CN1464578A - 燃料电池电子负载及制作方法 - Google Patents

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张华民
衣宝廉
焦予野
李相一
苌国强
李�杰
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Abstract

一种燃料电池电子负载制作方法，采用功率场效应管MOSFET的导通电阻做为燃料电池的电子负载，通过控制其栅源极间电压可任意调整导通电阻的大小，即改变负载的大小，通过多个功率场效应管MOSFET的并联可实现燃料电池的低电压大电流放电，通过多个功率场效应管MOSFET的串联、并联方式，来实现燃料电池的高电压大电流放电，实际燃料电池评价使用完全能满足燃料电池评价的技术要求，效果非常好。

Description

燃料电池电子负载及制作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，特别涉及一种燃料电池电子负载的制作方法。
背景技术
燃料电池是用多个单片电池组成的电池组。研制新型的电池时，为了降低研制成本，通常做法是先对单片电池进行研究，制作出面积较小的单片电池，然后进行性能评价，性能达到要求后再按比例放大，制成可应用的电池组。
电池的性能评价离不开负载。性能稳定、可调性好、适应性强是电池负载的关键指标。单片燃料电池的特点是，电压低电流大，空载时电压为1V，放电电流最大时电压降到0.2V以下。如果单片电池做的面积比较小，最大放电电流不到10A，负载电阻小于0.02Ω即可满足放电要求，因此，选用分辨率为0.01Ω的标准直流电阻箱即可做评价电池的负载了。
但面积较小的样品电池性能与实际应用的电池还有差距，为了保证对新研制出的单片电池的评价结果更接近实际应用的电池性能，必须加大电池的面积。这样，面积放大后的单片电池放电电流最大时的电压虽然还是0.2V以下、但放电电流能达到60A以上，放电的负载电阻必须小于0.0033Ω才行。用滑线电阻器或标准直流电阻箱显然不行了，因为滑动端的接触电阻就远大于这个值。必须找到电阻特别小的负载，这是燃料电池技术领域的一大课题，在国内电子负载发明专利中，没有一项是能满足燃料电池用的电子负载。
我们发现电子元件功率场效应管(MOSFET)具有如下特点：
漏极电流ID，表征功率场效应管MOSFET的电流容量，其测试条件为，UGS为＝10V，UDS为某个适当值时的漏极电流。实际应用中的电流Id应该小于60％ID运行比较可靠。
漏源击穿电压U(BR)DS，表征功率MOSFET的耐压极限。UGS＝0时，漏源之间的反向泄漏电流达到某一规定值时的漏源电压。
栅源击穿电压U(BR)GS，表征功率MOSFET栅源间能承受的最高电压，其值一般为±20V。
开启电压UGS(th)，它指的是征功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。当栅源电压等于开启电压时，功率场效应管MOSFET开始导通。图1中显示的开启电压不到2V。
导通电阻RON，是指在确定栅源电压UGS，功率MOSFET处于恒流区时的直流电阻，它与输出特性密切相关，是影响最大输出功率的重要参数。
如果用一组MOSFET制成电子负载，可以满足燃料电池对低电压大电流微小电阻这样的要求。
因此，我们发明了一种制作燃料电池的电子负载的方法，其核心元件就是MOSFET。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试燃料电池的电子负载，以实现燃料电池的低电压大电流放电。
为达到上述目的，本发明的解决方案是采用功率场效应管(MOSFET)的导通电阻做为燃料电池的电子负载，通过控制其栅源极间电压可任意调整导通电阻的大小，即改变负载的大小。一种燃料电池电子负载，采用功率场效应管MOSFET的导通电阻做为燃料电池的电子负载。一种燃料电池电子负载的制作方法，通过控制其栅源极间电压可任意调整导通电阻的大小，即改变负载的大小：
第一步，首先确定电源参数，确定电压和电流值，计算出负载电阻应该达到多少欧姆数，才能达到放电要求；
第二步，根据计算所得负载电阻阻值选择功率场效应管MOSFET；
第三步，设计电路板，将不少于二个功率场效应管MOSFET并联，计算并联后的最小电阻值，判断是否符合电子负载要求；
第四步，控制电路设计，设计一个智能控制器；控制器有位A/D转换、D/A；分别用于测量电压、电流，输出0-4V电压，用于控制栅极电压，改变功率场效应管MOSFET的导通电阻；
第五步，智能控制器的软件编制，在软件中可以设定负载的功率大小和变化规律。
第六步，整机调试。
所述的一种燃料电池电子负载制作方法，为了防止器件故障而过流，在每个回路中串一个过流保护电阻。
已用功率场效应管MOSFET制作出的200W电子负载，实际燃料电池评价使用完全能满足燃料电池评价的技术要求，效果非常好。
附图说明
图1是功率场效应管MOSFET栅源电压UGS与漏极电流ID其关系曲线；
图2是燃料电池电子负载实例的原理图。
具体实施方式
例1.200W电子负载制作步骤。
首先确定电源参数，电压0-3V，电流0-80A。负载电阻应该达到0.0375欧，才能达到放电要求；
第二步，根据负载电阻选择功率场效应管MOSFET。2SK902的技术参数是，导通电阻是0.07欧，最大功率是250W，最大电流是30A。
第三步，设计电路板，将10个2SK902并联，如图2。计算可得，并联后的最小电阻是可以达到0.007欧。为了防止器件故障而过流，在每个回路中串一个过流保护电阻RS1-RS10。
第四步，控制电路设计。用51系列单片机设计一个智能控制器。
控制器有二路12位A/D转换、一路8位D/A。分别用于测量电压、电流，输出0-4V电压，用于控制栅极电压，改变功率场效应管MOSFET的导通电阻。
第五步，智能控制器的软件编制。
第六步，整机调试，在软件中可以设定负载的功率大小和变化规律。
按照上述六个步骤，一台200W电子负载就会完成。
实际电池评价使用效果完全达到要求。
图1是栅源电压UGS与漏极电流ID其关系曲线。可以看出，改变UGS的大小，可以控制功率场效应管MOSFET漏源之间的通过电流ID，而且可控性非常好，很适合做负载。
图2是一个已经成功的燃料电池电子负载实例的原理图。该系统是由10个功率场效应管MOSFET并联组成，每个功率MOSFET允许工作电流ID＝80A，最大允许漏源电压UDS＝60V，最大允许功耗PD＝125W，通态电阻RON＝0.01Ω。并联后的理论总电阻可以达到0.001Ω，但由于连接导线电阻的影响，回路电阻大于理论值，仍可小于0.003Ω，满足了前面单片燃料电池的技术要求。RS1-RS10是电阻，当功率MOSFET故障短路时，可限制电流；每片功率场效应管MOSFET的栅极串接一个10KΩ的电阻R1-R10，可减小减小并联后各器件间的相互影响。
智能控制器是由单片计算机组成，有A/D和D/A转换电路，可测得电池的电压和放电总电流，并计算出功率。智能控制根据预先设定的程序，输出0-4V的电压，即调节功率MOSFET的栅极控制电压，便改变电子负载的功率和特性。其各种测控功能如恒流放电控制、恒压放电控制、放电时间控制等，全由计算机软件来实现。
装置技术指标实测结果：设定功率场效应管MOSFET的栅极电压UGS，当单个器件的电流ID＝10A时，漏源电压UDS＝0.17V，完全满足单片电池评价的技术要求。
前面所述的虽然只是针对单片电池评价用负载，实际该装置是通用于10片以下的电池组。
制作大型电池组的电子负载时，只要根据电压选用导通电阻RON高的功率场效应管MOSFET器件，根据电流确定需要并联器件的数量。另外再加一些保护电路和软件保护、联锁功能。

Claims (3)

1.一种燃料电池电子负载，其特征在于，采用功率场效应管MOSFET的导通电阻做为燃料电池的电子负载。
2.一种燃料电池电子负载的制作方法，其特征在于，通过控制其栅源极间电压可任意调整导通电阻的大小，即改变负载的大小：
第一步，首先确定电源参数，确定电压和电流值，计算出负载电阻应该达到多少欧姆数，才能达到放电要求；
第二步，根据计算所得负载电阻阻值选择功率场效应管MOSFET；
第三步，设计电路板，将不少于二个功率场效应管MOSFET并联，计算并联后的最小电阻值，判断是否符合电子负载要求；
第四步，控制电路设计，设计一个智能控制器；控制器有位A/D转换、D/A；分别用于测量电压、电流，输出0—4V电压，用于控制栅极电压，改变功率场效应管MOSFET的导通电阻；
第五步，智能控制器的软件编制，在软件中可以设定负载的功率大小和变化规律。
第六步，整机调试。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池电子负载制作方法，其特征在于，为了防止器件故障而过流，在每个回路中串一个过流保护电阻。
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