專利名稱：燃料電池電子負載及制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池技術，特別涉及一種燃料電池電子負載的制作方法。
背景技術：
燃料電池是用多個單片電池組成的電池組。研制新型的電池時，為了 降低研制成本，通常做法是先對單片電池進行研究，制作出面積較小的單 片電池，然后進行性能評價，性能達到要求后再按比例放大，制成可應用 的電池組。電池的性能評價離不開負載。性能穩定、可調性好、適應性強是電池 負載的關鍵指標。單片燃料電池的特點是，低電壓大電流，空載時電壓為IV，放電電流最大時電壓降到0.2V以下。如果單片電池做的面積比較小， 最大放電電流不到IOA，負載電阻小于0.02Q即可滿足放電要求，因此， 選用分辨率為0. OIQ。的標準直流電阻箱即可做評價電池的負載了。但面積較小的樣品電池性能與實際應用的電池還有差距，為了保證對 新研制出的單片電池的評價結果更接近實際應用的電池性能，必須加大電 池的面積。這樣，面積放大后的單片電池放電電流最大時的電壓雖然還是 0. 2V以下、但放電電流能達到60A以上，放電的負載電阻必須小于0.003Q 才行。用滑線電阻器或標準直流電阻箱顯然不行了，因為滑動端的接觸電 阻就遠大于這個值。必須找到電阻特別小的負載，這是燃料電池技術領域 的一大課題，在國內電子負載發明專利中，很少有能滿足適合燃料電池用 的電子負載。文獻(l)(申請號02124911.3，公開號CN1464578A)提及采用功率場效 應管MOSFET的低導通電阻特性做為燃料電池的電子負載，通過控制其柵 源極間電壓可任意調整導通電阻的大小，即改變負載的大小。本方法為了 提高功率場效應管(MOSFET)的抗干擾性，將智能控制器輸出的0-4V控制 信號，通過精密隔離放大器，再接到功率場效應管MOSFET的柵極控制電 壓，以提高控制信號的準確性和抗干擾性。申請人發現電子元件功率場效應管(MOSFET)具有如下特點漏極電流ID，表征功率場效應管MOSFET的電流容量，其測試條件為， Uw為40V, UDs為某個適當值時的漏極電流。實際應用中的電流Id應該小 于60XlD運行比較可靠。漏源擊穿電壓U(肌)Ds，表征功率MOSFET的耐壓極限。UcjfO時，漏 源之間的反向泄漏電流達到某一規定值時的漏源電壓。柵源擊穿電壓U(BR)CS，表征功率MOSFET柵源間能承受的最高電壓，其值一般為士20V。開啟電壓Ugs腳，它指的是征功率MOSFET流過一定量的漏極電流時 的最小柵源電壓。當柵源電壓等于開啟電壓時，功率場效應管MOSFET開 始導通。圖1中顯示的開啟電壓不到2V。功率MOSFET屬于電壓型控制 器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過其閥值電壓就會導通。由于 MOSFET存在結電容，關斷時其漏源兩端電壓的突然上升將會通過結電容 在柵源兩端產生干擾電壓，故抗干擾性較差。為了提高功率場效應管(MOSFET)的抗干擾性，將智能控制器輸出的 0-4V控制信號，通過精密隔離放大器U1，再接到功率場效應管MOSFET 的柵極控制電壓，以提高控制信號的準確性和抗干擾性。導通電阻Row，是指在確定柵源電壓Ues，功率MOSFET處于恒流區 時的直流電阻，它與輸出特性密切相關，是影響最大輸出功率的重要參數。如果用一組MOSFET制成電子負載，可以滿足燃料電池對低電壓大電 流微小電阻這樣的要求。 發明內容本發明的目的是提供一種燃料電池電子負載的制作方法，以實現燃料 電池的低電壓大電流放電，具有導通電阻低，放電電流大，控制精度高， 抗干擾性強等特點。為達到上述目的，本發明的解決方案是采用功率場效應管(MOSFET) 低導通電阻特性做為燃料電池的電子負載，通過控制其柵源極間電壓可任 意調整導通電阻的大小，即改變負載的大小。一種燃料電池電子負載，采用功率場效應管MOSFET的低導通電阻特 性做為燃料電池的電子負載;其核心元件就是MOSFET,為了提高功率場效 應管(MOSFET)的抗干擾性，將智能控制器輸出的0-4V控制信號，通過精 密隔離放大器U1，再接到功率場效應管MOSFET的柵極控制電壓，以提 高控制信號的準確性和抗干擾性。一種燃料電池電子負載的制作方法，通過控制其柵源極間電壓可任意 調整導通電阻的大小，即改變負載的大小第一步，首先確定電源參數，確定電壓和電流值，計算出負載電阻應 該達到多少歐姆數，才能達到放電要求；第二步，根據計算所得負載電阻阻值選擇功率場效應管MOSFET;第三步，設計電路板，將不少于二個功率場效應管MOSFET并聯， 計算并聯后的最小電阻值，判斷是否符合電子負載要求；第四步，控制電路設計，設計一個智能控制器;控制器最少有二路A/D 轉換、 一路D/A轉換;分別用于測量電壓、電流，輸出O-4V電壓，通過精 密隔離放大器，再接到功率場效應管MOSFET的柵極控制電壓,用于控制柵 極電壓，改變功率場效應管MOSFET的導通電阻；第五步，智能控制器的軟件編制，在軟件中可以設定負載的功率大小和實時檢測電流的變化規律。 第六步，整機調試。所述的一種燃料電池電子負載制作方法，為了防止器件故障而過流，在每個回路中串一個過流保護電阻。為了提高功率場效應管(MOSFET)的抗 干擾性，將智能控制器輸出的0-4V控制信號，通過精密隔離放大器，再接 到功率場效應管MOSFET的柵極控制電壓，以提高控制信號的準確性和抗 干擾性。利用本方法制作的電子負載完全能滿足燃料電池評價的技術要求，具 有導通電阻低，放電電流大，控制精度高，抗干擾性強等特點，非常適合 燃料電池大電流放電的需要。且制作成本特別低。


圖1是功率場效應管MOSFET柵源電壓U(3s與漏極電流lD其關系曲線;圖2是燃料電池電子負載實例的原理圖。
具體實施方式
例1. 200W電子負載制作步驟。首先確定電源參數，電壓0-3V，電流0-80A。負載電阻應該達到0. 0375Q，才能達到放電要求；第二步，根據負載電阻選擇功率場效應管MOSFET 2SK2690的技術參 數是，導通電阻是0.01Q，最大功率是125W，最大電流是80A。第三步，設計電路板，將10個2SK2690并聯，如圖2。計算可得，并 聯后的最小電阻是可以達到0.001Q。為了防止器件故障而過流，在每個回 路中串一個過流保護電阻RS 1 RS 10。第四步，控制電路設計。用51系列單片機設計一個智能控制器。 控制器最少有二路12位A/D轉換、 一路8位D/A。分別用于測量電壓、電 流，輸出0 — 4V電壓，通過精密隔離放大器Ul，再接到功率場效應管 MOSFET的柵極控制電壓,用于控制柵極電壓，改變功率場效應管MOSFET 的導通電阻。第五步，智能控制器的軟件編制。第六步，整機調試，在軟件中可以設定負載的功率大小和變化規律。 按照上述六個步驟， 一臺200W電子負載就會完成。 實際電池評價使用效果完全達到要求。圖1是柵源電壓Ues與漏極電流lD其關系曲線。可以看出，改變Ucs 的大小，可以控制功率場效應管MOSFET漏源之間的通過電流ID，而且可 控性非常好，很適合做負載。圖2是一個已經成功的燃料電池電子負載實例的原理圖。該系統是 由10個功率場效應管MOSFET并聯組成，每個功率MOSFET允許工作電 流I^80A，最大允許漏源電壓UDS = 60V，最大允許功耗PD=125W，通態電阻Ro!^o.oiQ。并聯后的理論總電阻可以達到o.oom，但由于連接導線電阻的影響，回路電阻大于理論值，仍可小于0.003Q，滿足了前面單片燃 料電池的技術要求。RS1-RS10是限流電阻，當功率MOSFET故障短路時， 可限制電流海片功率場效應管MOSFET的柵極串接一個的電阻 Rl-R10,可減小并聯后各器件間的相互影響。將智能控制器輸出的0-4V控 制信號，通過精密隔離放大器U1，再接到功率場效應管MOSFET的柵極 控制電壓，以達到控制信號的準確性,減少其他信號的干擾。智能控制器是由單片計算機組成，有A/D和D/A轉換電路，可測得 電池的電壓和放電總電流，并計算出功率。智能控制根據預先設定的程序， 輸出0-4V的電壓，即調節功率MOSFET的柵極控制電壓，便改變電子負 載的功率和特性。其所具有的控制方式如恒流放電控制、恒壓放電控制、 放電時間控制等，全由計算機軟件來實現。裝置技術指標實測結果:設定功率場效應管MOSFET的柵極電壓Ues, 當單個器件的電流I^10A時，漏源電壓UD^0. 17V，完全滿足單片電池評 價的技術要求。前面所述的雖然只是針對單片電池評價用負載，實際該裝置是通用 于IO片以下的電池組。制作大型電池組的電子負載時，只要根據電壓選用導通電阻Row高 的功率場效應管MOSFET器件，根據電流確定需要并聯器件的數量。另外 再加一些保護電路和軟件保護、聯鎖功能。
權利要求
1.一種燃料電池電子負載，其特征在于，采用功率場效應管MOSFET的低導通電阻特性做為燃料電池的電子負載；將智能控制器輸出的0-4V控制信號，通過精密隔離放大器U1，再接到功率場效應管MOSFET的柵極控制電壓，通過控制其柵源極間電壓可任意調整導通電阻的大小，即改變負載的大小。
2. —種燃料電池電子負載的制作方法，其特征在于，通過控制其柵源 極間電壓可任意調整導通電阻的大小，即改變負載的大小第一步，首先確定電源參數，確定電壓和電流值，計算出負載電阻應 該達到多少歐姆數，才能達到放電要求；第二步，根據計算所得負載電阻阻值選擇功率場效應管MOSFET;第三步，設計電路板，將不少于二個功率場效應管MOSFET并聯，計 算并聯后的最小電阻值，判斷是否符合電子負載要求；第四步，控制電路設計，設計一個智能控制器；控制器最少有二路A/D 轉換、 一路D/A轉換；分別用于測量電壓、電流，輸出0-4V電壓，通過 精密隔離放大器，再接到功率場效應管MOSFET的柵極控制電壓，用于控 制柵極電壓，改變功率場效應管MOSFET的導通電阻；第五步，智能控制器的軟件編制，在軟件中可以設定負載的功率大小 和實時檢測電流的變化規律；第六步，整機調試。
3. 如權利要求2所述的燃料電池電子負載制作方法，其特征在于，為 了防止器件故障而過流，在每個回路中串 一個過流保護電阻。
4. 如權利要求2所述的燃料電池電子負載制作方法，其特征在于，為 了提高功率場效應管(MOSFET)的抗干擾性，將智能控制器輸出的0-4V控 制信號，通過精密隔離放大器，再接到功率場效應管MOSFET的柵極控制 電壓，以提高控制信號的準確性和抗干擾性。
全文摘要
一種燃料電池電子負載制作方法，采用功率場效應管MOSFET的低導通電阻特性做為燃料電池的電子負載，通過控制其柵源極間電壓可任意調整導通電阻的大小，即改變負載的大小，通過多個功率場效應管MOSFET的并聯可實現燃料電池的低電壓大電流放電，利用本方法制作的電子負載完全能滿足燃料電池評價的技術要求，具有導通電阻低，放電電流大，控制精度高，抗干擾性強等特點，且制作成本特別低。
文檔編號H01M8/00GK101335352SQ20071001191
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月29日 優先權日2007年6月29日
發明者張華民, 杰 李 申請人:新源動力股份有限公司