CN106786839A - 一种燃料电池和锂电池混合供电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池和锂电池混合供电系统及方法，涉及电池领域，其特征在于，所述系统包括：用于燃料电池、用于控制燃料电池运行的燃料电池控制器、控制系统整体运行的系统控制器、对电池进行管理的电池管理系统、锂电池和直流斩波器；所述系统控制器分别信号连接于燃料电池控制器、电池管理系统和锂电池；所述燃料电池控制器信号连接于燃料电池；所述电池管理系统分别信号连接于直流斩波器和锂电池；所述锂电池和直流斩波器的输出端信号连接。它具有：供电效率高、应急能力强和续航能力强等优点。

Description

一种燃料电池和锂电池混合供电系统及方法

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其是一种燃料电池和锂电池混合供电系统及方法。

背景技术

我国幅员辽阔，各种自然灾害频发，在抢险救灾和突发事件处置中常用的应急供电设备汽油发电机比较笨重、噪音大且释放有害气体，锂电池、镍氢电池、铅酸电池等连续供电时间短且在应急场合无法提供充电恢复。

此外，电池的使用也极容易受到环境的影响，某些电池在特定情况下能够发挥较好的效果，在其他情况下运行状态却非常差。因此如果能够研发一种能够应对多种复杂情况的电池系统，将大大提升电池系统的应急处理能力。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种燃料电池和锂电池混合供电系统及方法，它具有：供电效率高、应急能力强和续航能力强等优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种燃料电池和锂电池混合供电系统，其特征在于，所述系统包括：用于燃料电池、用于控制燃料电池运行的燃料电池控制器、控制系统整体运行的系统控制器、对电池进行管理的电池管理系统、锂电池和直流斩波器；所述系统控制器分别信号连接于燃料电池控制器、电池管理系统和锂电池；所述燃料电池控制器信号连接于燃料电池；所述电池管理系统分别信号连接于直流斩波器和锂电池；所述锂电池和直流斩波器的输出端信号连接。

进一步的，所述燃料电池控制器包括：用于对电池温度进行检测的温度检测模块；用于对燃料电池输入氢气量进行检测的氢气检测模块；用于对燃料电池的空气压力进行检测的空气压力检测模块；以及根据各个检测模块的检测结果控制燃料电池运行状态的燃料电池控制器。

进一步的，所述电池管理系统包括：燃料电池输出电压检测模块、燃料电池输出电流检测模块、锂电池输出电压检测模块、锂电池输出电流检测模块、输出端输出电流检测模块、输出端输出电压检测模块和电池电量计算模块；所述电池电量计算模块分别信号连接于燃料电池输出电压检测模块、燃料电池输出电流检测模块、锂电池输出电压检测模块、锂电池输出电流检测模块、输出端输出电流检测模块和输出端输出电压检测模块。

进一步的，所述直流斩波器采用集成变换器，其输入电压为3.6 V~36V，开关频率为3200kHz的，输出电压的可调范围为：0.8V~28V，最大输出电流为：12A。

进一步的，所述燃料电池为输出功率为120 W的质子膜燃料电池，其输出电压为15V～28 V。

一种燃料电池和锂电池混合供电系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化，读取燃料电池控制器的状态；

步骤2：若读取到的检测结果为正常，则执行步骤3；若读取到的检测结果不正常，燃料电池控制器将进行故障电池，系统控制锂电池进行供电，同时发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示；

步骤3：系统读取负载的状态，判断系统是否处于过载状态，如果不是处于过载状态，则执行步骤4；若没有处于过载状态，则进行过载保护，同事发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示；

步骤4：系统读取锂电池的状态信息，通过模糊方法进行能量管理，同时将发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示。

进一步的，所述模糊控制方法包括以下步骤：

步骤1：设定负载功率P和锂电池荷电状态L为模糊控制的输入变量，以燃料电池分配输出功率R和锂电池输出功率K为模糊控制器的输出变量；

步骤2：设定模糊输入变量P和L，即负载功率和锂电池荷电状态的基本论域为[0，100]W和[30，90]%，将输入变量模糊化；得到的模糊子集为{零，正小，正中，正大}；

步骤3：设定模糊输出变量R，即燃料电池分配输出功率的基本论域为[-100，110] kW，模糊子集也为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；

步骤4：设定模糊输出变量K，即锂电池输出共和功率的基本论域为[0，110] kW，模糊子集也为{零，正小，正中，正大}；

步骤5：根据设定的基本论域和模糊自己，系统对整个系统进行控制。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：采用模糊控制方法对整个供电系统进行控制，整机供电效率在90%以上，比功率为120 W/500 g。在锂电池初始SOC=80%时可为容量为600升的金属储氢罐连续供电时间16 h左右。由于采用了两种电池进行应急处理，在一种电池出现问题的时候，另外一种电池也能接替进行工作，连续工作时间以及维护等方面比传统应急供电装备性能有极大提高，目前已经在进行产业化，极具推广价值。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的一种燃料电池和锂电池混合供电系统及方法的系统结构示意图。

图2是本发明的一种燃料电池和锂电池混合供电系统及方法的方法流程示意图。

图3是本发明的一种燃料电池和锂电池混合供电系统及方法的系统功率波形示意图。

图4是本发明的一种燃料电池和锂电池混合供电系统及方法的电池充电电路示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明实施例1中提供了一种燃料电池和锂电池混合供电系统，系统结构如图1所示：

一种燃料电池和锂电池混合供电系统，其特征在于，所述系统包括：用于燃料电池、用于控制燃料电池运行的燃料电池控制器、控制系统整体运行的系统控制器、对电池进行管理的电池管理系统、锂电池和直流斩波器；所述系统控制器分别信号连接于燃料电池控制器、电池管理系统和锂电池；所述燃料电池控制器信号连接于燃料电池；所述电池管理系统分别信号连接于直流斩波器和锂电池；所述锂电池和直流斩波器的输出端信号连接。

进一步的，所述燃料电池控制器包括：用于对电池温度进行检测的温度检测模块；用于对燃料电池输入氢气量进行检测的氢气检测模块；用于对燃料电池的空气压力进行检测的空气压力检测模块；以及根据各个检测模块的检测结果控制燃料电池运行状态的燃料电池控制器。

进一步的，所述电池管理系统包括：燃料电池输出电压检测模块、燃料电池输出电流检测模块、锂电池输出电压检测模块、锂电池输出电流检测模块、输出端输出电流检测模块、输出端输出电压检测模块和电池电量计算模块；所述电池电量计算模块分别信号连接于燃料电池输出电压检测模块、燃料电池输出电流检测模块、锂电池输出电压检测模块、锂电池输出电流检测模块、输出端输出电流检测模块和输出端输出电压检测模块。

进一步的，所述直流斩波器采用集成变换器，其输入电压为3.6 V~36V，开关频率为3200kHz的，输出电压的可调范围为：0.8V~28V，最大输出电流为：12A。

进一步的，所述燃料电池为输出功率为120 W的质子膜燃料电池，其输出电压为15V～28 V。

本发明实施例2中提供了一种纯电动车的电池智能管理的电池管理方法，系统结构如图1所示，方法流程示意图如图2所示，系统功率波形示意图：

一种燃料电池和锂电池混合供电系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化，读取燃料电池控制器的状态；

步骤2：若读取到的检测结果为正常，则执行步骤3；若读取到的检测结果不正常，燃料电池控制器将进行故障电池，系统控制锂电池进行供电，同时发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示；

步骤3：系统读取负载的状态，判断系统是否处于过载状态，如果不是处于过载状态，则执行步骤4；若没有处于过载状态，则进行过载保护，同事发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示；

步骤4：系统读取锂电池的状态信息，通过模糊方法进行能量管理，同时将发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示。

进一步的，所述模糊控制方法包括以下步骤：

步骤1：设定负载功率P和锂电池荷电状态L为模糊控制的输入变量，以燃料电池分配输出功率R和锂电池输出功率K为模糊控制器的输出变量；

步骤2：设定模糊输入变量P和L，即负载功率和锂电池荷电状态的基本论域为[0，100]W和[30，90]%，将输入变量模糊化；得到的模糊子集为{零，正小，正中，正大}；

步骤3：设定模糊输出变量R，即燃料电池分配输出功率的基本论域为[-100，110] kW，模糊子集也为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；

步骤4：设定模糊输出变量K，即锂电池输出共和功率的基本论域为[0，110] kW，模糊子集也为{零，正小，正中，正大}；

步骤5：根据设定的基本论域和模糊自己，系统对整个系统进行控制。

取模糊控制的输入变量目标功率Pg和锂电池的荷电状态SOC的论域为[-100，110]W和[30，90]%，取模糊控制器的输出变量燃料电池分配输出功率Pfc、锂电池分配输出功率Pb的论域分别为[0，110] kW、[-100，110] W。锂电池为10 Ah/13.2 V，电池初始荷电状态SOC=60%。同时在 Matlab/Simulink取时间为0～15 min，得到最终的波形图。

本发明实施例3中提供了一种低温环境下电池智能管理系统及方法，系统结构如图1所示，方法流程示意图如图2所示，系统功率波形示意图如图3所示，电池充电电路如图4所示：

一种燃料电池和锂电池混合供电系统，其特征在于，所述系统包括：用于燃料电池、用于控制燃料电池运行的燃料电池控制器、控制系统整体运行的系统控制器、对电池进行管理的电池管理系统、锂电池和直流斩波器；所述系统控制器分别信号连接于燃料电池控制器、电池管理系统和锂电池；所述燃料电池控制器信号连接于燃料电池；所述电池管理系统分别信号连接于直流斩波器和锂电池；所述锂电池和直流斩波器的输出端信号连接。

进一步的，所述燃料电池控制器包括：用于对电池温度进行检测的温度检测模块；用于对燃料电池输入氢气量进行检测的氢气检测模块；用于对燃料电池的空气压力进行检测的空气压力检测模块；以及根据各个检测模块的检测结果控制燃料电池运行状态的燃料电池控制器。

进一步的，所述电池管理系统包括：燃料电池输出电压检测模块、燃料电池输出电流检测模块、锂电池输出电压检测模块、锂电池输出电流检测模块、输出端输出电流检测模块、输出端输出电压检测模块和电池电量计算模块；所述电池电量计算模块分别信号连接于燃料电池输出电压检测模块、燃料电池输出电流检测模块、锂电池输出电压检测模块、锂电池输出电流检测模块、输出端输出电流检测模块和输出端输出电压检测模块。

进一步的，所述直流斩波器采用集成变换器，其输入电压为3.6 V~36V，开关频率为3200kHz的，输出电压的可调范围为：0.8V~28V，最大输出电流为：12A。

进一步的，所述燃料电池为输出功率为120 W的质子膜燃料电池，其输出电压为15V～28 V。

一种燃料电池和锂电池混合供电系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化，读取燃料电池控制器的状态；

步骤2：若读取到的检测结果为正常，则执行步骤3；若读取到的检测结果不正常，燃料电池控制器将进行故障电池，系统控制锂电池进行供电，同时发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示；

步骤3：系统读取负载的状态，判断系统是否处于过载状态，如果不是处于过载状态，则执行步骤4；若没有处于过载状态，则进行过载保护，同事发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示；

步骤4：系统读取锂电池的状态信息，通过模糊方法进行能量管理，同时将发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示。

进一步的，所述模糊控制方法包括以下步骤：

步骤1：设定负载功率P和锂电池荷电状态L为模糊控制的输入变量，以燃料电池分配输出功率R和锂电池输出功率K为模糊控制器的输出变量；

步骤2：设定模糊输入变量P和L，即负载功率和锂电池荷电状态的基本论域为[0，100]W和[30，90]%，将输入变量模糊化；得到的模糊子集为{零，正小，正中，正大}；

步骤3：设定模糊输出变量R，即燃料电池分配输出功率的基本论域为[-100，110] kW，模糊子集也为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；

步骤4：设定模糊输出变量K，即锂电池输出共和功率的基本论域为[0，110] kW，模糊子集也为{零，正小，正中，正大}；

步骤5：根据设定的基本论域和模糊自己，系统对整个系统进行控制。

进一步的，DC/DC变换电路采用XL4012集成变换器，输入电压3.6 V~36 V，2 800kHz的开关频率，输出电压可以从0.8 V~28 V可调，转换效率高达95%，最大输出电流12 A。

应急供电系统需要检测的参数比较多：燃料电池的输出电压、输出电流；充电与BMS的充电电流、电池电压和电池SOC；输出端的输出电流、输出电压。因此需要扩展A/D接口，系统控制采用89S51CPU，A/D采用TLV2543芯片，该芯片有10路模拟电压输入，与单片机采用串行接口，占用口线资源较少，转换速度比较快，显示采用LCD1602液晶显示，不采用背光时液晶动态电流不大于5 mA，主要显示燃料电池工作状态，锂电池SOC及充放电情况，输出电压、输出电流信息，整机效率等供电信息。

进一步的，如图3所示，燃料电池输出的15 V～28 V电压经过隔离二极管D5和总电流检测电路，一路经过R2、DC/DC电路至输出端，另一路通过Q1、电感L1、D6和R4向锂电池充电。R4上的电压与充电电流成正比，经电压误差放大器放大，转换成直流分量输人微处理器，微处理器将从MAX1873的14脚输出反向控制电压，使Ql的导通电流减小。如果流经R4上的电流过小，由MAX1873的14脚输出控制电压使Ql的电流相应增加，则会使电池组有一个恒定的电流值。当电流很小且达到充电电流最小值或0时，MAX1873从14脚输出低电平的脉冲控制信号，关断BGl，停止对电池充电。当控制输入端为低电平时，BG2导通，充电控制脚6脚为低电平，14脚输出低电平，BG1关断，停止充电，此时充电电流仅为1 μA，处于关闭状态。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种燃料电池和锂电池混合供电系统，其特征在于，所述系统包括：用于燃料电池、用于控制燃料电池运行的燃料电池控制器、控制系统整体运行的系统控制器、对电池进行管理的电池管理系统、锂电池和直流斩波器；所述系统控制器分别信号连接于燃料电池控制器、电池管理系统和锂电池；所述燃料电池控制器信号连接于燃料电池；所述电池管理系统分别信号连接于直流斩波器和锂电池；所述锂电池和直流斩波器的输出端信号连接。

2.如权利要求1所述的燃料电池和锂电池混合供电系统，其特征在于，所述燃料电池控制器包括：用于对电池温度进行检测的温度检测模块；用于对燃料电池输入氢气量进行检测的氢气检测模块；用于对燃料电池的空气压力进行检测的空气压力检测模块；以及根据各个检测模块的检测结果控制燃料电池运行状态的燃料电池控制器。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池和锂电池混合供电系统，其特征在于，所述电池管理系统包括：燃料电池输出电压检测模块、燃料电池输出电流检测模块、锂电池输出电压检测模块、锂电池输出电流检测模块、输出端输出电流检测模块、输出端输出电压检测模块和电池电量计算模块；所述电池电量计算模块分别信号连接于燃料电池输出电压检测模块、燃料电池输出电流检测模块、锂电池输出电压检测模块、锂电池输出电流检测模块、输出端输出电流检测模块和输出端输出电压检测模块。

4.如权利要求3所述的燃料电池和锂电池混合供电系统，其特征在于，所述直流斩波器采用集成变换器，其输入电压为3.6 V~36V，开关频率为3200kHz的，输出电压的可调范围为：0.8V~28V，最大输出电流为：12A。

5.如权利要求4所述的燃料电池和锂电池混合供电系统，其特征在于，所述燃料电池为输出功率为120 W的质子膜燃料电池，其输出电压为15 V～28 V。

6.一种基于权利要求1至5之一所述的燃料电池和锂电池混合供电系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化，读取燃料电池控制器的状态；

步骤2：若读取到的检测结果为正常，则执行步骤3；若读取到的检测结果不正常，燃料电池控制器将进行故障电池，系统控制锂电池进行供电，同时发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示；

步骤3：系统读取负载的状态，判断系统是否处于过载状态，如果不是处于过载状态，则执行步骤4；若没有处于过载状态，则进行过载保护，同事发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示；

步骤4：系统读取锂电池的状态信息，通过模糊方法进行能量管理，同时将发送系统运行状态信息给外部的显示装置，给用户进行显示。

7.如权利要求6所述的燃料电池和锂电池混合供电系统的模糊控制方法，其特征在于，所述模糊控制方法包括以下步骤：

步骤1：设定负载功率P和锂电池荷电状态L为模糊控制的输入变量，以燃料电池分配输出功率R和锂电池输出功率K为模糊控制器的输出变量；

步骤2：设定模糊输入变量P和L，即负载功率和锂电池荷电状态的基本论域为[0，100]W和[30，90]%，将输入变量模糊化；得到的模糊子集为{零，正小，正中，正大}；

步骤3：设定模糊输出变量R，即燃料电池分配输出功率的基本论域为[-100，110] kW，模糊子集也为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；

步骤4：设定模糊输出变量K，即锂电池输出共和功率的基本论域为[0，110] kW，模糊子集也为{零，正小，正中，正大}；

步骤5：根据设定的基本论域和模糊子集，系统对整个系统进行控制。