氫/鋰電池混合動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

遲英姿 經(jīng)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(lián)，并將氫氧燃料電池作為主電源進(jìn)行供電，當(dāng)氫氧燃料電池供電不足時切換至鋰電池供電，從而達(dá)到延長載體續(xù)航時間的目的。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0009-02

0? 引言

氫產(chǎn)業(yè)鏈包含氫能源的生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸和利用。氫能源可以廣泛用于傳統(tǒng)領(lǐng)域和氫動力新化合物，以及用于發(fā)電的氫能，如分布式熱能、二級源等。從環(huán)保角度出發(fā)，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(huán)保、安全、可循環(huán)利用等系列能源研發(fā)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(dǎo)致能源緊缺，氫能源和氫氧燃料電池能量轉(zhuǎn)化率較高、噪音低、可環(huán)保型，因此非常適合作為替代品廣泛使用。

1? 整體構(gòu)造

1.1 研究目的? 在鋰電池穩(wěn)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(bǔ)給，同時檢測每塊鋰電池電芯的電壓。

1.2 方案優(yōu)化? 氫氧燃料電池的能量密度較高，穩(wěn)定輸出時電壓較高，需要通過降壓模塊將電壓降低達(dá)到平衡充電的電壓。當(dāng)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(dǎo)致可續(xù)航時間不能達(dá)到預(yù)期。當(dāng)兩電池分別單獨(dú)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(lián)在輸入端，當(dāng)主電源電能不足時，自動切換至另一塊電池進(jìn)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(jī)選用STC15W401AS單片機(jī)，STC系列單片機(jī)體積小，反應(yīng)不僅快且穩(wěn)定，寬電壓，不怕電源抖動，寬溫度范圍——-40～+85℃，以保證在復(fù)雜環(huán)境下的使用。P信道增強(qiáng)模式場效應(yīng)晶體管，對電路進(jìn)行穩(wěn)壓，并保證兩輸出端不會以為電壓降低而導(dǎo)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(dāng)氫氣通入氫氧燃料電池后，氫氧燃料電池系統(tǒng)就開始運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動，在氫氧燃料電池啟動時候請不要加載任何負(fù)載。氫氧燃料電池啟動后，可以根據(jù)需要在額定功率范圍內(nèi)逐步增加負(fù)載，但不能立即加到額定功率。氫氧燃料電池發(fā)生過流情況，控制報(bào)警器顯示，電堆電壓在10-17V都可以正常運(yùn)行。關(guān)閉氫氫氧燃料電池，當(dāng)準(zhǔn)備關(guān)閉氫氧燃料電池時，請確認(rèn)負(fù)載已經(jīng)關(guān)閉，然后關(guān)閉氫氣閥門，在關(guān)閉氫氣閥門后風(fēng)扇繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)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(shí)物（圖1）? 通過STC15W401AS單片機(jī)、P信道增強(qiáng)模式場效應(yīng)晶體管、電阻、電容、LED燈構(gòu)成該控制板。通過晶體管對電路進(jìn)行穩(wěn)壓，由單片機(jī)對整個電路的電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)主電源電壓低于設(shè)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(dāng)主電源電壓恢復(fù)至高于設(shè)定值一定值時，再自動切換回主電源供電。為保證能夠穩(wěn)定輸出，故將備用電源切換至主電源電壓略高于設(shè)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(dāng)紅燈亮起時，由主電源進(jìn)行供電;當(dāng)切換至備用電路時，紅點(diǎn)熄滅，綠燈亮起。

2? 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備? 試驗(yàn)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(dǎo)管。

將器材布置在自制小車上，試驗(yàn)分別為鋰電池、氫氧燃料電池通過混合動力控制板單獨(dú)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(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)

2.2.1 鋰電池與氫氧燃料電池并聯(lián)? 與下面第三個連接混合動力控制電路板做對照實(shí)驗(yàn)，采用鋰電池與氫氧燃料電池并聯(lián)的連接方式對負(fù)載進(jìn)行供電。開始時只連接鋰電池，鋰電池正常輸出。當(dāng)接入氫氧燃料電池，鋰電池電流迅速下降，最終電流顯示負(fù)輸出，處于充電狀態(tài)。接入負(fù)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(dāng)氫氧燃料電池電池功率輸出高于鋰電池時，會對鋰電池進(jìn)行不均衡充電，會損壞鋰電池電芯。當(dāng)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(jìn)行供電，導(dǎo)致回流而損壞氫氧燃料電池。當(dāng)氫氧燃料電池電池功率輸出高于鋰電池時，會對鋰電池進(jìn)行不均衡充電，會損壞鋰電池電芯。當(dāng)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(jìn)行供電，導(dǎo)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(dāng)氫氧燃料電池氫氣供給不足時，電壓、電流降低。（圖3所示）當(dāng)氫氣停止供給，氫氧燃料電池反應(yīng)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(jìn)行連接。氫氧燃料電池從氫氣流入氫氧燃料電池反應(yīng)堆時開始產(chǎn)生電能，因?yàn)闅溲跞剂想姵氐碾妷簳鸩椒€(wěn)定，所以將始終穩(wěn)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(jìn)行穩(wěn)定輸出。當(dāng)氫氧燃料電池的輸出趨于穩(wěn)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(xiàn)回流現(xiàn)象從而損壞電池。當(dāng)主電源供電電流開始降低時，備用電源開始電流補(bǔ)給;當(dāng)電壓低于設(shè)定值時，自動切換至備用電路，完全由備用電源進(jìn)行供電。在切換時不會使負(fù)載產(chǎn)生短暫的停頓或出現(xiàn)設(shè)備重啟的現(xiàn)象。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行供電，鋰電池會因?yàn)椴痪夤╇姸鴵p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(xiàn)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(jìn)行輸出，低功率端處于充電狀態(tài);接入混合動力控制電路板后，不供電的輸入端，保持著穩(wěn)定的電壓輸出，基本沒有電流輸入。

3? 結(jié)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(jìn)行延長，旨在載體的整體續(xù)航時間。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，通過改變減壓閥的壓力閥值，設(shè)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(jié)論：在該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中，通過控制板能夠使雙電源進(jìn)行無間斷輸出，小車整體運(yùn)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(xù)航時間，并且當(dāng)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(jìn)行輸出負(fù)載，切換期間不會使小車控制器重啟和小車動力停止，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)。但在由主電源進(jìn)行負(fù)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(fù)載的運(yùn)作產(chǎn)生影響。當(dāng)主電源的輸出電壓低于設(shè)定值時，自動切換至備用電路，當(dāng)主電源的輸出電壓恢復(fù)至高于設(shè)定值的一定值時，再切換回主電源供電。高于設(shè)定值是為了保證主電源電壓是否可以穩(wěn)定的高于設(shè)定值輸出，確保不會降低負(fù)載的功率。在氫氣輸入穩(wěn)定的情況下，氫氧燃料電池可以有效的提升續(xù)航時間。

參考文獻(xiàn)：

[1]李明.氫氧燃料電池智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

[2]丁樹凱.以無人機(jī)為載體的氫電混合動力供電系統(tǒng)的研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，2020.

[3]呂兵，等.氫電混合動力小車的設(shè)計(jì)研究.[J].現(xiàn)代鹽化工，2020（5）：68-70.