一种燃料电池混合动力系统的制作方法

1.本发明涉及混合动力管理技术，特别涉及一种燃料电池混合动力系统。


背景技术：

2.现有动力系统采用燃料电池单独供电时，会存在启动时需要一段时间才能达到功率稳定状态的缺陷。当负载瞬时启动功率远大于额定功率时，若只有燃料电池供能时，刚需选配大功率燃料电池，且需加大燃料电池的输出功率。而在负载较低功率使用时，所匹配的大功率燃料电池即使工作在较小功率，其空余功率仍然较大会造成设备成本高、浪费能源的问题。因此，燃料电池在使用时还需要经常通过短接输出端方式对燃料电池的催化剂进行激活，而短接会造成输出中断，影响用电使用效率。现有的动力系统一般会引入可充电电池，在燃料电池供电不足切换至可充电电池供电，或者燃料电池和可充电电池同时供电，但此方式仍然存在工作功率波动的问题，需要根据用电需要调节燃料电池的输出功率。
3.因而现有技术还有待改进和提高。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种燃料电池混合动力系统，能使燃料电池模块稳定功率运行。
5.为解决以上技术问题，本发明采取了以下技术方案：
6.一种燃料电池混合动力系统，其包括燃料电池模块、充电控制模块、充电选择模块、放电选择模块、mcu控制模块以及多块可充电电池，mcu控制模块获取各可充电电池的电压，当有可充电电池的电压低于设定值时，使该可充电电池停止供电、同时切换为其它可充电电池供电，并且使能燃料电池模块和充电控制模块，所述充电控制模块将燃料电池模块输出的电能进行升压及限流处理，给该可充电电池充电。
7.所述的燃料电池混合动力系统，所述充电选择模块包括多个第一开关控制单元，所述第一开关控制单元连接mcu控制模块、充电控制模块和可充电电池，用于根据mcu控制模块的充电控制指令开启或关闭来控制相应可充电电池的充电状态。
8.所述的燃料电池混合动力系统，所述放电选择模块包括多个第二开关控制单元，所述第二开关控制单元连接mcu控制模块、负载和可充电电池，用于根据mcu控制模块的放电控制指令开启或关闭来控制相应可充电电池的放电状态。
9.所述的燃料电池混合动力系统，所述mcu控制模块包括mcu单元、多个第三开关控制单元、多个电压采样单元，所述电压采样单元的一端连接可充电电池，所述电压采样单元的另一端连接mcu单元，第三开关控制单元的第一端连接燃料电池模块处的电磁阀，第三开关控制单元的第二端连接充电控制模块，第三开关控制单元的控制端连接mcu单元。
10.所述的燃料电池混合动力系统中，所述第一开关控制单元包括第一光耦和第一继电器，所述第一光耦的第1脚和第4脚连接mcu模块，所述第一光耦的第2脚接地，所述第一光耦的第3脚连接第一继电器线圈，第一继电器开关连接可充电电池。
11.所述的燃料电池混合动力系统中，所述第二开关控制单元包括第二光耦、第二继电器和二极管，所述第二光耦的第1脚和第4脚连接mcu模块，所述第二光耦的第2脚接地，所述第二光耦的第3脚连接第二继电器线圈，第二继电器开关连接二极管的正极，所述二极管的负极连接可充电电池。
12.所述的燃料电池混合动力系统中，所述第二开关控制单元还包括电容，所述电容的一端连接mcu模块，所述电容的一端连接第二继电器开关。
13.所述的燃料电池混合动力系统中，所述第三开关控制单元包括第一mos管、第一三极管、第一电阻、第二电阻，所述第一mos管的栅极通过第一电阻连接第一mos管的源极和dc-dc单元、也通过第二电阻连接第一三极管的集电极，所述第一三极管的基极连接mcu单元，所述第一三极管的发射极接地，第一mos管的漏极连接燃料电池模块处的电磁阀。
14.所述的燃料电池混合动力系统中，所述电压采样单元包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的一端连接可充电电池的正极、第四电阻的一端连接可充电电池的负极，所述第三电阻的另一端和第四电阻的另一端连接mcu单元的一个io口。
15.一种燃料电池混合动力系统的充供电控制方法，其包括如下步骤：
16.mcu控制模块获取各可充电电池的电压；
17.当有可充电电池的电压低于设定值时，使该可充电电池停止供电、并切换为其它可充电电池供电；
18.使能燃料电池模块和充电控制模块，由所述充电控制模块将燃料电池模块输出的电能进行升压及限流处理，给该可充电电池充电。
19.相较于现有技术，本发明提供的燃料电池混合动力系统，包括燃料电池模块、充电控制模块、充电选择模块、放电选择模块、mcu控制模块以及多块可充电电池，mcu控制模块获取各可充电电池的电压，当有可充电电池的电压低于设定值时，使该可充电电池停止供电、同时切换为其它可充电电池供电，并且使能燃料电池模块和充电控制模块，所述充电控制模块将燃料电池模块输出的电能进行升压及限流处理，给该可充电电池充电，在本发明的燃料电池混合动力系统中，采用可充电电池为负载供电，可充电电池能够在负载高需求时及时提供所需负载功率，可充电电池在启动时无需等待，而燃料电池模块只需保持稳定的运行功率，避免了燃料电池功率的波动，从而能够对负载进行快速响应，满足负载的超功率和低功率运行要求。
附图说明
20.图1为本发明较佳实施例提供的燃料电池混合动力系统的结构框图。
21.图2为本发明较佳实施例提供的燃料电池混合动力系统中的充电选择模块的电路图。
22.图3为本发明较佳实施例提供的燃料电池混合动力系统中的放电选择模块的电路图。
23.图4为本发明较佳实施例提供的燃料电池混合动力系统中的mcu控制模块的电路图。
24.图5为本发明较佳实施例提供的燃料电池混合动力系统的充供电控制方法的流程图。
25.图6为本发明较佳实施例提供的燃料电池混合动力系统中燃料电池模块的控制流程图。
26.图7为本发明较佳实施例提供的燃料电池混合动力系统的充供电控制方法的一应用实施例的流程图。
27.附图标注说明：
28.燃料电池模块10、充电控制模块20、充电选择模块30、放电选择模块40、mcu控制模块50、可充电电池60、第一开关控制单元31、第二开关控制单元41、dc-dc单元21、第一光耦u1、第一继电器j1、第二光耦u2、第二继电器j2、二极管d1、电容c1、mcu单元u3、第三开关控制单元51、电压采样单元52、第一mos管q1、第一三极管q2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。
31.还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
32.请参阅图1，本发明燃料电池混合动力系统包括燃料电池模块10、充电控制模块20、充电选择模块30、放电选择模块40、mcu控制模块50以及多块可充电电池60(如图1中的电池1号、电池2号......电池n号)，燃料电池模块10所输出电能连接在充电控制模块20的输入端，充电控制模块20的输出端连接充电选择模块30的输入端，充电选择模块30的输出端分别连在各可充电电池60的充电端，放电选择模块40的输入端与各可充电电池60的放电端连接，放电选择模块40的输出端与负载连接，mcu控制模块50与燃料电池模块10、充电控制模块20、充电选择模块30、放电选择模块40、mcu控制模块50连接。
33.mcu控制模块50获取各可充电电池60的电压，当有可充电电池60的电压低于设定值时，使该可充电电池60停止供电、同时切换为其它可充电电池60供电，并且使能燃料电池模块10和充电控制模块20，所述充电控制模块20将燃料电池模块10输出的电能进行升压及限流处理，给该可充电电池60充电。
34.具体地，mcu控制模块50还连接有电源开关，用于启动整个系统。所述燃料电池模块10包括氢燃料电池、进气电磁阀、出气电磁阀、风扇等，由mcu控制模块50控制、进气电磁阀、出气电磁阀、风扇的开闭状态及功率等即可控制氢燃料电池的充电功率。
35.mcu控制模块50与燃料电池模块10相连的端口可以检测燃料电池的温度，通过温度可以调节燃料电池风扇转速，并可根据系统启动及运行要求，控制燃料电池模块10的进氢阀和排氢阀开闭，从而燃料电池只需满足电池充电需求即可运行更稳定，避免了燃料电池功率的波动。
36.所述充电控制模块20可包括一可调节输出电压、可进行输出限流的包括dc-dc单
元21，该包括dc-dc单元21可以根据mcu的需求进行输出电压和最大输出电流的调节能力。充电控制模块20可以根据mcu控制模块50的指令将燃料电池模块10输出的电能进行升压及限流，根据需要对电池的充电性能进行调节。充电控制模块20也可以根据mcu控制模块50的指令选择对多个或单个电池进行充电。
37.mcu控制模块50还具有电池电压检测功能，可根据电压与电池容量的关系计算出当前电压下电池的容量。放电选择模块40可以根据mcu控制模块50的要求将电量超过设定值的电池接入负载，为负载供电。mcu控制模块50除了能够处理各个模块的数据，还为各个模块提供运行电力。
38.具体的，充电控制模块20、充电选择模块30、放电选择模块40、mcu控制模块50以及开关可以设置于分立的电路板上，也可以为一块整体的电路板。
39.请一并参阅图2，本发明提供的燃料电池混合动力系统中，所述充电选择模块30包括多个第一开关控制单元31，所述第一开关控制单元31连接mcu控制模块50、充电控制模块20和可充电电池60，用于根据mcu控制模块50的充电控制指令开启或关闭来控制相应可充电电池60的充电状态。
40.在图2中，信号口1、2、3、电源正和地接在mcu控制模块50上，燃料电池正、负口与燃料电池模块10相连，电池充电口(如电池1充电正、电池1充电负、电池2充电正、电池2充电负、电池3充电正、电池3充电负)与电池相连。
41.所述第一开关控制单元31包括第一光耦u1和第一继电器j1，所述第一光耦u1的第1脚和第4脚连接mcu模块，所述第一光耦u1的第2脚接地，所述第一光耦u1的第3脚连接第一继电器j1线圈，第一继电器j1开关连接可充电电池60。
42.以给可充电电池601为例，当信号口1接通高电平，与信号口1连接的第一光耦u1导通，使第一继电器j1通电，继电器线圈通电后产生磁场吸引开关闭合，电池1充电正、电池1充电负接通，需要为其他电池充电时可将相应信号口接高电平。
43.所述放电选择模块40包括多个第二开关控制单元41，所述第二开关控制单元41连接mcu控制模块50、负载和可充电电池60，用于根据mcu控制模块50的放电控制指令开启或关闭来控制相应可充电电池60的放电状态。
44.请一并参阅图3，所述第二开关控制单元41包括第二光耦u2、第二继电器j2和二极管d1，所述第二光耦u2的第1脚和第4脚连接mcu模块，所述第二光耦u2的第2脚接地，所述第二光耦u2的第3脚连接第二继电器j2线圈，第二继电器j2开关连接二极管d1的正极，所述二极管d1的负极连接可充电电池60。
45.在图3中，信号口4、5、6、7、电源正和地接在mcu控制模块50上。负载正、负口与用电负载(如汽车、船舶的动力系统)相连，电池1放电正口、电池1放电负口与电池相连。以放电口4启动为例，当信号口4接通高电平，第二光耦u2导通，使第二继电器j2通电，第二继电器j2的线圈通电后产生磁场吸引开关闭合，使电池1放电正、负口与负载接通。电池1放电正口与继电器之间连接的二极管d1用于防止电流倒流至电池，对可充电电池60进行保护。
46.进一步地，所述第二开关控制单元41还包括电容c1，所述电容c1的一端连接mcu模块，所述电容c1的一端连接第二继电器j2开关。以与信号7口连接第二继电器j2为例，第二继电器j2开关的常开端与负载正极相连，第二继电器j2开关的常闭端与电池1正极相连(或者与任意一个电池正极相连)，第二继电器j2开关的公共端与控制板mcu正(即mcu控制模块
50的正输入口)相连。在系统断电的瞬间，电容c1放电能通过常闭端能够为控制系统供电，当系统启动后，系统发高电平给信号7端，第二继电器j2的公共端转换到常闭端，取电口变为正在输出的电池1。若采用某一电池直连控制板供电端时，若发生该电池需要充电的情况，那么必然会存在该电池充电边用电边充电的现象，不利于该电池寿命，因此本发明在可充电电池60需要充电时，切换为其它可充电电池60供电，若负载正、负极接在控制板电源端，那么第二继电器j2一直为断开状态，而无法为控制板供电，本发明采用控制板mcu正负极间接入的电容c1可提供第二继电器j2切换瞬间的供电，防止切换瞬间出现断电现象。
47.充电控制模块20包括dc-dc单元21，用于将可充电电池60的电能转化为符合mcu控制模块50、风扇、电磁阀以及充放电控制模块的电压。
48.所述mcu控制模块50包括mcu单元u3、多个第三开关控制单元51、多个电压采样单元52，所述电压采样单元52的一端连接可充电电池60，所述电压采样单元52的另一端连接mcu单元u3，第三开关控制单元51的第一端连接燃料电池模块10处的电磁阀，第三开关控制单元51的第二端连接充电控制模块20，第三开关控制单元51的控制端连接mcu单元u3。
49.所述第三开关控制单元51包括第一mos管q1、第一三极管q2、第一电阻r1、第二电阻r2，所述第一mos管q1的栅极通过第一电阻r1连接第一mos管q1的源极和dc-dc单元21、也通过第二电阻r2连接第一三极管q2的集电极，所述第一三极管q2的基极连接mcu单元u3，所述第一三极管q2的发射极接地，第一mos管q1的漏极连接燃料电池模块10处的电磁阀。
50.所述电压采样单元52包括第三电阻r3和第四电阻r4，所述第三电阻r3的一端连接可充电电池60的正极、第四电阻r4的一端连接可充电电池60的负极，所述第三电阻r3的另一端和第四电阻r4的另一端连接mcu单元u3的一个io口。
51.如图4所示，电池1正负极接在电池1的输出端。通过第三电阻r3和第四电阻r4进行分压，分压后的电压被mcu单元u3获取，mcu单元u3根据分压后的电阻可反推出电池1的实际电压。如测量电池1的电压u1，mcu测得的分压为umcu1，那么两者的关系可通过下式计算得到：
52.umcu1＝r3/r4*u1
53.信号1-7连接到mcu单元u3的输出端，使用第一mos管q1、第一三极管q2、第一电阻r1、第二电阻r2构成一个开关电路。以进气阀的电路为例，当mcu单元u3给第一三极管q2的基极输入低电平时，第一三极管q2的发射极和集电极断开，第一mos管q1的栅极和漏极之间没有电压差，处于关断状态。当mcu单元u3给第一三极管q2的基极输入高电平时，第一三极管q2的发射极和集电极导通，第一电阻r1两端形成电压差，使第一mos管q1导通，此时进气电磁阀正与dc-dc输出正极导通。其余出气电磁阀和风扇电源的控制原理一致。
54.所述可充电电池60可采用锂电池、蓄电池等，所述dc-dc单元21可采用通过的12v、24v等直流电池，所述mcu单元u3可采用stm32f103系列的单片机，本发明对此不作限制。
55.基于上述的燃料电池混合动力系统，本发明还提供一种燃料电池混合动力系统的充供电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
56.s1、mcu控制模块50获取各可充电电池60的电压；
57.s2、当有可充电电池60的电压低于设定值时，使该可充电电池60停止供电、并切换为其它可充电电池60供电；
58.s3、使能燃料电池模块10和充电控制模块20，由所述充电控制模块20将燃料电池
模块10输出的电能进行升压及限流处理，给该可充电电池60充电。
59.在一可选的实施例中，如图5所示，在燃料电池混合动力系统开机时，先将放电开关信号和充电开关信号均置0(即使第一开关控制单元31和第二开关控制单元41均断开)，再测量各电池的电压，之后根据电压计算各电池的soc(即剩余电量)值，并soc值是否小于50％，如果小于50％则将相应的电池的充电标记为1，如果soc值大于或等于50％，则判断充电标记是否为1，如果是则开启相应电池充电开关(即使第一开关控制单元31导通)，否则，开启相应电池放电开关(即使第二开关控制单元41导通)，之后使信号7置1，并开启燃料电池模块10的进气电磁阀和风扇。
60.如图6所示，在燃料电池模块10对可充电电池60充电时，所述mcu单元u3排气电磁阀的流程如下：
61.打开排气电磁阀0.5秒，关闭排气电磁阀20秒，再打开排气电磁阀0.5秒，如此交替动作，直到相应的可充电电池60充电满电。
62.在一应用实施例中，如图7所示，在燃料电池混合动力系统的可充电电池60电量检测过程如下：
63.先关闭所有充电口、打开所有放电口，再关闭电池1放电口，之后检测电池1电压，并根据电压计算电池1的soc值，判断该电池1的soc值是否小于50％，如果是将电池1充电标记置1并打开电池1充电口，如果soc值大于等于50％，再判断soc值是否大于90％，如果是，则将电池1充电标记置0，并打开电池1放电口；之后关闭电池2放电口，之后检测电池2电压，并根据电压计算电池2的soc值，判断该电池2的soc值是否小于50％，如果是将电池2充电标记置1并打开电池2充电口，如果soc值大于等于50％，再判断soc值是否大于90％，如果是，则将电池2充电标记置0，并打开电池2放电口；之后再关闭电池3放电口，之后检测电池3电压，并根据电压计算电池3的soc值，判断该电池3的soc值是否小于50％，如果是将电池3充电标记置1并打开电池3充电口，如果soc值大于等于50％，再判断soc值是否大于90％，如果是，则将电池3充电标记置0，并打开电池3放电口，等待1分钟后，再检测电池1的电压，如此循环，确保各可充电电池60都能保持50％以上的电量供电，而燃料电池模块10只需对可充电电池60充电，其运行功率稳定，无波动，而且可充电电池60不会过放过充，使用寿命长。
64.应当说明的是，所述第一开关控制单元31、第二开关控制单元41、第三开关控制单元51、电压采样单元52等的电路结构也可以采用其它电子元件来实现，如第一开关控制单元31的具体电路可直接采用第二开关控制单元41的电路结构，本发明对此不作限制。
65.综上所述，本发明采用可充电电池为负载供电，可充电电池能够在负载高需求时及时提供所需负载功率，可充电电池在启动时无需等待，而燃料电池模块只需保持稳定的运行功率，避免了燃料电池功率的波动，从而能够对负载进行快速响应，满足负载的超功率和低功率运行要求。在充电时由充电选择模块30可以选择为哪个电池充电，确保需要充电的电池都能及时得到电量补充，避免电池过度放电而影响使用寿命。
66.进一步地，本发明通过信号7及放电选择模块可以选择使用单个电池供电，采用在系统通电后能够直接从负载输出端取电的电路结构，并在控制板输出端并联电容，能够保证控制板电源切换时不断电，确保系统可靠运行。
67.可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保
护范围。