專利名稱：燃料電池混合電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及混合電源系統(tǒng)，是由燃料電池、超級(jí)電容和蓄電池組成的混合電 源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電 能的電化學(xué)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn) 行，并且具有能量高、噪音小、無(wú)污染、零排放和能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于小型 電站、通信電源、機(jī)器人電源、汽車、電力系統(tǒng)、家庭生活等各領(lǐng)域。燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是 21世紀(jì)首選的潔凈、高效發(fā)電技術(shù)。燃料電池按其電解質(zhì)的不同，可分為堿性燃料電池、磷 酸型燃料電池、質(zhì)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(lái)，尤以質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展最快，日益受到各國(guó)政府、企業(yè)和科研機(jī) 構(gòu)的重視。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)統(tǒng)計(jì)，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(guó)政府及各大公司加大投資力度，成功開(kāi)發(fā)了各種型號(hào)的燃料電 池，并正在應(yīng)用到或擬用到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，如電站、便攜式電源、移動(dòng)機(jī)器人電 源、各種車輛用動(dòng)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(kāi)發(fā)的經(jīng) 費(fèi)估計(jì)在8億美元左右，除了美國(guó)、加拿大、日本、德國(guó)和意大利等工業(yè)國(guó)家外，許多發(fā)展中 國(guó)家也在進(jìn)行或著手進(jìn)行燃料電池的研究與開(kāi)發(fā)。我國(guó)政府也非常重視燃料電池發(fā)電技術(shù) 的研究，在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，經(jīng)過(guò)“十五”和“十一五”的刻苦攻關(guān)，在燃料電池及燃 料電池汽車研究方面已取得突破性的進(jìn)展，中科院大連化物所研制出50kW燃料電池發(fā)動(dòng) 機(jī)，上海神力公司研制出IOOkW大巴車燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)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(xué)已研制成功IkW 50kW級(jí)系列燃 料電池系統(tǒng)以及“楚天1號(hào)”燃料電池電動(dòng)轎車和“楚天2號(hào)”燃料電池輕型客車。然而，雖然燃料電池作為汽車、機(jī)器人等系統(tǒng)電源具有上述很多優(yōu)點(diǎn)，但它在汽 車、機(jī)器人等對(duì)象上只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用。因?yàn)槿剂想姵氐膭?dòng)態(tài)響應(yīng)具有一定的時(shí)滯，例 如當(dāng)負(fù)載所需功率波動(dòng)時(shí)，燃料電池的輸出功率需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)整才能適應(yīng)負(fù)載的變 化。另外，當(dāng)負(fù)載電機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)，必須吸收電機(jī)回饋的電能，以節(jié)約能量從而增加連續(xù)工 作時(shí)間，但是燃料電池不支持能量的雙向流動(dòng)，不能吸收電機(jī)回饋制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能?，F(xiàn)有的電源系統(tǒng)利用輔助供電裝置(如蓄電池、超級(jí)電容等)與燃料電池一起共 同為負(fù)載(機(jī)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(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)；輔助供電裝置發(fā)揮動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、能量回饋容易的長(zhǎng)處， 以彌補(bǔ)燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢和無(wú)法實(shí)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?fù)?結(jié)構(gòu)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(jí)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
3與蓄電池并聯(lián)，并聯(lián)后接負(fù)載，三者共同為負(fù)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(gè)DC/DC變換器，導(dǎo)致系統(tǒng)的體積和重量較大；燃料電池、超級(jí)電容的輸出是經(jīng)過(guò) DC/DC變換器后再為負(fù)載供電，而DC/DC變換器會(huì)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(jìn)的燃料電池混合電源系統(tǒng)來(lái)克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型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
尚ο為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種燃料電池混合電源系統(tǒng)，包括燃料電 池、超級(jí)電容、蓄電池、級(jí)聯(lián)電力變換器以及控制器，所述超級(jí)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(fù)載并聯(lián)，所述級(jí)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(diǎn)和第二電感與第二 MOSFET管的連接點(diǎn)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(jí)電容的負(fù)極連接，第一 MOSFET管的集電 極連接第一二極管的負(fù)極，發(fā)射極連接第一二極管的正極和蓄電池的負(fù)極；第二 MOSFET管 的集電極連接第二二極管的負(fù)極和超級(jí)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(jí)電容、蓄電池、燃料電池、負(fù)載以及級(jí)聯(lián)電力 變換器的第一 MOSFET管的柵極、第二 MOSFET管的柵極連接。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)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(jí)電容的負(fù)極，負(fù)極連接超級(jí)電容的正極。在本實(shí)用新型的另一實(shí)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(fù)極連接超級(jí)電容的正極。在本實(shí)用新型的再一實(shí)施例中，所述控制器包括依次串聯(lián)的信號(hào)測(cè)量與處理單 元、A/D轉(zhuǎn)換單元、光電隔離單元、數(shù)字信號(hào)處理器以及脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元，所述信號(hào)測(cè)量與 處理單元局部安裝在所述蓄電池上，并與所述超級(jí)電容、蓄電池、燃料電池以及負(fù)載連接， 所述PWM驅(qū)動(dòng)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(shù)相比，本實(shí)用新型燃料電池混合電源系統(tǒng)的三種能量源(燃料電池 210、超級(jí)電容220和蓄電池230)只通過(guò)一個(gè)級(jí)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(guò)2個(gè)DC/DC變換器連接相比，本實(shí)用新型體積小、重量小、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)為負(fù)載供電。重量輕。另外，本實(shí)用新型中燃料電池210直 接與負(fù)載100連接，供電時(shí)沒(méi)有DC/DC變換單元的損耗，提高了系統(tǒng)的效率。通過(guò)以下的描述并結(jié)合附圖，本實(shí)用新型將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本 實(shí)用新型的實(shí)施例。

圖1為本實(shí)用新型燃料電池混合電源系統(tǒng)的原理框圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參考附圖描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，附圖中類似的元件標(biāo)號(hào)代表類似的元 件。如圖1所示，本實(shí)用新型燃料電池混合電源系統(tǒng)包括燃料電池210、超級(jí)電容220、 蓄電池230、控制器300以及級(jí)聯(lián)電力變換器400。所述超級(jí)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(fù) 載100并聯(lián)。具體地，所述超級(jí)電容220的負(fù)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(fù)極連接蓄電池230的負(fù)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(jí)電容 220、蓄電池230以及負(fù)載100連接，用于實(shí)時(shí)采集燃料電池210、超級(jí)電容220、蓄電池230 和負(fù)載100的電壓與電流、蓄電池230的溫度以及負(fù)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(jì)算蓄電池230的荷電狀態(tài)(SOC)，根據(jù)超級(jí)電容220的特 性以及采集的超級(jí)電容220的電壓計(jì)算超級(jí)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(fù)載100的電壓)以及采集的負(fù)載100的電流計(jì)算負(fù)載100的功率。 另外，所述控制器300根據(jù)計(jì)算的負(fù)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(jí)電容220的荷電狀態(tài)(SOC)、采集的超級(jí)電容220 的電壓、電流控制所述級(jí)聯(lián)電力變換器400 (其內(nèi)的MOSFET管S1和MOSFET管S2)的導(dǎo)通和 關(guān)斷控制，優(yōu)化分配燃料電池210、超級(jí)電容220和蓄電池230間的功率，保證向負(fù)載100高 效平穩(wěn)可靠供電。具體地，所述控制器300包括信號(hào)測(cè)量與處理單元310、A/D轉(zhuǎn)換單元320、光電隔 離單元330、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)340、脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)單元350。所述信號(hào)測(cè)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(jí)電容220、蓄電池230以及負(fù)載100連接，用于對(duì)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(jí)電容220的電壓值和電流值、蓄電池230的溫度以及負(fù) 載100的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量以及對(duì)測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。作為一個(gè)例子，如圖1，所述 信號(hào)測(cè)量與處理單元310與所述燃料電池210的正極、超級(jí)電容220的正極、蓄電池230的 正極以及負(fù)載100的正極連接，其中Vbat、Ibat、Tbat、Vf。、If。，、Vc、Ic* 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(jí)電容 220電壓、超級(jí)電容220電流和負(fù)載電流。所述信號(hào)測(cè)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(jí)電容220、蓄電池230連接，用于實(shí)時(shí)獲取燃料電池210、蓄電池230和超級(jí) 電容220的電壓值；霍爾電流傳感器與所述燃料電池210、超級(jí)電容220、蓄電池230和負(fù)載 100連接，用于實(shí)時(shí)獲取燃料電池210、蓄電池230、超級(jí)電容220和負(fù)載100的電流值；溫 度傳感器安裝在所述蓄電池230上，用于實(shí)時(shí)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(duì)霍爾電壓傳感器、 霍爾電流傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)獲取的結(jié)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(jí)電容220的電壓Vc和電流Ic、蓄電池230的溫度Tbat、負(fù) 載100的電流IJ進(jìn)行濾波處理和穩(wěn)壓處理。A/D轉(zhuǎn)換單元320與所述信號(hào)測(cè)量與處理單元310的二階低通有源濾波器連接，用于對(duì)所述二階低通有源濾波器濾波及穩(wěn)壓處理后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。光電隔離單元330與所述A/D轉(zhuǎn)換單元320連接，用于對(duì)所述A/D轉(zhuǎn)換單元320 模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行隔離，以阻擋外界信號(hào)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器340的干擾。數(shù)字信號(hào)處理器340與所述光電隔離單元330連接，用于接收對(duì)所述光電隔離單 元330處理后的信號(hào)，并根據(jù)所述接收的信號(hào)估算蓄電池230的荷電狀態(tài)(SOC)、超級(jí)電容 220的荷電狀態(tài)(SOC)以及負(fù)載100的功率，根據(jù)所述接收的信號(hào)和估算的負(fù)載100的功 率、蓄電池230荷電狀態(tài)和超級(jí)電容220荷電狀態(tài)輸出控制所述級(jí)聯(lián)電力變換器400 (其內(nèi) 的MOSFET管S1和MOSFET管S2)導(dǎo)通和關(guān)斷的脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM信號(hào))或低電平信號(hào)。 在本實(shí)施例中，所述數(shù)字信號(hào)處理器340可以為TMS320LF2407型或TMS320F2812型。下面 具體說(shuō)明。所述數(shù)字信號(hào)處理器340根據(jù)蓄電池230的特性以及信號(hào)測(cè)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(hào)處理器340中設(shè)定 為常數(shù)；Ibat為信號(hào)測(cè)量與處理單元310獲取的蓄電池230的電流，充電時(shí)為正，放電時(shí)為負(fù)。所述數(shù)字信號(hào)處理器340根據(jù)超級(jí)電容220的特性以及信號(hào)測(cè)量與處理單元310
采集的超級(jí)電容220的電壓估算超級(jí)電容220的荷電狀態(tài)(SOC)，估算公式為 VcSOC = (2)
Vcmax其中，V。為信號(hào)測(cè)量與處理單元310獲取的超級(jí)電容220的電壓，Vemax為超級(jí)電容 220能承受的最高電壓，根據(jù)超級(jí)電容220的特性在數(shù)字信號(hào)處理器340中設(shè)定為常數(shù)。所述數(shù)字信號(hào)處理器340根據(jù)采集的負(fù)載100的電流L以及燃料電池210的電壓 Vf。(等于負(fù)載100的電壓)計(jì)算負(fù)載100的功率，并根據(jù)負(fù)載100的功率、采集的信號(hào)、超 級(jí)電容220和蓄電池230的荷電狀態(tài)(S0C)，在％、％端輸出脈寬調(diào)制信號(hào)或低電平信號(hào)。脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元350與所述數(shù)字信號(hào)處理器340連接，用于對(duì)所述數(shù)字信號(hào)處 理器340的ai、a2端輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，并根據(jù)所述放大的信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述級(jí)聯(lián)電力變換器 400內(nèi)的MOSFET管S1和MOSFET管S2的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而分配燃料電池210、超級(jí)電容220 和蓄電池230間功率進(jìn)而保證向所述負(fù)載100高效平穩(wěn)可靠地供電。所述級(jí)聯(lián)電力變換器400與所述控制器300、超級(jí)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(duì)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(fù)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(duì)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(fù)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。[0036]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(diǎn)、電感L2的 一端與MOSFET管S2的發(fā)射極的連接點(diǎn)互為同名端?；ヱ铍姼芯哂心芰看鎯?chǔ)和能量轉(zhuǎn)移的 作用。所述級(jí)聯(lián)電力變換器400具有2個(gè)控制輸入端和3個(gè)雙向輸入/輸出端。所述2 個(gè)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(diào)制驅(qū)動(dòng)單元350的 連接，MOSFET管S2的 柵極也與所述控制器300的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元350的a2連接。所述3個(gè)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(diǎn)、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(fù)極，電感L2的與電感L1的連接點(diǎn)連接蓄電池230的正極和超級(jí)電容220的負(fù)極，MOSFET 管&的集電極連接超級(jí)電容220的正極。也就是說(shuō)，蓄電池230連接級(jí)聯(lián)電力變換器400 的第一電路的兩個(gè)雙向輸入/輸出端，超級(jí)電容220連接級(jí)聯(lián)電力變換器400的第二電路 的兩個(gè)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(jí)電容220過(guò)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(jí)電容220并聯(lián)。具體地，二極管D3的正極連接超級(jí)電容220的負(fù)極，負(fù)極連接超級(jí)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(fù)極連接超級(jí)電容220的正極。下面說(shuō)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(jí)電容220、蓄電池230之一或之二組合為負(fù)載100供電，或?yàn)槌?jí)電容 220、蓄電池230充電的原理(I)MOSFET管Sl周期性導(dǎo)通和關(guān)斷，MOSFET管S2關(guān)斷當(dāng)所述控制器300中的數(shù)字信號(hào)處理器340判斷負(fù)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(jí)電容220的荷電 狀態(tài)(SOC)時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器340的a2端輸出低電平， 端輸出脈沖序列，通過(guò)脈寬調(diào)制 驅(qū)動(dòng)單元340放大后，關(guān)斷MOSFET管S2,并不斷重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷MOSFET管S115 MOSFET管S1 導(dǎo)通時(shí)，燃料電池210與超級(jí)電容220和電感L1組成一個(gè)回路，對(duì)超級(jí)電容220充電，同時(shí) 在互耦電感L2上儲(chǔ)能，蓄電池230與電感L1形成放電回路，在電感L1上儲(chǔ)能；MOSFET管S1 斷開(kāi)后，電感L2上儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管D2繼續(xù)為超級(jí)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(dāng)蓄電池230 的放電電流達(dá)到3倍放電倍率或電壓低于標(biāo)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(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器340將ai端脈沖信號(hào)的占空比降低10%。(2)MOSFET管S2周期性導(dǎo)通和關(guān)斷，MOSFET管S1關(guān)斷當(dāng)所述控制器300中的數(shù)字信號(hào)處理器340判斷負(fù)載100的功率小于額定功率， 而且蓄電池230的溫度達(dá)低于60°C、蓄電池230的荷電狀態(tài)(SOC)小于或等于超級(jí)電容220 的荷電狀態(tài)(SOC)時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器340的^端輸出低電平，a2端輸出脈沖序列，通過(guò)脈 寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元340放大后，關(guān)斷MOSFET管S1，并不斷重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷MOSFET管S2。MOSFET 管S2導(dǎo)通時(shí)，燃料電池210與電感L2和蓄電池230組成一個(gè)回路，對(duì)蓄電池230充電，同時(shí)在互耦電感L1上儲(chǔ)能，超級(jí)電容220與電感L2形成放電回路，在電感L2上儲(chǔ)能；MOSFET管 S2斷開(kāi)后，電感L1上儲(chǔ)存的能量通過(guò)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(jí)電容220與電感L1形成放電回路，與燃料電池210 —起供電。當(dāng)超級(jí)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(shí)， 數(shù)字信號(hào)處理器340將a2端脈沖信號(hào)的占空比降低10%。(3) MOSFET 管 S1、S2 均關(guān)斷當(dāng)控制器300判斷負(fù)載100大于額定功率，或負(fù)載雖小于額定功率，但蓄電池230 的溫度達(dá)到60°C時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器340的ai、a2端均輸出低電平，通過(guò)脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元 340放大后，關(guān)斷MOSFET管S1, S2。燃料電池210與超級(jí)電池220、蓄電池230通過(guò)三種能 量源間的串聯(lián)和并聯(lián)回路直接向負(fù)載供電。本實(shí)用新型燃料電池混合電源系統(tǒng)的三種能量源(燃料電池210、超級(jí)電容220和 蓄電池230)只通過(guò)一個(gè)級(jí)聯(lián)電力變換器連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)合理地控制MOSFET管S1和 M0SFET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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)為負(fù)載供電。與現(xiàn)有系統(tǒng)的三種能量源需要通過(guò)2個(gè)DC/DC變換器連接相比， 本實(shí)用新型的體積小、重量輕；本實(shí)用新型中的燃料電池210直接與負(fù)載100連接，供電時(shí) 沒(méi)有DC/DC變換單元的損耗，提高了系統(tǒng)的效率。以上結(jié)合最佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了描述，但本實(shí)用新型并不局限于以上揭 示的實(shí)施例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本實(shí)用新型的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合。
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權(quán)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(jí)電容、蓄電池、級(jí)聯(lián)電力變換器以及控制器，所述超級(jí)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(fù)載并聯(lián)，所述級(jí)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(diǎn)和第二電感與第二MOSFET管的連接點(diǎn)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(jí)電容的負(fù)極連接，第一MOSFET管的集電極連接第一二極管的負(fù)極，發(fā)射極連接第一二極管的正極和蓄電池的負(fù)極；第二MOSFET管的集電極連接第二二極管的負(fù)極和超級(jí)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(jí)電容、蓄電池、燃料電池、負(fù)載以及級(jí)聯(lián)電力變換器的第一MOSFET管的柵極、第二MOSFET管的柵極連接。
2.如權(quán)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(jí)電容的負(fù)極，負(fù)極連接超級(jí)電容的正極。
3.如權(quán)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(fù)極連接超級(jí)電容的正極。
4.如權(quán)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(hào)測(cè)量與處理單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、光電隔離單元、數(shù)字信號(hào)處理器以及脈寬調(diào)制驅(qū) 動(dòng)單元，所述信號(hào)測(cè)量與處理單元局部安裝在所述蓄電池上，并與所述超級(jí)電容、蓄電池、 燃料電池以及負(fù)載連接，所述PWM驅(qū)動(dòng)單元與所述第一 MOSFET管的柵極、第二 MOSFET管的 柵極連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種燃料電池混合電源系統(tǒng)，包括燃料電池、超級(jí)電容、蓄電池、級(jí)聯(lián)電力變換器以及控制器。級(jí)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(hào)、超級(jí)電容、蓄電池以及燃料電池的電壓信號(hào)和電流信號(hào)、以及負(fù)載的電流信號(hào)并根據(jù)獲取的信號(hào)控制第一MOSFET管、第二MOSFET管的導(dǎo)通與關(guān)斷。本系統(tǒng)無(wú)需兩個(gè)DC/DC變換器，只需一個(gè)級(jí)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(hào)H02J7/34GK201682317SQ201020206670
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者全書(shū)海, 劉莉, 張立炎, 狄艾威, 石英, 謝長(zhǎng)君, 陳啟宏 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)