300W質子膜燃料電池應急供電系統設計

趙波+徐垚

摘 要：設計了一種基于質子膜燃料電池（PEMFC）和鉛酸蓄電池混合供電的300W應急供電系統。系統由質子膜燃料電池、燃料電池控制器、鉛酸蓄電池、DC/DC變換、DC/AC變換和系統控制器組成。并實際制作了樣機，測試系統各項數據和指標，均達到預期目標，取得了良好的社會效益和經濟效益。

關鍵詞：PEMFC；應急供電；C8051F040

0 引言

我國幅員遼闊，各種自然災害頻發，在搶險救災和突發事件處置中常用的應急供電設備汽油發電機比較笨重、噪音大且釋放有害氣體，鋰電池、鎳氫電池、鉛酸電池等連續供電時間短且在應急場合無法提供充電恢復[1]。燃料電池工作期間冷反應無噪聲（風扇有較小的噪音）、不排放有害氣體不污染環境等優點，并且系統工作期間可以不切斷電源對儲氫設備補充氫氣，從而實現不間斷長時間的應急供電。此外，鋰聚合物電池具有體積小、放電電流大等優點，在燃料電池輸出功率較小時對鋰電池進行充電，實現與燃料電池的混合供電。實際制作了樣機，測試系統各項數據和指標，均達到預期目標，取得了良好的社會效益和經濟效益。本文設計了一種基于300W質子膜燃料電池（PEMFC）和鉛酸蓄電池的混合供電的應急供電系統。

1 總體方案

系統總體框圖如圖1所示。300W燃料電池應急供電系統由儲氫器、500W PEMFC燃料電池、12V/8.4A DC/DC變換、燃料電池控制器、系統控制器、24V/12.5A DC/DC變換、12V/25A DC/DC變換、220V DC/AC變換、5V/1A DC/DC變換、鉛酸電池和鉛酸電池充電器組成，系統總體框圖如圖1所示。

整個系統又可以分為燃料電池系統、24V/12.5A DC/DC變換、鉛酸蓄電池和二級DC/DC變換，各部分的主要功能如下：

（1）燃料電池系統：儲氫器、500W PEMFC、12V/8.4A DC/DC變換和燃料電池控制器構成燃料電池系統，產生電壓不穩定的電壓，供下一級電源變換。

（2）24V/12.5A DC/DC變換：該級DC/DC變換將前一級燃料電池系統輸出的不穩定的電壓轉換成24V穩定的電壓。

（3）鉛酸蓄電池：由于燃料電池輸出特性較軟，負載過重時，燃料電池無法輸出足夠大的電流。采用鉛酸蓄電池作為“電容”和一級DC/DC變換并聯，用于在負載過重時，仍然可以為負載提供足夠的電流。鉛酸電池充電器用于為鉛酸蓄電池充電。

（4）二級DC/DC變換：12V/25A DC/DC變換、220V DC/AC變換和5V/1A DC/DC變換構成二級DC/DC變換，用于產生不同的電壓。

2 系統主要組成部分設計

2.1 系統控制器設計

系統控制器框圖如圖2所示。系統控制器作為整個系統的控制部分，主要包括以下功能：PEMFC燃料電池電壓電流檢測、鉛酸電池電壓電流檢測、系統溫度檢測、氣閥開關、LCD顯示和按鍵、PEMFC燃料電池輸出繼電器控制、鉛酸電池輸出繼電器控制、24V輸出繼電器控制、12V輸入繼電器控制、220V輸入繼電器控制、5V輸入繼電器控制和控制器。

2.2 燃料電池控制器設計

燃料電池工作過程中，需要檢測PEMFC燃料電池的電流，檢測電堆的溫度，驅動風扇，控制氣閥的開和關以及CAN總線通信。燃料電池控制器框圖如圖3所示。

2.3 LCD顯示和按鍵部分設計

LCD顯示和按鍵部分設計框圖如圖4所示。主要包括LCD顯示屏、背光板、背光控制電路、LCD驅動電路、控制器和按鍵電路。由于系統控制器功能眾多，需要準確實時控制整個系統，監控整個系統的運行。為了簡化設計，將LCD顯示和按鍵部分，獨立設計成一個模塊，LCD顯示和按鍵部分通過串口與主控制器進行通信，主控制器通過串口控制LCD顯示和按鍵輸入。

3 結論

設計了一種基于質子膜燃料電池（PEMFC）和鉛酸蓄電池混合供電的300W應急供電系統。系統由質子膜燃料電池、燃料電池控制器、鉛酸蓄電池、DC/DC變換、DC/AC變換和系統控制器組成。并實際制作了樣機，測試系統各項數據和指標，均達到預期目標，取得了良好的社會效益和經濟效益。

參考文獻

[1] 肖鐸，戚偉，汪秋婷，趙波，方健.100W質子膜燃料電池應急供電系統[J].電子技術應用，2012，38（3）：75-77.

[2] 趙波，肖鐸，戚偉.基于BQ24610的質子膜燃料電池應急供電系統[J].信息技術，2012，（8）：33-39.