氫/鋰電池混合動力系統的設計與研究

遲英姿 經喆 韋森 姜良游 胡明敏

摘要：通過混合動力控制電路板將氫氧燃料電池和鋰電池并聯，并將氫氧燃料電池作為主電源進行供電，當氫氧燃料電池供電不足時切換至鋰電池供電，從而達到延長載體續航時間的目的。

關鍵詞：混合動力控制電路板;氫氧燃料電池;鋰電池

中圖分類號：U463.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0009-02

0? 引言

氫產業鏈包含氫能源的生產、儲存、運輸和利用。氫能源可以廣泛用于傳統領域和氫動力新化合物，以及用于發電的氫能，如分布式熱能、二級源等。從環保角度出發，由于能源需求量不斷增加，整體的二氧化碳排放量急劇增加，所以低碳、環保、安全、可循環利用等系列能源研發和推廣的方向是一往無前的。氫能和氫氧燃料電池污染性大大降低，符合國家的推廣政策，隨著人類大量使用石油、煤炭等不可再生能源，造成它們的儲量逐步減少，導致能源緊缺，氫能源和氫氧燃料電池能量轉化率較高、噪音低、可環保型，因此非常適合作為替代品廣泛使用。

1? 整體構造

1.1 研究目的? 在鋰電池穩定輸出時通過集成控制電路控制氫氧燃料電池為鋰電池提供電能補給，同時檢測每塊鋰電池電芯的電壓。

1.2 方案優化? 氫氧燃料電池的能量密度較高，穩定輸出時電壓較高，需要通過降壓模塊將電壓降低達到平衡充電的電壓。當輸出電壓被降低時，會造成電能的損失，勢必會使充電效能的損失，導致可續航時間不能達到預期。當兩電池分別單獨供電時，電能能得到最大的使用。通過混合動力控制電路板，使兩塊電池并聯在輸入端，當主電源電能不足時，自動切換至另一塊電池進行供電，從而減小充電的電能損耗，提升電能的使用效能。

1.3 材料選擇? 單片機選用STC15W401AS單片機，STC系列單片機體積小，反應不僅快且穩定，寬電壓，不怕電源抖動，寬溫度范圍——-40～+85℃，以保證在復雜環境下的使用。P信道增強模式場效應晶體管，對電路進行穩壓，并保證兩輸出端不會以為電壓降低而導致回流，損壞電池。LED燈、電阻、電容。

1.4 氫氧燃料電池? 選用JRD-S100W氫氧燃料鋰電池，額定功120W、額定電12V、直流電壓范圍10-17V額定電流10A。當氫氣通入氫氧燃料電池后，氫氧燃料電池系統就開始運轉，風扇開始轉動，在氫氧燃料電池啟動時候請不要加載任何負載。氫氧燃料電池啟動后，可以根據需要在額定功率范圍內逐步增加負載，但不能立即加到額定功率。氫氧燃料電池發生過流情況，控制報警器顯示，電堆電壓在10-17V都可以正常運行。關閉氫氫氧燃料電池，當準備關閉氫氧燃料電池時，請確認負載已經關閉，然后關閉氫氣閥門，在關閉氫氣閥門后風扇繼續運轉幾分鐘，直至電池中的氫氣耗完。

1.5 混合動力控制電路板實物（圖1）? 通過STC15W401AS單片機、P信道增強模式場效應晶體管、電阻、電容、LED燈構成該控制板。通過晶體管對電路進行穩壓，由單片機對整個電路的電壓進行監控，當主電源電壓低于設定值時，自動切換至備用電源，確保在切換的瞬間不間斷供電;當主電源電壓恢復至高于設定值一定值時，再自動切換回主電源供電。為保證能夠穩定輸出，故將備用電源切換至主電源電壓略高于設定值。

可通過混合動力控制板上LED燈觀察目前供電電源是主電源或備用電源。當紅燈亮起時，由主電源進行供電;當切換至備用電路時，紅點熄滅，綠燈亮起。

2? 項目實驗

2.1 實驗準備? 試驗器材：JRD-S100W氫氧燃料電池、混合動力控制電路板、3S鋰電池（850mA）、氫氣（容量1L，氣壓9MPa）、減壓閥、自制小車、導管。

將器材布置在自制小車上，試驗分別為鋰電池、氫氧燃料電池通過混合動力控制板單獨供電及氫氧燃料電池為主電源的混合供電。因目的由氫氧燃料電池作為主電源供電，故電路板將混合動力控制電路板主電源接口設計成連接氫氧燃料電池，備用電源接口連接鋰電池。

2.2 電路實驗

2.2.1 鋰電池與氫氧燃料電池并聯? 與下面第三個連接混合動力控制電路板做對照實驗，采用鋰電池與氫氧燃料電池并聯的連接方式對負載進行供電。開始時只連接鋰電池，鋰電池正常輸出。當接入氫氧燃料電池，鋰電池電流迅速下降，最終電流顯示負輸出，處于充電狀態。接入負載后，氫氧燃料電池輸出加大，鋰電池充電電流增大，但電壓保持不變。（圖2所示）當氫氧燃料電池電池功率輸出高于鋰電池時，會對鋰電池進行不均衡充電，會損壞鋰電池電芯。當氫氧燃料電池功率降低低于鋰電池時，鋰電池會對氫氧燃料電池進行供電，導致回流而損壞氫氧燃料電池。當氫氧燃料電池電池功率輸出高于鋰電池時，會對鋰電池進行不均衡充電，會損壞鋰電池電芯。當氫氧燃料電池功率降低低于鋰電池時，鋰電池會對氫氧燃料電池進行供電，導致回流而損壞氫氧燃料電池。

2.2.2 氫氧燃料電池電壓、電流降低曲線? 當氫氧燃料電池氫氣供給不足時，電壓、電流降低。（圖3所示）當氫氣停止供給，氫氧燃料電池反應停止，電流下降趨勢較電壓下降趨勢平緩。

2.2.3 混合動力控制電路板? 將氫氧燃料電池接入主電源端口，而鋰電池作為備用電源進行連接。氫氧燃料電池從氫氣流入氫氧燃料電池反應堆時開始產生電能，因為氫氧燃料電池的電壓會逐步穩定，所以將始終穩定輸出的鋰電池作為備用電源端通過混合動力控制電路板進行穩定輸出。當氫氧燃料電池的輸出趨于穩定時，自動切換至主電源供電。（圖4所示）混合動力控制電路板通過三極管保證在輸出端兩個供電端口不會出現回流現象從而損壞電池。當主電源供電電流開始降低時，備用電源開始電流補給;當電壓低于設定值時，自動切換至備用電路，完全由備用電源進行供電。在切換時不會使負載產生短暫的停頓或出現設備重啟的現象。

2.3 實驗驗證? ①不使用混合動力控制電路板的情況下，輸入端的高功率端會對低功率端進行供電，鋰電池會因為不均衡供電而損壞，氫氧燃料電池會因回流而損壞;接入混合動力控制電路板后，通過晶體管防止了電源回流的現場。②不使用混合動力控制電路板的情況下，輸出的電流由高功率端進行輸出，低功率端處于充電狀態;接入混合動力控制電路板后，不供電的輸入端，保持著穩定的電壓輸出，基本沒有電流輸入。

3? 結語

本文主要通過控制電路板對氫氧燃料電池和鋰電池的混合動力使用進行延長，旨在載體的整體續航時間。經過多次實驗，通過改變減壓閥的壓力閥值，設置單路氫氧燃料電池輸出、單路鋰電池輸出以及雙路氫氧燃料電池—鋰電池混合輸出，得到以下結論：在該項目實驗中，通過控制板能夠使雙電源進行無間斷輸出，小車整體運行時間得到延長，相較于單路3S電池與單路氫氧燃料電池輸出，雙電源方案使主電源能有效延長續航時間，并且當氫氧燃料電池氫氣耗盡無法供電時，控制板會自動切換至鋰電池進行輸出負載，切換期間不會使小車控制器重啟和小車動力停止，達到了實驗的預期目標。但在由主電源進行負載輸出時，隨主電源使用時間越長，鋰電池的使用時長會有微量的減少。

正常的電源切換時會有短暫的空檔期，但我們可以通過這塊混合動力控制電路板將這一空檔期減小到一個極小值，不會對負載的運作產生影響。當主電源的輸出電壓低于設定值時，自動切換至備用電路，當主電源的輸出電壓恢復至高于設定值的一定值時，再切換回主電源供電。高于設定值是為了保證主電源電壓是否可以穩定的高于設定值輸出，確保不會降低負載的功率。在氫氣輸入穩定的情況下，氫氧燃料電池可以有效的提升續航時間。

參考文獻：

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