專利名稱：一種通信用燃料電池備用電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種燃料電池電源裝置，具體而言，是一種通信用燃料電池備用
電源裝置。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的普遍提高和通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信電源得到了廣泛應(yīng) 用。傳統(tǒng)的通信電源主要通過市電進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換后輸出適合通信設(shè)備使用的直流電源，其 備用電源通常是體積龐大且笨重的蓄電池組，由于蓄電池效率低、使用壽命短、不可進(jìn)行 二次回收再利用、廢棄后嚴(yán)重污染環(huán)境等一系列弊端，其使用和推廣受到了很大的限制。 此外，一旦市電供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障其維修時(shí)間較長，尤其是當(dāng)市電供電系統(tǒng)遭受自然災(zāi)害 (如2008年的雪災(zāi)和汶川大地震等)嚴(yán)重破壞時(shí)，短期內(nèi)無法得到快速維修實(shí)現(xiàn)正常供電， 而蓄電池組持續(xù)工作的時(shí)間非常有限(一般為幾個(gè)小時(shí))，因此各種通信設(shè)備不間斷工作 很難得到保證，這樣帶來的通信中斷給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們的日常生活甚至是抗災(zāi)救援等帶 來極大的不便，嚴(yán)重影響社會(huì)和諧與穩(wěn)定。 美國的《時(shí)代》周刊把燃料電池列為改變?nèi)祟愇磥砩畹氖蟾呖萍贾?，目前?br>
界各國都花巨大的人力、物力和財(cái)力對(duì)燃料電池進(jìn)行重點(diǎn)研究渴望獲得其技術(shù)制高點(diǎn)以便
搶占產(chǎn)業(yè)化的先機(jī)，由于以上海神力科技有限公司、中科院大連化學(xué)物理研究所和武漢理
工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為代表的國內(nèi)機(jī)構(gòu)已經(jīng)具備燃料電池大批量生產(chǎn)
的能力，燃料電池通信備用電源有著廣闊的應(yīng)用市場，因此研發(fā)通信用燃料電池備用電源
對(duì)突破國外同類產(chǎn)品的市場壟斷和技術(shù)封鎖、實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新有著重大的戰(zhàn)略意義。
目前國內(nèi)尚未有商品化的通信用燃料電池備用電源的相關(guān)報(bào)道和專利授權(quán)，大多
樣機(jī)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，且都是以單模塊方式實(shí)現(xiàn)輸出功率1 2KW，不支持多模塊備用
和熱插拔等通信電源的特殊使用要求，長期低溫儲(chǔ)存和無間斷工作得不到保障，故商品化
還有一定的難度；國外已有的通信基站用燃料電池備用電源其氫氣來源于已加工好的現(xiàn)存
氫氣，以高壓氣瓶方式加注和運(yùn)輸，工作時(shí)間受氣瓶的容量限制，因此其可持續(xù)工作時(shí)間非
常有限；此外，氫氣和氧氣電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量直接讓其散失掉而未充分利用，因而氫氣
利用率和能量轉(zhuǎn)換效率明顯偏低；同時(shí)燃料電池模塊數(shù)量偏多、體積龐大且笨重、低溫儲(chǔ)存
能力較差、冷啟動(dòng)時(shí)間太長、缺乏良好的保濕能力；其監(jiān)控功能簡單，不利于系統(tǒng)整體的觀
測與維護(hù)，因而燃料電池的使用壽命不高；除此之外，系統(tǒng)不具備遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，需要派
遣工作人員經(jīng)常不定期進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)，因此其維護(hù)成本過高，加之本身的高成本，不利于系
統(tǒng)的推廣和產(chǎn)業(yè)化。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種利用大自然取之不盡用之不絕的太陽能和風(fēng)能 制氫，燃料供給不受市電影響，只要給燃料電池提供其反應(yīng)所需的氫和氧，它就可以提供源 源不斷的電能，具有高效節(jié)能，清潔環(huán)保、安全性強(qiáng)、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)"3+l"方式的燃料電池模塊和DC/DC模塊的備份且支持熱插拔的通信用燃料電池備用電源裝置，以 克服上述的不足。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型由制氫儲(chǔ)氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單 元、電控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元以及通信單元構(gòu)成，其特點(diǎn)是 制氫儲(chǔ)氫單元包含制氫裝置和固態(tài)儲(chǔ)氫裝置，制氫裝置利用太陽能或風(fēng)能制氫， 以固態(tài)形式儲(chǔ)存在固態(tài)儲(chǔ)氫裝置中；使用時(shí)通過吸收熱量釋放高壓氫氣，氫氣經(jīng)過高壓閥 和減壓閥后進(jìn)入燃料電池單元； 燃料電池單元產(chǎn)生的直流電能由輸出端提供給DC/DC單元，同時(shí)產(chǎn)生的熱量由空 氣冷熱交換裝置的出口供固態(tài)儲(chǔ)氫裝置吸收； DC/DC單元將直流電能調(diào)節(jié)升壓后給輸出單元提供電能； 輸出單元將電能分別供給負(fù)載、燃料電池單元、DC/DC1 4單元、電控單元、巡檢 單元、監(jiān)控單元以及通信單元等； 電控單元與各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)線相連，采集氫源氫氣壓力、高壓氫氣壓力、進(jìn)堆氫 氣壓力、出堆氫氣壓力、空氣流量、出堆空氣溫度、空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度、固 態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口溫度、輸出總電壓與總電流、輔助啟動(dòng)電池的充放電電流、市電電 壓、燃料電池單元中各個(gè)燃料電池堆的輸出電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)；通過P麗輸出模塊、 D/A輸出模塊、I/0控制模塊控制各個(gè)單元中的執(zhí)行器；通過CAN1與巡檢單元、監(jiān)控單元、通 信單元進(jìn)行通信； 巡檢單元通過數(shù)據(jù)線與燃料電池堆模塊所有單片電池的正負(fù)端相連，采集所有單 片電池電壓值并通過CAN2進(jìn)行傳輸，還通過第二通訊模塊(RS232/485 (2))與上位機(jī)2監(jiān) 控界面進(jìn)行通信； 監(jiān)控單元實(shí)時(shí)顯示該裝置相關(guān)的電壓、電流、壓力、流量、溫度等參數(shù)和工作狀態(tài)， 具備良好的人機(jī)交互功能； 通信單元通過GPRS或Ethernet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線或有線通信與監(jiān)控，通過第一通訊 模塊(RS232/485(1))與上位機(jī)1監(jiān)控界面通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試、監(jiān)控與故障診斷。 上述制氫儲(chǔ)氫單元由制氫裝置、固態(tài)儲(chǔ)氫裝置、高壓閥、減壓閥、壓力傳感器P1以 及溫度傳感器T7構(gòu)成；制氫裝置連接有壓力傳感器P1，利用太陽能或風(fēng)能制氫，其氫氣出 口通過管道與固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的氫氣入口相連，氫氣以固態(tài)形式儲(chǔ)存在固態(tài)儲(chǔ)氫裝置中，固 態(tài)儲(chǔ)氫裝置的氫氣出口通過管道依次與高壓閥、減壓閥和燃料電池單元中燃料電池堆模塊 的氫氣入口相連，此外，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣入口經(jīng)過溫度傳感器T6后與燃料電池單元中 空氣冷熱交換裝置的出口 1相連，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口連接有溫度傳感器T7，然后通 過管道接入大氣，壓力傳感器P1和溫度傳感器T7的輸出與電控單元的信號(hào)調(diào)理電路1的 輸入端相連，分別作為氫源氫氣壓力和固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口溫度的檢測信號(hào)。 上述燃料電池單元由燃料電池堆模塊、氫氣閥、調(diào)節(jié)閥、分配器、尾氣處理器、尾氣 閥、空氣過濾器、空氣加熱裝置、空氣抽氣裝置、空氣冷熱交換裝置、壓力傳感器P2 P4、溫 度傳感器T5和T6、流量傳感器Fa構(gòu)成；在氫氣供給回路中，來自制氫儲(chǔ)氫單元的氫氣通過 管道與氫氣閥的輸入端相連，氫氣閥的輸出端通過管道依次與壓力傳感器P2、調(diào)節(jié)閥和分 配器相連，分配器連接有進(jìn)堆壓力傳感器P3，其輸出端通過4根管道與燃料電池堆模塊的 氫氣入口相連，燃料電池堆模塊的氫氣出口通過管道與尾氣處理器的輸入端相連，尾氣處理器連接有出堆氫氣壓力傳感器P4，其輸出端通過管道與尾氣閥的輸入端相連，尾氣閥的 輸出端通過管道接入大氣；在空氣供給回路中(如圖1黑色粗線所示)，空氣過濾器的風(fēng)門 與大氣相連，其輸出端通過管道與空氣加熱裝置的輸入端相連，空氣加熱裝置的輸出端與 燃料電池堆模塊的空氣入口連接，燃料電池堆模塊的空氣出口與空氣抽氣裝置的輸入端相 連，空氣抽氣裝置的輸出端通過管道依次與空氣流量傳感器Fa、溫度傳感器T5和空氣冷熱 交換裝置的輸入端相連，空氣冷熱交換裝置的出口 1通過管道依次與溫度傳感器T6和制氫 儲(chǔ)氫單元的固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣入口相連，空氣冷熱交換裝置的出口 2通過管道連接至燃 料電池單元內(nèi)部；壓力傳感器P2 P4、溫度傳感器T5和T6、流量傳感器Fa的輸出與電控 單元的信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端相連，分別作為高壓氫氣壓力、進(jìn)堆氫氣壓力和出堆氫氣 壓力、出堆空氣溫度、空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度和空氣流量的檢測信號(hào)。 上述DC/DC單元由DC/DC1 4構(gòu)成；DC/DC1 4的輸入端先并聯(lián)，然后與燃料電 池堆模塊的正負(fù)極直流母線輸出端相連，對(duì)燃料電池堆模塊的輸出電壓進(jìn)行升壓調(diào)節(jié)，DC/ DC1 4輸出端并聯(lián)后與輸出單元的輸入端相連。 上述輸出單元由輸出模塊、內(nèi)部供電電路、掉電檢測電路構(gòu)成；輸出模塊一端與負(fù) 載相連，當(dāng)市電供電正常時(shí)，由220V交流電整流為48V直流電給負(fù)載供電，同時(shí)對(duì)內(nèi)部輔 助啟動(dòng)電池進(jìn)行充電；當(dāng)市電掉電時(shí)，輸出模塊內(nèi)部的輔助啟動(dòng)電池給負(fù)載供電，同時(shí)與內(nèi) 部供電電路相連，內(nèi)部供電電路輸出24V的直流電壓與空氣抽氣裝置的供電端相連，輸出 12V的直流電壓與高壓閥、氫氣閥、調(diào)節(jié)閥、尾氣閥、負(fù)載開關(guān)1 4、空氣加熱裝置、空氣冷 熱交換裝置以及DC/DC1 4的供電端相連，輸出5V和3. 3V的直流電壓與溫度傳感器、電 控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元以及通信單元的供電端相連，還輸出士12V的直流電壓與各個(gè) 電壓、電流、壓力和流量傳感器的供電端相連；掉電檢測電路的電壓傳感器V6的輸出與電 控單元的信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端相連，作為燃料電池單元快速啟動(dòng)或安全停機(jī)的檢測信 號(hào)。 上述電控單元由信號(hào)調(diào)理電路1、 A/D采樣模塊1、微處理器1 (MCU1) 、 P麗輸出模 塊、D/A輸出模塊、CAN1模塊、I/0控制模塊和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成；信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端通過 數(shù)據(jù)線與電壓傳感器V1 V6、電流傳感器A1 A6、溫度傳感器T1 T7、壓力傳感器P1 P4和空氣流量傳感器Fa的輸出信號(hào)相連，信號(hào)調(diào)理電路1的輸出端與A/D采樣單元1相 連；P麗輸出模塊與空氣過濾器的風(fēng)門、空氣抽氣裝置以及調(diào)節(jié)閥的控制端相連，通過輸出 P麗信號(hào)控制空氣過濾器的風(fēng)門開度、空氣抽氣裝置的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥的輸出壓力；D/A輸出 模塊與DC/DC 1 4的輸出電壓控制端相連，通過輸出不同的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量控制DC/ DC單元的輸出電壓值；驅(qū)動(dòng)電路由I/O 口控制，其輸出端與高壓閥、氫氣閥、尾氣處理器、尾 氣閥、空氣加熱裝置、空氣冷熱交換裝置、各個(gè)燃料電池堆的負(fù)載開關(guān)K1 K4、輸出單元中 的保護(hù)電路和充放電控制電路的功率開關(guān)管的控制端相連，控制其接通或關(guān)斷；通過CAN1 與巡檢單元的CAN2、監(jiān)控單元的CAN3和通信單元的CAN4相連并進(jìn)行通信，發(fā)送控制命令以 及接收來自巡檢單元、監(jiān)控單元和通信單元的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。 上述巡檢單元由信號(hào)調(diào)理電路2、 A/D采樣模塊2、微控制器2(MCU2)、通訊模塊 (RS232/485(2)) 、 CAN2模塊構(gòu)成；信號(hào)調(diào)理電路2的輸入端通過數(shù)據(jù)線與燃料電池堆模塊 所有單片電池正負(fù)端相連，信號(hào)調(diào)理電路2的輸出端與A/D采樣單元2相連；MCU2將所有 單片電池電壓值通過巡檢單元的通訊模塊通訊模塊(RS232/485(2))發(fā)送到上位機(jī)，通過
6CAN2把重要有關(guān)單片電壓值發(fā)送給電控單元、監(jiān)控單元、通信單元。 上述監(jiān)控單元由LCD、微控制器3(MCU3)、聲光報(bào)警及指示燈電路、按鍵、CAN3模 塊構(gòu)成；通過CAN3與電控單元、巡檢單元和通信單元通信；LCD顯示制氫儲(chǔ)氫單元、燃料電 池單元、DC/DC單元、輸出單元的各種參數(shù)與狀態(tài)，以及電控單元、巡檢單元和通信單元的命 令字，此外還顯示該系統(tǒng)的各種故障碼(包括參數(shù)故障和工作狀態(tài)故障)；聲光報(bào)警及指示 燈電路對(duì)系統(tǒng)正常工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，在故障狀態(tài)下進(jìn)行聲光報(bào)警；通過按下相應(yīng)的按鍵， 操作人員對(duì)燃料電池單元相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和查看，或?qū)ζ涔ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作和控 制。 上述通信單元由微控制器4 (MCU4) 、 GPRS模塊、Ethernet模塊、通訊模塊 (RS232/485(1))和CAN4模塊構(gòu)成；GPRS模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行無線通信，Ethernet 模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行以太網(wǎng)或局域網(wǎng)相連實(shí)現(xiàn)有線通信；采用通信單元的通訊模塊 (RS232/485 (1))與上位機(jī)通信，方便工作人員進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)試與控制。 上述燃料電池堆模塊由燃料電池堆1 4、進(jìn)堆氫氣熱插拔接口 II 14、出堆氫 氣熱插拔接口 01 04、溫度傳感器T1 T4、電壓傳感器V1 V4、電流傳感器A1 A4、二 極管Dl D4、負(fù)載開關(guān)Kl K4組成；燃料電池堆模塊的氫氣入口分別通過4根管道與進(jìn) 堆氫氣熱插拔接口 II 14相連，然后分別與燃料電池堆1 4的氫氣入口相連，燃料電池 堆1 4的氫氣出口分別通過管道與出堆氫氣熱插拔接口 01 04相連，然后與燃料電池 堆模塊的氫氣出口相連；燃料電池堆1 4的直流電源輸出端分別串聯(lián)有電流傳感器A1 A4和并聯(lián)有電壓傳感器V1 V4 ;各自的正極依次與二極管D1 D4和負(fù)載開關(guān)Kl K4 相連，經(jīng)過K1 K4后的輸出端相并聯(lián)作為燃料電池單元的正負(fù)極直流電源母線輸出端；溫 度傳感器Tl T4分別嵌入燃料電池堆1 4中與單片電池相連，溫度傳感器Tl T4、電 壓傳感器V1 V4和電流傳感器A1 A4的輸出與電控單元的信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端相 連，分別作為燃料電池堆1 4的溫度、輸出電壓和輸出電流的檢測信號(hào)。 上述輸出模塊由保險(xiǎn)管F1、濾波電路、保護(hù)電路、充放電控制電路、輔助啟動(dòng)電池、 電壓傳感器V5、電流傳感器A5和A6組成；輸出模塊的輸入端串聯(lián)有保險(xiǎn)管Fl，保險(xiǎn)管Fl 的輸出端與濾波電路的輸入端相連，濾波電路的輸出端依次串聯(lián)有電流傳感器A5和并聯(lián) 有電壓傳感器V5，然后與保護(hù)電路的輸入端相連，保護(hù)電路的輸出端一方面與負(fù)載相連，另 一方面與充放電控制電路的輸入端相連，充放電控制電路的雙向輸出端與充放電電流傳感 器A6串聯(lián)，然后與輔助啟動(dòng)電池的正負(fù)極相連，輔助啟動(dòng)電池的正負(fù)極還通過一個(gè)支路與 內(nèi)部供電電路相連；電壓傳感器V5、電流傳感器A5和A6的輸出與電控單元的信號(hào)調(diào)理電 路1的輸入端相連，分別作為該系統(tǒng)的輸出總電壓、輸出總電流以及輔助啟動(dòng)電池的充放 電電流的檢測信號(hào)。 上述燃料電池單元快速啟動(dòng)時(shí)為迅速獲取氫氣，電控單元將空氣抽氣裝置調(diào)至一 定的轉(zhuǎn)速，關(guān)閉空氣冷熱交換裝置的出口 2同時(shí)打開其出口 l，采用基于PI調(diào)節(jié)器的空氣冷 熱交換裝置出口 1的空氣溫度控制，設(shè)置空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度值為T' 6， T' e與溫度傳感器T6的實(shí)際檢測值比較得到溫度偏差A(yù)Te，通過PI調(diào)節(jié)器l，改變空氣 冷熱交換裝置的加熱功率，調(diào)節(jié)空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度值以及制氫儲(chǔ)氫單元 的固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的吸熱量。在低溫儲(chǔ)存時(shí)，為保持燃料電池單元內(nèi)部空氣溫度在1V以上 OV XTC)，也將空氣抽氣裝置調(diào)至一定的轉(zhuǎn)速，此時(shí)，關(guān)閉空氣冷熱交換裝置的出口 1 7同時(shí)打開其出口2，采用基于PI調(diào)節(jié)器的燃料電池單元內(nèi)部溫度控制，1V與出堆空氣溫度 傳感器T5的實(shí)際檢測值比較得到溫度偏差A(yù)T5'，通過PI調(diào)節(jié)器2，改變空氣加熱裝置的 加熱功率，調(diào)節(jié)燃料電池單元的內(nèi)部溫度； 上述電控單元實(shí)時(shí)檢測市電供電電壓，當(dāng)市電掉電時(shí)啟動(dòng)燃料電池單元給負(fù)載供 電，其中空氣過量系數(shù)控制在2以上，當(dāng)燃料電池單元持續(xù)工作產(chǎn)生熱量而溫度升高時(shí)，采 用模糊控制方法改變P麗輸出信號(hào)的占空比，通過控制空氣抽氣裝置的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)空氣帶走 的熱量，將燃料電池堆模塊的溫度保持在一定范圍，當(dāng)燃料電池堆模塊1 4的溫度Tl T4都高于設(shè)定的最大溫度值時(shí)，控制空氣抽氣裝置的P麗信號(hào)占空比為1，當(dāng)燃料電池堆模 塊1 4的溫度Tl T4都低于設(shè)定的最大溫度值時(shí)，控制空氣抽氣裝置的P麗信號(hào)占空比 為滿足負(fù)載及系統(tǒng)消耗功率所需2倍空氣過量系數(shù)對(duì)應(yīng)的最小值，當(dāng)燃料電池堆模塊1 4 的溫度Tl T4部分高于設(shè)定的最大溫度值時(shí)，控制空氣抽氣裝置的P麗信號(hào)占空比介于 最小值和1之間。 上述燃料電池單元由于燃料電池單元由于長期不工作會(huì)導(dǎo)致性能衰減，當(dāng)檢測其 持續(xù)未工作時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送啟動(dòng)命令，或由現(xiàn)場操作人員按下 啟動(dòng)按鍵，或由電控單元自動(dòng)喚醒發(fā)送啟動(dòng)命令，強(qiáng)制啟動(dòng)燃料電池單元，通過這種定期與 不定期的熱身使燃料電池單元保持良好的電化學(xué)反應(yīng)特性。 由于本實(shí)用新型充分利用了燃料電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量供固態(tài)儲(chǔ)氫裝置吸 收釋放氫氣，明顯區(qū)別與其它通信用燃料電池備用電源以氫氣瓶加注氫燃料方式，以及通 過風(fēng)冷或水冷方式直接將熱量散失的缺點(diǎn)，因而能量利用率高；所配置的燃料電池堆1 4 和DC/DC1 4任意3個(gè)的額定輸出功率之和大于負(fù)載消耗的最大功率，當(dāng)其中任意一個(gè)燃 料電池模塊或DC/DC模塊發(fā)生故障時(shí)將其取下，其余三個(gè)模塊的輸出仍然可維持負(fù)載正常 工作，也明顯區(qū)別于其它通信用燃料電池備用電源以單燃料電池模塊和單DC/DC模塊輸出 功率的局限性，以及以更多燃料電池模塊(大于或等于10個(gè))和更多DC/DC組合實(shí)現(xiàn)小功 率輸出造成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，從而實(shí)現(xiàn)了燃料電池單元和DC/DC單元"3+1"備份和熱插拔功 能，提高了系統(tǒng)的可靠性；采用燃料電池堆模塊溫度模糊控制方法，提高了系統(tǒng)電化學(xué)反應(yīng) 的效率；采用的基于PI調(diào)節(jié)器1的空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度控制，提高了系統(tǒng) 的快速啟動(dòng)能力；采用的基于PI調(diào)節(jié)器2的燃料電池單元內(nèi)部空氣溫度控制，提高了系統(tǒng) 的低溫存儲(chǔ)和環(huán)境適應(yīng)能力；采用不定期的強(qiáng)制性啟動(dòng)方法，保持了燃料電池的活性，提高 了其使用壽命。本實(shí)用新型突破了輸出功率的限制，可通過多個(gè)系統(tǒng)并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)大功率 輸出。該系統(tǒng)氫氣利用率高、環(huán)境適應(yīng)能力和可靠性好、啟動(dòng)快、使用壽命長，適合各種通信 基站備用電源使用。
圖1為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)原理框圖。 圖2為本實(shí)用新型的燃料電池堆模塊原理框圖。 圖3為本實(shí)用新型的輸出模塊原理框圖。 圖4為本實(shí)用新型的內(nèi)部供電電路原理框圖。 圖5為本實(shí)用新型的PI調(diào)節(jié)器1快速啟動(dòng)時(shí)溫度控制原理框圖。 圖6為本實(shí)用新型啟動(dòng)后燃料電池堆模塊溫度模糊控制原理框圖。[0035] 圖7為本實(shí)用新型的PI調(diào)節(jié)器2低溫儲(chǔ)存時(shí)溫度控制原理框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。 本實(shí)用新型主體部分結(jié)構(gòu)如附圖l所示，本實(shí)用新型的主體部分由制氫儲(chǔ)氫單 元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、電控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元以及通信單元組成 (圖1);制氫儲(chǔ)氫單元利用太陽能或風(fēng)能制氫并以固態(tài)存儲(chǔ)，通過吸收燃料電池單元的熱 量釋放氫氣；燃料電池單元通過氫氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電能和熱量；DC/DC單元對(duì)直 流電能調(diào)節(jié)升壓后給輸出單元提供電能；輸出單元在市電掉電時(shí)給負(fù)載供電；電控單元采 集各種數(shù)據(jù)以及向各單元發(fā)送控制信息；巡檢單元采集所有單片電壓值進(jìn)行傳輸；監(jiān)控單 元顯示各種參數(shù)和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；通信單元進(jìn)行近程和遠(yuǎn)程通信與監(jiān)控。 制氫儲(chǔ)氫單元由太陽能和風(fēng)能制氫裝置、高壓固態(tài)儲(chǔ)氫裝置、高壓電磁閥、手動(dòng)減 壓閥、氫源氫氣壓力傳感器P1以及固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口溫度傳感器T7構(gòu)成；制氫裝置 連接有氫源氫氣壓力傳感器P1，利用太陽能或風(fēng)能制氫，其氫氣出口通過管道與固態(tài)儲(chǔ)氫 裝置的氫氣入口相連，氫氣以固態(tài)形式儲(chǔ)存在固態(tài)儲(chǔ)氫裝置中，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的氫氣出口 通過管道依次與高壓電磁閥、手動(dòng)減壓閥和燃料電池單元中燃料電池堆模塊的氫氣入口相 連，此外，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣入口經(jīng)過溫度傳感器T6后與燃料電池單元中空氣冷熱交換 裝置的出口 1相連，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口連接有溫度傳感器T7，然后通過管道接入大 氣，氫源氫氣壓力傳感器P1和固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口溫度傳感器T7的輸出與電控單元 的信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端相連，分別作為氫源氫氣壓力和固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口溫度 的檢測信號(hào)。 燃料電池單元如圖2所示，由氫氣閥、調(diào)節(jié)閥、燃料電池堆模塊、氫氣分配器、尾氣 處理器、尾氣閥、空氣過濾器、空氣加熱裝置、空氣抽氣裝置、空氣冷熱交換裝置、高壓壓力 傳感器P2、進(jìn)堆氫氣壓力傳感器P3、出堆氫氣壓力傳感器P4、出堆空氣溫度傳感器T5、空氣 冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度傳感器T6、空氣流量傳感器Fa構(gòu)成；在氫氣供給回路中， 來自制氫儲(chǔ)氫單元的氫氣通過管道與氫氣閥的輸入端相連，氫氣閥的輸出端通過管道依次 與壓力傳感器P2、調(diào)節(jié)閥和分配器相連，電控單元通過控制氫氣閥的開通和調(diào)壓閥閥門的 開度后，使氫氣被進(jìn)一步降壓后進(jìn)入氫氣分配器，氫氣分配器連接有進(jìn)堆壓力傳感器P3， 其輸出端通過4根管道與燃料電池堆模塊的氫氣入口相連，使氫氣由此進(jìn)入燃料電池堆模 塊，燃料電池堆模塊的氫氣出口通過管道與尾氣處理器的輸入端相連，尾氣處理器連接有 出堆氫氣壓力傳感器P4，通過燃燒對(duì)未反應(yīng)完的氫氣進(jìn)行消耗處理，防止其泄露到室內(nèi)或 燃料電池單元內(nèi)部與空氣直接混合造成重大安全事故，其輸出端通過管道與尾氣閥的輸入 端相連，尾氣閥的輸出端通過管道接入大氣，通過控制尾氣閥的開通，排出部分尾氣，保證 燃料電池單元電化學(xué)反應(yīng)的效率；在空氣供給回路中(如圖1黑色粗線所示)，空氣過濾器 的風(fēng)門與大氣相連，其輸出端通過管道與空氣加熱裝置的輸入端相連，通過控制風(fēng)門的開 度調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料電池單元內(nèi)部的新鮮空氣量，空氣加熱裝置的輸出端與燃料電池堆模塊的 空氣入口連接，燃料電池堆模塊的空氣出口與空氣抽氣裝置的輸入端相連，通過控制空氣 抽氣裝置的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生壓力差，使得空氣從空氣加熱裝置的輸出端進(jìn)入燃料電池堆模塊進(jìn)行 反應(yīng)，然后攜帶反應(yīng)產(chǎn)生的熱量從空氣抽氣裝置的輸出端流出，空氣抽氣裝置的輸出端通過管道依次與空氣流量傳感器Fa、出堆空氣溫度傳感器T5和空氣冷熱交換裝置的輸入端 相連，空氣冷熱交換裝置的出口 1通過管道依次與空氣溫度傳感器T6和制氫儲(chǔ)氫單元的固 態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣入口相連，然后接入大氣，空氣冷熱交換裝置的出口 2通過管道連接至 燃料電池單元內(nèi)部；燃料電池堆模塊的正負(fù)極直流母線輸出端電壓為Uo，與DC/DC單元的 輸入端相連；壓力傳感器P2 P4、溫度傳感器T5和T6、流量傳感器Fa的輸出與電控單元 的信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端相連，分別作為高壓氫氣壓力、進(jìn)堆氫氣壓力和出堆氫氣壓力、 出堆空氣溫度、空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度和空氣流量的檢測信號(hào)。 DC/DC單元由DC/DC1 4構(gòu)成；DC/DC1 4的輸入與輸出端完全隔離，其額定輸 出功率分別為Pi、 P2、 P3、 P4，任意三者之和都大于負(fù)載功率和該系統(tǒng)自身消耗功率之和的最 大值，DC/DC1 4的所有輸入端并聯(lián)作為DC/DC單元的直流電源總輸入端，DC/DC1 4的 輸出端電壓分別為UDd、U^、U^、U^，并聯(lián)后作為DC/DC單元的直流電源總輸出端與輸出單 元的輸入端相連，穩(wěn)定工作時(shí)滿足UDC1 = UDC2 = UDC3 = UDC4。當(dāng)DC/DC1 4中任意一個(gè)出 現(xiàn)故障時(shí)將其拔掉，使得余下3個(gè)DC/DC的輸出仍然維持系統(tǒng)正常工作滿足負(fù)載及該系統(tǒng) 總功率消耗的需求，從而實(shí)現(xiàn)DC/DC單元"3+l"備份和熱插拔功能。當(dāng)燃料電池單元啟動(dòng) 后給負(fù)載供電時(shí)，通過電控單元的D/A信號(hào)調(diào)節(jié)DC/DC1 4的輸出電壓，以方面使燃料電 池堆各個(gè)模塊的輸出盡可能均勻和一致，另一方面，當(dāng)輔助啟動(dòng)電池SOC值較低時(shí)，為其充 電，從而提高系統(tǒng)的工作效率和使用壽命。 輸出單元如圖3所示，由輸出模塊、內(nèi)部供電電路、掉電檢測電路構(gòu)成；輸出模塊 一端與負(fù)載相連，當(dāng)市電供電正常時(shí)，由220V交流電整流為48V直流電給負(fù)載供電，同時(shí)對(duì) 內(nèi)部輔助啟動(dòng)電池進(jìn)行充電；當(dāng)市電掉電時(shí)，內(nèi)部輔助啟動(dòng)電池給負(fù)載供電，同時(shí)與內(nèi)部供 電電路相連，內(nèi)部供電電路輸出24V的直流電壓與空氣抽氣裝置的供電端相連，輸出12V的 直流電壓與高壓閥、氫氣閥、調(diào)節(jié)閥、尾氣閥、負(fù)載開關(guān)1 4、空氣加熱裝置、空氣冷熱交換 裝置以及DC/DC1 4的供電端相連為其供電，輸出5V和3. 3V的直流電壓與溫度傳感器、 電控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元以及通信單元的供電端相連為其供電，還輸出士12V的直流 電壓與各個(gè)電壓、電流、壓力和流量傳感器的供電端相連為其供電；掉電檢測電路含有市電 電壓檢測傳感器V6，其輸出與電控單元的信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端相連，作為燃料電池單 元快速啟動(dòng)或安全停機(jī)的檢測信號(hào)。 電控單元由信號(hào)調(diào)理電路1、A/D采樣模塊1、微處理器1 (MCU1) 、P麗輸出模塊、D/ A輸出模塊、CAN1模塊、I/O控制模塊和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成；信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端通過數(shù)據(jù) 線與燃料電池堆1 4的輸出電壓傳感器V1 V4、輸出單元中的輸出模塊的輸出總電壓傳 感器V5、市電電壓檢測傳感器V6、燃料電池堆1 4的輸出電流傳感器A1 A4、輸出單元 中的輸出模塊的輸出總電流傳感器溫A5、輔助啟動(dòng)電池的充放電電流A6、燃料電池堆1 4 的溫度傳感器T1 T4、出堆空氣溫度傳感器T5、空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度傳感 器T6、制氫儲(chǔ)氫單元的固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口溫度傳感器T7、氫源氫氣壓力傳感器Pl、 高壓壓力傳感器P2、進(jìn)堆氫氣壓力傳感器P3、出堆氫氣壓力傳感器P4以及空氣流量傳感器 Fa的輸出信號(hào)相連，信號(hào)調(diào)理電路1的輸出端與A/D采樣單元1相連，MCU1將各種傳感器 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理；P麗輸出模塊與空氣過濾器的風(fēng)門、空氣抽氣 裝置以及調(diào)節(jié)閥的控制端相連，通過輸出P麗信號(hào)控制空氣過濾器的風(fēng)門開度、空氣抽氣 裝置的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥的輸出壓力；D/A輸出模塊與DC/DC 1 4的輸出電壓控制端相連，通過輸出不同的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)控制DC/DC單元的輸出電壓值；驅(qū)動(dòng)電路由I/O 口
控制，其輸出端與高壓閥、氫氣閥、尾氣處理器、尾氣閥、空氣加熱裝置、空氣冷熱交換裝置、 各個(gè)燃料電池堆的負(fù)載開關(guān)K1 K4、輸出單元中的保護(hù)電路和充放電控制電路的功率開 關(guān)管的控制端相連，控制其接通或關(guān)斷；通過CAN1與巡檢單元的CAN2、監(jiān)控單元的CAN3和 通信單元的CAN4相連并進(jìn)行通信，發(fā)送控制命令以及接收來自巡檢單元、監(jiān)控單元和通信 單元的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。 巡檢單元由信號(hào)調(diào)理電路2 、 A/D采樣模塊2 、微控制器2 (MCU2)、通訊模塊 2(RS232/485) 、 CAN2模塊構(gòu)成；信號(hào)調(diào)理電路2的輸入端通過數(shù)據(jù)線與燃料電池堆模塊所 有單片電池正負(fù)端相連，信號(hào)調(diào)理電路2的輸出端與A/D采樣單元2相連；MCU2將所有單 片電池電壓值通過巡檢單元的通訊模塊2 (RS232/485)發(fā)送到上位機(jī)2，實(shí)現(xiàn)所有單片電池 電壓值在線監(jiān)測，方便調(diào)試和維修；通過CAN2把重要有關(guān)單片電壓值發(fā)送給電控單元供其 調(diào)整控制參數(shù)和策略、發(fā)送給監(jiān)控單元供其實(shí)時(shí)顯示、發(fā)送給通信單元供其進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸 與監(jiān)控。 監(jiān)控單元由LCD、微控制器3(MCU3)、聲光報(bào)警及指示燈電路、按鍵、CAN3模塊構(gòu) 成；通過CAN3與電控單元、巡檢單元和通信單元通信；LCD與MCU3的數(shù)據(jù)總線和I/O 口相 連，通過翻屏、換頁和滾動(dòng)的方式實(shí)時(shí)顯示制氫儲(chǔ)氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出 單元的各種參數(shù)與狀態(tài)，以及電控單元、巡檢單元和通信單元的命令字，此外還顯示該系統(tǒng) 的各種故障碼(包括參數(shù)故障和工作狀態(tài)故障)；聲光報(bào)警及指示燈電路對(duì)系統(tǒng)正常工作 狀態(tài)進(jìn)行顯示，在故障狀態(tài)下進(jìn)行聲光報(bào)警；通過按下相應(yīng)的按鍵，操作人員對(duì)該裝置相關(guān) 控制參數(shù)(如輸出總電壓、燃料電池堆1 4的溫度、出堆空氣溫度、空氣抽氣裝置的轉(zhuǎn)速) 進(jìn)行設(shè)置以及對(duì)相關(guān)電壓、電流、溫度和壓力等進(jìn)行查看，或?qū)ζ涔ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作 和控制(如強(qiáng)制啟動(dòng)或關(guān)機(jī)、保溫等)。 通信單元由微控制器4(MCU4) 、 GPRS模塊、Ethernet模塊、通訊模塊 (RS232/485(1))和CAN4模塊構(gòu)成；通過CAN4與電控單元、巡檢單元和監(jiān)控單元通信；GPRS 模塊和Ethernet模塊與MCU4的數(shù)據(jù)總線和I/O 口相連，GPRS模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行無 線通信，Ethernet模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行以太網(wǎng)或局域網(wǎng)相連實(shí)現(xiàn)有線通信；通訊接口 之一采用RS232/485總線(通信單元的第一通訊模塊(RS232/485 (1)))與上位機(jī)通信，方 便工作人員進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)試與控制；另一通訊接口采用CAN總線(CAN4模塊)與電控 單元、巡檢單元和監(jiān)控單元通信，接收相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，向其發(fā)送遠(yuǎn)程監(jiān)控命令。 燃料電池堆模塊(圖2)由燃料電池堆1 4、進(jìn)堆氫氣熱插拔接口 II 14、出堆 氫氣熱插拔接口 01 04、燃料電池堆模塊溫度傳感器Tl T4、燃料電池堆1 4的輸出 電壓傳感器V1 V4和輸出電流傳感器A1 A4、防反二極管D1 D4、負(fù)載開關(guān)K1 K4 組成；燃料電池堆模塊的氫氣入口分別通過4根管道與進(jìn)堆氫氣熱插拔接口 II 14相連， 然后分別與燃料電池堆1 4的氫氣入口相連，燃料電池堆1 4的氫氣出口分別通過管 道與出堆氫氣熱插拔接口 01 04相連，然后與燃料電池堆模塊的氫氣出口相連；燃料電 池堆1 4的直流電源輸出端分別為Ul。、 U2。、 U3。、 U4。，并分別串聯(lián)有電流傳感器A1 A4 和并聯(lián)有電壓傳感器VI V4，各自的正極依次與防反二極管Dl D4和負(fù)載開關(guān)Kl K4 相連，負(fù)載開關(guān)K1 K4的輸出端并聯(lián)后作為燃料電池單元的正負(fù)極直流電源母線輸出端， 在啟動(dòng)過程中，當(dāng)控制負(fù)載開關(guān)K1 K4全部閉合后，燃料電池單元啟動(dòng)完成，此時(shí)輸出電
11壓滿足Ul。 = U2。 = U3。 = U4。 = Uf。， Uf。為燃料電池堆模塊穩(wěn)定輸出總電壓值；燃料電池 堆1 4的額定輸出功率分別為P1^、P2^、P3^、P4^，任意三者之和大于負(fù)載功率和該系 統(tǒng)自身消耗功率之和的最大值，由于進(jìn)堆氫氣熱插拔接口 11 14和出堆氫氣熱插拔接口 01 04在拔出時(shí)快速關(guān)閉以及對(duì)插時(shí)兩端迅速連通的特性，當(dāng)任意一個(gè)燃料電池堆出現(xiàn) 故障時(shí)，將其拔掉進(jìn)行更換或者維修，從而實(shí)現(xiàn)"3+1"備份和氫氣氣路熱插拔功能，保證了 系統(tǒng)的可靠性供電；溫度傳感器T1 T4分別嵌入燃料電池堆1 4中與單片電池相連，溫 度傳感器Tl T4、電壓傳感器VI V4和電流傳感器Al A4的輸出與電控單元的信號(hào)調(diào) 理電路1的輸入端相連，MCU1將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，分別作為燃料電 池堆1 4的溫度1\ L、輸出電壓Ul。 U4。和輸出電流L 14的檢測信號(hào)。 輸出模塊(圖3)由保險(xiǎn)管F1、濾波電路、保護(hù)電路、充放電控制電路、輔助啟動(dòng)電 池、輸出總電壓傳感器V5、輸出總電流傳感器A5和充放電電流傳感器A6組成；輸出模塊的 輸入端串聯(lián)有保險(xiǎn)管F1，保險(xiǎn)管F1的輸出端與濾波電路的輸入端相連，濾波電路對(duì)輸入電 壓進(jìn)行濾波，去除高頻干擾將其調(diào)整為平滑的直流電壓UDc，其輸出端依次串聯(lián)和并聯(lián)有輸 出總電流傳感器A5和輸出總電壓傳感器V5，然后與保護(hù)電路的輸入端相連；保護(hù)電路的輸 出端作為輸出模塊的輸出端，一方面與負(fù)載相連，另一方面與充放電控制電路的輸入端相 連，當(dāng)出現(xiàn)欠壓、過壓、過流、過熱時(shí)通過關(guān)斷內(nèi)部功率開關(guān)管切斷與負(fù)載和充放電控制電 路的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)；充放電控制電路的雙向輸出端與輔助啟動(dòng)電池的充放電電 流傳感器A6串聯(lián)，然后與輔助啟動(dòng)電池的正負(fù)極相連；輔助啟動(dòng)電池的正負(fù)極還通過一個(gè) 支路與內(nèi)部供電電路相連；電壓傳感器V5、電流傳感器A5和A6的輸出與電控單元的信號(hào) 調(diào)理電路1的輸入端相連，分別作為該系統(tǒng)輸出總電壓、輸出總電流以及輔助啟動(dòng)電池的 充放電電流的檢測信號(hào)。 內(nèi)部供電電路(圖4)由DC/DC5 9組成；DC/DC5 9的輸入端與輸出端完全 隔離，輔助啟動(dòng)電池的輸出端與DC/DC5與DC/DC6的輸入端相連，DC/DC5的輸出端電壓為 12V，一方面與高壓閥、氫氣閥、調(diào)節(jié)閥、尾氣閥、空氣加熱裝置、空氣冷熱交換裝置以及DC/ DC1 4的供電端相連為其供電，另一方面與DC/DC7和DC/DC8的輸入端相連實(shí)現(xiàn)電壓進(jìn)一 步轉(zhuǎn)換；DC/DC6的輸出端電壓為24V，與空氣抽氣裝置的供電端相連為其供電；DC/DC7的輸 出端電壓為5V，與電控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元、通信單元的外圍電路、溫度傳感器T1 T6的供電端相連為其供電，以及與DC/DC9的輸入端相連實(shí)現(xiàn)電壓進(jìn)一步轉(zhuǎn)換；DC/DC8的輸 出端電壓為士12V，給電壓傳感器傳感器V1 V6、電流傳感器A1 A6、壓力傳感器P1 P4和流量傳感器Fa供電；DC/DC9的輸出端電壓為3. 3V，給電控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元、 通信單元的內(nèi)核和最小系統(tǒng)供電。 在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，當(dāng)檢測市電掉電時(shí)，燃料電池單元快速智能啟動(dòng)，其過 程分為以下幾個(gè)步驟 首先，為迅速獲取氫氣，電控單元將空氣抽氣裝置調(diào)至最高的轉(zhuǎn)速，關(guān)閉空氣冷熱 交換裝置的出口 2同時(shí)打開其出口 l，采用基于PI調(diào)節(jié)器的空氣冷熱交換裝置出口 1的 空氣溫度控制(如圖5所示)，將空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度值設(shè)置為Te'及以 上(根據(jù)環(huán)境溫度的高低情況適當(dāng)調(diào)高調(diào)低)，保證制氫儲(chǔ)氫單元的固態(tài)儲(chǔ)氫裝置吸收熱 量釋放的氫氣進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生的直流電能滿足負(fù)載輸出功率以及系統(tǒng)自身功率消耗的要求， T6'與空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度傳感器T6的實(shí)際檢測值比較得到溫度偏差A(yù)Te，通過PI調(diào)節(jié)器l，改變空氣冷熱交換裝置的加熱功率，調(diào)節(jié)空氣冷熱交換裝置出口 1 的空氣溫度值。 其次，當(dāng)空氣冷熱交換裝置出口 1的空氣溫度值上升到接近設(shè)置值Te'時(shí)，電控 單元開通高壓閥、氫氣閥，并控制調(diào)節(jié)閥將氫氣調(diào)到一定壓力范圍(通常為一個(gè)大氣壓左 右)，使其進(jìn)入燃料電池堆模塊參與反應(yīng)，同時(shí)啟動(dòng)尾氣處理器并開通尾氣閥，在燃燒掉未 反應(yīng)完的氫氣的同時(shí)通過排尾氣使燃料電池堆模塊氣路暢通。 然后，當(dāng)燃料電池堆1 4輸出電壓均大于設(shè)定的最小安全啟動(dòng)電壓值 Umin(0. 8*n， n為單片電池片數(shù))時(shí)，電控單元控制負(fù)載開關(guān)Kl K4和充放電控制電路的充 電開關(guān)閉合，同時(shí)控制放電開關(guān)斷開并關(guān)閉尾氣閥，然后輸出D/A信號(hào)逐步提升DC/DC1 4的輸出電壓值，直至充放電電流傳感器A6的輸出值為負(fù)，此時(shí)燃料電池單元啟動(dòng)完成，一 方面給負(fù)載供電，另一方面給輔助啟動(dòng)電池浮充直至充滿。由于此時(shí)燃料電池堆模塊溫度 較低，為使其溫度保持在一定范圍Tmin T^，提高反應(yīng)效率，通過檢測輸出電流1。，算出滿 足反應(yīng)所需的2倍空氣過量系數(shù)的空氣流量值F&，由空氣流量F&與空氣抽氣裝置的轉(zhuǎn)速 的對(duì)應(yīng)關(guān)系(由實(shí)驗(yàn)獲取)算出P麗信號(hào)的最小占空比D^，并通過P麗輸出模塊進(jìn)行 輸出。 最后，燃料電池單元啟動(dòng)完成給負(fù)載及系統(tǒng)自身供電，當(dāng)巡檢單元發(fā)送過來的最 低單片電壓值Using—lOT低于設(shè)定值Using—min時(shí)，控制尾氣閥每間隔m秒開通n秒排出部分尾氣 和生成的水，U^g^越低，設(shè)置m的值越小，反之越大。此時(shí)，燃料電池堆模塊溫度采用模 糊控制(如圖6所示)，其具體實(shí)施為將燃料電池堆模塊的溫度給定與溫度傳感器Tl T4比較得到誤差和誤差的變換率，通過模糊推理和去模糊化后，得到P麗信號(hào)的占空比，由 P麗輸出模塊輸出P麗信號(hào)控制空氣抽氣裝置的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷，若燃料電池堆1 4的溫 度1\ T4均低于Tmin時(shí)，使得輸出P麗信號(hào)的占空比為Dmin(Dmin為控制空氣抽氣裝置的最 低轉(zhuǎn)速保證空氣過量系數(shù)為2時(shí)的最小占空比)；若燃料電池堆1 4的溫度1\ T4均 高于Tmax時(shí)，使得輸出PWM信號(hào)的占空比為1 ;若燃料電池堆1 4的溫度1\ T4中，有 i (1《i《3)個(gè)值高于Tmax時(shí)，使得輸出P麗信號(hào)的占空比介于Dmin和1之間，i越大越接 近l，反之越接近Dmin。 若在燃料電池單元工作過程中，當(dāng)通過電壓傳感器V6的值檢測市電供電正常時(shí)， 電控單元通過依次斷開負(fù)載開關(guān)K1 K4、開通尾氣閥、關(guān)閉空氣抽氣裝置、空氣加熱裝置、 空氣冷熱交換裝置、氫氣閥、調(diào)壓閥和高壓閥，從而實(shí)現(xiàn)安全關(guān)機(jī)使負(fù)載的供電重新轉(zhuǎn)由市 電提供。 在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，當(dāng)環(huán)境溫度低于ot:時(shí)，為實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)存將燃料電池
單元的溫度保持在1V以上ov XTC)，電控單元輸出P麗信號(hào)將空氣抽氣裝置的轉(zhuǎn)速 調(diào)至1_，同時(shí)關(guān)閉空氣過濾器的風(fēng)門，此外，還通過1/0控制模塊輸出開關(guān)量信號(hào)經(jīng)過驅(qū) 動(dòng)電路后關(guān)閉空氣冷熱交換裝置的出口 l，然后開通空氣冷熱交換裝置的出口 2，使燃料電 池單元里面密封的空氣在內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，采用基于PI調(diào)節(jié)器2的燃料電池單元內(nèi)部空氣 溫度控制(如圖7所示)，T5'與出堆空氣溫度傳感器T5的實(shí)際檢測值比較得到溫度偏差 AT5'，通過PI調(diào)節(jié)器2，改變空氣加熱裝置的加熱功率，從而調(diào)節(jié)燃料電池單元的內(nèi)部溫 度；當(dāng)環(huán)境溫度很低燃料電池單元的內(nèi)部溫度上升緩慢時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)空氣冷熱交換裝置至 滿功率運(yùn)行進(jìn)行協(xié)助加熱使內(nèi)部空氣溫度迅速達(dá)到T5'及以上，從而提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、低溫存儲(chǔ)能力。 燃料電池單元由于市電長期正常供電而處于閑置狀態(tài)不工作，會(huì)導(dǎo)致性能衰減， 當(dāng)檢測其持續(xù)未工作時(shí)間超過設(shè)定值Tst。p時(shí)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送啟動(dòng)命令，或由現(xiàn)場 操作人員按下啟動(dòng)按鍵，或由電控單元自動(dòng)喚醒發(fā)送啟動(dòng)命令，強(qiáng)制啟動(dòng)燃料電池單元，啟 動(dòng)過程如上所述幾個(gè)步驟所示，此時(shí)控制負(fù)載開關(guān)Kl K4保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，尾氣閥以定時(shí)間 的方式排出尾氣，通過這種空載運(yùn)行生成的水保持質(zhì)子交換膜的濕度，同時(shí)使燃料電池保 持良好的電化學(xué)反應(yīng)活性，從而提高了其使用壽命和長期儲(chǔ)存能力。 本實(shí)用新型說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)人員公知的現(xiàn)有 技術(shù)。
權(quán)利要求一種通信用燃料電池備用電源裝置，它包括制氫儲(chǔ)氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、電控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元以及通信單元，其特征在于制氫儲(chǔ)氫單元包含制氫裝置和固態(tài)儲(chǔ)氫裝置，制氫裝置利用太陽能或風(fēng)能制氫，以固態(tài)形式儲(chǔ)存在固態(tài)儲(chǔ)氫裝置中；使用時(shí)通過吸收熱量釋放高壓氫氣，氫氣經(jīng)過高壓閥和減壓閥后進(jìn)入燃料電池單元；燃料電池單元產(chǎn)生的直流電能由輸出端提供給DC/DC單元，同時(shí)產(chǎn)生的熱量由空氣冷熱交換裝置的出口供固態(tài)儲(chǔ)氫裝置吸收；DC/DC單元將直流電能調(diào)節(jié)升壓后給輸出單元提供電能；輸出單元將電能分別供給負(fù)載、燃料電池單元、DC/DC單元、電控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元以及通信單元；電控單元與各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)線相連，采集氫源氫氣壓力、高壓氫氣壓力、進(jìn)堆氫氣壓力、出堆氫氣壓力、空氣流量、出堆空氣溫度、空氣冷熱交換裝置出口1的空氣溫度、固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口溫度、輸出總電壓與總電流、輔助啟動(dòng)電池的充放電電流、市電電壓、燃料電池單元中各個(gè)燃料電池堆的輸出電壓、電流和溫度；電控單元通過PWM輸出模塊、D/A輸出模塊、I/O控制模塊控制各個(gè)單元中的執(zhí)行器；電控單元通過CAN1與巡檢單元、監(jiān)控單元和通信單元進(jìn)行通信；巡檢單元通過數(shù)據(jù)線與燃料電池堆模塊所有單片電池的正負(fù)端相連，采集所有單片電池電壓值并通過CAN2傳輸，還通過巡檢單元的第二通訊模塊(2)與上位機(jī)進(jìn)行通信；監(jiān)控單元實(shí)時(shí)顯示該系統(tǒng)相關(guān)的電壓、電流、壓力、流量、溫度和工作狀態(tài)；通信單元通過GPRS或Ethernet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信與監(jiān)控，通過通信單元的第一通訊模塊(1)與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試、監(jiān)控與故障診斷。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種通信用燃料電池備用電源裝置，其特征在于制氫儲(chǔ)氫單 元由制氫裝置、固態(tài)儲(chǔ)氫裝置、高壓閥、減壓閥、壓力傳感器P1以及溫度傳感器T7構(gòu)成；制 氫裝置連接有壓力傳感器P1，利用太陽能或風(fēng)能制氫，其氫氣出口通過管道與固態(tài)儲(chǔ)氫裝 置的氫氣入口相連，氫氣以固態(tài)形式儲(chǔ)存在固態(tài)儲(chǔ)氫裝置中，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的氫氣出口通 過管道依次與高壓閥、減壓閥和燃料電池單元中燃料電池堆模塊的氫氣入口相連，此外，固 態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣入口經(jīng)過溫度傳感器T6后與燃料電池單元中空氣冷熱交換裝置的出口 l相連，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口連接有溫度傳感器T7，然后通過管道接入大氣，壓力傳感 器P1和溫度傳感器T7的輸出與電控單元的信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端相連，分別作為氫源 氫氣壓力和固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的空氣出口溫度的檢測信號(hào)。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種通信用燃料電池備用電源裝置，其特征在于燃料電池單 元由燃料電池堆模塊、氫氣閥、調(diào)節(jié)閥、分配器、尾氣處理器、尾氣閥、空氣過濾器、空氣加熱 裝置、空氣抽氣裝置、空氣冷熱交換裝置、壓力傳感器P2 P4、溫度傳感器T5和T6、
4. 控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元以及通信單元的供電端相連，還輸出士12V的直流電壓 與各個(gè)電壓、電流、壓力和流量傳感器的供電端相連；掉電檢測電路的電壓傳感器V6的輸 出與電控單元的信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端相連，作為燃料電池單元快速啟動(dòng)或安全停機(jī)的 檢測信號(hào)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種通信用燃料電池備用電源裝置，其特征在于電控單元由 信號(hào)調(diào)理電路1、A/D采樣模塊1、微處理器1、P麗輸出模塊、D/A輸出模塊、CAN1模塊、1/0控制模塊和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成；信號(hào)調(diào)理電路1的輸入端通過數(shù)據(jù)線與電壓傳感器V1 V6、電 流傳感器Al A6、溫度傳感器Tl T7、壓力傳感器Pl P4和空氣流量傳感器Fa的輸出 信號(hào)相連，信號(hào)調(diào)理電路1的輸出端與A/D采樣單元1相連；P麗輸出模塊與空氣過濾器的 風(fēng)門、空氣抽氣裝置以及調(diào)節(jié)閥的控制端相連，通過輸出P麗信號(hào)控制空氣過濾器的風(fēng)門 開度、空氣抽氣裝置的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥的輸出壓力；D/A輸出模塊與DC/DC1 4的輸出電壓 控制端相連，通過輸出不同的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量控制DC/DC單元的輸出電壓值；驅(qū)動(dòng)電 路由I/O 口控制，其輸出端與高壓閥、氫氣閥、尾氣處理器、尾氣閥、空氣加熱裝置、空氣冷 熱交換裝置、各個(gè)燃料電池堆的負(fù)載開關(guān)K1 K4、輸出單元中的保護(hù)電路和充放電控制電 路的功率開關(guān)管的控制端相連，控制其接通或關(guān)斷；通過CAN1與巡檢單元的CAN2、監(jiān)控單 元的CAN3和通信單元的CAN4相連并進(jìn)行通信，發(fā)送控制命令以及接收來自巡檢單元、監(jiān)控 單元和通信單元的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。
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7. 如權(quán)利要求1所述的一種通信用燃料電池備用電源裝置，其特征在于巡檢單元由 信號(hào)調(diào)理電路2、 A/D采樣模塊2、微控制器2、通訊模塊2、 CAN2模塊構(gòu)成；信號(hào)調(diào)理電路2 的輸入端通過數(shù)據(jù)線與燃料電池堆模塊所有單片電池正負(fù)端相連，信號(hào)調(diào)理電路2的輸出 端與A/D采樣單元2相連；微控制器2將所有單片電池電壓值通過巡檢單元的通訊模塊2 發(fā)送到上位機(jī)，通過CAN2把重要有關(guān)單片電壓值發(fā)送給電控單元、監(jiān)控單元、通信單元。
8. 如權(quán)利要求1所述的一種通信用燃料電池備用電源裝置，其特征在于監(jiān)控單元由 LCD、微控制器3、聲光報(bào)警及指示燈電路、按鍵、CAN3模塊構(gòu)成；通過CAN3與電控單元、巡 檢單元和通信單元通信；LCD顯示制氫儲(chǔ)氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元的各 種參數(shù)與狀態(tài)，以及電控單元、巡檢單元和通信單元的命令字，此外還顯示該系統(tǒng)的各種故 障碼；聲光報(bào)警及指示燈電路對(duì)系統(tǒng)正常工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，在故障狀態(tài)下進(jìn)行聲光報(bào)警； 通過按下相應(yīng)的按鍵，操作人員對(duì)燃料電池單元相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和查看，或?qū)ζ涔ぷ鳡?態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作和控制。
9. 如權(quán)利要求1所述的一種通信用燃料電池備用電源裝置，其特征在于通信單元由 微控制器4、 GPRS模塊、Ethernet模塊、通訊模塊1模塊和CAN4模塊構(gòu)成；通過CAN4與電 控單元、巡檢單元和監(jiān)控單元通信；GPRS模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行無線通信，Ethernet模 塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行以太網(wǎng)或局域網(wǎng)相連實(shí)現(xiàn)有線通信；采用通訊模塊1與的上位機(jī)通 信，方便工作人員進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)試與控制。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種通信用燃料電池備用電源裝置，其主體包括制氫儲(chǔ)氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、電控單元、巡檢單元、監(jiān)控單元以及通信單元，其特點(diǎn)是制氫儲(chǔ)氫單元利用太陽能或風(fēng)能制氫并以固態(tài)存儲(chǔ)，通過吸收燃料電池單元的熱量釋放氫氣；燃料電池單元通過氫氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電能和熱量；DC/DC單元對(duì)直流電能調(diào)節(jié)升壓后給輸出單元提供電能；輸出單元在市電掉電時(shí)給負(fù)載供電；電控單元采集各種數(shù)據(jù)以及向各單元發(fā)送控制信息；巡檢單元采集所有單片電壓值進(jìn)行傳輸；監(jiān)控單元顯示各種參數(shù)和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；通信單元進(jìn)行近程和遠(yuǎn)程通信與監(jiān)控。該電源系統(tǒng)清潔、高效、可靠，適合各種通信備用電源使用。
文檔編號(hào)H02J7/02GK201466785SQ200920084040
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月9日
發(fā)明者全書海, 全睿, 張立炎, 石英, 謝長君, 鄧堅(jiān), 陳啟宏, 黃亮 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)