CN210881698U - 一种燃料电池与锂电池混合电力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种燃料电池与锂电池混合电力系统，其特征在于，包括燃料电池输出单元、锂电池充放电单元、控制模块及降压模块；所述燃料电池输出单元连接控制模块，所述锂电池充放电单元分别连接控制模块及降压模块，燃料电池输出单元与锂电池充放电单元连接，燃料电池输出单元、锂电池充放电单元均连接负载。本实用新型的有益效果：燃料电池和锂电池为系统的电力来源，锂电池可以为控制模块及燃料电池供电，用于在负载要求功率高于燃料电池输出功率时，提供额外功率输出，也用于储存负载要求功率低于燃料电池额定功率时多余的电能，可以对电动自行车以及其他用电驱动的设备提供稳定电能。

Description

一种燃料电池与锂电池混合电力系统

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池技术领域，其涉及的是一种一种燃料电池与锂电池的混合电力系统。

背景技术

燃料电池作为供电单元存在以下问题：1.负载功率增加时，燃料电池出口电压下降；2.负载功率超过燃料电池最大可输出功率时，燃料电池会关机保护；3.燃料电池为了提高性能，会每隔一段时间进行一次正负极短接，造成输出功率不连续。由于这三个因素使得单纯的燃料电池供电系统稳定性差，无法适应变功率应用场景，燃料电池最佳工作点与负载要求不匹配造成的燃料电池效率低下，寿命短，供电不连续造成负载无法稳定工作等问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中单纯的燃料电池供电稳定性差、不稳定的问题。

本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种燃料电池与锂电池混合电力系统，包括燃料电池输出单元、锂电池充放电单元、控制模块及降压模块；所述燃料电池输出单元连接控制模块，所述锂电池充放电单元分别连接控制模块及降压模块，燃料电池输出单元与锂电池充放电单元连接，燃料电池输出单元、锂电池充放电单元均连接负载。

本实用新型通过燃料电池输出单元中的燃料电池及所述锂电池充放电单元中的锂电池为系统的电力来源，其中锂电池还用于为控制模块及锂电池供电；锂电池用于在负载要求功率高于燃料电池输出功率时，提供额外功率输出，也用于储存负载要求功率低于燃料电池额定功率时多余的电能。本实用新型所述氢燃料电池与锂电池混合电力系统，可以对电动自行车以及其他用电驱动的设备提供稳定电能。

优选的，所述燃料电池输出单元包括依次连接的燃料电池、第一电压传感器、第一MOS管、第一电流传感器和升压模块；升压模块与负载连接，燃料电池、第一电压传感器、第一MOS管、第一电流传感器和升压模块均连接控制模块。

优选的，所述锂电池充放电单元包括第一二极管、第二电流传感器、第二MOS管、第二电压传感器、锂电池、第三电流传感器、第三MOS管、第四MOS管、升降压模块；

锂电池充放电单元分为两路，一路为锂电池放电端，包括依次连接的第一二极管、第二电流传感器、第二MOS管、第二电压传感器，第二电压传感器的输入端连接锂电池的输出端，第一二极管与升压模块的输出端并联；

一路为锂电池充电端，包括依次连接的第三电流传感器、第三MOS管、第四MOS管、升降压模块的输入端，升降压模块输出端连接在锂电池的充电端，第三电流传感器的电流入口端与第一二极管、升压模块输出端并联；

第二电流传感器、第二MOS管、第二电压传感器、第三电流传感器、第三MOS管、第四MOS管、升降压模块均与控制模块连接。

优选的，还包括取反模块，连接在控制模块与第三MOS管之间。

优选的，还包括降压模块的输入端有两个入口，其中一个入口连接在升压模块与负载之间，与第一二极管，升压模块输出端及第三电流传感器的电流入口端并联；另一个入口连接在锂电池的放电端，锂电池的放电端与降压模块的输入端上还设有第二二极管；

降压模块的输出端连接在燃料电池的电源端和控制模块的电源端，其中燃料电池的电源端与降压模块的输出端之间还连有开关。

优选的，所述燃料电池为氢燃料电池、直接甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池中的任意一种。

本实用新型的优点在于：

本实用新型通过燃料电池输出单元中的燃料电池及所述锂电池充放电单元中的锂电池为系统的电力来源，其中锂电池还用于为控制模块及燃料电池供电；锂电池用于在负载要求功率高于燃料电池输出功率时，提供额外功率输出，也用于储存负载要求功率低于燃料电池额定功率时多余的电能。本实用新型所述氢燃料电池与锂电池混合电力系统，可以对电动自行车以及其他用电驱动的设备提供稳定电能。

附图说明

图1是本实用新型实施例中燃料电池与锂电池混合电力系统的结构示意图；

图中标号：燃料电池输出单元1、燃料电池11、第一电压传感器12、第一MOS管13、第一电流传感器14、升压模块15、

锂电池充放电单元2、第一二极管21、第二电流传感器22、第二MOS管23、第二电压传感器24、锂电池25、第三电流传感器26、第三MOS管27、第四MOS管28、升降压模块29、控制模块3、降压模块4、第二二极管5、开关6、负载7。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种燃料电池与锂电池混合电力系统，包括燃料电池输出单元1、锂电池充放电单元2、控制模块3、降压模块4；所述燃料电池输出单元1连接控制模块3，所述锂电池充放电单元1分别连接控制模块3及降压模块4，燃料电池输出单元1与锂电池充放电单元2连接，燃料电池输出单元1、锂电池充放电单元2均连接负载7。

其中，所述燃料电池输出单元1包括依次连接的燃料电池11、第一电压传感器12、第一MOS管13、第一电流传感器14和升压模块15；升压模块15的输出端与负载7相连是整个系统的输出总线，燃料电池11的开关信号端、第一电压传感器12的信号输出端、第一MOS管13的栅极、第一电流传感器14的信号输出端、升压模块15的输出电压设置端及输出电流最大值设置端均连接在控制模块3

其中，所述锂电池充放电单元2包括第一二极管21、第二电流传感器22、第二MOS管23、第二电压传感器24、锂电池25、第三电流传感器26、第三MOS管27、第四MOS管28、升降压模块29；

锂电池充放电单元分为两路，一路为锂电池放电端，包括依次连接的第一二极管21、第二电流传感器22、第二MOS管23、第二电压传感器24，第二电压传感器24的输入端连接锂电池25的输出端，第一二极管21连接在系统输出总线上与升压模块15的输出端并联；

一路为锂电池充电端，包括依次连接的第三电流传感器26、第三MOS管27、第四MOS管28、升降压模块29的输入端，其中第三电流传感器26的电流入口端连接在系统输出总线上，与第一二极管21、升压模块15输出端并联，升降压模15输出端连接在锂电池25的充电端，第三电流传感器的电流入口端与第一二极管、升压模块输出端并联；

第二电流传感器22的信号输出端、第二电压传感器24的信号输出端、第三电流传感器26的信号输出端、第四MOS管28、升降压模块29的输出电压设置端及输出电流最大值设置端均与控制模块3连接。

第二MOS管24、第三MOS管27的栅极信号取自控制模块3的同一个信号输出口，但在第三MOS管27的栅极入口前增加一个取反模块31。

降压模块4的输入端有两个入口，1个入口连接在系统输出总线，与第一二极管21、升压模块15输出端及第三电流传感器26的电流入口端并联。另一端连接在锂电池25的放电端，该路上还连有第二二极管5。

降压模块4输出端连接在燃料电池11的电源端和控制模块11的电源端，其中燃料电池11的电源端与降压模块4的输出端之间还连有开关6。

所述燃料电池11为氢燃料电池、直接甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池中的任意一种。

下面结合图1说明采用上述的氢燃料电池与锂电池混合电力系统选型要求及能量切换方法，其具体包括：

在燃料电池11输出模块的输出电压通过控制模块3设置，该设置值比锂电池25的输出电压大0.1-1V，以保证在负载小于升压模块15输出功率时，一直使用燃料电池11进行供电。当负载功率大于升压模块15输出功率时，升压模块15的输出电压下降，若低于锂电池25的输出电压时，锂电池25可供电，满足大功率输出需求。

第一二极管21和第二二极管5的击穿电压需至少高于燃料电池11的最高输出电压0.1-10V。由于升压模块15的最大输出电压会受到燃料电池11满功率运行时的最大输出电压V_{燃料电池Pmax}影响，因此升压模块15的选择和设计时的满功率最大输入电流I_{升压模块输入max}需大于燃料电池11的最大功率时输出电流I_{燃料电池Pmax}：

I_{升压模块输入max}＝P_{升压模块输出功率}/V_{燃料电池max}

其中升压模块15的最大输出功率P_{升压模块输出功率}不小于燃料电池11的额定功率P_{燃料电池额定功率}。

则：

I_{升压模块输入max}≥I_{燃料电池Pmax}

第一二极管21和第二二极管5还可以选取二极管模块或其他具有电流单向导通功能的组件模块。

开启开关6后开启整个电源系统，控制模块3进行自检，

检测第一电压传感器12是否为0，第二电压传感器25的测量结果是否在锂电池电压范围内。第一电流传感器14、第一电流传感器23、第一电流传感器26是否为0，控制模块3通过快速打开关闭第二MOS管24，通过电压及电流测量结果计算出锂电池容量作为其初始值B_c。锂电池容量有四个阈值，阈值1(90％)为可长时间使用，阈值2(20％)为危险阈值，当电池容量小于危险阈值时，禁止开启第二二极管5(或此处更换为继电器)，阈值3(95％)为停止充电阈值，阈值4(10％)，禁止启动锂电池阈值。

除非锂电池容量处于阈值4以下，一般情况下打开第二MOS管24，将锂电池25接入负载电路，关闭第三MOS管27，关闭第四MOS管28。若锂电池容量处于阈值4以下，系统发出锂电池禁止启动警报，需从外部对锂电池25充电。同时控制模块3向燃料电池11发出开启指令，当发出燃料电池11开启指令后一段时间(根据燃料电池特性决定时间长短)打开第一MOS管13，将燃料电池11接入系统。第一测量电压传感器12、第一测量电压传感器25的值V₁和V₂，第一电流传感器14、第二电流传感器23的值A₁、A₃。计算整个系统输出的功率之和W：

W＝V₁×A₁+V₂×A₃

若W的值小于燃料电池额定功率，

则关闭第二MOS管24，将锂电池25从负载7上卸下。

记录第三电流传感器26示数大于0.1A的时间t。

计算此时的锂电池25容量

B＝B_c-V₁×A₂×t

若此时B大于阈值1(90％)，则不打开第四MOS管28(若已开启就关闭，若没开启就保持)。若此时的B大于阈值2(20％)，小于阈值1(90％)时，则打开第四MOS管28，为锂电池充电。记录此时的充电时间t_c，计算此时的锂电池容量

B＝B_c+V₁×A₂×t_c

当锂电池容量达到阈值3(95％)时，停止充电，先关闭第四MOS管28，后打开第二MOS管24，关闭第三MOS管27。在充电过程中若出现负载上升的情况需要锂电池接入，那么先关闭第四MOS管28，后打开第二MOS管24，关闭第三MOS管27。若负载降低后，电池容量没有达到停止充电阈值的话就仍需将先关闭第二MOS管24，打开第三MOS管27，再打开第四MOS管28，继续为锂电池充电。

在任何时候锂电池电量小于阈值2时，则关闭第二MOS管24，将锂电池从负载上卸下，并提示电池电量低。

在运行时，第二MOS管24与第三MOS管27的信号是互相取反的，保证了锂电池不会出现同时充放电的问题，提高了锂电池使用的安全性。

其中MOS管可以更换为继电器。

整个系统还能够根据燃料电池的能量输出情况计算出氢气的剩余量Q_s：

Q_s＝Q_c-(V₁×(A₁+A₂)×t)/C-(W_电池初-W_电池末)/C

其中，Q_c：表示氢气初始体积

C：每升氢气产生的能量

W_电池初：表示电池初始具有的能量

W_电池末：表示电池末期具有的能量

充气时的剩余氢量：Q_s＝Q_c+Q_充

在每次停车后一段时间可以测量氢气压力，根据该压力值修正当时的剩余氢量Q_s，并将该值作为下一阶段的初始氢量Q_c。

综上所述，本实施例中燃料电池输出单元1中的燃料电池11及所述锂电池充放电单元2中的锂电池25为系统的电力来源，其中锂电池25还用于为控制模块3及燃料电池11供电；锂电池25用于在负载要求功率高于燃料电池输出功率时，提供额外功率输出，也用于储存负载要求功率低于燃料电池额定功率时多余的电能。本实施例所述氢燃料电池与锂电池混合电力系统，可以对电动自行车以及其他用电驱动的设备提供稳定电能。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池与锂电池混合电力系统，其特征在于，包括燃料电池输出单元、锂电池充放电单元、控制模块及降压模块；所述燃料电池输出单元连接控制模块，所述锂电池充放电单元分别连接控制模块及降压模块，燃料电池输出单元与锂电池充放电单元连接，燃料电池输出单元、锂电池充放电单元均连接负载。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池与锂电池混合电力系统，其特征在于，所述燃料电池输出单元包括依次连接的燃料电池、第一电压传感器、第一MOS管、第一电流传感器和升压模块；升压模块与负载连接，燃料电池、第一电压传感器、第一MOS管、第一电流传感器和升压模块均连接控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池与锂电池混合电力系统，其特征在于，所述锂电池充放电单元包括第一二极管、第二电流传感器、第二MOS管、第二电压传感器、锂电池、第三电流传感器、第三MOS管、第四MOS管、升降压模块；

锂电池充放电单元分为两路，一路为锂电池放电端，包括依次连接的第一二极管、第二电流传感器、第二MOS管、第二电压传感器，第二电压传感器的输入端连接锂电池的输出端，第一二极管与升压模块5的输出端并联；

一路为锂电池充电端，包括依次连接的第三电流传感器、第三MOS管、第四MOS管、升降压模块的输入端，升降压模块输出端连接在锂电池的充电端，第三电流传感器的电流入口端与第一二极管、升压模块输出端并联；

第二电流传感器、第二MOS管、第二电压传感器、第三电流传感器、第三MOS管、第四MOS管、升降压模块均与控制模块连接。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池与锂电池混合电力系统，其特征在于，还包括取反模块，连接在控制模块与第三MOS管之间。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池与锂电池混合电力系统，其特征在于，还包括降压模块的输入端有两个入口，其中一个入口连接在升压模块与负载之间，与第一二极管，升压模块输出端及第三电流传感器的电流入口端并联；另一个入口连接在锂电池的放电端，锂电池的放电端与降压模块的输入端上还设有第二二极管；

降压模块的输出端连接在燃料电池的电源端和控制模块的电源端，其中燃料电池的电源端与降压模块的输出端之间还连有开关。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池与锂电池混合电力系统，其特征在于，所述燃料电池为氢燃料电池、直接甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池中的任意一种。

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