CN111009672A - 一种氢燃料电池电堆管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池电堆管理系统，包括氢燃料电池电堆、锂电池，氢燃料电池电堆管理系统包括与氢燃料电池电堆连接的氢燃料电池电堆保护系统、与氢燃料电池电堆保护系统连接的充电控制系统及与充电控制系统连接的氢燃料电池电堆控制系统；氢燃料电池电堆保护系统控制氢燃料电池电堆的输出电压于电压区间内，及控制输出电流于电流区间内；充电控制系统将氢燃料电池电堆的输出电压升压至锂电池的充电电压，及将输出电流升流至锂电池的充电电流；氢燃料电池电堆的控制系统根据氢燃料电池电堆的状态，调节氢燃料电池电堆保护系统及充电控制系统的工作状态，从而使得氢燃料电池电堆与锂电池组配合，向外部负载输出电能。

Description

一种氢燃料电池电堆管理系统

技术领域

本发明涉及能源管理领域，尤其涉及一种氢燃料电池电堆管理系统。

背景技术

氢燃料电池是一种使用氢气作为燃料，通过与氧气的化学反应而产生电能的装置，其副产物只有水，因此氢燃料电池在交通设备领域内得到了快速发展，利用使用氢燃料电池作为机动车、非机动车的电能来源，由此，通过氢燃料电池作为助力的自行车成为了一种理想的绿色出行交通工具。

由于氢燃料电池是基于氢气和氧气在电解质中的扩散，其动态响应速度与其扩散速度有关。因此并不适合高频率、大动态负载变化的应用。而自行车在使用过程中，需要电能快速响应、提供，因此，在使用的初期，常出现氢燃料电池功能不足或功能较慢，而在使用的过程中，自行车在不同道路中的骑行过程又将对电能有着不少动态变化的需求，因此对氢燃料电池的电堆提出了不少要求。例如在上坡过程中，由于自行车电机所需电能较高，氢燃料电池的输出电流也将动态变化，易造成氢燃料电池电堆的损坏和过载。

由此，在以氢能源作为助力车的形式下，还设置有一锂电池组，配合氢燃料电池，向助力车提供电能。但现有技术下，锂电池组设置后，仍以锂电池组作为主电源向助力车提供电能，因此，氢燃料电池的作用无法完全体现。

因此，需要一种氢燃料电池电堆管理系统，可调配氢燃料电池与锂电池组的放电供能。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种氢燃料电池电堆管理系统，使得氢燃料电池与锂电池组配合，向外部负载输出电能。

本发明公开了一种氢燃料电池电堆管理系统，包括氢燃料电池电堆、锂电池，氢燃料电池电堆与氢气罐、进气电磁阀及氢燃料电池电堆连接，氢燃料电池电堆管理系统包括与氢燃料电池电堆连接的氢燃料电池电堆保护系统、与氢燃料电池电堆保护系统连接的充电控制系统及与充电控制系统连接的氢燃料电池电堆控制系统；

氢燃料电池电堆保护系统控制氢燃料电池电堆的输出电压于电压区间内，及控制输出电流于一电流区间内；

充电控制系统将氢燃料电池电堆的输出电压升压至锂电池的充电电压，及将输出电流升流至充电电流；

氢燃料电池电堆的控制系统根据氢燃料电池电堆的状态，调节氢燃料电池电堆保护系统及充电控制系统的工作状态。

优选地，氢燃料电池电堆保护系统包括：

- 保护主电路，控制氢燃料电池电堆导通或关断；

- 高压保护控制电路，接收一第一电压信号，并根据第一电压信号形成第一控制指令，发送第一控制指令至电堆保护主电路以执行保护，其中第一电压信号的电压值大于第一电压阈值；

- 低压保护控制电路，接收一第二电压信号，并根据第二电压信号形成第二控制指令，发送第二控制指令至电堆保护主电路以执行保护，其中第二电压信号的电压值小于第二电压阈值；

- 过流保护控制电路，接收一第一电流信号，并根据第一电流信号形成第三控制指令，发送第三控制指令至电堆保护主电路以执行保护，其中第一电流信号的电流值大于第一电流阈值；

- 反充电保护控制电路，接收一第二电流信号，并根据第二电流信号形成第四控制指令，发送第四控制指令至电堆保护主电路以执行保护，其中第二电流信号的电流值小于第二电流阈值；

- 初始化电路，与电堆保护主电路电连接，根据一初始化指令初始化氢电堆保护主电路。

优选地，保护主电路包括主回路电路及驱动电路；

主回路电路包括：场效应管M301~M304，场效应管M301~M302的源极与氢燃料电池电堆的正极VH+连接，场效应管M303~M304的源极与电源电压VB+连接，场效应管M301~M304的漏极互相桥接，场效应管M301~M304导通或截止以控制氢燃料电池电堆导通或关断；

驱动电路与主回路电路连接，驱动主回路电路呈全部导通状态或全部截止状态；

当主回路电路呈全部导通状态时，保护主电路正常工作；

当主回路电路呈全部截止状态时，保护主电路截止电路以成保护状态。

优选地，高压保护控制电路包括第一比较器及回滞电路；

第一比较器比较第一电压信号的电压值与第一电压阈值；

当第一电压信号的电压值大于第一电压阈值时，第一比较器输出高电平；

当第一电压信号的电压值小于第一电压阈值时，第一比较器输出低电平。

优选地，低压保护控制电路包括第二比较器；

第二比较器比较第二电压信号的电压值及第二电压阈值；

当第二电压信号的电压值大于第二电压阈值时，第二比较器输出高电平；

当第二电压信号的电压值小于第二电压阈值时，第二比较器输出低电平。

优选地，过流保护控制电路包括第三比较器；

第三比较器比较第一电流信号及第一电流阈值；

当第一电流信号大于第一电流阈值时，第三比较器输出低电平；

当第一电流信号小于第一电流阈值时，第三比较器输出高电平。

优选地，反充电保护控制电路包括第四比较器；

第四比较器比较第二电流信号及第二电流阈值；

当第二电流信号大于第二电流阈值时，第四比较器输出低电平；

当第二电流信号小于第二电流阈值时，第四比较器输出高电平。

优选地，充电控制系统包括：

- 升压充电电路，与锂电池及氢燃料电池电堆电连接，接收氢燃料电池电堆的输出电压，并将输出电压升压为供至锂电池的充电电压，使得锂电池的充电电压恒定；

- 恒压控制电路，与升压充电电路连接，接收输出电压并将输出电压与第一电压阈值比较，当第一电压阈值大于输出电压时，控制升压充电电路对输出电压升压至一恒定值；

- 恒流控制电路，与升压充电电路连接，接收输出电压并将输出电压与第二电压阈值比较，当第二电压阈值大于输出电压时，控制升压充电电路对输出电流增流至一恒定值；

- 电流采样电路，与锂电池及氢燃料电池电堆电连接，采集氢燃料电池电堆的放电电流、锂电池的充放电电流及负载电流。

优选地，升压充电电路包括变换器模块、电阻R101～R120、电容C101～C119、场效应管M101、M102、及二极管D101、D102；

变换器模块的接脚经电容C102和C103接地，连接至3.3V电压端，连接至二极管D101的负极后由D101的正极接地；

场效应管M101的漏极连接至锂电池的正极，源极连接至场效应管M102的漏极；

场效应管M102的源极接地；

变换器模块、场效应管M101、M102及二极管D101、D102形成同步整流Boost DC TO DC变换器。

优选地，恒压控制电路包括比较器；

比较器比较第一输入端预设的第一电压阈值及第二输入端接收的输出电压，当第一电压阈值大于输出电压时，降低输出端的电压，使得升压充电电路进入输入恒压模式；

电流采样电路包括氢燃料电池电堆电流采样电路、锂电池电流采样电路、负载电流采样电路及基准电压源电路；

氢燃料电池电堆电流采样电路、锂电池电流采样电路、负载电流采样电路及基准电压源电路分别连接至一外部的中控电路，以接收中控电路的氢燃料电池电堆电流信号、锂电池电流信号、负载电流信号。

氢燃料电池电堆电流采样电路包括第一集成电路、电阻R201~R203；

第一集成电路经电阻R201接地，经电阻R202和R203分别连接至电压端VB-及Vref电压端，输出端连接至电压端Uip；

锂电池电流采样电路包括第二集成电路、电阻R205~R207；

第二集成电路经电阻R205接地，经电阻R206和R207分别连接至锂电池的负极BAT-及Vref电压端，输出端连接至电压端Uob；

负载电流采样电路包括第三集成电路、电阻R209~R211；

第三集成电路经电阻R209接地，经电阻R210和R211分别连接至负载端LOAD-及Vref电压端，输出端连接至电压端Uol；

基准电压源电路包括第四集成电路；

第四集成电路连接3.3V电压端及接地。

优选地，氢燃料电池电堆控制系统包括：

- 电源电路，与一锂电池连接，以接收锂电池的供电电压，并将供电电压转换至工作电压；

- 中控电路，接收与氢燃料电池电堆连接的传感器组的状态数据，并形成控制指令；

排水电磁阀控制电路，与中控电路及氢燃料电池电堆内的排水电磁阀连接，根据中控电路发送的控制指令控制排水电磁阀；

- 进气电磁阀控制电路，与中控电路及进气电磁阀连接，根据中控电路发送的控制指令控制进气电磁阀；

- 风扇控制电路，与中控电路及风扇内的排水电磁阀连接，根据中控电路发送的控制指令控制风扇；

- 采样电路，与中控电路及氢燃料电池电堆连接，采集锂电池的数据信号及氢燃料电池电堆的数据信号至中控电路。

优选地，电源电路包括电压选择电路及SEPIC DC TO DC变换电路；

电压选择电路分别与锂电池的VO+电压端及电压端VH+连接，自VO+电压端及电压端VH+间选择一输出电压；

SEPIC DC TO DC变换电接收电压选择电路的输出电压，将输出电压转换为第一组电压、第二组电压及第三组电压，并将第一组电压输出至传感器组，将第二组电压输出至风扇控制电路、排水电磁阀控制电路及进气电磁阀控制电路，将第三组电压输出至中控电路。

优选地，SEPIC DC TO DC变换电路包括集成电路U501、电阻R501~R504、电容C501~C510、二极管D501~D503；

集成电路U501通过电容C505~C507连接至电压选择电路，通过电阻R501~R504及电容C501、C502、C508组成的RC电路组接地，通过电感、二极管D502、D503及电容C509、C510形成12V B输出电压及24V C输出电压。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1. 向外部负载供电时，为保护氢燃料电池电堆，先由锂电池组供电；

2. 可有效地接检测氢气的剩余量，且成本较低，转化率高；

3. 智能调配氢燃料电池与锂电池组的充放电，最大化利用两电源的电能。

附图说明

图1为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆管理系统的系统结构示意图；

图2为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆保护系统的电路系统结构示意图；

图3为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆保护系统的保护主电路的电路设计示意图；

图4为符合本发明一优选实施例中用于氢燃料电池电堆的充电控制系统的系统结构示意图；

图5为符合本发明一优选实施例中用于氢燃料电池电堆的充电控制系统的升压充电电路的电路示意图；

图6为符合本发明一优选实施例中用于氢燃料电池电堆的充电控制系统的恒压控制电路的电路示意图；

图7为符合本发明一优选实施例中电流采样电路的氢燃料电池电堆电流采样电路的电路示意图；

图8为符合本发明一优选实施例中电流采样电路的锂电池组电流采样电路的电路示意图；

图9为符合本发明一优选实施例中电流采样电路的负载电流采样电路的电路示意图；

图10为符合本发明一优选实施例中电流采样电路的基准电压源电路的电路示意图；

图11为符合本发明一优选实施例中电流采样电路的恒流控制电路的电路示意图；

图12为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的系统结构示意图；

图13为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的电源电路的电路设计示意图；

图14为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的中控电路的电路设计示意图；

图15为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的进气电磁阀控制电路的电路设计示意图；

图16为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的风扇控制电路的电路设计示意图；

图17为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的排水电磁阀控制电路的电路设计示意图；

图18为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的锂电池组电压采样电路的电路设计示意图；

图19为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的锂电池组电流采样电路的电路设计示意图；

图20为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢燃料电池电堆电压采样电路的电路设计示意图；

图21为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢燃料电池电堆电流采样电路的电路设计示意图；

图22为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的负载电流采样电路的电路设计示意图；

图23为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢燃料电池电堆温度采样电路的电路设计示意图；

图24为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢燃料电池电堆氢气压采样电路的电路设计示意图；

图25为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢气罐气压采样电路的电路设计示意图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

参阅图1及图12，示出了符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆管理系统的系统结构示意图。在该实施例中，燃料电池电堆管理系统，包括氢燃料电池电堆、锂电池，氢燃料电池电堆与氢气罐、进气电磁阀及氢燃料电池电堆连接，氢燃料电池电堆管理系统包括与氢燃料电池电堆连接的氢燃料电池电堆保护系统、与氢燃料电池电堆保护系统连接的充电控制系统及与充电控制系统连接的氢燃料电池电堆控制系统氢燃料电池电堆保护系统控制氢燃料电池电堆的输出电压于一电压区间内，及控制输出电流于一电流区间内；充电控制系统将氢燃料电池电堆的输出电压升压至锂电池的充电电压，及将输出电流升流至锂电池的充电电流；氢燃料电池电堆控制系统根据氢燃料电池电堆的状态，调节氢燃料电池电堆保护系统及充电控制系统的工作状态。

参阅图2，为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆保护系统的电路系统结构示意图。在该实施例中，氢燃料电池电堆保护系统与一氢燃料电池电堆电连接，氢燃料电池通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式，来产生电能。由于氢燃料电池电堆在氢气发生电化学反应时，氢气释放的速度、电能产生电流大小较为不稳定，为防止在电流过高时对氢燃料电池电堆造成损害，因此，氢燃料电池电堆保护系统包括有：

- 保护主电路

保护主电路为氢燃料电池电堆内执行保护功能的电路模块，与氢燃料电池电堆连接后，可控制氢燃料电池电堆的导通或关断，如控制氢气释放与否。

- 高压保护控制电路

高压保护控制电路通过保护主电路与氢燃料电池电堆连接，接收氢燃料电池电堆输出的第一电压信号，该第一电压信号为氢燃料电池电堆在发生化学反应后，向外输出的输出电压所反映的电压信号。高压保护控制电路根据第一电压信号所反映的氢燃料电池电堆的输出电压，形成第一控制指令，也就是说，当输出电压过高时，高压保护控制电路将形成该第一控制指令，形成后，便将该第一控制指令发送至保护主电路，保护主电路根据第一控制指令，以确认是否需要切断氢燃料电池电堆的供能电路。在该实施例中，第一控制指令的形成，为第一电压信号所表示的电压值是否达到一上限，该上限为所预设的第一电压阈值，第一电压阈值预设在高压保护控制电路内的一控制芯片或集成电路内，由氢燃料电池电堆保护系统的制造厂商或设计厂商根据氢气的放气量、电流生成大小决定或预设。该第一电压阈值设置后，当且仅当第一电压信号的电压值大于第一电压阈值时，才会形成第一控制指令，也就是说，高压保护控制电路的执行保护，以第一电压阈值为限，保护的是第一电压信号高于第一电压阈值的高压。

- 低压保护控制电路

低压保护控制电路通过保护主电路与氢燃料电池电堆连接，接收氢燃料电池电堆输出的第二电压信号，该第二电压信号为氢燃料电池电堆在发生化学反应后，向外输出的输出电压所反映的电压信号（因此，第一电压信号和第二电压信号可以是同一电压信号）。低压保护控制电路根据第二电压信号所反映的氢燃料电池电堆的输出电压，形成第二控制指令，也就是说，当输出电压过低时，低压保护控制电路将形成该第二控制指令，形成后，便将该第二控制指令发送至保护主电路，保护主电路根据第二控制指令，以确认是否需要切断氢燃料电池电堆的供能电路。在该实施例中，第二控制指令的形成，为第二电压信号所表示的电压值是否低于一下限，该下限为所预设的第二电压阈值，第二电压阈值预设在低压保护控制电路内的一控制芯片或集成电路内，由氢燃料电池电堆保护系统的制造厂商或设计厂商根据氢气的放气量、电流生成大小决定或预设。该第二电压阈值设置后，当且仅当第二电压信号的电压值小于第二电压阈值时，才会形成第二控制指令，也就是说，低压保护控制电路的执行保护，以第二电压阈值为限，保护的是第二电压信号低于第二电压阈值的低压。

- 过流保护控制电路

过流保护控制电路通过保护主电路与氢燃料电池电堆连接，接收氢燃料电池电堆输出的第一电流信号，该第一电流信号为氢燃料电池电堆在发生化学反应后，向外输出的输出电流所反映的电流信号。过流保护控制电路根据第一电流信号所反映的氢燃料电池电堆的输出电流，形成第三控制指令，也就是说，当输出电流过高时，过流保护控制电路将形成该第三控制指令，形成后，便将该第三控制指令发送至保护主电路，保护主电路根据第三控制指令，以确认是否需要切断氢燃料电池电堆的供能电路。在该实施例中，第三控制指令的形成，为第一电流信号所表示的电流值是否高于一上限，该上限为所预设的第一电流阈值，第一电流阈值预设在过流保护控制电路内的一控制芯片或集成电路内，由氢燃料电池电堆保护系统的制造厂商或设计厂商根据氢气的放气量、电流生成大小决定或预设。该第一电流阈值设置后，当且仅当第一电流信号的电流值大于第一电流阈值时，才会形成第三控制指令，也就是说，过流保护控制电路的执行保护，以第一电流阈值为限，保护的是第一电流信号高于第一电流阈值的过流。

- 反充电保护控制电路

反充电保护控制电路通过保护主电路与氢燃料电池电堆连接，接收氢燃料电池电堆输出的第二电流信号，该第二电流信号为氢燃料电池电堆在发生化学反应后，向外输出的输出电流所反映的电流信号。反充电保护控制电路根据第二电流信号所反映的氢燃料电池电堆的输出电流，形成第四控制指令，也就是说，当输出电流过低时，或是氢燃料电池电堆向外部用电设备供电时，外部用电设备内的电能在氢燃料电池电堆输出电流过低时，防止反向地向氢燃料电池电堆充电的情况发生。反充电保护控制电路将形成该第四控制指令，形成后，便将该第四控制指令发送至保护主电路，保护主电路根据第四控制指令，以确认是否需要切断氢燃料电池电堆的供能电路。在该实施例中，第四控制指令的形成，为第二电流信号所表示的电流值是否低于一下限，该下限为所预设的第二电流阈值，第二电流阈值预设在反充电保护控制电路内的一控制芯片或集成电路内，由氢燃料电池电堆保护系统的制造厂商或设计厂商根据氢气的放气量、电流生成大小决定或预设。该第二电流阈值设置后，当且仅当第二电流信号的电流值小于第二电流阈值时，才会形成第四控制指令，也就是说，反充电保护控制电路的执行保护，以第二电流阈值为限，保护的是第二电流信号低于第二电流阈值的低流。

- 初始化电路

初始化电路通过反充电保护控制电路与保护主电路连接，获取保护主电路的保护执行状态。在保护主电路分别根据高压保护控制电路、低压保护控制电路、过流保护控制电路、反充电保护控制电路形成的第一-第四控制指令的指示下，切断氢燃料电池电堆的供能电路或维持氢燃料电池电堆的供能电路后，且执行完毕后，初始化电路监测第一电压信号的电压值小于第一电压阈值，或第二电压信号的电压值大于第二电压阈值，或第一电流信号的电流值小于第一电流阈值，或第二电流信号的电流值大于第二电流阈值后，初始化保护主电路后，使其回到初始状态。

通过上述配置，在氢气供应过多，超过保护点，或是氢气供应过少，低于正常范围后，防止氢燃料电池电堆受到损坏，保护主电路将保护氢燃料电池电堆不受损坏。

参阅图3，一优选实施例中，保护主回路包括主回路电路及驱动电路。主回路电路包括：场效应管M301~M304，场效应管M301~M302的源极与氢燃料电池电堆的正极VH+连接，场效应管M303、场效应管M304的源极与电源电压VB+连接，场效应管M301~M304的漏极互相桥接，场效应管M301~M304的基极分别通过电阻R301、R302、R313、R314连接至3.3V电压端。场效应管M301~M304导通或截止以控制氢燃料电池电堆导通或关断；驱动电路与主回路电路连接，驱动主回路电路呈全部导通状态或全部截止状态；当主回路电路呈全部导通状态时，保护主电路正常工作；当主回路电路呈全部截止状态时，保护主电路截止电路以成保护状态。

一优选实施例中，高压保护控制电路包括第一比较器及回滞电路，第一比较器内预设有第一电压阈值，比较第一输入端的氢燃料电池电堆的第一电压信号及第一电压阈值，当第一电压阈值大于第一电压信号时，第一比较器的输出端输出高电平以控制场效应管M301、M302导通，当第一电压阈值小于第一电压信号时，第一比较器的输出端输出低电平以控制场效应管M301、M302截止。第一比较器的设置，可以以有效简易的电路设计，保护在氢燃料电池电堆故障下，导致的输出电压升高，超出氢燃料电池电堆正常范围时，可快速切断，保护氢燃料电池电堆管理系统不受损坏。

一优选实施例中，低压保护控制电路包括第二比较器，第二比较器内预设有第二电压阈值，比较第一输入端的氢燃料电池电堆的第二电压信号及第二电压阈值，当第二电压阈值小于第二电压信号时，第二比较器的输出端输出高电平以控制场效应管M301、M302导通，当第一电压阈值大于第二电压信号时，第二比较器的输出端输出低电平以控制场效应管M301、M302截止。第二比较器的设置，可以以有效简易的电路设计，保护在氢燃料电池电堆故障下，导致的输出电压过低，低于氢燃料电池电堆正常范围时，可快速切断，保护氢燃料电池电堆管理系统不受损坏。

一优选实施例中，过流保护控制电路包括第三比较器，第三比较器内预设有第一电流阈值，比较第一输入端的氢燃料电池电堆的第一电流信号及第一电流阈值，当第一电流阈值大于第一电流信号时，第三比较器输出端输出高电平以控制场效应管M301、M302导通，当第一电流阈值小于第一电流信号时，第三比较器的输出端输出低电平以控制场效应管M301、M302截止。第三比较器的设置，可以以有效简易的电路设计，保护在氢燃料电池电堆故障下，导致的输出电流过高，高于氢燃料电池电堆正常范围时，可快速切断，保护氢燃料电池电堆管理系统不受损坏。

一优选实施例中，反充电保护控制电路包括第四比较器，第四比较器内预设有第二电流阈值，比较第一输入端的氢燃料电池电堆的第二电流信号及第二电流阈值，当第二电流阈值小于第二电流信号时，第四比较器的输出端输出高电平以控制场效应管M301、M302导通，当第二电流阈值大于第二电流信号时，第四比较器的输出端输出低电平以控制场效应管M301、M302截止。第四比较器的设置，可以以有效简易的电路设计，保护在氢燃料电池电堆故障下，导致的输出电流过低，低于氢燃料电池电堆正常范围时，可快速切断，保护氢燃料电池电堆管理系统不受损坏。

参阅图4，为符合本发明一优选实施例中用于氢燃料电池电堆的充电控制系统的结构示意图，为辅助氢燃料电池的供电，充电控制系统包括有一锂电池组（未示出），锂电池组向外供电时，作为氢燃料电池的辅助，锂电池组自氢燃料电池得电时，对自身充电。为针对不同使用情况下的应用场景，充电控制系统包括：

- 升压充电电路

由于氢燃料电池电堆在氢气释放后，氢燃料电池可向外输出电压，从而向与氢燃料电池连接的用电器件供应电能，根据氢燃料电池电堆的电化学特性，一般氢燃料电池电堆输出的输出电压为24V，而锂电池组一般的充电电压为36V，也就是说，氢燃料电池电堆的输出电压无法直接向锂电池组充电。因此，充电控制系统包括有升压充电电路，与锂电池组及氢燃料电池电堆电连接，接收氢燃料电池电堆的输出电压，并将该输出电压升压至可供锂电池组充电的充电电压，且可将锂电池组所需的充电电压恒定，使得锂电池组在充电时安全且稳定。

- 恒压控制电路

考虑到氢燃料电池在氢气释放过程中，输出电压可能呈动态变化，并在锂电池组所需充电电压的附近浮动，因此，需要一恒压控制电路，与升压充电电路连接，接收氢燃料电池电堆的输出电压，并将输出电压与一预设的第一电压阈值比较，当输出电压低于该第一电压阈值时，表示氢燃料电池的输出电压未达到锂电池组所需的充电电压，则将向升压充电电路发送控制指令，激活升压充电电路对氢燃料电池的输出电压升压直至一预设的恒定值；而当输出电压高于第一电压阈值时，表示氢燃料电池的输出电压已达到或甚至超过锂电池组所需的充电电压，锂电池组可直接接受输出电压以被充电。

- 恒流控制电路

除输出电压外，充电控制系统还将对氢燃料电池的输出电流进行控制。具体地，充电控制系统内还包括恒流控制电路，与升压充电电路连接，接收氢燃料电池电堆的输出电压（而非输出电流，通过对输出电压的共同使用，可简化电路设计），并将输出电压与一预设的第二电压阈值比较，当输出电压低于该第二电压阈值时，表示氢燃料电池的输出电压未达到锂电池组所需的充电电压，若以该输出电压向锂电池组充电，将使得锂电池组的充电功率较低，充电速度极慢，对此，则将向升压充电电路发送控制指令，激活升压充电电路对氢燃料电池的输出电流升压直至一预设的恒定值，从而使得在输出电压无法提升，或输出电压已稳定的情况下，通过提高输出电流的值以提高充电功率；而当输出电压高于第二电压阈值时，表示氢燃料电池的输出电压已达到或甚至超过锂电池组所需的充电电压，锂电池组可直接接受输出电压或输出电流以被充电。

- 电流采样电路

在充电控制系统内，还包括有电流采样电路。分别与锂电池组及氢燃料电池电堆连接（未示出），分别对氢燃料电池电堆的放电电流、锂电池组的充放电电流及与氢燃料电池电堆连接的用电负载检测，以获取该负载电流。通过对放电电流、负载电流及锂电池组的充放电电流的检测，可实时地获得氢燃料电池电堆的工作状态、负载的得电状态及锂电池组的工作状态。

通过上述配置，当氢燃料电池电堆向负载供电时，通过电流采样电路可实时监测氢燃料电池电堆的状态，是否出现故障，而当氢燃料电池电堆向锂电池充电时（且/或同时向负载供应电能），通过对输出电压的升压操作，使得氢燃料电池电堆可安全且稳定地向锂电池组充电，无需考虑充电时间、对锂电池组的充电损耗问题。

参阅图5，示出了一优选实施例中充电控制系统的升压充电电路的电路示意图。在该实施例中，升压充电电路包括变换器模块、电阻R101～R120、电容C101～C119、场效应管M101、M102、及二极管D101、D102。变换器模块的接脚1经电阻R101接地，接脚2经电容C101接地，接脚3（VCOMP接脚）经电容C102、C103和电阻R108组成的RC电路接地，接脚4经电阻R102接地，且经电阻R107连接至VO+电压端，接脚5和接脚6经电容C105并联，并分别连接至ISNS-和ISNS+，接脚7连接至VB+电压端，接脚8经电阻R106连接至LG，接脚9与接脚10经R110和C108组成的RC电路连接至电容C107的两端后接地，且与二极管D101的正极连接，接脚11与二极管D101的负极连接，并连接至电容C109的一端，接脚12与电容C109的另一端连接，接脚13连接至电阻R105，接脚14连接至电阻R111并连接至3.3V电压端，以输出BOOST状态，接脚15连接至电阻R109的一端，接脚17连接至电阻R109的另一端，并与接脚16并联后接地。锂电池组的一侧，电容C110、C112、C111并联后，电容C110的正端连接至VB+电压端，负端与并联的电阻R119和电阻RF120连接后，接至VB-电压端，电容C112和C111的正端连接至VB+电压端，负端接地，电阻R114、R115、R116并联后与电阻R117的一端连接，电阻R117的另一端连接至ISNS+，且电阻R114、R115、R116并联后与电阻R118的一端连接，电阻R118的另一端连接至ISNS-，电阻R114、R115、R116并联后还与电感L1连接，电感L1的另一端与场效应管M102和M101连接，电感C114-C119并联后，与电阻R112、R113并联至锂电池组的两端，且电阻R112、R113分别接至LOAD-地端及BAT-地端。变换器模块、场效应管M101、M102及二极管D101、D102形成同步整流Boost DC TO DC变换器。

参阅图6，示出了充电控制系统的恒压控制电路的电路示意图。该实施例中，恒压控制电路包括比较器，比较器内预设有第一电压阈值，其第一输出端经电阻R219连接至Vref电压端，第二输出端经电阻R220连接至VB+电压端，输出端连接至升压充电电路的U101的接脚3，比较器对第一电压阈值和第二输入端接收的输出电压比较后，当比较结果为第一电压阈值大于输出电压时，比较器降低输出端的电压，从而使得升压充电电路进入输入恒压模式，控制升压充电电路工作在氢燃料电池电堆以恒压模式给锂电池充电。

一实施例中，电流采样电路包括氢燃料电池电堆电流采样电路、锂电池组电流采样电路、负载电流采样电路及基准电压源电路，以分别对氢燃料电池电堆的输出电流、锂电池组的输出和输入电流、用电负载的输入电流、基准电压源的输出电流进行检测。氢燃料电池电堆电流采样电路、锂电池组电流采样电路、负载电流采样电路及基准电压源电路分别连接至一外部的中控电路，以接收中控电路的氢燃料电池电堆电流信号、锂电池组电流信号、负载电流信号。参阅图7，具体地，氢燃料电池电堆电流采样电路包括第一集成电路、电阻R201~R203；第一集成电路的第一端经电阻R201接地，第二端经电阻R202和R203分别连接至电压端VB-及Vref电压端，输出端连接至电压端Uip，以检测氢燃料电池电堆的输出电流。参阅图8，锂电池组电流采样电路包括第二集成电路、电阻R205~R207；第二集成电路的第一端经电阻R205接地，第二端经电阻R206和R207分别连接至锂电池组的负极BAT-及Vref电压端，第三端连接至3.3V电压端，第四端接地，其输出端连接至电压端Uob，以检测锂电池组的输出和输入电流。参阅图9，负载电流采样电路包括第三集成电路、电阻R209-R211；第三集成电路的第一端经电阻R209接地，第二端经电阻R210和R211分别连接至负载端LOAD-及Vref电压端，输出端连接至电压端Uol，以检测负载电流。参阅图10，基准电压源电路包括第四集成电路；第四集成电路的第一端连接至3.3V电压端，第二端接地，输出端连接至Vref电压端，以检测基准电压源的输出电流。

参阅图11，示出了一优选实施例中恒流控制电路的电路示意图。该实施例中，恒流控制电路包括比较器组及电阻R223、R224、R226、R227、R228、R230、R232。恒流控制电路接收PWM电流输入信号，并输入至电阻R232的一端，电阻R232的另一端接地，且PWM电流输入信号输入至比较器组内的第一比较器，第一比较器的第二输入端与输出端连接，形成反馈电路后，经电阻R228连接至第二比较器的第一输入端，Vref电压端经电阻R230连接至第三比较器的第一输入端，第二输入端与输出端连接，形成反馈电路后，经电阻R227与电阻R226并联后，连接至第二比较器的第二输入端，电阻R226的另一端连接至3.3V电压端，第二比较器的输出端经电阻R223连接至第四比较器的第一输入端，第四比较器的第二输入端经电阻R224连接至Uip电压端，第四比较器的输出端连接至升压充电电路。比较器组内的各比较器比较预设的第二电压阈值及所接收的输出电压，在比较结果为第二电压阈值大于输出电压时，将降低输出端的电压，从而使得升压充电电路进入输入恒流模式，控制升压充电电路工作在氢燃料电池电堆在恒流模式给锂电池充电。

参阅图12，为符合本发明一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的系统结构示意图。控制系统用于对氢燃料电池电堆生成的电能作调配，因此，其与氢气罐、进气电磁阀及氢燃料电池电堆连接，控制氢气罐的放气时间、放气速度，控制进气电磁阀自氢气罐向氢燃料电池电堆放气的放气时间、放气速度，控制氢燃料电池电堆的输出电流、输出电压。为实现上述功能，控制系统包括有：

- 电源电路

电源电路与一锂电池组连接（未示出），锂电池组内的电能向外供电时，即向电源电路输出一供电电压，电源电路接收到供电电压后，将其转换为各电压值的工作电压，如24V、12V、3.3V等，以供控制系统内各电路模块得电工作。

- 中控电路

控制系统内还包括有传感器组（未示出），传感器组与氢燃料电池电堆连接，对氢燃料电池电堆的各状态进行监控，监控所得的状态数据将传送至中控电路，使得中控电路对状态数据中的异常状态形成控制指令。控制指令形成时，以通过调节与氢燃料电池电堆连接的电堆保护系统、充电系统的工作状态，使得氢燃料电池电堆正常工作。

- 排水电磁阀控制电路

排水电磁阀控制电路与中控电路及氢燃料电池电堆内的排水电磁阀连接，自中控电路接收控制指令，在控制指令内包含对排水电磁阀的控制信息时，将根据该控制信息控制排水电磁阀的打开或关闭。

- 进气电磁阀控制电路

进气电磁阀控制电路与中控电路及氢燃料电池电堆内的进气电磁阀连接，自中控电路接收控制指令，在控制指令内包含对进气电磁阀的控制信息时，将根据该控制信息控制进气电磁阀的打开或关闭。

- 风扇控制电路

风扇控制电路与中控电路及氢燃料电池电堆内风扇连接，自中控电路接收控制指令，在控制指令内包含对风扇控制信息时，将根据该控制信息控制风扇的打开、关闭或风扇的运行速度。

- 采样电路

采样电路与中控电路及氢燃料电池电堆连接，对氢燃料电池电堆、锂电池组及氢气罐、进气电磁阀、用电负载检测，以形成氢燃料电池电堆、锂电池组、用电负载、氢气罐、进气电磁阀的工作状态数据，并将该工作状态数据发送至中控电路，使得中控电路接收锂电池组的数据信号及氢燃料电池电堆的数据信号。

通过上述氢燃料电池电堆的控制系统的设置，可根据用电负载的用电情况、氢气罐的放气状态、进气电磁阀的放气状态，智能地调整氢燃料电池电堆的输出电流、输出电压以及锂电池组的充放电状态。

参阅图13，示出了一优选实施例中控制系统的电源电路的电路设计示意图。该实施例中，电源电路包括电压选择电路及SEPIC DC TO DC变换电路；电压选择电路分别与锂电池组的VO+电压端及电压端VH+连接，自VO+电压端及电压端VH+间选择一输出电压；SEPICDC TO DC变换电接收电压选择电路的输出电压，将输出电压转换为第一组电压、第二组电压及第三组电压，并将第一组电压输出至传感器组，将第二组电压输出至风扇控制电路、排水电磁阀控制电路及进气电磁阀控制电路，将第三组电压输出至中控电路，也就是说，通过对锂电池组的电能接收及转换，分别供应至传感器组、风扇控制电路、排水电磁阀电路及进气电磁阀控制电路使得上述电路正常工作。具体地，电压选择电路的两电压输入端与锂电池组及氢燃料电池电堆连接，分别接收锂电池组的36V输出电压及氢燃料电池的24V输出电压，并从二者间选择其中一个电压供应至SEPIC DC TO DC变换电路。电压选择电路的第一输出端连接至SEPIC DC TO DC变换电路，第二输出端接地。电压选择电路在进行电压选择时，若锂电池组的36V输出电压存在（锂电池组的电能足够）且氢燃料电池电堆的输出电压小于20V，表示氢燃料电池电堆所连接的氢气罐内的氢气量不够，则电压选择电路会选择将锂电池组的36V输出电压供给SEPIC DC TO DC变换电路，以保护氢燃料电池电堆；若锂电池组的36V输出电压存在（锂电池组的电能足够）且氢燃料电池电堆的输出电压大于20V，电路会选择将氢燃料电池的24V输出电压供给SEPIC DC TO DC变换电路，以提高系统的运行效率。隔离式多输出SEPIC DC TO DC变换电路包括C501～C510、R501～R504、D501～D503、集成电路U501。电容C505~C507并联后一端接地，另一端与电压选择电路连接。集成电路U501的接脚4与电容C505~C507并联的一端连接，接脚5与电阻R504连接，且该电阻R504的一端与由电阻R501、R502、C508、C501、C502并联形成的RC电路连接，且与电阻R503并联，由电阻R501、R502、C508、C501、C502并联形成的RC电路的另一端接地。由电阻R501、R502、C508、C501、C502并联形成的RC电路与电阻R504连接的一端分别连接至12V A电压端及二极管D501的负极。二极管D501的正极与电容C503、C504的并联电路连接，电容C503、C504的并联电路的另一端与集成电路U501的接脚1连接后接地，且电容C503、C504的并联电路与一电感连接。在集成电路U501的另一侧，接脚3和接脚6并接后，与接脚4并接至一电感。两电感还分别与二极管D502和二极管D503的正极连接，并分别与电容C509和电容C510的正极连接后，分别连接至12V B和24V C电压端。具有该SEPIC DC TO DC变换电路，其将电压选择电路输送的电压转换成24V C、12V A、12V B三组电压。其中24V C电压用于提供至氢气罐压力传感器和氢燃料电池电堆的压力传感器供电；12V A电压用于提供至风扇控制电路和电磁阀控制电路供电；12V B电压端通过电阻R505连接至集成电路U502，集成电路U502的Vi输入端与电容C511和电阻R505的一端并接后，电容C511的另一端接地，集成电路U502的Vo输入端连接至3.3V电压端，且与电容C512连接，电容C512的另一端、集成电路U502的GND接脚接地。12V B电压通过集成电路U502，将12V电压转换成3.3V电压后，提供至控制系统的中控电路供电。

参阅图14，示出了一优选实施例中的控制系统的中控电路的电路设计示意图。在该实施例中，中控电路包括MCUU401及包括传感器组的外围元件；MCUU401的接脚连接至进气电磁阀、排气电磁阀、风扇、输出电流传感器、负载电流传感器、气压传感器、锂电池组、温度传感器，以接收锂电池组电压信号、锂电池组电流信号、氢燃料电池电堆电压信号、氢燃料电池电堆电流信号、负载电流信号、氢燃料电池电堆温度信号、氢燃料电池电堆气压信号、氢气罐气压信号，从而生成控制指令。具体地，MCUU401的接脚连接至电容C408、C409并联电路一端及3.3V电压端，电容C408、C409并联电路的另一端接地，MCUU401的接脚连接至输出电流端（PWMCurrent），MCUU401的BOOT0接脚通过电阻R410接地，MCUU401的接脚通过电阻R408连接至RXD1，MCUU401的接脚通过电阻R409连接至TXD1，MCUU401的3.3V ON接脚通过电阻R437接地，MCUU401的接脚通过电阻R411连接至锂离子动力电池管理系统（HBMSCondition），MCUU401的接脚连接至TCK，MCUU401的接脚连接至TMS，MCUU401的接脚连接至排气电磁阀SolenoidValve1，及进气电磁阀SolenoidValve2，MCUU401的接脚连接至风扇PWMFan，MCUU401的接脚连接至开关POWE ON，MCUU401的接脚连接至SPI2 CS、SPI2 MOS1、SPI2 MISO、SPI2 CLK，MCUU401的接脚连接至锂离子动力电池管理系统（HBMS Control），MCUU401的接脚经电阻R415连接至RESET，且与3.3V电压端连接，MCUU401的接脚连接至LED1、LED2、LED3，MCUU401的接脚连接至RESET，且通过电容C410接地，MCUU401的接脚与电容C406和C407的并联电路连接后接至3.3V电压端，MCUU401的接脚连接至OutCurrent ADC，MCUU401的接脚连接至LiBCurrent ADC，MCUU401的接脚通过电阻R420连接至TXD2，MCUU401的接脚通过电阻R421连接至RXD2，MCUU401的接脚连接至PressureS1 ADC及PressureS2ADC，MCUU401的接脚连接至HBCurrent ADC，MCUU401的接脚分别连接至VO+ ADC、Temp ADC、VH+ ADC，MCUU401的接脚通过电阻R402连接至BOOST EN，MCUU401的接脚连接至BOOSTCondition，C405。

一优选实施例中，采样电路包括锂电池组电压采样电路、锂电池组电流采样电路、氢燃料电池电堆电压采样电路、氢燃料电池电堆电流采样电路、负载电流采样电路、氢燃料电池电堆温度采样电路、氢燃料电池电堆氢气压采样电路及氢气罐气压采样电路。

具体地，参阅图15，进气电磁阀控制电路包括集成电路，集成电路在进气电磁阀故障时断开电路，且可防止MCUU401故障或程序死机使电池阀误动作。参阅图16，风扇控制电路包括集成电路，集成电路的接脚与12V电压端连接，且连接至PWMFan及有一接脚接地，风扇的转速由PWM控制，向MCUU410发送风扇转速后，由MCUU401输出PWM信号驱动，从而改变供给风扇的平均电压，实现风扇的调速。参阅图17，排水电磁阀控制电路包括集成电路，集成电路在排水电磁阀故障时断开电路，且可防止MCUU401故障或程序死机使电池阀误动作。参阅图18，锂电池组电压采样电路包括RC电路，与VO+电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至MCUU401的VO+ ADC，以采集锂电池组的电压。参阅图19，锂电池组电流采样电路包括RC电路，与Uob电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至MCUU401的LiBCurrent ADC，以采集锂电池组的电流。参阅图20，氢燃料电池电堆电压采样电路包括RC电路，与VH+电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至MCUU401的VH+ ADC，以采集氢燃料电池电堆的电压。参阅图21，氢燃料电池电堆电流采样电路包括RC电路，与Uip电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至MCUU401的HBCurrent ADC，以采集氢燃料电池电堆的电流。参阅图22，负载电流采样电路包括RC电路，与Uol电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至MCUU401的OutCurrent ADC，以采集用电负载的输入电流。参阅图23，氢燃料电池电堆温度采样电路包括热电偶温度传感器及NTC热敏电阻温度传感器，热电偶温度传感器包括UC电路，集成电路的接脚与电容C404并联，且电容C404的两端分别连接至Temp-和Temp+，集成电路的其他接脚连接至SPI2 MISO、SPI2 CS、SPI2 CLK及3.3V电压端；NTC温度传感器包括UC电路，UC电路与Temp+及Temp ADC连接，由电容滤波后，输出至MCUU401，以采集用氢燃料电池电堆的温度。参阅图24，氢燃料电池电堆氢气压采样电路包括RC电路，与24V C电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至MCUU401的PressureS2 ADC，以氢燃料电池电堆氢气的气压。参阅图25，氢气罐气压采样电路包括RC电路，与24V C电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至MCUU401的PressureS1 ADC，以氢气罐的气压。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (13)

1.一种氢燃料电池电堆管理系统，包括氢燃料电池电堆、锂电池，所述氢燃料电池电堆与氢气罐、进气电磁阀及氢燃料电池电堆连接，其特征在于，所述氢燃料电池电堆管理系统包括与氢燃料电池电堆连接的氢燃料电池电堆保护系统、与氢燃料电池电堆保护系统连接的充电控制系统及与充电控制系统连接的氢燃料电池电堆控制系统；

所述氢燃料电池电堆保护系统控制氢燃料电池电堆的输出电压于一电压区间内，及控制输出电流于一电流区间内；

所述充电控制系统将氢燃料电池电堆的输出电压升压至锂电池的充电电压，及将输出电流升流至锂电池的充电电流；

所述氢燃料电池电堆的控制系统根据氢燃料电池电堆的状态，调节氢燃料电池电堆保护系统及充电控制系统的工作状态。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述氢燃料电池电堆保护系统包括：

- 保护主电路，控制所述氢燃料电池电堆导通或关断；

- 高压保护控制电路，接收一第一电压信号，并根据所述第一电压信号形成第一控制指令，发送所述第一控制指令至电堆保护主电路以执行保护，其中所述第一电压信号的电压值大于第一电压阈值；

- 低压保护控制电路，接收一第二电压信号，并根据所述第二电压信号形成第二控制指令，发送所述第二控制指令至电堆保护主电路以执行保护，其中所述第二电压信号的电压值小于第二电压阈值；

- 过流保护控制电路，接收一第一电流信号，并根据所述第一电流信号形成第三控制指令，发送所述第三控制指令至电堆保护主电路以执行保护，其中所述第一电流信号的电流值大于第一电流阈值；

- 反充电保护控制电路，接收一第二电流信号，并根据所述第二电流信号形成第四控制指令，发送所述第四控制指令至电堆保护主电路以执行保护，其中所述第二电流信号的电流值小于第二电流阈值；

- 初始化电路，与所述电堆保护主电路电连接，根据一初始化指令初始化所述氢电堆保护主电路。

3.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述保护主电路包括主回路电路及驱动电路；

所述主回路电路包括：场效应管M301~M304，场效应管M301~M302的源极与氢燃料电池电堆的正极VH+连接，场效应管M303~M304的源极与电源电压VB+连接，场效应管M301~M304的漏极互相桥接，场效应管M301~M304导通或截止以控制所述氢燃料电池电堆导通或关断；

所述驱动电路与所述主回路电路连接，驱动所述主回路电路呈全部导通状态或全部截止状态；

当所述主回路电路呈全部导通状态时，所述保护主电路正常工作；

当所述主回路电路呈全部截止状态时，所述保护主电路截止电路以成保护状态。

4.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述高压保护控制电路包括第一比较器及回滞电路；

所述第一比较器比较所述第一电压信号的电压值与第一电压阈值；

当所述第一电压信号的电压值大于第一电压阈值时，第一比较器输出高电平；

当所述第一电压信号的电压值小于第一电压阈值时，第一比较器输出低电平。

5.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述低压保护控制电路包括第二比较器；

所述第二比较器比较所述第二电压信号的电压值及第二电压阈值；

当所述第二电压信号的电压值大于第二电压阈值时，第二比较器输出高电平；

当所述第二电压信号的电压值小于第二电压阈值时，第二比较器输出低电平。

6.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述过流保护控制电路包括第三比较器；

所述第三比较器比较所述第一电流信号及第一电流阈值；

当所述第一电流信号大于第一电流阈值时，第三比较器输出低电平；

当所述第一电流信号小于第一电流阈值时，第三比较器输出高电平。

7.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述反充电保护控制电路包括第四比较器；

所述第四比较器比较所述第二电流信号及第二电流阈值；

当所述第二电流信号大于第二电流阈值时，第四比较器输出低电平；

当所述第二电流信号小于第二电流阈值时，第四比较器输出高电平。

8.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述充电控制系统包括：

- 升压充电电路，与所述锂电池及氢燃料电池电堆电连接，接收所述氢燃料电池电堆的输出电压，并将所述输出电压升压为供至所述锂电池的充电电压，使得所述锂电池的充电电压恒定；

- 恒压控制电路，与所述升压充电电路连接，接收所述输出电压并将所述输出电压与第一电压阈值比较，当所述第一电压阈值大于所述输出电压时，控制所述升压充电电路对所述输出电压升压至一恒定值；

- 恒流控制电路，与所述升压充电电路连接，接收所述输出电压并将所述输出电压与第二电压阈值比较，当所述第二电压阈值大于所述输出电压时，控制所述升压充电电路对输出电流增流至一恒定值；

- 电流采样电路，与所述锂电池及氢燃料电池电堆电连接，采集所述氢燃料电池电堆的放电电流、锂电池的充放电电流及负载电流。

9.如权利要求8所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述升压充电电路包括变换器模块、电阻R101～R120、电容C101～C119、场效应管M101、M102、及二极管D101、D102；

所述变换器模块的接脚经电容C102和C103接地，连接至3.3V电压端，连接至二极管D101的负极后由D101的正极接地；

场效应管M101的漏极连接至锂电池的正极，源极连接至场效应管M102的漏极；

场效应管M102的源极接地；

所述变换器模块、场效应管M101、M102及二极管D101、D102形成同步整流Boost DC TODC变换器。

10.如权利要求8所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述恒压控制电路包括比较器；

所述比较器比较第一输入端预设的第一电压阈值及第二输入端接收的输出电压，当第一电压阈值大于输出电压时，降低输出端的电压，使得所述升压充电电路进入输入恒压模式；

所述电流采样电路包括氢燃料电池电堆电流采样电路、锂电池电流采样电路、负载电流采样电路及基准电压源电路；

所述氢燃料电池电堆电流采样电路、锂电池电流采样电路、负载电流采样电路及基准电压源电路分别连接至一外部的中控电路，以接收所述中控电路的氢燃料电池电堆电流信号、锂电池电流信号、负载电流信号。

所述氢燃料电池电堆电流采样电路包括第一集成电路、电阻R201~R203；

所述第一集成电路经电阻R201接地，经电阻R202和R203分别连接至电压端VB-及Vref电压端，输出端连接至电压端Uip；

所述锂电池电流采样电路包括第二集成电路、电阻R205~R207；

所述第二集成电路经电阻R205接地，经电阻R206和R207分别连接至锂电池的负极BAT-及Vref电压端，输出端连接至电压端Uob；

所述负载电流采样电路包括第三集成电路、电阻R209~R211；

所述第三集成电路经电阻R209接地，经电阻R210和R211分别连接至负载端LOAD-及Vref电压端，输出端连接至电压端Uol；

所述基准电压源电路包括第四集成电路；

所述第四集成电路连接3.3V电压端及接地。

11.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述氢燃料电池电堆控制系统包括：

- 电源电路，与一锂电池连接，以接收锂电池的供电电压，并将所述供电电压转换至工作电压；

- 中控电路，接收与氢燃料电池电堆连接的传感器组的状态数据，并形成控制指令；

排水电磁阀控制电路，与所述中控电路及氢燃料电池电堆内的排水电磁阀连接，根据中控电路发送的控制指令控制所述排水电磁阀；

- 进气电磁阀控制电路，与所述中控电路及进气电磁阀连接，根据中控电路发送的控制指令控制所述进气电磁阀；

- 风扇控制电路，与所述中控电路及风扇内的排水电磁阀连接，根据中控电路发送的控制指令控制所述风扇；

- 采样电路，与所述中控电路连接，采集与所述锂电池的数据信号及氢燃料电池电堆的数据信号至所述中控电路。

12.如权利要求11所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述控制系统的电源电路包括电压选择电路及SEPIC DC TO DC变换电路；

所述电压选择电路分别与锂电池的VO+电压端及电压端VH+连接，自VO+电压端及电压端VH+间选择一输出电压；

所述SEPIC DC TO DC变换电接收所述电压选择电路的输出电压，将所述输出电压转换为第一组电压、第二组电压及第三组电压，并将所述第一组电压输出至传感器组，将所述第二组电压输出至风扇控制电路、排水电磁阀控制电路及进气电磁阀控制电路，将所述第三组电压输出至中控电路。

13.如权利要求12所述的氢燃料电池电堆管理系统，其特征在于，

所述SEPIC DC TO DC变换电路包括集成电路U501、电阻R501~R504、电容C501~C510、二极管D501~D503；

所述集成电路U501通过电容C505~C507连接至电压选择电路，通过电阻R501~R504及电容C501、C502、C508组成的RC电路组接地，通过电感、二极管D502、D503及电容C509、C510形成12V B输出电压及24V C输出电压。

Images