我國幅員遼闊，各種自然災害頻發(fā),，在搶險救災和突發(fā)事件處置中常用的應急供電設(shè)備汽油發(fā)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(xù)供電時間短且在應急場合無法提供充電恢復,。本文提出一種利用PEM燃料電池、鋰電池聯(lián)供的應急供電系統(tǒng),，儲氫容器更換時期間也可以保證連續(xù)供電,，控制系統(tǒng)采用模糊算法，根據(jù)鋰電池SOC,、燃料電池最佳工作狀態(tài)以及負載情況,，進行能量動態(tài)分配與管理。研制了在應急場合使用的樣機,，該系統(tǒng)連續(xù)供電時間長（是目前常用設(shè)備的2～3倍）,，無噪音、零排放,，可取得良好的效果,，是搶險救災應付突發(fā)事件的理想應急供電裝備。

1 系統(tǒng)組成
    燃料電池應急供電系統(tǒng)組成如圖1所示,。

    系統(tǒng)由120 W質(zhì)子膜燃料電池,、燃料電池控制器,、鋰電池及管理系統(tǒng),、能量管單元組成。鋰電池的指標為13.2 V/10 Ah,，以保證燃料電池故障狀態(tài)下或燃料耗盡更換不及情況下應急滿功率支持1 h的戰(zhàn)術(shù)要求,。燃料電池電堆指標：功率為120 W,，輸出電壓為15 V～28 V。燃料電池控制器主要完成對電堆溫度,、輸入氫氣和空氣壓力,、流量、以及電堆異常情況進行控制和監(jiān)測,，并通過CAN總線將信息傳輸至系統(tǒng)控制器,。系統(tǒng)控制器主要完成對負載大小、鋰電池SOC以及燃料電池電堆工況實時檢測并根據(jù)模糊算法動態(tài)進行能量管理,，使應急供電系統(tǒng)個部件工作在最佳狀態(tài),，以提高整機效率和關(guān)鍵部件使用壽命。
2 電路設(shè)計
2.1 充電與電池管理電路
    鋰電池充電電路如圖2所示,。直流電壓經(jīng)過隔離二極管D5加到MAX1873的15腳,。Ql為充電驅(qū)動信號輸出開關(guān)管。R4為充電電流檢測電阻,，用于檢測輸出電流的大小,。R2為系統(tǒng)電流的檢測電阻。R5、R6為輸出充電電壓調(diào)整電阻,。

    燃料電池輸出的15 V～28 V電壓經(jīng)過隔離二極管D5和總電流檢測電路,，一路經(jīng)過R2、DC/DC電路至輸出端,，另一路通過Q1,、電感L1、D6和R4向鋰電池充電,。R4上的電壓與充電電流成正比,，經(jīng)電壓誤差放大器放大，轉(zhuǎn)換成直流分量輸人微處理器,，微處理器將從MAX1873的14腳輸出反向控制電壓,，使Ql的導通電流減小。如果流經(jīng)R4上的電流過小,，由MAX1873的14腳輸出控制電壓使Ql的電流相應增加,，則會使電池組有一個恒定的電流值。當電流很小且達到充電電流最小值或0時,，MAX1873從14腳輸出低電平的脈沖控制信號,，關(guān)斷BGl，停止對電池充電,。當控制輸入端為低電平時,，BG2導通，充電控制腳6腳（ICHG/EN）為低電平,，14腳輸出低電平,，BG1關(guān)斷，停止充電,，此時充電電流僅為1 μA,，處于關(guān)閉狀態(tài)（充電被禁止）。
2.2 直流變換與控制電路
    DC/DC變換電路采用XL4012集成變換器,，輸入電壓3.6 V~36 V,，2 800 kHz的開關(guān)頻率，輸出電壓可以從0.8 V~28 V可調(diào),，轉(zhuǎn)換效率高達95%,，最大輸出電流12 A，外圍電路簡單,。
    應急供電系統(tǒng)需要檢測的參數(shù)比較多：燃料電池的輸出電壓,、輸出電流；充電與BMS的充電電流,、電池電壓和電池SOC；輸出端的輸出電流、輸出電壓,。因此需要擴展A/D接口,，系統(tǒng)控制采用89S51CPU，A/D采用TLV2543芯片,，該芯片有10路模擬電壓輸入,，與單片機采用串行接口，占用口線資源較少,，轉(zhuǎn)換速度比較快,，顯示采用LCD1602液晶顯示，不采用背光時液晶動態(tài)電流不大于5 mA,，主要顯示燃料電池工作狀態(tài),，鋰電池SOC及充放電情況，輸出電壓,、輸出電流信息,，整機效率等供電信息。
3 模糊控制算法
    讓燃料電池處于最佳狀態(tài),，同時讓鋰電池荷電狀態(tài)在SOCmin以上,。 以分配給燃料電池的功率份額為約束條件，調(diào)節(jié)鋰電池的輸出功率,。對鋰電池而言, 當蓄電池SOC最小極限值(SOCmin)小于或等于30%時,，鋰電池必須充電；當SOC在50%～70%時,，視負載需求功率情況,，可以充電也可以放電；當SOC大于90%時不充電,。以負載功率Pg和鋰電池荷電狀態(tài)SOC為模糊控制的輸入變量,，以燃料電池分配輸出功率Pfc和鋰電池輸出功率Pb為模糊控制器的輸出變量。模糊輸入變量Pg和SOC基本論域為[0,，100] W和[30,，90]%，將輸入變量模糊化,，模糊子集為{ZO（零）,， PS（正小）,，PM（正中）,，PB(正大)}；模糊輸出變量Pb的論域為[-100,，110] kW,，模糊子集也為{NB（負大），NM（負中），NS（負?。?，ZO（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）},，模糊輸出變量Pfc的論域為[0,，110] kW，模糊子集也為{ZO（零）,，PS（正?。琍M（正中）,，PB（正大）},。
      模糊控制器以負載功率Pg和鋰電池的荷電狀選擇輸入、輸出模糊變量的隸屬度函數(shù)為三角形如圖3,、圖4,、圖5和圖6所示。

5 系統(tǒng)仿真
    在Matlab仿真系統(tǒng)中建立模糊控制器,，取模糊控制的輸入變量目標功率Pg和鋰電池的荷電狀態(tài)SOC的論域為[-100,，110] W和[30，90]%,，取模糊控制器的輸出變量燃料電池分配輸出功率Pfc,、鋰電池分配輸出功率Pb的論域分別為[0，110] kW,、[-100,，110] W。鋰電池為10 Ah/13.2 V,，電池初始荷電狀態(tài)SOC=60%,。同時在 Matlab/Simulink取時間為0～15 min，其仿真波形如圖8所示,。

6 樣機測試與評估
    根據(jù)電池SOC和負載大小利用模糊算法將PEM燃料電池和鋰電池能量進行動態(tài)分配和管理,，研制了樣機，實際測試表明：整機供電效率在90%以上,，比功率為120 W/500 g,。在鋰電池初始SOC=80%時可為容量為600升的金屬儲氫罐連續(xù)供電時間16 h左右。連續(xù)工作時間以及維護等方面比傳統(tǒng)應急供電裝備性能有極大提高,，目前已經(jīng)在進行產(chǎn)業(yè)化,，極具推廣價值,。
參考文獻
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