CN201821261U - 一种基于燃料电池的备用电源系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种基于燃料电池的备用电源系统，包括一燃料电池系统，其包括分别与一燃料电池堆相连的氢气供应系统、空气供应系统、水循环系统，该燃料电池堆设一电能输出端；一DC/DC变换器，其与电能输出端相连； 一辅助供电装置，其与DC/DC变换器并联后与用电设备连接；一控制系统，包括设有人机接口的系统控制单元，该系统控制单元分别与一蓄电池管理系统、一氢气管理系统和一燃料电池控制单元相链接，该燃料电池控制单元分别与DC/DC变换器和一单体监控单元相链接。本实用新型一种基于燃料电池的备用电源系统克服蓄电池的不足，能方便地为设备供电。

Description

一种基于燃料电池的备用电源系统 
技术领域
本实用新型涉及一种基于燃料电池的备用电源系统。 
背景技术
随着社会的进步和人民生活水平的提高，电力供应已经变成生产和生活中不可或缺的重要因素，特别是在一些政府职能机构和通信枢纽中显得尤为突出。由于人为的或自然的一些不可控因素有可能使某些时段，某片区域出现电力供给丧失，因此备用电源是必不可少的。目前国内的通信基站主要是以铅酸蓄电池作为后备电源，其初期投资比较低，但缺点十分突出：蓄电池的维护及管理成本较高；使用寿命短；容量的制约使其连续工作时间非常有限，不能提供长时间、稳定的电能输出；容易造成环境污染。燃料电池技术是公认的能够取代蓄电池作为通信行业备用电源的最有前景的技术。其能源清洁，能量转换效率高，且对燃料电池发电的控制技术也已经比较成熟。但目前国内尚未有将燃料电池应用于通信系统等领域备用电源的成熟案例，大多还处于研发试验阶段，系统输出功率也较小。 
200910061032.1中提出了一种通信用燃料电池备用电源系统，但其并未对其具体实施案例作出较详尽的阐述，其应用对象的特性及系统的测试状况也并未描述；其断电判断通过直接对市电的检测而获取，故针对不同的用电设备需要在系统外部增加不同的掉电检测电路，易用性及通用性有一定的不足；其数据通信都在单一的CAN通信网络中传输，当数据量较大时，系统实时性难以得到保证，且不利于多系统的扩展。 
实用新型内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提出一种基于燃料电池的备用电源系统，该系统以氢气作为主要的能源，清洁高效；系统能够在市电掉电的情况下为外部负载提供长时间稳定、大功率的直流供电；系统通过对内部母线状态及辅助供电装置工作状态的监测来实现对外部市电状态的判断，易用性及通用性强，具有即插即用的特征；系统采用了多路CAN通信网络，并结合RS485，对系统不同层次的控制监测单元采用不同的数据传输通道，有利于提高系统的数据处理能力及系统的扩展。 
本实用新型可通过以下技术方案予以解决： 
一种基于燃料电池的备用电源系统，其包括一燃料电池系统，其包括分别与一燃料电池堆相连的氢气供应系统、空气供应系统、水循环系统，所述燃料电池堆设一电能输出端；一DC/DC变换器，其与所述电能输出端相连；一辅助供电装置，其与所述DC/DC变换器并联后与用电设备连接；一控制系统，包括设有人机接口的系统控制单元，二者之间通过RS485实现通信，该系统控制单元分别与一蓄电池管理系统、一氢气管理系统和一燃料电池控制单元相链接，各单元之间通过CANA网络实现通信，该燃料电池控制单元分别与所述DC/DC变换器和一单体监控单元相链接，各单元之间通过CANAS网络实现通信。燃料电池系统输出端连接有电压传感器、电流传感器，以实现对燃料电池系统的状态监测，并连接保险丝和二极管作为保护装置；辅助供电装置和DC/DC变换器并联输出端接有电压传感器，以实现对系统输出电压的实时监测；辅助供电装置输出端接有电流传感器，实时诊断其工作状态，并配合母线电压状态变化来获取外部市电的供电状态，实现了外部电源状态的内部判断。 
本实用新型所述氢气供应系统包括一氢气瓶，其输出管依次通过压力传感器、温度传感器及控制阀与所述燃料电池堆相连；所述空气供应系统包括一风机，其通过一增湿器与所述燃料电池堆相连，所述风机还连接一风机控制器；所述系统控制单元与所述蓄电池管理系统、氢气管理系统和燃料电池控制单元间通过CANA进行通信，所述燃料控制单元与直流变换器及单体监控单元间通过CANAS进行通信。 
所述燃料电池系统的电能输出端和DC/DC/变换器之间并联一电压传感器。 
所述燃料电池的电能输出端和DC/DC/变换器之间串联一电流传感器。 
所述燃料电池的电能输出端和DC/DC变换器之间串联有保险丝和二极管。 
所述辅助供电装置输出端和用电设备之间连接一电流传感器。 
通过以上所述的技术方案，本实用新型一种基于燃料电池的备用电源系统，可利用氢气作为主要燃料，输出44V-54V间稳定的直流电压，能够在较长时间内提供单模块净输出功率达5kW的电能供应，并可以根据实际需求进行扩展，以满足较大功率用电设备的特定要求，满足目前通信基站等用设备对备用电源的基本要求；该备用电源系统完全独立，外部电源状态判断也在系统内部实现，对外只提供供电接口，具有即插即用的特征。 
附图说明
图1是本实用新型一种基于燃料电池的备用电源系统的原理图及外部设备的接口 
1，燃料电池系统；2，DC/DC变换器；3，辅助供电装置；4，电源；5，用电设备 
图2是本实用新型的燃料电池系统的内部结构 
101，燃料电池堆；102，氢气瓶；103，电磁阀；104，比例阀；105，比例控制阀；106，排氢电磁阀；108，氢气出口；109，增湿器；110，风机；111，风机控制器；112，散热器；113，水箱；114，水泵；115，空气出口；116，电能输出端 
图3是本实用新型的控制系统的拓扑结构 
601，系统控制单元SCU；602，人机接口HMI；603，蓄电池管理系统BMS；604，氢气管理系统HMS；605，燃料电池控制单元FCU；606，单体监控单元CVM，607，可扩展的燃料电池控制单元 
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型： 
一种基于燃料电池的备用电源系统，其包括燃料电池系统1，其包括氢气供应系统，空气供应系统，水循环系统，该些系统分别与燃料电池堆相连，燃料电池堆设电能输出端；一DC/DC变换器2，其与电能输出端连接；一辅助供电装置3，与DC/DC变换器一并与用电设备5连接；还包括一控制系统，其分为三层，第一层为一系统控制单元，其设有一人机接口，第二层包括一蓄电池管理系统、一氢气管理系统和一燃料电池控制系统，第一层通过RS485实现通信，第二层的该些系统分别与系统控制单元通过CANA进行通信链接，第三层包括DC/DC和一单体监控单元，DC/DC和单体监控单元分别通过CANAS通信网络与燃料电池控制单元链接。 
如图1所示，一种基于燃料电池的备用电源系统主要由燃料电池系统1，DC/DC变换器2，辅助供电装置3(蓄电池组)及其控制系统构成，并在燃料电池系统1输出端连接有电压传感器、电流传感器，以实现对燃料电池系统的 状态监测，并连接保险丝和二极管作为保护装置；辅助供电装置3和DC/DC变换器2并联输出端接有电压传感器，以实现对系统输出电压的实时监测；辅助供电装置3输出端接有电流传感器，实时诊断其工作状态，并配合母线电压状态变化来获取外部市电的供电状态，实现了外部电源状态的内部判断，DC/DC变换器2的输出端连接有保险丝和二极管。当外部电源4正常运行时，由市电经转换后直接供用电设备使用；当外部电源4停止工作时，由燃料电池备用电源系统1作为主要的电能供应源，其输出的电能经DC/DC变换器2后，转换为适合于外部用电设备的稳定直流电压；当外部市电恢复正常后，燃料电池备用电源系统1停止运行，由外部电源4为用电设备供电。辅助供电装置3(蓄电池组)作为系统状态转换过程中的能量缓冲装置，保证了对用电设备持续稳定的不间断供电。 
如图2所示，本实用新型的燃料电池系统的内部结构，该燃料电池系统由分别与燃料电池堆101相连的氢气供应系统、空气供应系统、水循环系统构成，其中氢气供应系统包括氢气瓶102，依次连接压力传感器，温度传感器，以及电磁阀103，比例阀104，比例控制阀105，最终接入燃料电池堆101，并设有氢气出口108，在进口管道和出口管道之间设有排氢电磁阀106。空气供应系统为一风机控制器111控制连接一风机110，并通过一增湿器109与燃料电池堆101相连，为其提供空气；水循环系统为一水泵114与水箱113连接，通过一散热器112接与燃料电池堆102，该燃料电池堆101设有空气出口115及电能输出端116。当燃料电池系统处于运行状态时，氢气瓶103中的高压氢气经多级阀门降压后进入燃料电池堆101，与经风机110进入燃料电池堆101的空气发生电化学反应产生电能。水泵114维持冷却水循环系统的正常运 转，并通过散热器112保持进入燃料电池堆101的冷却水温度不会过高；发生电化学反应后剩余的氢气和空气分别从氢气出口108和空气出口115排出，电能输出端116输出至DC/DC转换器2后为外部用电设备5供电。系统中还有温度传感器，压力传感器等部件来实时监测系统状态。 
如图3所示，为本实用新型控制系统的拓扑结构，其分为三层，第一层为一系统控制单元SCU601，并与一人机接口HMI602相连，第二层包括一蓄电池管理系统BMS603、一氢气管理系统HMS604和一燃料电池控制系统FCU605，第二层的该些系统分别与系统控制单元601通过CANA通信链接，第三层包括DC/DC变换器2和一单体监控单元CVM606，DC/DC变换器2和单体监控单元CVM606分别通过CANAS通信网络与燃料电池控制单元FCU605链接。该控制系统还包括可以扩展的燃料电池控制单元607。 
本系统选用的燃料电池堆101单模块净输出功率为7.5kW-8.5kW，作为燃料电池系统中的主要发电装置，为用电设备4及燃料电池系统内部的辅助装置3供电。选用的DC/DC变换器2的额定功率为8.5kW，其支持的电压输入范围为：55-120VDC，输出电压范围为：40-54VDC。辅助供电装置3由单节容量为80Ah，标称电压为12V的4节VALTA蓄电池组成；电源4为经市电转换为稳定的直流电压输出为负载供电；负载采用燃料电池测试用电子负载模拟外部用电设备5，并将其功率设置为5kW。 
但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。 

Claims (10)

1.一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：包括
一燃料电池系统，其包括分别与一燃料电池堆相连的氢气供应系统、空气供应系统、水循环系统，所述燃料电池堆设一电能输出端；
一DC/DC变换器，其与所述电能输出端相连；
一辅助供电装置，其与所述DC/DC变换器并联后与用电设备连接；
一控制系统，包括设有人机接口的系统控制单元，该系统控制单元分别与一蓄电池管理系统、一氢气管理系统和一燃料电池控制单元相链接，该燃料电池控制单元分别与所述DC/DC变换器和一单体监控单元相链接。
2.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：所述燃料电池系统的电能输出端和DC/DC变换器之间并联一电压传感器。
3.根据权利要求2所述的一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：所述燃料电池的电能输出端和DC/DC/变换器之间串联一电流传感器。
4.根据权利要求3所述的一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：所述燃料电池的电能输出端和DC/DC变换器之间串联有保险丝和二极管。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：所述辅助供电装置和DC/DC变换器并联输出端接有电压传感器。
6.根据权利要求5所述的一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：所述辅助供电装置输出端和用电设备之间连接一电流传感器。
7.根据权利要求6所述的一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：所述DC/DC变换器的输出端和用电设备之间连接有保险丝和二极管。
8.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：所述氢气供应系统包括一氢气瓶，其输出管依次通过压力传感器、温度传感器及控制阀与所述燃料电池堆相连。
9.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：所述空气供应系统包括一风机，其通过一增湿器与所述燃料电池堆相连，所述风机还连接一风机控制器。
10.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的备用电源系统，其特征在于：所述系统控制单元与人机接口之间通过RS485进行通信，所述系统控制单元与所述蓄电池管理系统、氢气管理系统和燃料电池控制单元间通过CANA进行通信，所述燃料控制单元与直流变换器及单体监控单元间通过CANAS进行通信。
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