專利名稱：燃料電池混合電源系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及混合電源系統(tǒng)，是由燃料電池、超級電容和蓄電池組成的混合電源系統(tǒng)。
背景技術：
燃料電池是一種以氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑，將燃料的化學能直接轉化為電 能的電化學裝置，它不受卡諾循環(huán)的限制，只要有足夠的氫氣和氧氣，可以長時間連續(xù)運 行，并且具有能量高、噪音小、無污染、零排放和能量轉換效率高等特點，可廣泛應用于小型 電站、通信電源、機器人電源、汽車、電力系統(tǒng)、家庭生活等各領域。燃料電池技術被認為是 21世紀首選的潔凈、高效發(fā)電技術。燃料電池按其電解質的不同，可分為堿性燃料電池、磷 酸型燃料電池、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池及固體氧化物燃料電 池等。近十年來，尤以質子交換膜燃料電池的發(fā)展最快，日益受到各國政府、企業(yè)和科研機 構的重視。據(jù)國際能源機構(IEA)統(tǒng)計，全球每年能源科技研發(fā)公共資金中約12%投入到燃 料電池研發(fā)。近幾年，各國政府及各大公司加大投資力度，成功開發(fā)了各種型號的燃料電 池，并正在應用到或擬用到人們日常生活的各個方面，如電站、便攜式電源、移動機器人電 源、各種車輛用動力電源以及家用電源等。目前，全世界每年用于燃料電池研究與開發(fā)的經(jīng) 費估計在8億美元左右，除了美國、加拿大、日本、德國和意大利等工業(yè)國家外，許多發(fā)展中 國家也在進行或著手進行燃料電池的研究與開發(fā)。我國政府也非常重視燃料電池發(fā)電技術 的研究，在國家863計劃的支持下，經(jīng)過“十五”和“十一五”的刻苦攻關，在燃料電池及燃 料電池汽車研究方面已取得突破性的進展，中科院大連化物所研制出50kW燃料電池發(fā)動 機，上海神力公司研制出100kW大巴車燃料電池發(fā)動機，清華大學、同濟大學分別研制出了 系列化的燃料電池大巴車和燃料電池轎車，武漢理工大學已研制成功lkW 50kW級系列燃 料電池系統(tǒng)以及“楚天1號”燃料電池電動轎車和“楚天2號”燃料電池輕型客車。然而，雖然燃料電池作為汽車、機器人等系統(tǒng)電源具有上述很多優(yōu)點，但它在汽 車、機器人等對象上只能進行簡單的應用。因為燃料電池的動態(tài)響應具有一定的時滯，例 如當負載所需功率波動時，燃料電池的輸出功率需經(jīng)過一段時間的調整才能適應負載的變 化。另外，當負載電機回饋制動時，必須吸收電機回饋的電能，以節(jié)約能量從而增加連續(xù)工 作時間，但是燃料電池不支持能量的雙向流動，不能吸收電機回饋制動過程中產(chǎn)生的電能。現(xiàn)有的電源系統(tǒng)利用輔助供電裝置(如蓄電池、超級電容等)與燃料電池一起共 同為負載(機器人、汽車等)供電，稱為燃料電池混合電源系統(tǒng)。燃料電池發(fā)揮效率高、工 作溫度低、供電時間長的優(yōu)勢；輔助供電裝置發(fā)揮動態(tài)響應速度快、能量回饋容易的長處， 以彌補燃料電池動態(tài)響應速度慢和無法實現(xiàn)再生能量回收的缺陷。但是，上述現(xiàn)有燃料電池混合電源系統(tǒng)中，燃料電池與輔助供電裝置組成的拓撲 結構是燃料電池的輸出接單向DC/DC(直流-直流)變換器的輸入端，單向DC/DC變換器的 輸出端與蓄電池并聯(lián)，超級電容接雙向DC/DC變換器的一端，雙向DC/DC變換器的另一端也與蓄電池并聯(lián)，并聯(lián)后接負載，三者共同為負載供電。由上可知，現(xiàn)有燃料電池混合電源系 統(tǒng)存在2個DC/DC變換器，導致系統(tǒng)的體積和重量較大；燃料電池、超級電容的輸出是經(jīng)過 DC/DC變換器后再為負載供電，而DC/DC變換器會產(chǎn)生一定的功率損耗，降低系統(tǒng)的效率。因此，有必要提供一種改進的燃料電池混合電源系統(tǒng)來克服現(xiàn)有技術的缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池混合電源系統(tǒng)，體積小、重量小、系統(tǒng)效率高。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種燃料電池混合電源系統(tǒng)，包括燃料電池、 超級電容、蓄電池、級聯(lián)電力變換器以及控制器，所述超級電容與蓄電池串聯(lián)，串聯(lián)后的支 路與所述燃料電池以及負載并聯(lián)，所述級聯(lián)電力變換器包括第一和第二電感、第一和第二 MOSFET管、第一和第二二極管，其中，第一電感與第二電感為互耦電感，第一電感的一端與 第一MOSFET管的集電極連接，第二電感的一端與第二MOSFET管的發(fā)射極連接，第一電感與 第一 MOSFET管的連接點和第二電感與第二 MOSFET管的連接點互為同名端，第一電感的另 一端與第二電感的另一端、蓄電池的正極和超級電容的負極連接，第一 MOSFET管的集電極 連接第一二極管的負極，發(fā)射極連接第一二極管的正極和蓄電池的負極；第二 MOSFET管的 集電極連接第二二極管的負極和超級電容的正極，發(fā)射極接第二二極管的正極，所述控制 器局部安裝在所述蓄電池上，并與所述超級電容、蓄電池、燃料電池、負載以及級聯(lián)電力變 換器的第一 MOSFET管的柵極、第二 MOSFET管的柵極連接，用于獲取所述蓄電池的溫度信 號、所述超級電容、蓄電池以及燃料電池的電壓信號和電流信號、負載的電流信號并根據(jù)所 述獲取的信號控制所述第一 MOSFET管、第二 MOSFET管的導通與關斷。在本發(fā)明的一個實施例中，所述系統(tǒng)還包括第三二極管，所述第三二極管的正極 連接超級電容的負極，負極連接超級電容的正極。在本發(fā)明的另一實施例中，所述系統(tǒng)還包括第四二極管，所述第四二極管的正極 連接燃料電池的正極，負極連接超級電容的正極。在本發(fā)明的再一實施例中，所述控制器包括依次串聯(lián)的信號測量與處理單元、A/D 轉換單元、光電隔離單元、數(shù)字信號處理器以及脈寬調制驅動單元，所述信號測量與處理單 元局部安裝在所述蓄電池上，并與所述超級電容、蓄電池、燃料電池以及負載連接，所述PWM 驅動單元與所述第一 MOSFET管的柵極、第二 MOSFET管的柵極連接。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明燃料電池混合電源系統(tǒng)的三種能量源(燃料電池210、超 級電容220和蓄電池230)只通過一個級聯(lián)電力變換器連接，與現(xiàn)有燃料電池混合電源系統(tǒng) 的三種能量源需要通過2個DC/DC變換器連接相比，本發(fā)明體積小、重量小、結構簡單，通過 合理地控制MOSFET管S1和MOSFET管S2的通斷，可保證供電電壓穩(wěn)定，而且只要有充足的 氫氣，可長時間連續(xù)為負載供電。重量輕。另外，本發(fā)明中燃料電池210直接與負載100連 接，供電時沒有DC/DC變換單元的損耗，提高了系統(tǒng)的效率。通過以下的描述并結合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明 的實施例。


圖1為本發(fā)明燃料電池混合電源系統(tǒng)的原理框圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實施例，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。如圖1所示，本發(fā)明燃料電池混合電源系統(tǒng)包括燃料電池210、超級電容220、蓄電池230、控制器300以及級聯(lián)電力變換器400。所述超級電容220與所述蓄電池230串聯(lián)，串聯(lián)后的支路與所述燃料電池210、負 載100并聯(lián)。具體地，所述超級電容220的負極與所述蓄電池230的正極連接，正極與所述 燃料電池210的正極連接。所述燃料電池210的負極連接蓄電池230的負極。所述控制器300局部安裝在所述蓄電池230，并與所述燃料電池210、超級電容 220、蓄電池230以及負載100連接，用于實時采集燃料電池210、超級電容220、蓄電池230 和負載100的電壓與電流、蓄電池230的溫度以及負載100的電流，并根據(jù)蓄電池230的特 性以及采集的蓄電池230的電流計算蓄電池230的荷電狀態(tài)(SOC)，根據(jù)超級電容220的特 性以及采集的超級電容220的電壓計算超級電容220的荷電狀態(tài)(SOC)，根據(jù)采集的燃料電 池210的電壓(等于負載100的電壓)以及采集的負載100的電流計算負載100的功率。 另外，所述控制器300根據(jù)計算的負載100的功率、蓄電池230的荷電狀態(tài)(SOC)、采集的蓄 電池230的電壓、電流和溫度、估算的超級電容220的荷電狀態(tài)(SOC)、采集的超級電容220 的電壓、電流控制所述級聯(lián)電力變換器400 (其內的MOSFET管S1和MOSFET管S2)的導通和 關斷控制，優(yōu)化分配燃料電池210、超級電容220和蓄電池230間的功率，保證向負載100高 效平穩(wěn)可靠供電。具體地，所述控制器300包括信號測量與處理單元310、A/D轉換單元320、光電隔 離單元330、數(shù)字信號處理器(DSP)340、脈寬調制(PWM)驅動單元350。所述信號測量與處理單元310局部安裝在所述蓄電池230上，并與所述燃料電池 210、超級電容220、蓄電池230以及負載100連接，用于對燃料電池210的電壓值和電流值、 蓄電池230的電壓值和電流值、超級電容220的電壓值和電流值、蓄電池230的溫度以及負 載100的電流進行實時測量以及對測量的信號進行濾波處理。作為一個例子，如圖1，所述 信號測量與處理單元310與所述燃料電池210的正極、超級電容220的正極、蓄電池230的 正極以及負載100的正極連接，其中Vbat、Ibat, Tbat, Vfc, Ifc, Vc, Ic和Il分別表示蓄電池230 電壓、蓄電池230電流、蓄電池230溫度、燃料電池210電壓、燃料電池210電流、超級電容 220電壓、超級電容220電流和負載電流。所述信號測量與處理單元310包括霍爾電壓傳感 器、霍爾電流傳感器、溫度傳感器、以及二階低通有源濾波電路?；魻栯妷簜鞲衅髋c所述燃 料電池210、超級電容220、蓄電池230連接，用于實時獲取燃料電池210、蓄電池230和超級 電容220的電壓值；霍爾電流傳感器與所述燃料電池210、超級電容220、蓄電池230和負載 100連接，用于實時獲取燃料電池210、蓄電池230、超級電容220和負載100的電流值；溫 度傳感器安裝在所述蓄電池230上，用于實時獲取所述蓄電池230的溫度；二階低通有源濾 波器與所述霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器和溫度傳感器連接，用于對霍爾電壓傳感器、 霍爾電流傳感器和溫度傳感器實時獲取的結果(燃料電池210的電壓Vf。和電流If。、蓄電 池230的電壓Vbat、和電流Ibat、超級電容220的電壓Vc和電流Ic、蓄電池230的溫度Tbat、負 載100的電流IJ進行濾波處理和穩(wěn)壓處理。A/D轉換單元320與所述信號測量與處理單元310的二階低通有源濾波器連接，用于對所述二階低通有源濾波器濾波及穩(wěn)壓處理后的信號進行模數(shù)轉換。光電隔離單元330與所述A/D轉換單元320連接，用于對所述A/D轉換單元320 模數(shù)轉換后的信號進行隔離，以阻擋外界信號對數(shù)字信號處理器340的干擾。數(shù)字信號處理器340與所述光電隔離單元330連接，用于接收對所述光電隔離單 元330處理后的信號，并根據(jù)所述接收的信號估算蓄電池230的荷電狀態(tài)(SOC)、超級電容 220的荷電狀態(tài)(SOC)以及負載100的功率，根據(jù)所述接收的信號和估算的負載100的功 率、蓄電池230荷電狀態(tài)和超級電容220荷電狀態(tài)輸出控制所述級聯(lián)電力變換器400 (其內 的MOSFET管S1和MOSFET管S2)導通和關斷的脈寬調制信號(PWM信號)或低電平信號。 在本實施例中，所述數(shù)字信號處理器340可以為TMS320LF2407型或TMS320F2812型。下面 具體說明。所述數(shù)字信號處理器340根據(jù)蓄電池230的特性以及信號測量與處理單元310采 集的蓄電池230電流Ibat估算蓄電池230的荷電狀態(tài)(SOC)，估算公式為SOC = SOC0 Γη ^ (1)其中，SOCtl為蓄電池230的初始荷電狀態(tài)(SOC)值；η為蓄電池230的充放電效 率，(；為蓄電池230的容量，以上參數(shù)根據(jù)蓄電池230的特性在數(shù)字信號處理器340中設定 為常數(shù)；Ibat為信號測量與處理單元310獲取的蓄電池230的電流，充電時為正，放電時為負。所述數(shù)字信號處理器340根據(jù)超級電容220的特性以及信號測量與處理單元310
采集的超級電容220的電壓估算超級電容220的荷電狀態(tài)(SOC)，估算公式為 VcSOC =、r(2)
Vcmax其中，V。為信號測量與處理單元310獲取的超級電容220的電壓，Vemax為超級電容 220能承受的最高電壓，根據(jù)超級電容220的特性在數(shù)字信號處理器340中設定為常數(shù)。所述數(shù)字信號處理器340根據(jù)采集的負載100的電流L以及燃料電池210的電壓 Vf。(等于負載100的電壓)計算負載100的功率，并根據(jù)負載100的功率、采集的信號、超 級電容220和蓄電池230的荷電狀態(tài)(S0C)，在％、％端輸出脈寬調制信號或低電平信號。脈寬調制驅動單元350與所述數(shù)字信號處理器340連接，用于對所述數(shù)字信號處 理器340的ai、a2端輸出的信號進行放大，并根據(jù)所述放大的信號驅動所述級聯(lián)電力變換器 400內的MOSFET管S1和MOSFET管S2的導通和關斷，從而分配燃料電池210、超級電容220 和蓄電池230間功率進而保證向所述負載100高效平穩(wěn)可靠地供電。所述級聯(lián)電力變換器400與所述控制器300、超級電容220與所述蓄電池230連接，其包括由電感U、MOSFET管S1、二極管D1組成的第一電路以及由電感L2、MOSFET管S2、 二極管D2組成的第二電路。所述第一電路與所述第二電路連接。對于第一電路，MOSFET管S1和二極管D1反向并聯(lián)。具體地，MOSFET管S1的集電 極接二極管D1的負極、發(fā)射極接二極管D1的正極。另外，電感L1的一端連接MOSFET管S1 的集電極。對于第二電路，MOSFET管S2和二極管D2反向并聯(lián)。具體地，MOSFET管S2的集電 極接二極管D2的負極、發(fā)射極接二極管D2的正極。另外，電感L2的一端連接MOSFET管S2 的發(fā)射極。
所述第一電路的電感L1的另一端與所述第二電路的電感L2的另一端連接。其中， 電感L1與電感L2為互耦電感，電感L1的一端與MOSFET管S1的集電極的連接點、電感L2的 一端與MOSFET管S2的發(fā)射極的連接點互為同名端?；ヱ铍姼芯哂心芰看鎯湍芰哭D移的 作用。所述級聯(lián)電力變換器400具有2個控制輸入端和3個雙向輸入/輸出端。所述2 個控制輸入端為第一電路中MOSFET管S1的柵極和第二電路中MOSFET管S2的柵極。其中， MOSFET管S1的柵極與所述控制器300的脈寬調制驅動單元350的 連接，MOSFET管S2的 柵極也與所述控制器300的脈寬調制驅動單元350的a2連接。所述3個雙向輸入/輸出 端分別為第一電路中MOSFET管S1的發(fā)射極、第二電路中電感L2與第一電路中電感L1的連 接點、第二電路中MOSFET管S2的集電極。其中，MOSFET管S1的發(fā)射極連接蓄電池230的 負極，電感L2的與電感L1的連接點連接蓄電池230的正極和超級電容220的負極，MOSFET 管&的集電極連接超級電容220的正極。也就是說，蓄電池230連接級聯(lián)電力變換器400 的第一電路的兩個雙向輸入/輸出端，超級電容220連接級聯(lián)電力變換器400的第二電路 的兩個雙向輸入/輸出端。所述燃料電池混合電源系統(tǒng)還包括二極管D3以及二極管Drc。二極管D3用于防止 超級電容220過度放電，二極管Drc用于防止外界向燃料電池反向充電。所述二極管D3與 超級電容220并聯(lián)。具體地，二極管D3的正極連接超級電容220的負極，負極連接超級電 容220的正極。所述二極管Drc與燃料電池210串聯(lián)。具體地，所述二極管Drc的正極連接 燃料電池210的正極，負極連接超級電容220的正極。下面說明燃料電池混合電源系統(tǒng)在控制器300的控制下選擇燃料電池210，或燃 料電池210與超級電容220、蓄電池230之一或之二組合為負載100供電，或為超級電容 220、蓄電池230充電的原理(I)MOSFET管Sl周期性導通和關斷，MOSFET管S2關斷當所述控制器300中的數(shù)字信號處理器340判斷負載100的功率小于額定功率， 而且蓄電池230的溫度低于60°C、蓄電池230的荷電狀態(tài)(SOC)大于超級電容220的荷電 狀態(tài)(SOC)時，數(shù)字信號處理器340的a2端輸出低電平， 端輸出脈沖序列，通過脈寬調制 驅動單元340放大后，關斷MOSFET管S2,并不斷重復導通和關斷MOSFET管S115 MOSFET管S1 導通時，燃料電池210與超級電容220和電感L1組成一個回路，對超級電容220充電，同時 在互耦電感L2上儲能，蓄電池230與電感L1形成放電回路，在電感L1上儲能；MOSFET管S1 斷開后，電感L2上儲存的能量通過二極管D2繼續(xù)為超級電容220充電，電感L1上的能量耦 合到電感L2,蓄電池230與電感L2形成放電回路，與燃料電池210 —起供電。當蓄電池230 的放電電流達到3倍放電倍率或電壓低于標稱電壓10%，或燃料電池210的電壓低于額定 電壓，或電流高于額定電流時，數(shù)字信號處理器340將ai端脈沖信號的占空比降低10%。(2)MOSFET管S2周期性導通和關斷，MOSFET管S1關斷當所述控制器300中的數(shù)字信號處理器340判斷負載100的功率小于額定功率，而且蓄電池230的溫度達低于60°C、蓄電池230的荷電狀態(tài)(SOC)小于或等于超級電容220 的荷電狀態(tài)(SOC)時，數(shù)字信號處理器340的^端輸出低電平，a2端輸出脈沖序列，通過脈 寬調制驅動單元340放大后，關斷MOSFET管S1，并不斷重復導通和關斷MOSFET管S2。MOSFET 管S2導通時，燃料電池210與電感L2和蓄電池230組成一個回路，對蓄電池230充電，同時在互耦電感L1上儲能，超級電容220與電感L2形成放電回路，在電感L2上儲能；MOSFET管 S2斷開后，電感L1上儲存的能量通過二極管D1繼續(xù)為蓄電池230充電，電感L2上的能量耦 合到電感L1，超級電容220與電感L1形成放電回路，與燃料電池210 —起供電。當超級電 容220的電流大于額定電流，或燃料電池210的電壓低于額定電壓、電流高于額定電流時， 數(shù)字信號處理器340將a2端脈沖信號的占空比降低10%。(3) MOSFET 管 S1、S2 均關斷當控制器300判斷負載100大于額定功率，或負載雖小于額定功率，但蓄電池230 的溫度達到60°C時，數(shù)字信號處理器340的ai、a2端均輸出低電平，通過脈寬調制驅動單元 340放大后，關斷MOSFET管S1, S2。燃料電池210與超級電池220、蓄電池230通過三種能 量源間的串聯(lián)和并聯(lián)回路直接向負載供電。本發(fā)明燃料電池混合電源系統(tǒng)的三種能量源(燃料電池210、超級電容220和蓄電 池230)只通過一個級聯(lián)電力變換器連接，結構簡單，通過合理地控制MOSFET管SJPMOSFET 管S2的通斷，可保證供電電壓穩(wěn)定，而且只要有充足的氫氣，燃料電池混合電源系統(tǒng)可長時 間連續(xù)為負載供電。與現(xiàn)有系統(tǒng)的三種能量源需要通過2個DC/DC變換器連接相比，本發(fā) 明的體積小、重量輕；本發(fā)明中的燃料電池210直接與負載100連接，供電時沒有DC/DC變 換單元的損耗，提高了系統(tǒng)的效率。以上結合最佳實施例對本發(fā)明進行了描述，但本發(fā)明并不局限于以上揭示的實施 例，而應當涵蓋各種根據(jù)本發(fā)明的本質進行的修改、等效組合。
權利要求
一種燃料電池混合電源系統(tǒng)，包括燃料電池，其特征在于，還包括超級電容、蓄電池、級聯(lián)電力變換器以及控制器，所述超級電容與蓄電池串聯(lián)，串聯(lián)后的支路與所述燃料電池以及負載并聯(lián)，所述級聯(lián)電力變換器包括第一和第二電感、第一和第二MOSFET管、第一和第二二極管，其中，第一電感與第二電感為互耦電感，第一電感的一端與第一MOSFET管的集電極連接，第二電感的一端與第二MOSFET管的發(fā)射極連接，第一電感與第一MOSFET管的連接點和第二電感與第二MOSFET管的連接點互為同名端，第一電感的另一端與第二電感的另一端、蓄電池的正極和超級電容的負極連接，第一MOSFET管的集電極連接第一二極管的負極，發(fā)射極連接第一二極管的正極和蓄電池的負極；第二MOSFET管的集電極連接第二二極管的負極和超級電容的正極，發(fā)射極接第二二極管的正極，所述控制器局部安裝在所述蓄電池上，并與所述超級電容、蓄電池、燃料電池、負載以及級聯(lián)電力變換器的第一MOSFET管的柵極、第二MOSFET管的柵極連接，用于獲取所述蓄電池的溫度信號、所述超級電容、蓄電池以及燃料電池的電壓信號和電流信號、負載的電流信號并根據(jù)所述獲取的信號控制所述第一MOSFET管、第二MOSFET管的導通與關斷。
2.如權利要求1所述的燃料電池混合電源系統(tǒng)，其特征在于，還包括第三二極管，所述 第三二極管的正極連接超級電容的負極，負極連接超級電容的正極。
3.如權利要求1所述的燃料電池混合電源系統(tǒng)，其特征在于，還包括第四二極管，所述 第四二極管的正極連接燃料電池的正極，負極連接超級電容的正極。
4.如權利要求1所述的燃料電池混合電源系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括依次串 聯(lián)的信號測量與處理單元、A/D轉換單元、光電隔離單元、數(shù)字信號處理器以及脈寬調制驅 動單元，所述信號測量與處理單元局部安裝在所述蓄電池上，并與所述超級電容、蓄電池、 燃料電池以及負載連接，所述PWM驅動單元與所述第一 MOSFET管的柵極、第二 MOSFET管的 柵極連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池混合電源系統(tǒng)，包括燃料電池、超級電容、蓄電池、級聯(lián)電力變換器以及控制器。級聯(lián)電力變換器包括相互連接的第一和第二電感、第一和第二MOSFET管、第一、第二、第三和第四二極管?？刂破鳙@取蓄電池的溫度信號、超級電容、蓄電池以及燃料電池的電壓信號和電流信號、以及負載的電流信號并根據(jù)獲取的信號控制第一MOSFET管、第二MOSFET管的導通與關斷。本系統(tǒng)無需兩個DC/DC變換器，只需一個級聯(lián)電力變換器，因而體積小、重量小、系統(tǒng)效率高。
文檔編號H02J7/34GK101841182SQ20101018529
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權日2010年5月17日
發(fā)明者全書海, 劉莉, 張立炎, 狄艾威, 石英, 謝長君, 陳啟宏 申請人:武漢理工大學