基于質(zhì)子膜燃料電池和鋰電池的混合聯(lián)應急供電系統(tǒng)設計

我國幅員遼闊，各種自然災害頻發(fā)，在搶險救災和突發(fā)事件處置中常用的應急供電設備汽油發(fā)電機比較笨重、噪音大且釋放有害氣體，鋰電池、鎳氫電池、鉛酸電池等連續(xù)供電時間短且在應急場合無法提供充電恢復。本文提出一種利用PEM燃料電池、鋰電池聯(lián)供的應急供電系統(tǒng)，儲氫容器更換時期間也可以保證連續(xù)供電，控制系統(tǒng)采用模糊算法，根據(jù)鋰電池SOC、燃料電池最佳工作狀態(tài)以及負載情況，進行能量動態(tài)分配與管理。研制了在應急場合使用的樣機，該系統(tǒng)連續(xù)供電時間長(是目前常用設備的2～3倍)，無噪音、零排放，可取得良好的效果，是搶險救災應付突發(fā)事件的理想應急供電裝備。

1 系統(tǒng)組成

燃料電池應急供電系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)由120 W質(zhì)子膜燃料電池、燃料電池控制器、鋰電池及管理系統(tǒng)、能量管單元組成。鋰電池的指標為13.2 V/10 Ah，以保證燃料電池故障狀態(tài)下或燃料耗盡更換不及情況下應急滿功率支持1 h的戰(zhàn)術要求。燃料電池電堆指標：功率為120 W，輸出電壓為15 V～28 V。燃料電池控制器主要完成對電堆溫度、輸入氫氣和空氣壓力、流量、以及電堆異常情況進行控制和監(jiān)測，并通過CAN總線將信息傳輸至系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制器主要完成對負載大小、鋰電池SOC以及燃料電池電堆工況實時檢測并根據(jù)模糊算法動態(tài)進行能量管理，使應急供電系統(tǒng)個部件工作在最佳狀態(tài)，以提高整機效率和關鍵部件使用壽命。

2 電路設計

2.1 充電與電池管理電路

鋰電池充電電路如圖2所示。直流電壓經(jīng)過隔離二極管D5加到MAX1873的15腳。Ql為充電驅(qū)動信號輸出開關管。R4為充電電流檢測電阻，用于檢測輸出電流的大小。R2為系統(tǒng)電流的檢測電阻。R5、R6為輸出充電電壓調(diào)整電阻。

燃料電池輸出的15 V～28 V電壓經(jīng)過隔離二極管D5和總電流檢測電路，一路經(jīng)過R2、DC/DC電路至輸出端，另一路通過Q1、電感L1、D6和R4向鋰電池充電。R4上的電壓與充電電流成正比，經(jīng)電壓誤差放大器放大，轉(zhuǎn)換成直流分量輸人微處理器，微處理器將從MAX1873的14腳輸出反向控制電壓，使Ql的導通電流減小。如果流經(jīng)R4上的電流過小，由MAX1873的14腳輸出控制電壓使Ql的電流相應增加，則會使電池組有一個恒定的電流值。當電流很小且達到充電電流最小值或0時，MAX1873從14腳輸出低電平的脈沖控制信號，關斷BGl，停止對電池充電。當控制輸入端為低電平時，BG2導通，充電控制腳6腳(ICHG/EN)為低電平，14腳輸出低電平，BG1關斷，停止充電，此時充電電流僅為1 μA，處于關閉狀態(tài)(充電被禁止)。

2.2 直流變換與控制電路

DC/DC變換電路采用XL4012集成變換器，輸入電壓3.6 V~36 V，2 800 kHz的開關頻率，輸出電壓可以從0.8 V~28 V可調(diào)，轉(zhuǎn)換效率高達95%，最大輸出電流12 A，外圍電路簡單。

應急供電系統(tǒng)需要檢測的參數(shù)比較多：燃料電池的輸出電壓、輸出電流;充電與BMS的充電電流、電池電壓和電池SOC;輸出端的輸出電流、輸出電壓。因此需要擴展A/D接口，系統(tǒng)控制采用89S51CPU，A/D采用TLV2543芯片，該芯片有10路模擬電壓輸入，與單片機采用串行接口，占用口線資源較少，轉(zhuǎn)換速度比較快，顯示采用LCD1602液晶顯示，不采用背光時液晶動態(tài)電流不大于5 mA，主要顯示燃料電池工作狀態(tài)，鋰電池SOC及充放電情況，輸出電壓、輸出電流信息，整機效率等供電信息。

3 模糊控制算法

讓燃料電池處于最佳狀態(tài)，同時讓鋰電池荷電狀態(tài)在SOCmin以上。以分配給燃料電池的功率份額為約束條件，調(diào)節(jié)鋰電池的輸出功率。對鋰電池而言, 當蓄電池SOC最小極限值(SOCmin)小于或等于30%時，鋰電池必須充電;當SOC在50%～70%時，視負載需求功率情況，可以充電也可以放電;當SOC大于90%時不充電。以負載功率Pg和鋰電池荷電狀態(tài)SOC為模糊控制的輸入變量，以燃料電池分配輸出功率Pfc和鋰電池輸出功率Pb為模糊控制器的輸出變量。模糊輸入變量Pg和SOC基本論域為[0，100] W和[30，90]%，將輸入變量模糊化，模糊子集為{ZO(零)， PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)};模糊輸出變量Pb的論域為[-100，110] kW，模糊子集也為{NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，模糊輸出變量Pfc的論域為[0，110] kW，模糊子集也為{ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}。

模糊控制器以負載功率Pg和鋰電池的荷電狀選擇輸入、輸出模糊變量的隸屬度函數(shù)為三角形如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

模糊控制規(guī)則由一系列關系詞連接而成， 最常用的關系詞有if-then 、also、or 和and， 確定各輸出量與輸入

量的模糊控制規(guī)則， 模糊控制算法給出的控制量需進行去模糊化處理， 將其轉(zhuǎn)換到控制對象所能接受的基本論域中，去模糊化處理算法采用質(zhì)心法。

4 軟件設計

系統(tǒng)控制程序流程圖如圖7 所示。

5 系統(tǒng)仿真

在Matlab仿真系統(tǒng)中建立模糊控制器，取模糊控制的輸入變量目標功率Pg和鋰電池的荷電狀態(tài)SOC的論域為[-100，110] W和[30，90]%，取模糊控制器的輸出變量燃料電池分配輸出功率Pfc、鋰電池分配輸出功率Pb的論域分別為[0，110] kW、[-100，110] W。鋰電池為10 Ah/13.2 V，電池初始荷電狀態(tài)SOC=60%。同時在 Matlab/Simulink取時間為0～15 min，其仿真波形如圖8所示。[!--empirenews.page--]

6 樣機測試與評估

根據(jù)電池SOC和負載大小利用模糊算法將PEM燃料電池和鋰電池能量進行動態(tài)分配和管理，研制了樣機，實際測試表明：整機供電效率在90%以上，比功率為120 W/500 g。在鋰電池初始SOC=80%時可為容量為600升的金屬儲氫罐連續(xù)供電時間16 h左右。連續(xù)工作時間以及維護等方面比傳統(tǒng)應急供電裝備性能有極大提高，目前已經(jīng)在進行產(chǎn)業(yè)化，極具推廣價值。