世界各国的高度重视和大力资助，基于氢能的燃料电池技术也得到了快速的发展，已有大量的基础研究和应用技术的研发，并在众多领域得到成功应用，为燃料电池的应用开发奠定了良好基础。

随着社会进步、人民生活水平的普遍提高和通信技术的快速发展，通信电源得到了广泛的应用。传统的通信用电源系统一般包含市电电源转换系统和备用电源系统两大部分，其中市电电源转换系统主要通过对市电进行相关的转换后输出适合通信设备使用的直流电源，备用电源系统在市电停电或故障时提供通信设备运行的备用电源，保障通信设备短时间内的正常运行。传统的通信用电源系统中备用电源系统一般采用铅酸蓄电池组，铅酸蓄电池优点是比较安全且采购成本较低，其缺点是体积大、笨重、使用寿命短、不可进行二次回收在利用、废弃后造成一次和二次环境污染、备电时间有限且有不确定性、对环境温度要求苛刻，其使用和推广受到很大的限制。另外传统的通信用电源系统中市电电源转换系统和备用电源系统是两个独立的供电系统，两个系统间无直接通信接口和管理单元，需要在两者之间添加监控设备，协调两者的工作，不便于管理和维护，增加系统的维护成本和难度。

鉴于传统通信用电源系统的种种缺点，加之能源危机和人们环保意识的提高，寻求新的通信用电源系统呼声越来越高。由于燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，清洁、无污染、噪声低，比功率高，逐渐被公认为能够取代蓄电池作为通信电源系统中的备用电源，因此研发基于燃料电池的通信电源系统有着广阔的应用市场。

中国专利200910061032.1中提出了一种通信用燃料电池备用电源系统，其断电判断是通过对外部市电的检测而获取，针对不同的用电设备需要在系统外部增加不同的掉电检测装置，易用性及通用性有一定的不足；当外部市电出现短暂停电或频繁的起停时，系统也会随之进行相应的动作。中国专利201110081524.4中公开了一种基于燃料电池的不间断电源供电系统，该方案仅作为UPS电源系统，未考虑负载突变时如何调整其供电，未对辅助供电装置进行管理，在辅助供电装置无电或故障时，不间断电源供电系统将无法工作。中国专利200820157255.9公开了一种通讯用备用电源系统，该备用电源系统由燃料电池与储能电池通过单向二极管连接后为通讯负载提供备用电源，在该系统中由于燃料电池输出的电压不稳定，具有软电压特性，不能为负载提供稳定的电源，只能作为辅助电源，而储能电池才是主电源，没有实现燃料电池作为备用电源的初衷。中国专利200910187938.8公开了一种燃料电池备用电源，系统主要描述了燃料电池部分的工作原理及系统构成，未详细描述备用电源系统中能量流动的管理，不具备自动判断市电供电情况，也不具备自动切换供电模式。其他一些已公开的专利技术方案，都是将燃料电池作为电源系统的备用电源代替原有的蓄电池，没有从电源系统整体来考虑，需要在备用电源系统和电源系统之间针对不同的用电设备添加相应的检测控制装置，增加了系统的复杂度，也降低了电源系统的稳定性及可靠性。

发明内容

鉴于以上现有技术的以上不足，本发明的目的是研究一种基于燃料电池的通信电源系统，以氢气为燃料，长时间为通信设备提供稳定、大功率的直流供电；系统通过内部状态监测和自动控制，实现不间断供电切换，在切换过程中由蓄电池组为负载提供短时间的电源供电，并为燃料电池系统启动和控制单元提供辅助电源。

本发明是通过如下的手段实现的：

一种基于燃料电池的通信电源系统，包括市电供电回路100、燃料电池供电回路200、蓄电池供电回路300、系统控制单元400、弱电供电单元500和人机接口；其中市电供电回路100、燃料电池供电回路200、蓄电池供电回路300的输出端并联于系统直流母线，为负载提供电力；系统控制单元400为整个系统的智能控制单元，控制系统的全自动运行；弱电供电单元500为整个电源系统提供弱电；人机接口为系统提供显示、外接通信接口等人机交互功能；

系统控制单元400通过CAN总线与AC/DC控制单元130、蓄电池充电管理单元320、燃料电池控制器220及人机接口连接，进行控制命令、参数的传输；系统控制单元400还通过控制信号线分别与DC/DC变换单元230、DC/DC变换单元240、电子开关DK连接；

弱电供电单元500一端与系统直流母线连接，另一端分别与DC/DC变换单元230、DC/DC变换单元240及系统控制单元400连接，分别提供±15V，+5V，+3.3V弱电。

上述几部分构成本系统的整体结构框架。通过以上的技术方案，本发明一种基于燃料电池的通信电源系统，可以利用氢气作为主要燃料，配合市电供电回路、蓄电池供电回路，构成一个完整的通信电源系统，输出满足通信标准规定的额定电压为DC48V、电压范围为DC43.2V～DC57.6V的直流电源。该电源系统清洁、高效、可靠，适合各种通信设备使用，能够长时间、稳定的为通信设备提供电力，保证通信设备稳定持续供电。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明利用AC/DC控制单元自动监测市电供电情况，通过内部控制实现市电实际停电和市电短暂停电或频繁起停的判断，不需要增加外部监测装置，易用性及通用性好，不会频繁来回切换系统供电回路。

2.本发明具有蓄电池供电回路，能够不需外部供电启动运行，同时蓄电池回路能够进行功率补偿。在负载突变时由于燃料电池输出响应较慢，不能及时响应负载突变，将会导致直流总线电压下降而影响设备的正常工作，此时蓄电池供电回路能够支撑由于负载突然增加而导致的功率缺额，保护燃料电池系统稳定运行。

3.本发明具有高效率的DC/DC单元1，能够将燃料电池输出的不稳定直流变换成稳定的负载需求直流，使得在燃料电池供电回路中燃料电池供电成为主供电，而蓄电池组为辅助供电和功率补偿，有利于保护蓄电池组，延长蓄电池的使用寿命。

4.本发明具有蓄电池充电管理单元，能够实时监测蓄电池的状态，预测蓄电池的SOC值，以维持蓄电池组SOC动态平衡于一定的小范围内，缩小蓄电池特性离散度，延长蓄电池的使用寿命。

5.本发明具有系统控制单元，能够实现自动监测、供电回路自动切换、蓄电池自动充电管理，并提供人机接口。

6.本发明作为一个整体电源系统，不是一个备用电源系统，综合考虑了整体系统的协调控制，降低了系统的复杂度和维护难度，提高了电源系统的稳定性及可靠性。

附图说明

图1为基于燃料电池的通信电源系统结构框图。

图2为电源系统工作流程。

图3为燃料电池供电回路的效率曲线。

图4为市电供电回路的效率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构作进一步的详述。

系统结构框图如图1所示，该电源系统包括市电供电回路100、燃料电池供电回路200、蓄电池供电回路300、系统控制单元400、弱电供电单元500和人机接口。其中市电供电回路100、燃料电池供电回路200、蓄电池供电回路300的输出端并联于系统直流母线，为负载提供电力；系统控制单元400为整个系统的智能控制单元，控制系统的全自动运行；弱电供电单元500为整个电源系统提供弱电。人机接口为系统提供显示、外接通信接口等人机交互功能。

市电供电回路100包括依次相连接的电压检测传感器、电流检测传感器、有源功率因数校正APFC单元110、隔离DC/DC变换单元120及AC/DC控制单元130。市电AC220V通过开关K2与市电供电回路100的输入端连接，然后依次并联一电压检测传感器、串联一电流检测传感器后与有源功率因数校正APFC单元110的一个输入端连接，有源功率因数校正APFC单元110的输出端与隔离DC/DC变换单元120的输入端连接，隔离DC/DC变换单元120的输出端与系统直流母线连接；AC/DC控制单元130通过控制信号线分别与有源功率因数校正APFC单元110、隔离DC/DC变换单元120连接，实现对有源功率因数校正APFC单元110、隔离DC/DC变换单元120的控制，并通过CAN总线与系统控制单元400连接，进行控制命令/参数的传输。

蓄电池供电回路300包括依次相连接的蓄电池充电管理单元320、蓄电池组310、电压检测传感器、电流检测传感器、电子开关DK、浪涌保护电阻R及大功率二极管。蓄电池组310的一个输出端并联一电压检测传感器、串联一电流检测传感器后与电子开关DK的一端连接，电子开关DK的另一端与大功率二极管的一端连接，大功率二极管的另一端与系统直流母线连接。浪涌保护电阻R的一端与电子开关DK的输入端连接，浪涌保护电阻R的另一端与开关K1连接，开关K1的另一端与电子开关DK的输出端连接，电子开关DK的控制端与系统控制单元400连接，实现涌保护电阻R的自动切除控制；蓄电池充电管理单元320一端与系统直流总线连接，另一端与蓄电池组310连接，实现对蓄电池组310的充电管理。

燃料电池供电回路200包括依次相连接的燃料电池控制器220、燃料电池发电系统210、DC/DC变换单元230、DC/DC变换单元240。其中燃料电池发电系统210的输出端依次并联一电压检测传感器、串联一电流检测传感器、串联一保险丝F1、串联一大功率二极管后与DC/DC变换单元230的输入端连接，DC/DC变换单元230的输出端与系统直流母线连接；DC/DC变换单元240的输入端与系统直流母线连接，DC/DC变换单元240的输出端依次并联一电压检测传感器、串联一电流检测传感器、串联一保险丝F2后与燃料电池控制器220连接，为燃料电池控制器220及燃料电池发电系统210提供辅助电源；燃料电池控制器220通过控制线与燃料电池发电系统210连接，实现燃料电池发电控制；燃料电池控制器220通过CAN总线与系统控制单元400连接，进行控制命令/参数的传输；

弱电供电单元500一端与系统直流母线连接，另一端分别与DC/DC变换单元230、DC/DC变换单元240及系统控制单元400连接，分别为他们提供±15V，+5V，+3.3V弱电。

系统控制单元400通过CAN总线与AC/DC控制单元130、蓄电池充电管理单元320、燃料电池控制器220及人机接口连接，进行控制命令、参数的传输；系统控制单元400还通过控制信号线分别与DC/DC变换单元230、DC/DC变换单元240、电子开关DK连接，直接控制他们的运行。

系统直流母线输出依次串联一保险管F3、并联一电压检测传感器、串联一电流检测传感器后与开关K3的一端连接，开关K3的另一端直接与通信负载连接。

电源系统的启动流程如图2所示。系统安装调试完成后，首先闭合开关K1，由蓄电池组310给电源系统提供启动辅助电源；闭合开关K1后，连接在系统直流母线上的弱电供电单元500开始启动，输出系统需要的±15V，+5V，+3.3V等弱电；在弱电±15V，+5V，+3.3V供电正常后，系统控制单元400启动，系统控制单元400首先初始化整个系统的各个控制器，检测系统各单元的状态参数；启动DC/DC变换单元230、DC/DC变换单元240工作；DC/DC变换单元240启动后，给燃料电池控制器220提供辅助电源，启动燃料电池系统；随后闭合开关K2，将市电AC220V接入电源系统的市电供电回路100，系统控制单元400便进入全自动工作模式。最后闭合开关K3连接通信设备负载，对外输出电力。

系统控制单元400不断检测市电供电情况，当检测到市电供电正常时，系统控制单元400启动市电供电回路100对负载供电，停止燃料电池供电回路200工作，同时在蓄电池充电管理单元320控制下对蓄电池组310进行充电；当检测到市电供电停电或故障时，系统控制单元400启动蓄电池供电回路300对负载临时供电，切断市电供电回路100，启动燃料电池发电系统210开始发电，待燃料电池发电系统210发出稳定电源后切换到燃料电池供电回路200供电，蓄电池供电回路300作为补偿供电回路；当系统控制单元400当检测到市电供回路100、燃料电池供电回路200均故障时，由蓄电池组310对负载供电，并产生报警信息上传给人机接口，在蓄电池组310电压低于保护阈值时，自动切断负载。

Claims (4)

1.一种基于燃料电池的通信电源系统，包括市电供电回路(100)、燃料电池供电回路(200)、蓄电池供电回路(300)、系统控制单元(400)、弱电供电单元(500)和人机接口；其中市电供电回路、燃料电池供电回路、蓄电池供电回路的输出端并联于系统直流母线，为负载提供电力；系统控制单元为整个系统的智能控制单元，控制系统的全自动运行；弱电供电单元为整个电源系统提供弱电；人机接口为系统提供显示、外接通信接口等人机交互功能；

系统控制单元(400)通过CAN总线与AC/DC控制单元(130)、蓄电池充电管理单元(320)、燃料电池控制器(220)及人机接口连接，进行控制命令、参数的传输；系统控制单元(400)还通过控制信号线分别与DC/DC变换单元(230)、DC/DC变换单元(240)、电子开关DK连接；

弱电供电单元(500)一端与系统直流母线连接，另一端分别与DC/DC变换单元(230)、DC/DC变换单元(240)0及系统控制单元(400)连接，分别提供±15V，+5V，+3.3V弱电。

2.根据权利要求1所述之基于燃料电池的通信电源系统，其特征在于，所述燃料电池供电回路(200)包括依次相连接的燃料电池控制器(220)、燃料电池发电系统(210)、DC/DC变换单元(230)、DC/DC变换单元(240)。

3.根据权利要求1所述之基于燃料电池的通信电源系统，其特征在于，所述蓄电池供电回路(300)包括依次相连接的蓄电池充电管理单元(320)、蓄电池组(310)、电压检测传感器、电流检测传感器、电子开关DK、浪涌保护电阻R及大功率二极管。

4.根据权利要求1所述之基于燃料电池的通信电源系统，其特征在于，所述市电供电回路(100)包括依次相连接的电压检测传感器、电流检测传感器、有源功率因数校正APFC单元(110)、隔离DC/DC变换单元(120)及AC/DC控制单元(130)。

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