微小型燃料電池混合電源計(jì)算機(jī)能量管理策略

張文卿，容旭巍

（石家莊學(xué)院，河北石家莊 050035）

燃料電池(fuel cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[1]。燃料電池具有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：第一個(gè)是能量轉(zhuǎn)化效率高，這是由于燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。所以燃料電池系統(tǒng)的燃料—電能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%左右，比火力發(fā)電和核電的效率大約高10%～20%左右；燃料電池的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高，可以在數(shù)秒鐘內(nèi)從最低功率變換到額定功率。由于以上特點(diǎn)，燃料電池被視為未來化石能源的重要替代品之一，具有良好的發(fā)展前景。

雖然科學(xué)界對(duì)燃料電池成為未來主要能源持樂觀態(tài)度，但是燃料電池自身的一些缺點(diǎn)導(dǎo)致其距離大規(guī)模的商用還有很遠(yuǎn)的一段路程。目前，燃料電池最主要的技術(shù)難題是高溫時(shí)壽命短及穩(wěn)定性不理想，這就需要對(duì)燃料電池的運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?；谝陨舷敕?，研究基于單片機(jī)管理的計(jì)算機(jī)能量管理系統(tǒng)就成為了必要之舉。

1 燃料電池的工作原理

燃料電池的基本原理，利用了一種叫質(zhì)子交換膜的技術(shù)（質(zhì)子交換膜在燃料電池內(nèi)部為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道），使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽(yáng)極到達(dá)陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流。為了使燃料更容易分解為質(zhì)子，燃料內(nèi)部加入了一定的催化劑而形成了催化層，只要外界能夠源源不斷地供應(yīng)燃料，就可以產(chǎn)生持續(xù)不斷的電能[2]。

在燃料電池中，負(fù)極常稱為燃料電極或氫電極，一般由氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣來構(gòu)成；正極稱為氧化劑電極、空氣電極或氧電極，多以空氣中的氧作為正極。燃料電池的反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，電極的作用來自于兩個(gè)方面，一方面是傳遞電子，形成電流；另一方面是在電極表面發(fā)生多相催化反應(yīng)，而電極材料并不參與反應(yīng)。以液態(tài)甲醇作為負(fù)極、氧氣作為正極為例，來說明燃料電池的工作原理。

將甲醇和水的混合物送至正極，甲醇和水在催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳，并釋放出電子和氫質(zhì)子。正極所產(chǎn)生的氫質(zhì)子在質(zhì)子交換膜的作用下穿過電解質(zhì)遷移至負(fù)極，并與氧氣反應(yīng)生成水，而正極所產(chǎn)生的電子從正極經(jīng)外電路經(jīng)過負(fù)載流向負(fù)極形成直流電；而一部分甲醇也隨著這一過程從正極滲漏到了負(fù)極，在負(fù)極催化劑的作用下，與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳和水。

由于燃料電池只要外界不斷地供給燃料和氧化物，電能就會(huì)源源不斷地產(chǎn)生，因而燃料電池的容量是無限的。但是燃料電池的性能又直接受到系統(tǒng)內(nèi)活性物質(zhì)的影響，特別是當(dāng)負(fù)載變得較大時(shí)，短時(shí)間內(nèi)能夠參加反應(yīng)的活性物質(zhì)不會(huì)發(fā)生大的變化，因此無法瞬間釋放大的電流來滿足負(fù)載的要求，會(huì)導(dǎo)致燃料電池的工作性能下降，因此，需要一種輔助的能源管理系統(tǒng)作為支撐。

2 混合電源系統(tǒng)基本原理

在眾多的燃料電池中，甲醇燃料電池以其原材料豐富、活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但是甲醇燃料電池和其他燃料電池一樣，也具有工作電壓及功率不夠穩(wěn)定的缺陷。為了解決以上問題，目前常用混合電源技術(shù)來進(jìn)行協(xié)調(diào)。所謂的混合電源技術(shù)就是指以燃料電池為主電源，以燃料電池所產(chǎn)生的電流來滿足負(fù)載的大部分需求，而當(dāng)燃料電池的性能下降時(shí)，以超級(jí)電容或輔助電池等儲(chǔ)能元件作為輔助電源。當(dāng)燃料電池發(fā)出的電能大于負(fù)載所需的電能時(shí)，將過剩的能量?jī)?chǔ)存在輔助電源中；當(dāng)燃料電池發(fā)出的電能小于負(fù)載所需的電能時(shí)，輔助電源將其存儲(chǔ)的能量釋放出來，用以彌補(bǔ)燃料電池所產(chǎn)能量的不足。

在實(shí)際應(yīng)用中，燃料電池和輔助電源系統(tǒng)需要幾方面的硬件及軟件的配合，才能形成一個(gè)完整的燃料電池混合電源系統(tǒng)。這些硬件和軟件主要包括DC/DC模塊、主輔電源能量管理系統(tǒng)，相關(guān)的支撐電路等。其中DC/DC模塊的主要功能是對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)理，以滿足負(fù)載的需求，而主輔電源能量管理系統(tǒng)的主要功能是對(duì)主輔電源的電能進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、分配、管理和安全保護(hù)等。

在混合電源中，以控制方式來區(qū)分，主要有二種控制方式：一種是主動(dòng)式管理模式，一種是被動(dòng)式管理模式。這兩種控制方式的主要區(qū)別在于控制電路當(dāng)中是否具有主動(dòng)控制功率配合關(guān)系的環(huán)節(jié)。主動(dòng)式管理方式由于采用了功率主動(dòng)配合方式，因此能夠主動(dòng)的調(diào)節(jié)主輔電源的配合關(guān)系，但是這種方式的主要缺陷是主動(dòng)控制電路本身需要消耗能量，造成了一部分能量的損失。而被動(dòng)式管理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，但是由于主體結(jié)構(gòu)是將主輔電源直接并聯(lián)，控制結(jié)構(gòu)功能弱，因此功率的調(diào)節(jié)能力不足。還有一種為半被動(dòng)系統(tǒng)，它采用小內(nèi)阻的MOS管作為開關(guān)管控制主輔電源的連接方式，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)了能量的控制，改進(jìn)了被動(dòng)式控制的策略，減少了主輔電源間不必要的能量流動(dòng)。

在控制電路中，DC/DC變換器是一個(gè)比較重要的硬件，它的功能是將一個(gè)直流電壓值變換為負(fù)載所需的另一個(gè)直流電壓值，以實(shí)現(xiàn)直流電壓的升壓或降壓。在本系統(tǒng)中的主要作用有兩個(gè)：一個(gè)是調(diào)理電壓，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池的穩(wěn)壓環(huán)節(jié)；另一個(gè)作用是調(diào)節(jié)功率，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載要求主動(dòng)調(diào)節(jié)電源輸出功率的要求。

3 主動(dòng)式能量管理系統(tǒng)的總體方案分析

本文的設(shè)計(jì)主要采用主動(dòng)式的能量管理系統(tǒng)。之所以采用主動(dòng)式的策略，是因?yàn)樵诠芾硐到y(tǒng)中設(shè)置主動(dòng)控制電路，可最大限度實(shí)現(xiàn)功率的主動(dòng)分配及主輔電源的運(yùn)行切換，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)燃料電池工作狀態(tài)的目的。相比于被動(dòng)式和半被動(dòng)式能量管理策略而言，主動(dòng)式具有調(diào)整靈活、控制準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能夠使工作點(diǎn)保持在最高效率或最大功率的工作區(qū)間中，有利于充分發(fā)揮燃料電池混合電源的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)主要包含四大部分，分別為主電源、輔助電源、DC/DC變換器及相對(duì)應(yīng)的控制電路。本系統(tǒng)的主電源采用燃料電池，輔助電源是鋰電池，而DC/DC的主要功能是根據(jù)實(shí)際需要來決定主電源和輔助電源之間的能量流向和分配比例，從而實(shí)現(xiàn)供電線路的切換。圖1為混合電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。如圖所示：DC/DC模塊位于鋰電池的支路上，與鋰電池串聯(lián)之后，與燃料電池并聯(lián)。而控制系統(tǒng)利用從系統(tǒng)中采集來的電路參數(shù)，判斷電路中的主電源、輔助電源及負(fù)載的狀態(tài)，來決定DC/DC的工作狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)鋰電池組的輸出電壓，決定主輔電源并聯(lián)工作點(diǎn)的電壓。

圖1 混合電池結(jié)構(gòu)圖

4 主動(dòng)式能理管理系統(tǒng)的硬件軟件系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括控制器的設(shè)計(jì)、電壓電流參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)、DC/DC模塊設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)際框圖

如圖2所示，系統(tǒng)中選用MSP430F149單片機(jī)作為控制器，采用MSP430F149內(nèi)部集成的AD采集模塊來完成電壓電流信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換和采集的功能，但是由于數(shù)據(jù)采集來的信號(hào)是電流和電壓的模擬信號(hào)，所以在電路中要加入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。DC/DC模塊根據(jù)實(shí)際需要提供幾種轉(zhuǎn)換方式。

圖3 混合電源軟件流程圖

軟件部分的設(shè)計(jì)采用C++來實(shí)現(xiàn)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的控制流程如圖3所示：系統(tǒng)初始化后，開啟電流、電壓的數(shù)據(jù)采集模塊，收集鋰電池的工作參數(shù)，使鋰電池處于備供電狀態(tài)，同時(shí)檢測(cè)燃料電池的電壓狀態(tài)，然后依據(jù)電壓的實(shí)際情況決定是否切換給鋰電池供電支路，從而實(shí)現(xiàn)混合供電的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在充分研究燃料電池的基礎(chǔ)上，確定了采用主動(dòng)式管理方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池及其輔助電源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制功能。設(shè)計(jì)了以MSP430單片機(jī)、DC/DC模塊及數(shù)字電位器等硬件設(shè)施所組成的控制電路。在設(shè)計(jì)的過程中，充分地考慮了主動(dòng)控制電路的能耗問題，并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的能量管理策略，實(shí)現(xiàn)了主輔電源工作過程中功率配合關(guān)系的主動(dòng)控制。

本系統(tǒng)采用控制器產(chǎn)生PWM信號(hào)直接對(duì)DC/DC模塊進(jìn)行控制，同時(shí)利用DA轉(zhuǎn)換提高反饋電壓的調(diào)節(jié)精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主輔電源的精確控制，提高了整個(gè)混合電源的電源品質(zhì)。

[1]張文濤.微小型燃料電池混合電源能量管理策略研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[2]吳成百.微小型燃料電池測(cè)試系統(tǒng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.