300W质子膜燃料电池应急供电系统设计

赵波+徐垚

摘 要：设计了一种基于质子膜燃料电池（PEMFC）和铅酸蓄电池混合供电的300W应急供电系统。系统由质子膜燃料电池、燃料电池控制器、铅酸蓄电池、DC/DC变换、DC/AC变换和系统控制器组成。并实际制作了样机，测试系统各项数据和指标，均达到预期目标，取得了良好的社会效益和经济效益。

关键词：PEMFC；应急供电；C8051F040

0 引言

我国幅员辽阔，各种自然灾害频发，在抢险救灾和突发事件处置中常用的应急供电设备汽油发电机比较笨重、噪音大且释放有害气体，锂电池、镍氢电池、铅酸电池等连续供电时间短且在应急场合无法提供充电恢复[1]。燃料电池工作期间冷反应无噪声（风扇有较小的噪音）、不排放有害气体不污染环境等优点，并且系统工作期间可以不切断电源对储氢设备补充氢气，从而实现不间断长时间的应急供电。此外，锂聚合物电池具有体积小、放电电流大等优点，在燃料电池输出功率较小时对锂电池进行充电，实现与燃料电池的混合供电。实际制作了样机，测试系统各项数据和指标，均达到预期目标，取得了良好的社会效益和经济效益。本文设计了一种基于300W质子膜燃料电池（PEMFC）和铅酸蓄电池的混合供电的应急供电系统。

1 总体方案

系统总体框图如图1所示。300W燃料电池应急供电系统由储氢器、500W PEMFC燃料电池、12V/8.4A DC/DC变换、燃料电池控制器、系统控制器、24V/12.5A DC/DC变换、12V/25A DC/DC变换、220V DC/AC变换、5V/1A DC/DC变换、铅酸电池和铅酸电池充电器组成，系统总体框图如图1所示。

整个系统又可以分为燃料电池系统、24V/12.5A DC/DC变换、铅酸蓄电池和二级DC/DC变换，各部分的主要功能如下：

（1）燃料电池系统：储氢器、500W PEMFC、12V/8.4A DC/DC变换和燃料电池控制器构成燃料电池系统，产生电压不稳定的电压，供下一级电源变换。

（2）24V/12.5A DC/DC变换：该级DC/DC变换将前一级燃料电池系统输出的不稳定的电压转换成24V稳定的电压。

（3）铅酸蓄电池：由于燃料电池输出特性较软，负载过重时，燃料电池无法输出足够大的电流。采用铅酸蓄电池作为“电容”和一级DC/DC变换并联，用于在负载过重时，仍然可以为负载提供足够的电流。铅酸电池充电器用于为铅酸蓄电池充电。

（4）二级DC/DC变换：12V/25A DC/DC变换、220V DC/AC变换和5V/1A DC/DC变换构成二级DC/DC变换，用于产生不同的电压。

2 系统主要组成部分设计

2.1 系统控制器设计

系统控制器框图如图2所示。系统控制器作为整个系统的控制部分，主要包括以下功能：PEMFC燃料电池电压电流检测、铅酸电池电压电流检测、系统温度检测、气阀开关、LCD显示和按键、PEMFC燃料电池输出继电器控制、铅酸电池输出继电器控制、24V输出继电器控制、12V输入继电器控制、220V输入继电器控制、5V输入继电器控制和控制器。

2.2 燃料电池控制器设计

燃料电池工作过程中，需要检测PEMFC燃料电池的电流，检测电堆的温度，驱动风扇，控制气阀的开和关以及CAN总线通信。燃料电池控制器框图如图3所示。

2.3 LCD显示和按键部分设计

LCD显示和按键部分设计框图如图4所示。主要包括LCD显示屏、背光板、背光控制电路、LCD驱动电路、控制器和按键电路。由于系统控制器功能众多，需要准确实时控制整个系统，监控整个系统的运行。为了简化设计，将LCD显示和按键部分，独立设计成一个模块，LCD显示和按键部分通过串口与主控制器进行通信，主控制器通过串口控制LCD显示和按键输入。

3 结论

设计了一种基于质子膜燃料电池（PEMFC）和铅酸蓄电池混合供电的300W应急供电系统。系统由质子膜燃料电池、燃料電池控制器、铅酸蓄电池、DC/DC变换、DC/AC变换和系统控制器组成。并实际制作了样机，测试系统各项数据和指标，均达到预期目标，取得了良好的社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 肖铎，戚伟，汪秋婷，赵波，方健.100W质子膜燃料电池应急供电系统[J].电子技术应用，2012，38（3）：75-77.

[2] 赵波，肖铎，戚伟.基于BQ24610的质子膜燃料电池应急供电系统[J].信息技术，2012，（8）：33-39.