CN108172873A - 一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法，将恒压模式直流电子负载并联到燃料电池的正负极上，当燃料电池电压小于或等于电子负载的设定值时电子负载不工作，当燃料电池电压大于电子负载的设定值时电子负载工作，将燃料电池的最高输出电压限制在电子负载的设定值。恒压模式的电子负载由运算放大器、功率电阻、功率MOSFET、分压电阻等元件构成。本发明提供的方法不使用DC/DC限制燃料电池的电压，当外部负载启动燃料电池已额定功率放电后，限压用的电子负载不工作，避免了主回路上由于电压变换部件的效率而带来的电能损失问题，防止了输出电压过高引起的外部负载的损坏。

Description

一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法
技术领域
本发明涉及一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法，尤其适用于限制燃料电池的最高输出电压。
背景技术
燃料电池系统是将储存于燃料中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置。燃料电池的开路电压与工作电压存在一定的差异，比如单节锌空电池的开路电压约为1.4V，单节镁空电池的开路电压约为1.6V，而二者工作电压约为1V，单节直接甲醇燃料电池的开路电压约为0.8V，工作电压约为0.5V。燃料电池的这种特点要求与其相连的电路或者外部负载的电压输入范围较宽。如果燃料电池的输出电压超过了外部负载的输入电压的允许范围，通常情况下采用开关型稳压器件，也就是DC/DC模块来稳定燃料电池的输出电压。但是受到
DC/DC模块效率的限制会损失一部分电能，就会多消耗一些燃料，而且燃料电池系统的体积、重量、成本也会增加。直流电子负载可以模拟真实负载的特性，多用来测试稳压电源、蓄电池等电源的特性。直流电子负载有恒流、恒压、恒阻、恒功率四种工作模式，其中恒压模式的直流电子负载可以自动调整工作电流，将与之相连的电源或者电池的最高电压保持在设定值。
[中国专利02124911.3]介绍了一种燃料电池电子负载及制作方法，采用功率MOSFET的导通电阻作为负载，并通过多个功率MOSFET的串并联适应不同的电压与功率。这种电子负载适合测试燃料电池，而且只采用功率MOSFET的导通电阻作为负载，热量都集中在功率MOSFET上，需要很大的散热装置保证功率MOSFET正常工作。
[中国专利200610011929.X]介绍了一种燃料电池适配器，通过DC/DC模块稳定燃料电池的输出电压。这种适配器应用于输入电压范围较宽的负载，或者应用于本身具有稳压功能的负载时，电能损耗较多，燃料消耗较多。
发明内容
针对燃料电池在开路状态下输出电压较高的问题，本发明采用一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法，将燃料电池的最高输出电压限制在电子负载的设定值。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法，将恒压模式的直流电子负载并联到燃料电池的正负极上，当燃料电池电压小于或等于电子负载的设定值时电子负载不工作，当燃料电池电压大于电子负载的设定值时电子负载工作；其中，
所述恒压模式直流电子负载包括运算放大器、功率电阻、功率MOSFET、分压电阻；运算放大器的一个输入端经分压电阻分别与燃料电池正负极相连,运算放大器的电源正极与一直流电流正极相连,运算放大器的电源负极与燃料电池负极相连,运算放大器的另一个输入端经分压电阻分别与燃料电池负极相连和直流电流正极相连,运算放大器的输出端经电阻与功率MOSFET的G极(栅极)相连，功率MOSFET的D极(漏极)经功率电阻与与燃料电池正极相连、S极(源极)经电阻与燃料电池负极相连。
所述将功率电阻与功率MOSFET的内阻一起作为负载。
所述功率电阻可以采用一个或采用多个串联和/或并联。
本发明与现有技术相比：一方面避免了采用传统DC/DC模块作为电压限制模块时的电能损失，对于输出同样的电能，降低了燃料的使用量；另一方面该方法也较小了系统的体积，减轻了系统的重量；基于上述两方面的优点使得燃料电池系统的燃料效率得以提高。不仅如此，该方法与传统方法相比，燃料电池系统的成本也会得到降低。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法应用示意图。
图2为实施例1中的恒压模式直流电子负载电路原理示意图。
图3为实施例2中的恒压模式直流电子负载电路原理示意图。
图4为实施例3中的恒压模式直流电子负载电路原理示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于恒压模式电子负载的燃料电池限压方法，以下结合附图和实施例对本发明作详细描述，但是本发明不仅限于以下实施例。
图1为本发明提供的一种基于恒压模式电子负载的燃料电池限压方法应用示意图。
其中，101是燃料电池，将储存于燃料中的化学能直接转化为电能，可以是金属空气电池，也可以是直接甲醇燃料电池。102是运算放大器，可以选用LM258、LM2904等运算放大器。103是第一功率MOSFET。104是第二功率MOSFET。103、104可以选用IRFP260N、IRF540N等功率MOSFET。105是功率电阻，功率与阻值根据燃料电池的电性能确定。106是电阻，一端与运算放大器的输出连接，另一端与第一功率MOSFET的栅极连接。107是电阻，一端与运算放大器的输出连接，另一端与第二功率MOSFET的栅极连接。108是电阻，一端与第一功率MOSFET的源极连接，另一端与燃料电池的负极连接。109是电阻，一端与第二功率MOSFET的源极连接，另一端与燃料电池的负极连接。110、110是两个分压电阻，将燃料电池的输出电压分压后输入到运算放大器的同相端。112、113是两个分压电阻，将运算放大器的电源电压分压后输入到运算放大器的反相端。102～113这些元件组成了恒压模式的直流电子负载。
图2为实施例1中的恒压模式直流电子负载电路原理示意图。
其中燃料电池是24节单池串联的额定功率为360W的锌空电池。U201选用JF158运算放大器。U202、U203、U204、U205均选用CS013。R201为100kΩ的电阻。R202为20kΩ的电阻。R201、R202将12V电压分成2V后输入到运算放大器的反相端。R203为18kΩ的电阻。R204为5kΩ的3296型可调电阻。R203、R204将燃料电池的输出电压分压后输入到运算放大器的同相端。R205～R208均选用100Ω的电阻。R209～R212均选用0.15Ω、功率为1W的电阻。R213～R216均选用0.75Ω、功率为100W的功率电阻。调节R204，可以将燃料电池的最高输出电压限制在28V。
图3为实施例2中的恒压模式直流电子负载电路原理示意图。
其中燃料电池是额定功率为260W的直接甲醇燃料电池。U301选用LM2904运算放大器。U302、U3035均选用IRFP260N。R301为100kΩ的电阻。R302为20kΩ的电阻。R301、R302将12V电压分成2V后输入到运算放大器的反相端。R203为18kΩ的电阻。R204为5kΩ的3296型可调电阻。R203、R204将燃料电池的输出电压分压后输入到运算放大器的同相端。R305、R306均选用10Ω的电阻。R307、R308均选用0.15Ω、功率为1W的电阻。R309选用1Ω、功率为100W的功率电阻。调节R204，可以将燃料电池的最高输出电压限制在26V。
图4为实施例3中的恒压模式直流电子负载电路原理示意图。
其中燃料电池是额定功率为80W的直接甲醇燃料电池。U401选用LM258运算放大器。U402选用IRF540N。R401为100kΩ的电阻。R402为20kΩ的电阻。R401、R402将12V电压分成2V后输入到运算放大器的反相端。R403为18kΩ的电阻。R404为5kΩ的3296型可调电阻。R403、R404将燃料电池的输出电压分压后输入到运算放大器的同相端。R405选用100Ω的电阻。R406、R407均选用3Ω、功率为4W的功率电阻。调节R404，可以将燃料电池的最高输出电压限制在26V。

Claims (4)

1.一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法，将恒压模式的电子负载并联到燃料电池的正负极上，当燃料电池电压小于或等于电子负载的设定值时电子负载不工作，当燃料电池电压大于电子负载的设定值时电子负载工作。
2.如权利要求1所述基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法，其特征在于：所述恒压模式直流电子负载包括运算放大器、功率电阻、功率MOSFET和分压电阻；运算放大器的一个输入端经分压电阻分别与燃料电池正负极相连,运算放大器的电源正极与一直流电流正极相连,运算放大器的电源负极与燃料电池负极相连,运算放大器的另一个输入端经分压电阻分别与燃料电池负极相连和直流电流正极相连,运算放大器的输出端经电阻与功率MOSFET的G极(栅极)相连，功率MOSFET的D极(漏极)经功率电阻与与燃料电池正极相连、S极(源极)经电阻与燃料电池负极相连。
3.如权利要求2所述的一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法，其特征在于：将功率电阻与功率MOSFET的内阻一起作为负载。
4.如权利要求2所述的一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法，其特征在于：功率电阻可以采用一个或采用多个串联和/或并联。
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