CN104836319B - 一种一体化燃料电池供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一体化燃料电池供电系统，提高了系统的集成化程度，减小了系统的体积。该系统包括：燃料电池单元(4)、主控制器(16)、充电功率模块(15)、放电功率模块(18)、蓄电池单元(5)；所述充电功率模块(15)一端与所述燃料电池单元(4)连接，另一端与所述蓄电池单元(5)连接；所述放电功率模块(18)一端与所述蓄电池单元(5)连接，另一端与负载(6)连接；所述充电功率模块(15)和放电功率模块(18)的逻辑控制由所述主控制器(16)完成；所述主控制器(16)控制所述充电功率模块(15)实现由所述燃料电池单元(4)向蓄电池单元(5)的充电；所述主控制器(16)控制所述放电功率模块(18)实现由所述蓄电池单元(5)向负载(6)的放电。

Description

一种一体化燃料电池供电系统

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种一体化燃料电池供电系统。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是将反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。燃料电池包括磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等等。如图1所示，在传统的燃料利用方式中，需要进行热交换，如火力发电，需要先将煤、石油、天然气等燃料的化学能转换为热能，热能转换为动能，动能转换为电能。又如内燃机驱动系统中，需要化学能转换为热能，热能转换为动能。在热传递的过程中，热机受到卡诺循环的限制，转换效率为33％-35％,将近2/3的能量在转换过程中以热能的形式散失。而燃料电池由于是利用电化学反应将化学能直接转换成电能，因而不受卡诺循环的限制，转换效率高，能量损失少。

现有技术中，燃料电池供电系统通常采用模块化结构，如图2所示，燃料电池单元将化学能转化为电能，功率变换单元将电能转换成适合负载的使用电压，在燃料电池未启动之前，由蓄电池向外提供能源供给，保证输出电压稳定。其中的燃料电池起到能量转换的作用，蓄电池起到能量储存的作用。

随着燃料电池系统应用场景的不断扩展，如何使燃料电池系统应用于便携电子设备上已成为目前燃料电池领域的一个重要课题。这就需要尽量减小燃料电池系统的重量和体积，提高系统的集成度。现有的燃料电池系统多采用一级/二级DC/DC装置实现燃料电池和蓄电池的电压转变，且系统中各模块的控制器相互独立，无法实现燃料电池和蓄电池的同一逻辑控制。这不仅增加了各模块之间的通信链路，降低了数据传输的可靠性，而且所形成的燃料电池系统结构复杂，体积和重量都很庞大。

发明内容

本发明实施例提供一种一体化燃料电池供电系统，能够利用单个控制器对燃料电池供电系统进行协调管理，提高系统的集成化程度，减小系统的体积，减少生产成本，使得该燃料电池系统便于应用到便携式产品上。

本发明实施例提供一种一体化燃料电池供电系统，该系统包括：燃料电池单元4、主控制器16、充电功率模块15、放电功率模块18、蓄电池单元5；

所述充电功率模块15一端与所述燃料电池单元4连接，另一端与所述蓄电池单元5连接；所述放电功率模块18一端与所述蓄电池单元5连接，另一端与负载6连接；

所述充电功率模块15和放电功率模块18分别与所述主控制器16连接；所述主控制器16通过所述充电功率模块15实现由所述燃料电池单元4向蓄电池单元5的充电；所述主控制器16通过所述放电功率模块18实现由所述蓄电池单元5向负载6的放电。

其中，所述主控制器16控制所述充电功率模块15对蓄电池单元5进行恒定电流或恒定电压充电。

其中，所述主控制器16控制所述充电功率模块15实现由所述燃料电池单元4向蓄电池单元5的充电，以及所述主控制器16控制所述放电功率模块18实现由所述蓄电池单元5向负载6的放电包括：

根据整个系统对外输出的总电压与总电流，计算系统的输出功率；

判断系统的输出功率是否小于燃料电池单元4的额定功率，并判断所述总电压是否大于燃料电池单元4的最低输出电压；

若系统的输出功率小于燃料电池单元4的额定功率，且所述总电压大于燃料电池单元4的最低输出电压；则主控制器16关闭放电功率模块18的电子开关并控制充电功率模块15对蓄电池单元5进行充电；

若系统的输出功率大于燃料电池单元4的额定功率，或所述总电压低于燃料电池单元4的最低输出电压时，则主控制器16控制充电功率模块15停止对蓄电池单元5充电并打开放电功率模块18的电子开关，使得蓄电池单元5对负载6供电。

其中，进一步包括：防反灌电路14；

所述防反灌电路14的输入端与燃料电池单元4连接，输出端与负载6连接，用于阻断蓄电池单元5对燃料电池单元4放电。

其中，所述防反灌电路14为一个二极管，或包括并联的至少两个二极管，或MOS管电路。

其中，进一步包括：总电流与总电压传感器17；

所述总电流与总电压传感器17分别与防反灌电路14和负载6连接，总电流与总电压传感器17的信号线与主控制器16的模拟量输入口连接，用于检测整个系统对外输出的总电压与总电流。

其中，所述充电功率模块15包括电力电子电路151、电流检测电路152、电压检测电路154和PWM控制电路153；

电力电子电路151的输入端作为充电功率模块15的输入端与防反灌电路14的输出端连接；电力电子电路151的输出端作为充电功率模块15的输出端与蓄电池单元5连接，同时，所述电力电子电路151还包括电子开关PWM端、电流传感器和电压传感器；

电流检测电路152一端与电力电子电路151的电流传感器连接，另一端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于检测蓄电池单元5的充电电流；

电压检测电路154一端与电力电子电路151中的电压传感器连接，另一端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于检测蓄电池单元5的充电电压；

PWM控制电路153一端与主控制器16的PWM输出口连接，另一端与电力电子电路151的电子开关PWM端连接，用于接收主控制器16的PWM信号，控制电力电子电路151对蓄电池单元5充电。

其中，所述电力电子电路151包括第一MOS管301、电感302、第一二极管303、第二二极管304和第二MOS管305；

第一MOS管301的栅极连接主控制器16，漏极连接燃料电池单元4，源极分别与第一二极管303的负极和电感302的一端连接；第二MOS管305的栅极连接主控制器16、源极连接蓄电池单元5负极，漏极分别与电感302的另一端和第二二极管304的正极连接；第一二极管303正极与蓄电池单元5正极连接，第二二极管304负极与蓄电池单元5负极连接。

其中，所述主控制器16通过所述充电功率模块15实现由所述燃料电池单元4向蓄电池单元5的充电包括：

当检测到燃料电池单元4的电压小于一参考电压时，所述第一MOS管301关断，所述主控制器16向第二MOS管305发送第一脉冲调制信号，驱动电力电子电路151对蓄电池单元5进行升压充电；

当检测到燃料电池单元5的电压大于所述参考电压时，所述第二MOS管305关断，所述主控制器16向第一MOS管301发送第二脉冲调制信号，驱动电力电子电路151对蓄电池单元5进行降压充电。

其中，进一步包括：电池均衡与安全监测电路156，所述电池均衡与安全监测电路156连接在所述蓄电池单元5和主控制器16之间。

其中，所述蓄电池单元5为包括至少一节锂电池的锂电池单元。

其中，所述电池均衡与安全监测电路156包括安全监测专用芯片、电池均衡专用芯片、热敏电阻分压电路、至少一个MOS管和至少一个限流电阻；

所述热敏电阻分压电路与所述安全监测专用芯片连接，用于检测每一节锂电池的欠压信号、过压信号和过温信号；所述安全监测专用芯片与每一节锂电池的正负极相连，并将欠压信号、过压信号和过温信号返回至主控制器16；

所述每一个MOS管与一个限流电阻串联，并分别与一节锂电池并联；所述电池均衡专用芯片分别与每一节锂电池的正负极和每一个MOS管的栅极相连，并通过SPI总线与主控制器16连接。

其中，所述安全监测专用芯片为AD8280；和/或，所述电池均衡专用芯片为AD7280。

其中，所述放电功率模块18为由电子开关组成的方向功率电路；所述电子开关的控制端与主控制器16连接，所述电子开关的功率回路与所述充电功率模块15的输入端和输出端连接。

其中，所述放电功率模块18为由MOS管组成的电子开关。

其中，进一步包括：燃料供给控制模块10和燃料供给2；

所述燃料供给控制模块10包括尾气阀101、进气阀102和压力传感器103；

所述进气阀102一端与燃料供给2通过气路连接，另一端与燃料电池单元4进口通过气路连接，所述进气阀102用于向燃料电池单元4提供可燃气体；

所述压力传感器103测量端与燃料供给2连接；

所述尾气阀101一端与燃料电池单元4出口通过气路连接，另一端通过气路连接到系统外部出气口，所述尾气阀101用于排出可燃气体的燃烧尾气；

进气阀102和尾气阀101的电气端分别与主控制器16的控制端连接，压力传感器103与主控制器16的模拟量输入口连接。

其中，所述压力传感器103、进气阀102和尾气阀101采用PCB板安装固定。

其中，进一步包括：空气供给控制模块11和风扇3；

所述空气供给控制模块11包括风扇电源控制开关111，风扇转速检测电路112和风扇PWM控制电路113；

风扇PWM控制电路112一端与主控制器16的PWM端连接，另一端与风扇3的控制端连接，用于调节风扇转速；

风扇转速检测电路112一端与风扇3的转速反馈端连接，另外一端与主控制器16的模拟量输入连接，用于检测风扇转速；

风扇电源开关111的一端与防反灌电路14输出端连接，另外一端与风扇3输入电源端连接，风扇电源开关111的控制端与主控制器16的控制端连接。

其中，进一步包括：数据采集模块12；

所述数据采集模块12包括燃料电池电压采集电路121、燃料电池电流采集电路122、第一温度信号转换电路123、第二温度信号转换电路124和温度传感器125；

所述第一温度信号转换电路123的输入端与燃料电池单元4内部的温度传感器连接，输出端与主控制器16的模拟量输入口连接；

所述第二温度信号转换电路124的输入端与环境温度传感器125连接，输出端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于测量系统运行的环境温度；

所述燃料电池电压采集电路121输入端与燃料电池单元4内部的电压传感器连接，输出端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于采集燃料电池单元4的电压；

所述燃料电池电流采集电路122输入端与燃料电池单元4内部电流传感器连接，输出端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于采集燃料电池单元4的电流。

其中，进一步包括：燃料电池性能改善单元13；

所述燃料电池性能改善单元13输出端与燃料电池单元4的电能输出口连接，输入端与主控制器16的控制端连接，在所述主控制器16的控制下使所述燃料电池单元4按照设定的电流和时间放电以实现性能改善。。

其中，所述设定的电流为所述燃料电池单元4额定电流的6-20倍；和/或，所述设定的时间为20ms-400ms。

其中，在主控制器16中设置PWM中断机制；所述PWM中断机制所实现的主控制器16调度各个模块运行的时序算法包括：

当PWM中断触发时，执行主控制器16通过所述充电功率模块15实现由所述燃料电池单元4向蓄电池单元5的充电；或，主控制器16通过所述放电功率模块18实现由所述蓄电池单元5向负载6的放电；

当PWM中断未触发时；

驱动燃料供给控制模块，使燃料供给控制模块向燃料电池单元4提供燃料气体；或，

驱动燃料电池性能改善单元13，对燃料电池单元4的性能进行改善；和/或，

驱动数据采集模块12，采集燃料电池单元4内部温度、外部温度、电流和电压；和/或，

将采集到的数据与燃料供给控制模块通信10，并将数据储存；和/或，

驱动空气供给控制模块11，使空气供给控制模块11向燃料电池单元4输送空气。

本发明实施例提供的一种一体化燃料电池供电系统，能够利用单个主控制器能够对整个供电系统进行协调管理，减少整个燃料电池系统中各模块之间的通信传输，提高计算速度，增加系统的可靠性；还能够提高系统的集成化程度，减小系统的体积，减少生产成本，使得该燃料电池系统便于应用到便携式产品上。

附图说明

图1传统发电能量转换过程图。

图2为现有技术中的燃料电池系统拓扑图。

图3为本发明实施例提供的一种一体化燃料电池系统的结构框图。

图4为本发明实施例提供一种主控制器逻辑控制方法的流程示意图。

图5所示为本发明一实施例提供的一种一体化燃料电池供电系统的结构框图。

图6所示为本发明一实施例提供的一种充电功率模块中的电力电子电路的结构示意图。

图7为本发明一实施例提供的一种一体化燃料电池系统的结构框图。

图8为本发明实施例提供的一种电池均衡与安全监测电路图。

图9为本发明实施例提供的一种主控制器控制各个模块运行的流程图。

图10为质子交换膜燃料电池工作原理图。

图中符号说明如下：

一体化控制系统1、燃料供给2、风扇3、燃料电池单元4、蓄电池单元5、负载6、主控制器16、充电功率模块15、放电功率模块18、电力电子电路151、电流检测电路152、电压检测电路154、PWM控制电路153、第一MOS管301、电感302、第一二极管303、第二二极管304和第二MOS管305、锂电池均衡与安全监测电路156、防反灌电路14、燃料供给控制模块10、尾气阀101、进气阀102、压力传感器103、空气供给控制模块11、风扇电源控制开关111、风扇转速检测电路112、风扇PWM控制电路113、数据采集模块12、燃料电池电压采集电路121、燃料电池电流采集电路122、第一温度信号转换电路123、第二温度信号转换电路124、温度传感器125、燃料电池性能改善单元13、总电流与总电压传感器17。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3是本发明一实施例提供的一种一体化燃料电池系统的结构框图。如图3所示，该一体化燃料电池系统包括燃料电池单元4、主控制器16、充电功率模块15、放电功率模块18、蓄电池单元5；充电功率模块15一端与燃料电池单元4连接，另一端与蓄电池单元5连接；放电功率模块18一端与蓄电池单元5连接，另一端与负载6连接；充电功率模块15和放电功率模块18分别与主控制器16连接；主控制器16通过充电功率模块15实现由燃料电池单元4向蓄电池单元5的充电；主控制器16通过放电功率模块18实现由蓄电池单元5向负载6的放电。

具体而言，燃料电池单元4把燃料转换成电能，并通过充电功率模块15对蓄电池单元5进行恒定电流或恒定电压充电；蓄电池单元5通过放电功率模块18实现对负载6放电；主控制器16与燃料电池单元4连接，用于控制和检测燃料电池单元4的运行；同时，主控制器16还通过控制充电功率模块15实现对蓄电池单元5进行恒定电流和恒定电压充电；主控制器16通过控制放电功率模块18，根据燃料电池单元4和负载6状态信息控制蓄电池单元5对负载6放电。

在本发明一实施例中，主控制器16需要根据燃料电池单元4的额定功率和负载6所需要的输出功率判断蓄电池单元5是否需要对负载6提供电能。当负载6所需的功率很大时，可利用蓄电池单元5响应速度快、高倍率放电的优势实现蓄电池单元5和燃料电池单元4的协同供电。

由此可见，在本发明实施例所提供的燃料电池系统中，可以仅通过一个主控制器16实现对燃料电池单元4和蓄电池单元5的统一逻辑控制，而充电功率模块15和放电功率模块18中并没有包含任何控制器。这样将燃料电池单元4和蓄电池单元5的功率控制都由一个主控制器16完成，不仅提高了系统的集成度，减小了系统的体积和重量，而且有利于进行燃料电池单元4和蓄电池单元5之间的能量分配，减少了现有技术中不同控制器之间数据传输的通信链路，提高了数据传输的可靠性。

图4为本发明实施例提供一种主控制器逻辑控制方法的流程示意图。如图4所示。

步骤401：根据整个系统对外输出的总电压与总电流，计算系统的输出功率。由于系统的输出功率由负载所需功率而定，因此此时系统的输出功率代表的就是负载所需功率。

本领域技术人员可以理解，可以通过在下述实施例中提及到总电压与总电流传感器17采集系统的总电压和总电流，本发明对系统总电压和电流的采集方式不做限定。

步骤402：判断系统的输出功率是否小于燃料电池单元4的额定功率，并判断判断所述总电压是否大于燃料电池单元4的最低输出电压。燃料电池单元4的额定功率为燃料电池单元4所能输出的最大功率。然而，本领域技术人员可以理解，燃料电池单元4的额定功率可根据燃料电池的性能和实际需要预先设定，本发明对此不做限定。

步骤403：若系统的输出功率小于燃料电池单元4的额定功率，且所述总电压大于燃料电池单元4的最低输出电压时，则主控制器16关闭放电功率模块18的电子开关并控制充电功率模块15对蓄电池单元5进行充电。

当系统的输出功率小于燃料电池单元4的额定功率时，说明负载所需的功率并不是很高，此时燃料电池4单元可独立完成供电，并且可将多余的电能用于给蓄电池单元5充电。此时，还需要判断判断所述总电压是否大于燃料电池单元4的最低输出电压，原因在于燃料电池单元4的最低输出电压为燃料电池单元正常工作所需的最低电压，只有当总电压(此时等同于燃料电池单元4的输出电压)是否大于燃料电池单元4的最低输出电压时，燃料电池单元4才能保持正常工作。

步骤404：若系统的输出功率大于燃料电池单元4的额定功率，或总电压低于燃料电池4的最低输出电压时，则主控制器16控制充电功率模块15停止对蓄电池单元5充电并打开放电功率模块18的电子开关，使得蓄电池单元5对负载6供电。

当系统的输出功率大于燃料电池单元4的额定功率，或总电压低于燃料电池4的最低输出电压时，说明此时的燃料电池单元4已处于过载状态，此时主控制器16需要停止向蓄电池单元5的充电，使得蓄电池单元5也开始向载6供电，以分担燃料电池单元4额定功率意外的负载功率需求。

由此可见，通过将充电功率模块15和放电功率模块18的逻辑控制由所述主控制器16统一完成，还实现了燃料电池单元4和蓄电池单元5之间的自动能量分配，既满足了高功率负载的过载要求，又实现了燃料电池单元4和蓄电池单元5的协同供电。同时，燃料电池单元4还能够给负载直接供电，相比于现有技术中经DC/DC转换后的功率模式，本发明所提供供电模式的效率显著提高。

下面通过几个实施例来详细阐述该一体化燃料电池供电系统中各模块的内部结构。

图5所示为本发明一实施例提供的一种一体化燃料电池供电系统，如图5所示，该一体化燃料电池供电系统中还包括：防反灌电路14。该防反灌电路14的输入端与燃料电池单元4连接，输出端与负载6连接，用于阻断蓄电池单元5对燃料电池单元4放电。防反灌电路14可为一个二极管，或由并联的至少两个二极管组成，或直接为一个MOS管。由于二极管或者MOS管内部的二极管具有单向导电的特性，能够阻断蓄电池单元5对燃料电池单元4放电，从而保证燃料电池避免损坏。

在本发明一实施例中，该一体化燃料电池供电系统中的充电功率模块15包括电力电子电路151、电流检测电路152、电压检测电路152和PWM控制电路153，如图5所示。

电力电子电路151的输入端作为充电功率模块15的输入端与防反灌电路14的输出端连接；电力电子电路151的输出端作为充电功率模块15的输出端与蓄电池单元5连接，同时，所述电力电子电路151还包括电子开关PWM端、电流传感器和电压传感器。

电流检测电路152一端与电力电子电路151的电流传感器连接，另一端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于检测蓄电池单元5充电电流；电压检测电路154一端与电力电子电路151中的电压传感器连接，另一端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于检测蓄电池单元5充电电压。PWM控制电路153一端与主控制器16的PWM输出口连接，另一端与电力电子电路151的功率电子开关PWM端连接，用于接收主控制器16的PWM信号，控制电力电子电路151对蓄电池单元5充电。

具体的充电过程为：电流检测电路152通过电流传感器实时检测蓄电池单元5的充电电流，并将检测到的充电电流信号反馈至主控制器16。电压检测电路154通过电压传感器实时检测蓄电池单元5的充电电压，并将检测到的充电电压信号反馈至主控制器16。主控制器16根据接收到的蓄电池单元5的充电电压和充电电流信号向PWM控制电路153发送PWM信号，PWM控制电路153根据接收到的PWM信号通过功率电子开关PWM端控制电力电子电路151对蓄电池单元5进行充电。

主控制器16采用PWM调制算法可以实现对蓄电池单元5进行涓流充电。主控制器16可以根据蓄电池单元5当前的荷电状态，选择合适的充电策略对蓄电池单元5进行充电，例如，主控制器16可以对蓄电池单元5进行升压恒流、升压恒压、降压恒流或者降压恒流充电等。

下面通过一个实施例详细阐述充电功率模块15中电力电子电路151的内部结构。图6所示为本发明一实施例提供的一种充电功率模块中的电力电子电路的结构示意图。如图6所示，该电路包括第一MOS管301、电感302、第一二极管303、第二二极管304和第二MOS管305；第一MOS管301的栅极连接主控制器16，漏极连接燃料电池单元4，源极分别与第一二极管303的负极和电感302的一端连接；第二MOS管305的栅极连接主控制器16、源极连接蓄电池单元5负极，漏极分别与电感302的另一端和第二二极管304的正极连接；第一二极管303正极与蓄电池单元5正极连接，第二二极管304负极与蓄电池单元5负极连接。

当检测到燃料电池单元4的电压小于一参考电压时，第一MOS管301关断，主控制器16向第二MOS管305发送第一脉冲调制信号PWM1，驱动电力电子电路151对蓄电池单元5进行升压充电。当检测到燃料电池单元4的电压大于参考电压时，第二MOS管305关断，主控制器16向第一MOS管301发送第二脉冲调制信号PWM2，驱动电力电子电路151对蓄电池单元5进行降压充电。其中，对燃料电池单元4的电压检测可由后续实施例中数据采集模块2中的燃料电池电压采集电路121完成。

本领域技术人员可以理解，用于判断升降压充电的参考电压可以根据实际需要进行设定，本发明对参考电压的具体取值不做限定。

在本发明一实施例中，蓄电池单元5为包括至少一节锂电池的锂电池单元。然而，本发明对蓄电池单元5的具体种类和型号并不做限定。

在本发明另一实施例中，为了实现充电功率模块15中的电流均衡与安全监测，该一体化燃料电池供电系统还可进一步包括：电池均衡与安全监测电路156，如图7所示。该电池均衡与安全监测电路156连接在蓄电池单元5和主控制器16之间，并在主控制器16的控制下检测蓄电池单元5的荷电状态，完成对蓄电池单元5的电流均衡与安全监测。在本发明一实施例中，该电池均衡与安全监测电路156也可集成在充电功率模块15中。

图8为本发明实施例提供的一种电池均衡与安全监测电路图。如图8所示，该电池均衡与安全监测电路包括安全监测专用芯片、电池均衡专用芯片、热敏电阻、至少一个MOS管和至少一个限流电阻。

热敏电阻分压电路与安全监测专用芯片连接，用于检测每一节锂电池的欠压信号、过压信号和过温信号；安全监测专用芯片与每一节锂电池的正负极相连，并将欠压信号、过压信号和过温信号返回至主控制器16。

每一个MOS管与一个限流电阻串联，并分别与一节锂电池并联；电池均衡专用芯片分别与每一节锂电池的正负极和每一个MOS管的栅极相连，用于检测蓄电池单元5的均衡状态，并通过SPI总线与主控制器16连接，将锂电池单元的均衡状态返回至主控制器16。

电池均衡专用芯片控制蓄电池单元5的均衡过程为：当对蓄电池单元5进行充电时，通过限流电阻分流以降低实际对蓄电池单元5充电的电流；在蓄电池单元5放电过程中，通过电路中的限流电阻，可以增加充电电流，由此实现对蓄电池单元5的电流均衡调节。

在本发明一实施例中，也可以设置与电池均衡专用芯片连接的热敏电阻分压电路，该热敏电阻可以检测蓄电池单元5的温度，防止蓄电池单元5在均衡控制或者充放电控制过程中因过温而损坏。

在本发明一实施例中安全监测专用芯片采用AD8280，每片AD8280可以实现6节锂电池的监测。

在本发明一实施例中，电池均衡专用芯片采用AD7280，主控制器16通过SPI总线与AD7280通讯，实现对蓄电池单元5均衡的控制。

通过设置电池均衡与安全监测电路156，主控制器16可以实现对蓄电池单元5的过冲、过放、过温保护和蓄电池单元的均衡控制，进而保证一体化燃料电池系统的安全可靠运行。尤其是，在短时间内需要高倍率过载的情形中，实现对蓄电池单元的均衡控制尤为重要。

在本发明一实施例中，放电功率模块18为由电子开关组成的方向功率电路；电子开关的控制端与主控制器16连接，电子开关的功率回路与充电功率模块15的输入端和输出端连接。当主控制器16控制反向功率模块的控制端使电子开关闭合后，蓄电池单元5将通过该电子开关与防反馈电路14的输出直接连接，蓄电池单元5可直接对负载6供电。

在本发明一实施例中，放电功率模块18为由MOS管组成的电子开关。主控制器16通过控制电子开关的开关状态，进而控制蓄电池单元5对负载6放电。另外，固态继电器体积小重量轻，能够减少整个一体化燃料电池系统的体积及重量。同时电子开关载流能力大，驱动简单，方便了一体化燃料电池系统的集成。

在本发明一实施例中，该一体化燃料电池供电系统还可进一步包括：燃料供给控制模块10和燃料供给2，如图5所示。燃料供给控制模块10包括尾气阀101,进气阀102和压力传感器103；进气阀102一端与燃料供给2通过气路连接，另一端与燃料电池单元4进口通过气路连接，进气阀102用于向燃料电池单元4提供可燃气体；压力传感器103测量端与燃料供给2连接；尾气阀101一端与燃料电池单元4出口通过气路连接，另一端通过气路连接到系统外部出气口，尾气阀101用于排出可燃气体的燃烧尾气。进气阀102和尾气阀101的电气端分别与主控制器16的控制端连接，压力传感器103与主控制器16的模拟量输入口连接。所示压力传感器103用于检测燃料供给2的气路，并将检测信息反馈至主控制器16。优选的，压力传感器103、进气阀102和尾气阀101采用PCB板安装固定。燃料供给控制模块10根据系统的启动和停止控制进气阀102和尾气阀101的开关，并记录燃料电池压力的变化。

在本发明一实施例中，该一体化燃料电池供电系统还可进一步包括：空气供给控制模块11和风扇3，空气供给控制模块11通过控制空气的输出，保证燃料电池单元4处在合理的运行温度下。如图5所示。空气供给控制模块11包括风扇电源控制开关111，风扇转速检测电路112和风扇PWM控制电路113；风扇PWM控制电路112一端与主控制器16的PWM端连接，另一端与风扇3的控制端连接，用于调节风扇转速；风扇转速检测电路112一端与风扇3的转速反馈端连接，另外一端与主控制器16的模拟量输入连接，用于检测风扇转速；风扇电源开关111的一端与防反灌电路14输出端连接，另外一端与风扇3输入电源端连接，风扇电源开关111的控制端与主控制器16的控制端连接。

风扇转速检测电路112检测风扇转速，并将风扇的转速信息反馈至主控制器16，主控制器16根据风扇的转速信息通过风扇PWM控制电路113对风扇的转速进行调节。主控制器16也可以通过风扇电源开关111控制风扇的关闭和打开。

在本发明一实施例中，燃料电池单元4内部设置有温度传感器、电流传感器和电压传感器。该一体化燃料电池供电系统还可进一步包括：数据采集模块12，如图5所示。数据采集模块12包括燃料电池电压采集电路121、燃料电池电流采集电路122、第一温度信号转换电路123、第二温度信号转换电路124和环境温度传感器125；第一温度信号转换电路123的输入端与燃料电池单元4内部的温度传感器连接，输出端与主控制器16的模拟量输入口连接；第二温度信号转换电路124的输入端与环境温度传感器125连接，输出端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于测量系统运行的环境温度；燃料电池电压采集电路121输入端与燃料电池单元4内部的电压传感器连接，输出端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于采集燃料电池单元4的电压；燃料电池电流采集电路122输入端与燃料电池单元4内部电流传感器连接，输出端与主控制器16的模拟量输入口连接，用于采集燃料电池单元4的电流。

燃料电池电压采集电路121通过燃料电池内部的电压传感器，采集燃料电池的电压，并将电压信号反馈至主控制器16。燃料电池电流采集电路122通过燃料电池内部的电流传感器，采集燃料电池的电流，并将电流信号反馈至主控制器16。第一温度信号转换电路123将燃料电池单元4内部的温度传感器采集到的温度信号转换为电信号，并将该电信号反馈至主控制器16。第二温度信号转换电路124将环境温度传感器125采集到的周围环境温度转换为电信号，并将该电信号反馈至主控制器16。

在本发明一实施例中，该一体化燃料电池供电系统进一步包括：燃料电池性能改善单元13，如图5所示。燃料电池性能改善单元13输出端与燃料电池单元4的电能输出口连接，输入端与主控制器16的控制端连接，用于改善燃料电池单元4的性能。该燃料电池性能改善单元13为一可控的放电装置，在主控制器16的控制下使燃料电池单元4按照设定的电流和时间放电。在本发明一实施例中，设定的电流可为燃料电池单元4额定电流的6-20倍，时间可为20-400ms，通过该放电过程可使燃料电池单元4的性能得到改善。

主控制器16定时通过燃料电池性能改善单元13向燃料电池单元4发送命令，使燃料电池单元4按照命令进行大电流放电，进而达到改善燃料电池单元4性能或者恢复到原来状态的目的。

在本发明一实施例中，该一体化燃料电池供电系统还可进一步包括：总电流与总电压传感器17，如图5所示。总电流与总电压传感器17分别与防反灌电路14和负载6连接，总电流与总电压传感器17的信号线与主控制器16的模拟量输入口连接，用于检测系统对外输出的总电压与总电流。

在本发明一实施例中，主控制器16为高速控制芯片和外围基本逻辑电路组成的控制器。外围基本逻辑电路包括I/O口逻辑控制，AD电平转换与保护，PWM信号放大，通信口和存储芯片。

通过采用单个主控制器16对所有模块进行逻辑控制，使得各个模块的状态信息能够共享，减少整个燃料电池系统中各模块之间的通信传输，提高计算速度，增加系统的可靠性。

然而，由主控制器16对系统中各模块进行同一逻辑控制时，由于对各模块的逻辑控制运算效率不同，因此不同的逻辑控制之间会产生控制速度的矛盾。使得系统运行速度下降，影响蓄电池单元5的充放电。如主控制器16控制充电功率模块15时的频率需要大于10K，但是主控制器16还要控制燃料电池单元4，运行频率必定会降低。为解决上述问题，本发明一实施例还在主控制器16中提供了一种PWM中断机制以实现主控器对各个模块控制的时序调度。

图9为本发明实施例提供的一种主控制器控制各个模块运行的流程图。如图9所示，该方法包括：

步骤901：初始化主控制器16，在主控制器16中设置PWM中断机制。该PWM中断机制允许主控制器16在执行逻辑控制时循环触发PWM中断。循环触发PWM中断即允许在一个预先设定的PWM循环中断周期下进行循环触发中断，当该PWM中断触发时，则执行控制速度较快的逻辑控制算法，当未中断时则执行控制速度较慢的逻辑控制算法。至于触发PWM中断的循环周期，本发明并不做限定。

例如，当PWM中断被触发时，主控制器可执行下述步骤。

步骤9902：进入中断。

步骤903：主控制器16通过充电功率模块15实现由燃料电池单元4向蓄电池单元5的充电，或主控制器16通过放电功率模块18实现由蓄电池单元5向负载6的放电。

步骤004：返回中断前。

当PWM中断程序没有触发时，主控制器执行下述步骤。

步骤905：驱动燃料供给控制模块10，使燃料供给控制模块10向燃料电池单元4提供燃料气体。

步骤906：驱动燃料电池性能改善模块13，对燃料电池的性能进行改善。

步骤907：驱动数据采集模块12，采集燃料电池单元4内部温度、外部温度、电流和电压。

步骤908：将采集到的数据与燃料供给控制模块10通信，并将数据储存。

步骤909：驱动空气供给控制模块11，使空气供给控制模块11向燃料电池单元4输送空气，返回执行燃料电池供给的控制并循环执行。

本领域技术人员可以理解的是，步骤905-909并不一定存在顺序执行的关系，也可以同时执行，本发明对步骤905-909的执行顺序不做限定。

通过在主控制器16中设置PWM中断机制的时序调度算法，在PWM中断程序中，实现蓄电池单元5所需要的高速运算，运算周期小于100us；在返回PWM中断后，实现燃料电池单元4所需要的低速运算，运算周期小于10ms。从而解决了蓄电池单元5控制运算频率高而燃料电池单元4的控制运算频率低之间的矛盾问题。

在本发明一实施例中，燃料电池单元4可为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，如图10所示，质子交换膜燃料电池由电解质以及连接到电解质两侧的多孔渗水阴极与阳极组成。电池的阴极与阳极由集流板，反应气体流道，气体扩散层(GDL)，微孔层，催化层组成。集流板用于收集电子，并向外输出电能，一般采用导电率高、力学性能稳定的金属板制成。反应气体流道用于反应气体的流动和将在燃料电池内部反应过程中生成的水排出。气体扩散层用于均匀分配反应物和将反应过程中的生产物排出，还用于传递电子和热量，气体扩散层是利用导电材料制成的多孔合成物。微孔层为涂布在气体扩散层上的薄层，也用于均匀分配反应气体，提供电池性能。催化层用于催化电池内部O₂与燃料发生电化学反应，催化层的性能直接影响质子交换膜燃料电池的性能。在图7所示的质子交换膜物质流向中，燃料电池不间断的向阳极输送燃料(H₂),向阴极输送氧气(O₂),在电极表面催化剂的作用下发生电化学反应。带电H⁺通过电解质从一个电极转移到另外一个电极，电子通过外部电路循环，形成电流。

在本发明一实施例中，上述的主控制器16、燃料供给控制10、空气供给控制11、数据采集模块12、燃料电池性能改善单元13、防反灌电路14和总电流与总电压传感器17可集成为该一体化燃料电池供电系统内部的一体化控制系统1。如图5所示。该一体化控制系统1与燃料供给2之间可通过气路连接；该一体化控制系统1与风扇3之间可通过功率回路和信号与控制线连接，一方面通过通过功率回路控制风扇的电力供给，另外一方面通过信号与控制线控制风扇的转速并获得风扇的速度反馈。该一体化控制系统1与燃料电池单元4之间可通过燃料管道，功率回路和信号与控制线连接，其中燃料管道用于一体化控制系统1控制燃料电池单元4燃料的供给和排放，功率回路用于燃料电池单元4输出电能到一体化控制系统1；信号与控制线路用于一体化控制系统1监控燃料电池的输出电压，电流和内部运行温度。该一体化控制系统1蓄电池5之间通过功率回路连接，与负载6之间也可通过功率回路连接。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种一体化燃料电池供电系统，其特征在于，包括：燃料电池单元(4)、主控制器(16)、充电功率模块(15)、放电功率模块(18)和蓄电池单元(5)；

所述充电功率模块(15)一端与所述燃料电池单元(4)连接，另一端与所述蓄电池单元(5)连接；所述放电功率模块(18)一端与所述蓄电池单元(5)连接，另一端与负载(6)连接；

所述充电功率模块(15)和放电功率模块(18)的逻辑控制由所述主控制器(16)完成；所述主控制器(16)控制所述充电功率模块(15)实现由所述燃料电池单元(4)向蓄电池单元(5)的充电；以及所述主控制器(16)控制所述放电功率模块(18)实现由所述蓄电池单元(5)向负载(6)的放电；

其中，所述主控制器(16)控制所述充电功率模块(15)实现由所述燃料电池单元(4)向蓄电池单元(5)的充电以及所述主控制器(16)控制所述放电功率模块(18)实现由所述蓄电池单元(5)向负载(6)的放电包括：

根据整个系统对外输出的总电压与总电流，计算系统的输出功率；

判断系统的输出功率是否小于燃料电池单元(4)的额定功率，并判断所述总电压是否大于燃料电池单元(4)的最低输出电压；

若系统的输出功率小于燃料电池单元(4)的额定功率，且所述总电压大于燃料电池单元(4)的最低输出电压；则主控制器(16)关断放电功率模块(18)的电子开关并控制充电功率模块(15)对蓄电池单元(5)进行充电；

若系统的输出功率大于燃料电池单元(4)的额定功率，或所述总电压低于燃料电池单元(4)的最低输出电压时，则主控制器(16)控制充电功率模块(15)停止对蓄电池单元(5)充电并导通放电功率模块(18)的电子开关，使得蓄电池单元(5)对负载(6)供电。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控制器(16)控制所述充电功率模块(15)对蓄电池单元(5)进行恒定电流或恒定电压充电。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池单元(4)直接向所述负载(6)供电。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：防反灌电路(14)；

所述防反灌电路(14)的输入端与燃料电池单元(4)连接，输出端与负载(6)连接，用于阻断蓄电池单元(5)对燃料电池单元(4)放电。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述防反灌电路(14)为一个二极管，或包括并联的至少两个二极管，或MOS管电路。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，进一步包括：总电流与总电压传感器(17)；

所述总电流与总电压传感器(17)分别与防反灌电路(14)和负载(6)连接，总电流与总电压传感器(17)的信号线与主控制器(16)的模拟量输入口连接，用于检测整个系统对外输出的总电压与总电流。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电功率模块(15)包括电力电子电路(151)、电流检测电路(152)、电压检测电路(154)和PWM控制电路(153)；

电力电子电路(151)的输入端作为充电功率模块(15)的输入端与防反灌电路(14)的输出端连接；电力电子电路(151)的输出端作为充电功率模块(15)的输出端与蓄电池单元(5)连接，同时，所述电力电子电路(151)还包括电子开关PWM端、电流传感器和电压传感器；

电流检测电路(152)一端与电力电子电路(151)的电流传感器连接，另一端与主控制器(16)的模拟量输入口连接，用于检测蓄电池单元(5)的充电电流；

电压检测电路(154)一端与电力电子电路(151)中的电压传感器连接，另一端与主控制器(16)的模拟量输入口连接，用于检测蓄电池单元(5)的充电电压；

PWM控制电路(153)一端与主控制器(16)的PWM输出口连接，另一端与电力电子电路(151)的电子开关PWM端连接，用于接收主控制器(16)的PWM信号，控制电力电子电路(151)对蓄电池单元(5)充电。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电力电子电路(151)包括第一MOS管(301)、电感(302)、第一二极管(303)、第二二极管(304)和第二MOS管(305)；

第一MOS管(301)的栅极连接主控制器(16)，漏极连接燃料电池单元(4)，源极分别与第一二极管(303)的负极和电感(302)的一端连接；第二MOS管(305)的栅极连接主控制器(16)、源极连接蓄电池单元(5)负极，漏极分别与电感(302)的另一端和第二二极管(304)的正极连接；第一二极管(303)正极与蓄电池单元(5)正极连接，第二二极管(304)负极与蓄电池单元(5)负极连接。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述主控制器(16)通过所述充电功率模块(15)实现由所述燃料电池单元(4)向蓄电池单元(5)的充电包括：

当检测到燃料电池单元(4)的电压小于一参考电压时，所述第一MOS管(301)关断，所述主控制器(16)向第二MOS管(305)发送第一脉冲调制信号，驱动电力电子电路(151)对蓄电池单元(5)进行升压充电；

当检测到燃料电池单元(5)的电压大于所述参考电压时，所述第二MOS管(305)关断，所述主控制器(16)向第一MOS管(301)发送第二脉冲调制信号，驱动电力电子电路(151)对蓄电池单元(5)进行降压充电。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，进一步包括：电池均衡与安全监测电路(156)，所述电池均衡与安全监测电路(156)连接在所述蓄电池单元(5)和主控制器(16)之间。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述蓄电池单元(5)为包括至少一节锂电池的锂电池单元。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述电池均衡与安全监测电路(156)包括安全监测专用芯片、电池均衡专用芯片、热敏电阻分压电路、至少一个MOS管和至少一个限流电阻；

所述热敏电阻分压电路与所述安全监测专用芯片连接，用于检测每一节锂电池的欠压信号、过压信号和过温信号；所述安全监测专用芯片与每一节锂电池的正负极相连，并将欠压信号、过压信号和过温信号返回至主控制器(16)；

所述每一个MOS管与一个限流电阻串联，并分别与一节锂电池并联；所述电池均衡专用芯片分别与每一节锂电池的正负极和每一个MOS管的栅极相连，并通过SPI总线与主控制器(16)连接。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述安全监测专用芯片为AD8280；和/或，所述电池均衡专用芯片为AD7280。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述放电功率模块(18)为由电子开关组成的方向功率电路；所述电子开关的控制端与主控制器(16)连接，所述电子开关的功率回路与所述充电功率模块(15)的输入端和输出端连接。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述放电功率模块(18)的电子开关由MOS管组成。

16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：燃料供给控制模块(10)和燃料供给(2)；

所述燃料供给控制模块(10)包括尾气阀(101)、进气阀(102)和压力传感器(103)；

所述进气阀(102)一端与燃料供给(2)通过气路连接，另一端与燃料电池单元(4)进口通过气路连接，所述进气阀(102)用于向燃料电池单元(4)提供可燃气体；

所述压力传感器(103)测量端与燃料供给(2)连接；

所述尾气阀(101)一端与燃料电池单元(4)出口通过气路连接，另一端通过气路连接到系统外部出气口，所述尾气阀(101)用于排出可燃气体的燃烧尾气；

进气阀(102)和尾气阀(101)的电气端分别与主控制器(16)的控制端连接，压力传感器(103)与主控制器(16)的模拟量输入口连接。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述压力传感器(103)、进气阀(102)和尾气阀(101)采用PCB板安装固定。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，进一步包括：空气供给控制模块(11)和风扇(3)；

所述空气供给控制模块(11)包括风扇电源控制开关(111)，风扇转速检测电路(112)和风扇PWM控制电路(113)；

风扇PWM控制电路(112)一端与主控制器(16)的PWM端连接，另一端与风扇3的控制端连接，用于调节风扇转速；

风扇转速检测电路(112)一端与风扇(3)的转速反馈端连接，另外一端与主控制器(16)的模拟量输入连接，用于检测风扇转速；

风扇电源开关(111)的一端与防反灌电路(14)输出端连接，另外一端与风扇(3)输入电源端连接，风扇电源开关(111)的控制端与主控制器(16)的控制端连接。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，进一步包括：数据采集模块(12)；

所述数据采集模块(12)包括燃料电池电压采集电路(121)、燃料电池电流采集电路(122)、第一温度信号转换电路(123)、第二温度信号转换电路(124)和温度传感器(125)；

所述第一温度信号转换电路(123)的输入端与燃料电池单元(4)内部的温度传感器连接，输出端与主控制器(16)的模拟量输入口连接；

所述第二温度信号转换电路(124)的输入端与环境温度传感器(125)连接，输出端与主控制器(16)的模拟量输入口连接，用于测量系统运行的环境温度；

所述燃料电池电压采集电路(121)输入端与燃料电池单元(4)内部的电压传感器连接，输出端与主控制器(16)的模拟量输入口连接，用于采集燃料电池单元(4)的电压；

所述燃料电池电流采集电路(122)输入端与燃料电池单元(4)内部电流传感器连接，输出端与主控制器(16)的模拟量输入口连接，用于采集燃料电池单元(4)的电流。

20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，进一步包括：燃料电池性能改善单元(13)；

所述燃料电池性能改善单元(13)输出端与燃料电池单元(4)的电能输出口连接，输入端与主控制器(16)的控制端连接，在所述主控制器(16)的控制下使所述燃料电池单元(4)按照设定的电流和时间放电以实现性能改善。

21.根据权利要求20所述的系统，其特在于，所述设定的电流为所述燃料电池单元(4)额定电流的6-20倍；和/或，所述设定的时间为20ms-400ms。

22.根据权利要求1-21任一所述的系统，其特征在于，在主控制器(16)中设置PWM中断机制；所述PWM中断机制所实现的主控制器(16)调度各个模块运行的时序算法包括：

当PWM中断触发时，执行主控制器(16)通过所述充电功率模块(15)实现由所述燃料电池单元(4)向蓄电池单元(5)的充电；或，主控制器(16)通过所述放电功率模块(18)实现由所述蓄电池单元(5)向负载(6)的放电；

当PWM中断未触发时；

驱动燃料供给控制模块，使燃料供给控制模块向燃料电池单元(4)提供燃料气体；或，

驱动燃料电池性能改善单元(13)，对燃料电池单元(4)的性能进行改善；和/或，

驱动数据采集模块(12)，采集燃料电池单元(4)内部温度、外部温度、电流和电压；和/或，

将采集到的数据与燃料供给控制模块(10)通信，并将数据储存；和/或，

驱动空气供给控制模块(11)，使空气供给控制模块(11)向燃料电池单元(4)输送空气。