燃料電池備用電源系統(tǒng)設計與控制研究

更新時間：2022-08-24

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摘要

為了彌補燃料電池作為獨立備用電源存在的不足，提出一種以燃料電池為主電源、蓄電池為輔助電源的備用電源系統(tǒng)。根據(jù)燃料電池備用電源系統(tǒng)特性，提出了系統(tǒng)電壓閾值補償控制策略及蓄電池充放電控制策略，實現(xiàn)備用電源的不間斷切換及動態(tài)補償。基于提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略，研發(fā)了一臺3kW燃料電池備用電源樣機系統(tǒng)。實際測試表明，所提的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略實用、有效，所設計的燃料電池備用電源系統(tǒng)可用作不間斷備用電源。

引言

由于惡劣天氣條件、自然災害或者輸電線路故障等造成公用市電電網(wǎng)斷電時，政府、醫(yī)院、電信、銀行等一些特定部門的直流設備就需要一種可以連續(xù)運行數(shù)小時甚至數(shù)日的可靠直流備用電源，以防止市電突然斷電而造成巨大損失。備用電源是在工作電源中斷或不充足時為維持設備安全穩(wěn)定運行提供電源的供電裝置，目前常用的備用電源有柴油發(fā)電機和鉛酸蓄電池。柴油發(fā)電機存在工作噪音大、釋放有害氣體的缺點，且不能作為不間斷備用電源；而鉛酸蓄電池存在體積大、備電時間有限的缺點，且具有不確定性，對環(huán)境溫度要求苛刻。鑒于常用備用電源存在噪音大、污染環(huán)境、能量利用率低等不足，加之能源危機和人們環(huán)保意識的提高，研發(fā)清潔、環(huán)保的新型備用電源逐漸受到業(yè)界高度關注。

燃料電池是一種高效的電化學能量轉(zhuǎn)換裝置，它直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)限制，具有清潔、無污染、噪聲低、能量密度高、啟動快、連續(xù)供電時間長等優(yōu)點，且輸出為直流，這使得燃料電池非常適用于直流負載設備。燃料電池工作時比柴油發(fā)電機更加安靜環(huán)保，在同樣功率下燃料電池的能量密度高于鉛酸蓄電池。隨著燃料電池技術的不斷發(fā)展，燃料電池將逐漸取代鉛酸蓄電池和柴油發(fā)電機作為備用電源，應用前景廣闊。

燃料電池雖具有諸多優(yōu)點，但也存在輸出特性較軟、動態(tài)響應較慢、輸出電壓波動較大、啟動時需要輔助電源等不足。為了克服燃料電池存在的不足，本文結(jié)合燃料電池的特性，提出一種以燃料電池為主電源、蓄電池為輔助電源的備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)燃料電池備用電源系統(tǒng)特性提出了系統(tǒng)電壓閾值補償控制策略及蓄電池充放電控制策略，設計了該備用電源的系統(tǒng)控制單元。該燃料電池備用電源通過監(jiān)測市電供電狀態(tài)、負載功率需求、蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）等，實現(xiàn)燃料電池備用電源自動投入與切除、負載功率動態(tài)補償、輔助蓄電池充放電管理等。最后根據(jù)提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略研制了一臺3kW的燃料電池備用電源樣機，并采用單片機實現(xiàn)其系統(tǒng)控制單元及控制策略。測試結(jié)果表明，所提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略滿足不間斷備用電源的要求，控制策略實用、有效。

1、燃料電池備用電源系統(tǒng)設計

燃料電池存在的不足，使得其作為獨立的備用電源需要注意以下問題：工作電源掉電實時監(jiān)測及備用電源不間斷切換；燃料電池啟動輔助電源設計及管理；燃料電池備用電源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測；燃料電池備用電源功率補償控制。

1.1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對燃料電池作為備用電源時需要注意的問題，擬構(gòu)建以燃料電池為主電源、蓄電池為輔助電源的燃料電池備用電源系統(tǒng)，實現(xiàn)工作電源掉電時為負載設備提供穩(wěn)定、可靠、不間斷的備用電源。根據(jù)燃料電池的特性，提出的燃料電池備用電源系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、DC／DC變換器、蓄電池充電管理單元、系統(tǒng)控制單元、蓄電池及弱電供電單元等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1虛線框內(nèi)所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

a.燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要包含氫氣供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃料電池電堆、燃料電池發(fā)電控制器等。燃料電池發(fā)電控制器主要實現(xiàn)燃料電池發(fā)電控制及電堆壓力、溫度、電壓、電流等參數(shù)采集，并通過CAN通信總線與系統(tǒng)控制單元進行通信，接收系統(tǒng)控制單元下發(fā)的控制命令，上傳采集的壓力、溫度、電壓、電流等參數(shù)給系統(tǒng)控制單元，為協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。由于燃料電池輸出的直流電壓波動較大，難以直接與負載連接，因此在燃料電池輸出端連接一個DC／DC變換器，將輸出電壓變換到負載需求電壓等級后并入直流母線，解決燃料電池輸出電壓波動較大、不能直接與負載連接的問題。

b.蓄電池充電管理單元主要實現(xiàn)對備用電源系統(tǒng)中的蓄電池進行充放電管理，根據(jù)工作電源是否斷電、燃料電池輸出功率、負載需求功率及蓄電池的SOC等來控制蓄電池充放電。系統(tǒng)中的蓄電池一方面作為備用電源在切換過程中為負載提供短暫供電支撐，實現(xiàn)不間斷供電；另一方面為燃料電池啟動提供輔助啟動電源，解決燃料電池在啟動時需要外部提供輔助供電的問題。除此之外蓄電池還在燃料電池供電時為負載功率突變提供功率補償。

c.系統(tǒng)控制單元是整個燃料電池備用電源的控制核心，主要用于控制備用電源系統(tǒng)中各單元的自動工作、狀態(tài)參數(shù)采集、供電電源切換，并通過人機接口接收遠端監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的控制命令。

d.弱電供電單元主要為備用電源系統(tǒng)提供控制電源，其從直流母線或蓄電池取電，然后變換成備用電源系統(tǒng)需要的各種電壓等級的電源。

1.2、工作原理

燃料電池備用電源系統(tǒng)在啟動后實時監(jiān)測工作電源的供電狀態(tài)及備用電源系統(tǒng)本身的狀態(tài)，并通過人機接口與遠程監(jiān)控中心進行狀態(tài)參數(shù)傳輸。系統(tǒng)控制單元根據(jù)工作電源的供電狀態(tài)、蓄電池的SOC、備用系統(tǒng)狀態(tài)等控制備用電源系統(tǒng)中燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的啟動與停止、蓄電池的充放電、備用電源的投入與切除。

在備用電源系統(tǒng)安裝完成后，閉合開關K1為負載設備供電，同時燃料電池備用電源控制系統(tǒng)自動啟動，再閉合開關K2接入蓄電池。備用電源系統(tǒng)啟動后首先對系統(tǒng)進行初始化設置，然后進行工作電源供電狀態(tài)監(jiān)測。當系統(tǒng)監(jiān)測到工作電源供電正常時，備用電源進入待機工作模式：燃料電池發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電，斷開DK切除蓄電池供電，同時根據(jù)蓄電池的SOC對蓄電池進行充電管理；當系統(tǒng)監(jiān)測到工作電源供電中斷時，系統(tǒng)控制器立即閉合開關DK，切換到蓄電池供電工作模式：蓄電池一方面為負載供電，另一方面為系統(tǒng)控制單元啟動燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電提供啟動電源。當備用電源工作在蓄電池供電模式時，系統(tǒng)控制器根據(jù)工作電源是否恢復供電、燃料電池輸出是否穩(wěn)定、蓄電池SOC是否達到下限進行狀態(tài)切換。在燃料電池輸出不穩(wěn)定、工作電源恢復供電時，自動切除備用電源供電，停止燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，同時備用電源進入待機工作模式，負載轉(zhuǎn)由工作電源供電；當系統(tǒng)監(jiān)測到燃料電池輸出穩(wěn)定、工作電源未恢復供電時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入燃料電池供電模式：系統(tǒng)控制單元啟動DC／DC變換器，同時切換到燃料電池供電工作模式，負載設備轉(zhuǎn)為由燃料電池供電；當備用電源工作在燃料電池供電模式時，系統(tǒng)控制單元監(jiān)測到工作電源供電恢復后，備用電源轉(zhuǎn)入待機工作模式，同時停止燃料電池發(fā)電，負載轉(zhuǎn)由工作電源供電。備用電源各工作模式切換示意圖如圖2所示。

圖2 工作模式切換示意圖

1.3、系統(tǒng)控制策略

根據(jù)燃料電池備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作模式切換圖，其系統(tǒng)控制策略主要有蓄電池充電控制策略、蓄電池放電控制策略及電壓閾值補償控制策略。

1.3.1、蓄電池充電控制策略

備用電源工作在待機模式時，系統(tǒng)控制器在監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)的同時啟動蓄電池充電。蓄電池充電管理單元通過檢測蓄電池當前的SOC，并根據(jù)設置的SOC上限值SOCh及下限值SOCl控制對蓄電池的充放電。在SOC達到SOCh時，停止對蓄電池充電；當SOC低于SOCh時，開始對蓄電池進行充電。其充電控制策略為：

備用電源工作在燃料電池供電模式時，若燃料電池輸出功率PFC大于負載需求功率PLoad，系統(tǒng)控制單元將啟動蓄電池充電管理單元對蓄電池進行充電，其充電控制策略與備用電源工作在待機模式時的充電控制策略相同。

1.3.2、蓄電池放電控制策略

備用電源工作在蓄電池供電模式時，蓄電池處于放電狀態(tài)。若蓄電池充電管理單元監(jiān)測到蓄電池的SOC達到SOCl時，系統(tǒng)控制單元上傳報警信息，提醒蓄電池即將停止供電，隨后切除蓄電池對負載供電，備用電源系統(tǒng)停機。蓄電池放電控制策略為：

1.3.3、電壓閾值補償控制策略

備用電源處于燃料電池供電模式時，系統(tǒng)控制單元根據(jù)燃料電池輸出功率PFC、負載需求功率PLoad、蓄電池SOC等補償負載功率突變，其補償思想為：

如何檢測備用電源中燃料電池輸出功率小于負載需求功率是功率補償控制的關鍵。由于燃料電池備用電源直流輸出額定電壓為Uo，其允許連接的直流負載額定電壓即為Uo，當監(jiān)測到輸出直流母線電壓低于設計的額定電壓Uo時，說明負載需求功率大于燃料電池輸出功率，導致直流母線電壓下降。因此可以設置一個直流母線電壓閾值下限UTL及上限UTH。當直流輸出電壓Uo小于閾值UTL時，說明負載需求功率超過燃料電池輸出功率，此時需要切入蓄電池進行功率補償，同時控制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)增大功率輸出；當直流母線電壓Uo大于等于閾值UTH時，說明燃料電池輸出功率已達到負載需求功率，此時可切除蓄電池的功率補償，同時根據(jù)蓄電池的SOC對蓄電池進行充電。電壓閾值補償控制策略為：

2、系統(tǒng)控制單元硬件設計

本文主要研究備用電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)控制，對于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池充電管理單元不進行詳細研究。系統(tǒng)控制單元是整個備用電源的控制核心，主要負責工作電源供電狀態(tài)檢測、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動與停止及參數(shù)檢測、蓄電池充電啟動與停止、備用電源工作模式切換、與遠程監(jiān)控中心通信等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)控制單元主控制器選用增強型51單片機C8051F040為主控制器①，C8051F040內(nèi)部集成了12位多通道A／D轉(zhuǎn)換器、電壓基準及CAN控制器等功能部件。集成A／D轉(zhuǎn)換器可用于備用電源系統(tǒng)中電壓、電流等模擬信號的采集，而不用外接A／D轉(zhuǎn)換器；集成的CAN控制器*支持CAN2.0A和CAN2.0B，可用于系統(tǒng)控制單元與遠端監(jiān)控中心及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的通信。

2.1、工作電源斷電檢測

工作電源中斷與恢復的實時檢測將影響到備用電源的不間斷切換時間，可以選擇圖1中的點a或b進行工作電源斷電檢測。點a處為交流，需采用交流檢測技術；點b處為直流，可采用分壓比較檢測技術。

對于直流供電一般是市電經(jīng)AC／DC變換器轉(zhuǎn)換成直流后給負載供電，由于AC／DC變換器輸出端有一定容量的電容，所以通過點b檢測斷電信息有一定的延時，不能準確檢測到市電斷電時刻，導致系統(tǒng)控制單元不能在斷電瞬間投入備用電源而使負載存在斷電的危險。經(jīng)過實際試驗測試，通過點b進行斷電檢測，其延遲時間約為50ms，不能滿足備用電源不間斷切換的要求。由于點a能直接反映出市電斷電瞬間的信息而不存在延遲，故選擇在點a進行檢測，在交流斷電瞬間即可檢測到斷電信息，其檢測電路原理圖如圖4所示。

圖4 工作電源斷電檢測原理圖

交流220V首先經(jīng)過整流二極管VD1—VD4整流成高壓脈動直流，然后經(jīng)光耦隔離產(chǎn)生斷電信號。此處光耦起到電氣隔離的作用以避免對主控制器產(chǎn)生干擾及進行信號電平匹配。當交流有電時光耦導通，檢測信號ACST為高電平；當交流斷電時光耦截止，檢測信號ACST為低電平。經(jīng)實際測試，此檢測電路的檢測時間約為10ms。

2.2、電壓、電流檢測

燃料電池備用電源系統(tǒng)需要監(jiān)測系統(tǒng)各單元的電壓、電流，為主控制器的控制策略提供數(shù)據(jù)參考，同時需將采集的參數(shù)傳輸?shù)竭h端監(jiān)控中心，方便控制中心監(jiān)測備用電源系統(tǒng)工作狀態(tài)。系統(tǒng)控制單元電壓、電流檢測主要涉及燃料電池輸出端、蓄電池、直流母線等。

電壓采集采用差分輸入，采樣信號由兩級運放調(diào)理后經(jīng)線性光耦IL300隔離處理，以減小對主控制器的干擾。隔離后的電壓信號經(jīng)兩級運放放大調(diào)理后得到采樣信號Us，Us隨后接入主控制器的模擬采樣通道進行采集，其采樣電路如圖5所示。

圖5 電壓采樣電路

電流檢測使用電流霍爾傳感器LA25-NP將采樣電流值轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)采樣調(diào)理電路處理后接入主控制器的模擬采樣通道進行采集。電流采樣的調(diào)理電路與電壓采樣調(diào)理電路類似。

2.3、CAN通信接口

CAN總線是工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信總線，具有通信實時性強、速率高、傳輸距離遠等優(yōu)點。因此系統(tǒng)控制單元采用CAN通信接口與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及遠端監(jiān)控中心進行參數(shù)、命令傳輸，能保證通信的實時、穩(wěn)定。

由于C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器是一個協(xié)議控制器，它并沒有提供物理層的收發(fā)功能，要實現(xiàn)與CAN總線的通信接口，需要增加外部CAN收發(fā)控制器，實現(xiàn)CAN通信數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，其接口原理圖如圖6所示。

圖6 CAN通信接口電路

CAN總線信號CANTX和CANRX經(jīng)過高速光耦6N137進行電氣隔離，再經(jīng)CAN總線收發(fā)器接口芯片SN65HVD230驅(qū)動后接到CAN總線上。光耦6N137實現(xiàn)CAN節(jié)點與CAN總線間的電氣隔離，提高節(jié)點可靠性，并保護CAN總線上的其他節(jié)點。

3、系統(tǒng)控制單元工作流程

燃料電池備用電源系統(tǒng)控制單元是系統(tǒng)的控制核心，主要負責系統(tǒng)參數(shù)的采集、蓄電池充放電控制、燃料電池發(fā)電控制、供電電源不間斷切換及負載功率補償?shù)取溆秒娫聪到y(tǒng)具有3種工作模式：待機模式、蓄電池供電模式、燃料電池供電模式，不同模式下系統(tǒng)控制單元的任務不同，其控制單元工作流程如圖7所示。

圖7 工作流程圖

燃料電池備用電源系統(tǒng)啟動后，根據(jù)工作電源的供電情況進入待機模式或蓄電池供電模式。若備用電源在工作電源供電正常時啟動，則啟動后備用電源進入待機模式，此時系統(tǒng)控制單元只負責監(jiān)測備用電源系統(tǒng)的待機狀態(tài)參數(shù)、控制蓄電池充電及備用電源異常報警。當工作電源突然斷電時，控制單元立即檢測到斷電信號，先停止對蓄電池的充電，然后閉合開關DK，由蓄電池為負載提供電源，切換到蓄電池供電模式，同時啟動燃料電池發(fā)電。在燃料電池輸出穩(wěn)定之前，備用電源一直工作在蓄電池供電模式。當系統(tǒng)控制單元檢測到燃料電池輸出穩(wěn)定后，控制單元啟動DC／DC變換器，轉(zhuǎn)為燃料電池給負載供電。如果此時燃料電池輸出功率PFC大于負載需求功率PLoad即Uo>UTH時，則控制單元斷開開關DK，切除蓄電池供電，并根據(jù)蓄電池當前SOC決定是否啟動對蓄電池充電；如果負載突然增加或者燃料電池輸出功率PFC小于負載需求功率PLoad即Uo<UTL時，則控制單元閉合開關DK切入蓄電池，由蓄電池、燃料電池共同為負載提供功率，實現(xiàn)燃料電池輸出功率不足時，由蓄電池進行動態(tài)功率補償，保障負載設備的穩(wěn)定、可靠運行。

4、測試與分析

根據(jù)所提燃料電池備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)控制策略，研制了一臺3kW燃料電池備用電源樣機。備用電源選用的燃料電池輸出電壓范圍為30~40V，凈輸出功率為3.5kW，蓄電池容量為60A·h。設計的備用電源輸出電壓為直流48V，功率為3kW。

4.1、工作電源斷電檢測測試

工作電源中斷與恢復的實時檢測將影響到備用電源的不間斷切換時間。在燃料電池備用電源系統(tǒng)安裝完成后，將示波器探頭連接到斷電檢測信號輸出端ACST、將差分探頭連接到交流供電輸入端，依次閉合圖1中開關K1、K2，使備用電源系統(tǒng)正常啟動并工作于待機模式。在備用電源系統(tǒng)工作正常后，突然切斷市電供電，示波器捕捉到的檢測信號ACST及交流供電波形如圖8所示。從圖中可以看到交流供電斷電檢測響應時間大約為7ms，滿足不間斷切換中斷電檢測時間要求，檢測信號有下降尖峰，這是由正弦交流整流脈動直流產(chǎn)生的，但尖峰的低值并未達到低電平的范圍內(nèi)，故不影響斷電信號的判斷。

圖8 工作電源斷電檢測波形

4.2、工作模式切換測試

利用10kW電子負載代替實際直流負載設備，按照圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建試驗測試平臺，并將電子負載功率調(diào)節(jié)到3kW，對研制的燃料電池備用電源系統(tǒng)進行測試。在市電正常的情況下突然斷開市電、在燃料電池供電模式下突然恢復市電供電，用示波器觀測直流母線電壓曲線變化情況見圖9。

圖9 模式切換時直流母線電壓曲線圖

圖9（a）是在燃料電池處于待機模式時，市電斷電瞬間系統(tǒng)控制自動切換到蓄電池供電模式的電壓曲線，圖中蓄電池供電電壓只有44.4V，這是由多次試驗后蓄電池容量降低導致的，示波器捕捉的切換時間大約為20ms。從圖中可以看到在負載功率為3kW的整個切換過程中，負載供電沒有中斷，只是發(fā)生了一定電壓跌落，導致電壓跌落的原因是蓄電池在多次試驗后容量不足。圖9（b）是在燃料電池輸出穩(wěn)定后切換到燃料電池供電時的電壓波形圖。市電恢復供電時切換波形圖如圖9（c）所示。在燃料電池供電正常的情況下突然恢復交流供電，當市電突然恢復正常供電后，系統(tǒng)控制單元立即檢測到交流供電恢復信號ACST為高，并按照設計的控制策略先發(fā)送停止燃料電池發(fā)電命令（圖中①處波形），同時切換到蓄電池供電模式。在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)確認燃料電池停止發(fā)電后，系統(tǒng)控制單元立即切換到交流供電（圖中②處波形），并切除蓄電池供電進入待機模式。示波器捕捉的由蓄電池模式恢復交流供電的切換時間大約為40ms。

4.3、蓄電池充放電及功率補償測試

在市電供電正常、斷電及恢復供電期間，對蓄電池充放電電流進行捕捉觀察，如圖10（a）所示。上面是工作電源交流電壓波形曲線，下面是蓄電池充放電電流波形曲線。從圖中可以看出：在市電供電正常時，蓄電池處于充電狀態(tài)；在市電突然斷電瞬間，蓄電池立即切入直流母線，對負載供電。

在燃料電池供電模式下，對蓄電池的充放電電流進行捕捉觀察，如圖10（b）所示，上面是燃料電池供電模式下直流母線電壓波形曲線，下面是蓄電池充放電電流波形曲線。從圖中可見：在燃料電池供電模式下，燃料電池輸出功率PFC大于負載需求功率PLoad，蓄電池處于充電狀態(tài)；手動調(diào)整負載功率，負載功率發(fā)生波動后，導致直流母線電壓跌落，系統(tǒng)控制單元立即切入蓄電池功率補償，蓄電池進行放電；在負載功率降低后，蓄電池再次開始充電。

圖10 蓄電池充放電波形

經(jīng)過試驗測試，研制的燃料電池備用電源系統(tǒng)各工作模式切換正常、有效，所提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略及系統(tǒng)控制單元工作流程能夠滿足不間斷備用電源的要求。

5、結(jié)論

針對目前備用電源系統(tǒng)存在的不足及燃料電池良好的應用前景，本文提出基于燃料電池的備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略，替代傳統(tǒng)的蓄電池或柴油發(fā)電機備用電源，可延長備電時間、縮短切換時間、降低環(huán)境污染。隨著燃料電池技術的不斷發(fā)展，燃料電池制造成本的下降，配套設施的逐漸完善，燃料電池作為一種高效節(jié)能、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，必將在備用電源中得到廣泛的應用。

來源 | 燃料電池備用電源系統(tǒng)設計與控制研究

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